徐　霞， 韓文彪， 趙玉柱， 陳　灝， 步天達(dá)

(1.中科院生態(tài)環(huán)境研究中心 鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究所， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯　017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯　017000)

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生活垃圾與餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氣潛能的研究

徐霞1,2， 韓文彪1,2， 趙玉柱1,2， 陳灝1,2， 步天達(dá)1

(1.中科院生態(tài)環(huán)境研究中心 鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究所， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000)

文章選取固廢物生活垃圾與餐廚垃圾中有機(jī)垃圾作為研究對(duì)象，進(jìn)行中溫批量厭氧消化對(duì)照試驗(yàn)。結(jié)果表明：生活垃圾與餐廚垃圾原料產(chǎn)氣潛能分別為19.36 L· kg-1，42.1 L·kg-1。實(shí)驗(yàn)中，生活垃圾與餐廚垃圾分別經(jīng)過67，82天的厭氧消化，得出生活垃圾原料的TS和VS產(chǎn)氣率分別為131.54 L·kg-1TS和260.66 L·kg-1VS，餐廚垃圾組TS和VS產(chǎn)氣率分別為237.56 L·kg-1TS和405.56 L·kg-1VS。

生活垃圾； 餐廚垃圾； 厭氧消化 ； 沼氣

隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,全國尤其是大中型城市產(chǎn)生的日常生活垃圾與餐廚垃圾產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)，垃圾未經(jīng)無害化處理,裸露堆置或不合理處置會(huì)產(chǎn)生一系列的影響:加劇環(huán)境污染,嚴(yán)重危害城市環(huán)境和居民生活條件。因此，垃圾處理已成為社會(huì)發(fā)展中一個(gè)亟待解決的問題。傳統(tǒng)的垃圾處理處置方法主要有填埋、焚燒、堆肥等，而餐廚垃圾具有含水率高，有機(jī)物含量高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的處理方法，不僅造成餐廚垃圾中資源的損失，而且達(dá)不到清潔利用的效果，容易產(chǎn)生二次污染。因此不論是生活垃圾還是餐廚垃圾如不妥善處理都會(huì)不同程度地影響地表水、地下水、大氣污染等，都會(huì)造成現(xiàn)實(shí)的影響和潛在的危害,這樣不僅破壞了城市的生態(tài)環(huán)境,而且嚴(yán)重危害人民的身體健康[1-7]。

現(xiàn)階段由于能源的過度消耗，人們?cè)谔幚憝h(huán)境污染問題的時(shí)候越來越重視污染處理的資源化，因此，厭氧處理技術(shù)作為一種產(chǎn)能的技術(shù)，既能產(chǎn)生潔凈能源——沼氣，又有效地減少垃圾污染，還可以產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的環(huán)境效益，實(shí)現(xiàn)廢棄物減量化、無害化、資源化的環(huán)保目標(biāo)[8-9]。試驗(yàn)通過中溫批量厭氧消化實(shí)驗(yàn)，初步研究生活垃圾和餐廚垃圾產(chǎn)沼氣性能，為二者無害化處理、資源化利用提供一條可行的途徑，并為我國工業(yè)化應(yīng)用的研究提供一定的借鑒。

1　材料與方法

1.1原料與接種物

厭氧發(fā)酵原料：生活垃圾取自鄂爾多斯市東勝區(qū)傳祥垃圾處理廠生產(chǎn)車間的有機(jī)物，經(jīng)人工破碎后加水過膠體磨；餐廚垃圾：取自東勝區(qū)餐廚車間制漿后料液；接種物(菌種)：采用厭氧發(fā)酵后經(jīng)板框壓濾機(jī)壓濾出的沼渣加水過濾后的污泥，取上清液作為接種物(菌種)。由于接種物的固含率低，可降解的有機(jī)物少，產(chǎn)氣量不高，因此，在后續(xù)發(fā)酵中忽略不計(jì)，發(fā)酵原料特性見表1。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置與方法

