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)垃圾作為研究對象，進(jìn)行中溫批量厭氧消化對照試驗(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，垃圾未經(jīng)無害化處理,裸露堆置或不合理處置會產(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發(fā)展中一個亟待解決的問題。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不同程度地影響地表水、地下水、大氣污染等，都會造成現(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，人們在處理環(huán)境污染問題的時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。每天晃動攪拌兩次(8:00,18:00)，每次5 min。每天定時測定產(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)耗氧量測定儀，101A-1恒溫干燥箱，A-10型箱式電阻爐，5-3C型pH測定儀，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)酵時間的延長兩組的產(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所必需的基本氮源，一定濃度的氨氮對產(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。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。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)。

[1]孫 艷.城市有機(jī)生活垃圾厭氧發(fā)酵前景廣闊[J].中國資源綜合利用，2004，11：12-15.

[2]易龍生,饒玲華,王 鑫,王 浩. 餐廚垃圾理化性質(zhì)及其厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力分析 [J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，43(4):584-588.

[3]高鳳彩,張學(xué)才,陳明功.城市有機(jī)生活垃圾資源化的研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2000,7(5)：31-33.

[4]劉曉英,李秀全,董仁杰,肖 勇，等.北京餐廚垃圾產(chǎn)生狀況及厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力分析[J].可再生能源，2009，27(4)：61-65.

[5]張記市,張 雷,王 華.城市有機(jī)生活垃圾厭氧發(fā)酵處理研究[J].生態(tài)環(huán)境，2005，14(3)：321-324.

[6]Robinson, Bone H D K, Picken B D. Leachate quality from land filled waste[R]. Harrogate, UK: the Biodegradable and Residual Waste Management Conference, 2004: 74-84.

[7]宋建利,石偉勇,倪 亮,王 亮.城市生活垃圾現(xiàn)狀與資源化處理技術(shù)研究.[J]河北農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,13(7):58-61.

[8]馬 磊,王德漢,謝錫龍,李 亮,王夢男.餐廚垃圾高溫厭氧消化[J].環(huán)境工程學(xué)報，2009，3(8):167-170.

[9]陳慶今,劉煥彬,胡勇有.固體有機(jī)垃圾厭氧消化處理的研究進(jìn)展[J].中國沼氣,2001,19(3) :3-8.

[10] 王延昌,袁巧霞,謝景歡,郭聰穎.餐廚垃圾厭氧發(fā)酵特性的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報，2009，3(9):143-148.

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