自制排水集氣法厭氧發(fā)酵裝置(見圖1)，裝置由1 L厭氧發(fā)酵瓶，5 L排水集氣瓶，1 L集水量筒

表1　試驗(yàn)原料的物化特性

組成。試驗(yàn)采用恒溫37℃批量發(fā)酵工藝，接種物和發(fā)酵原料按質(zhì)量比為3∶7的比例調(diào)配并用等量水替代發(fā)酵原料做對(duì)照(菌種)，混勻后裝入?yún)捬醢l(fā)酵瓶中置于恒溫水浴鍋進(jìn)行厭氧發(fā)酵，直至不再產(chǎn)氣為止。每天晃動(dòng)攪拌兩次(8:00,18:00)，每次5 min。每天定時(shí)測(cè)定產(chǎn)氣量，每3 d取樣分析發(fā)酵液指標(biāo)，根據(jù)產(chǎn)氣情況測(cè)定氣體成分。

1.恒溫水浴鍋； 2.發(fā)酵瓶； 3.集氣瓶； 4.集水瓶； 5.取樣口； 6.取氣口； 7.導(dǎo)氣管圖1　厭氧消化實(shí)驗(yàn)裝置

1.3主要實(shí)驗(yàn)儀器

HHS-6S電子恒溫不銹鋼水浴鍋，M-FB180a J膠體磨，HH-6化學(xué)耗氧量測(cè)定儀，101A-1恒溫干燥箱，A-10型箱式電阻爐，5-3C型pH測(cè)定儀，GC112A氣象色譜儀，722型可見分光光度。

1.4分析項(xiàng)目及方法

CODcr：快速密閉催化消解法；TS和VS：重量法；pH值：玻璃電極法；NH3-N：納氏試劑比色法； 氣體成分：氣相色譜法；產(chǎn)氣量：排水集氣法。

2　結(jié)果與討論

2.1生活垃圾與餐廚垃圾的產(chǎn)氣量

生活垃圾與餐廚垃圾的日產(chǎn)氣量為每組的日產(chǎn)氣量減去相應(yīng)對(duì)照組(菌種)的日產(chǎn)氣量，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出：厭氧發(fā)酵初期生活垃圾和餐廚垃圾第1天便開始產(chǎn)氣，但釋放的大多是二氧化碳，之后生活垃圾與餐廚垃圾的產(chǎn)氣量都急劇下降，pH值也持續(xù)降低，最后通過人工干預(yù)后 (加10 mol·L-1NaOH進(jìn)行調(diào)節(jié)),從第8 d開始隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)兩組的產(chǎn)氣量逐漸升高，但餐廚垃圾不明顯，生活垃圾在第18 d出現(xiàn)最高峰值；而餐廚垃圾在第25 d～62 d日產(chǎn)氣量相對(duì)穩(wěn)定，第67 d才出現(xiàn)最高峰值。出現(xiàn)峰值后兩組的日產(chǎn)氣量都隨厭氧發(fā)酵的進(jìn)行逐漸減小，直至停止產(chǎn)氣。

圖2　厭氧消化過程中日產(chǎn)氣量的變化

由圖3可以看出，生活垃圾與餐廚垃圾的累積產(chǎn)氣量分別在34 d，80 d之內(nèi)是逐漸上升，然后相對(duì)平穩(wěn)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，累積總產(chǎn)氣量分別達(dá)到16269.5 mL，32182.1 mL,減去對(duì)照組(菌種)的累積產(chǎn)氣量，生活垃圾及餐廚垃圾凈累積產(chǎn)氣量分別為：13554.2 mL，29466.8 mL。由此可得出，生活垃圾與餐廚垃圾原料的產(chǎn)氣率分別達(dá)19.36 m3·t-1，42.16 m3·t-1。以TS計(jì)，產(chǎn)氣率分別達(dá)131.54 m3·t-1，237.56 m3·t-1；以VS計(jì)，產(chǎn)氣率分別達(dá)260.66 m3·t-1，405.26 m3·t-1。

2.2厭氧消化過程中發(fā)酵液有機(jī)物變化

由表2可知，厭氧發(fā)酵前后，生活垃圾與餐廚垃圾兩組的COD去除率分別為30.53%，57%；TS去除率分別為31.25%，33.26%；VS去除率分別為42.04%，45.01%。

2.3消化過程環(huán)境指標(biāo)的變化

發(fā)酵過程中生活垃圾與餐廚垃圾pH值，氨氮，COD的變化見圖4～圖6。pH值是影響厭氧發(fā)酵過程的重要工藝參數(shù)，厭氧消化過程中產(chǎn)甲烷的最佳pH值是6.8～7.2。由圖4看出，實(shí)驗(yàn)pH值是先下降后上升最后趨于穩(wěn)定。在發(fā)酵初期，由于發(fā)酵原料迅速水解酸化，發(fā)酵體系中甲烷菌數(shù)量有限，產(chǎn)生的VFA不能被甲烷菌全部利用，造成酸的積累，因此pH值持續(xù)下降。隨后在第6 d分別向發(fā)酵瓶

表2　發(fā)酵原料物化特性的變化

中加入10 mol·L-1NaOH調(diào)節(jié)pH值到7.2左右，再加上系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)，甲烷菌的活性慢慢增強(qiáng)，開始有效利用原料中的VFA，隨著發(fā)酵的進(jìn)行pH值逐漸升高，并維持在7.2～8.2之間，這時(shí)產(chǎn)甲烷也比較穩(wěn)定。

圖4　厭氧消化過程中pH值的變化

圖5　厭氧消化過程中氨氮的變化

氨氮是厭氧微生物生長(zhǎng)所必需的基本氮源，一定濃度的氨氮對(duì)產(chǎn)甲烷有一定的促進(jìn)作用。圖5顯示，氨氮濃度隨著試驗(yàn)的延續(xù)呈上升趨勢(shì)。這是由于有機(jī)垃圾中含有大量的有機(jī)氮，多以蛋白質(zhì)的形式存在，厭氧發(fā)酵后，蛋白質(zhì)水解為氨基酸，并進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，因而發(fā)酵液中氨態(tài)氮升高。發(fā)酵后期氨氮累積明顯，一定程度上抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。由圖6看出，生活垃圾與餐廚垃圾的COD均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于系統(tǒng)中的原料得到微生物的有效利用而釋放出CO2和CH4，因此二者COD隨厭氧發(fā)酵的進(jìn)行逐漸減少。

圖6　厭氧消化過程中COD的變化

3　結(jié)論

通過試驗(yàn)得出，生活垃圾與餐廚垃圾發(fā)酵原料中溫厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣潛能分別為：19.36 m3·t-1，42.1 m3·t-1。以TS計(jì)，產(chǎn)氣率分別達(dá)131.54 m3·t-1，237.56 m3·t-1；以VS計(jì)，產(chǎn)氣率分別達(dá)260.66 m3·t-1，405.26 m3·t-1。

由此可見，生活垃圾與餐廚垃圾在中溫條件下具有很好的產(chǎn)氣潛力，是良好的沼氣厭氧發(fā)酵原料，既能變廢為寶，提供能源，又有利于環(huán)境保護(hù)。

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The Biogas Production Potential of Domestic Waste and Kitchen Waste /

XU Xia1,2， HAN Wen-Biao1,2， ZHAO Yu-Zhu1,2， CHEN Hao1,2， BU Tian-Da1/

(1. Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Ordos 017000,China; 2. Ordos Urban Mining Research and Development Co Ltd,Ordos 017000,China)

The biogas production potential of domestic waste and kitchen waste were experimented and compared in batch fermentation under 37℃.After 67 days of fermentation with domestic waste and 82 days with kitchen waste, the TS based biogas production rate were 131.54 L·kg-1， 237.56 L·kg-1, and that of VS based were 260.66 L·kg-1，405.56 L·kg-1, respectively. Both materials showed good biogas production potential.

domestic waste; kitchen waste; anaerobic digestion; biogas

2015-10-09

2015-11-16

徐 霞(1978-)，女，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工程師，研究方向?yàn)槌鞘杏袡C(jī)廢棄物處置與利用，E-mail:737708102@qq.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)05-0038-03