王彥杰， 畢少杰， 洪秀杰， 韓曉亮， 高亞梅， 晏 磊， 王偉東

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163319； 2. 大慶市農(nóng)業(yè)委員會(huì)， 黑龍江 大慶 163411)

牛糞添加量對(duì)餐廚垃圾厭氧消化的影響

王彥杰1， 畢少杰1， 洪秀杰2， 韓曉亮2， 高亞梅1， 晏 磊1， 王偉東1

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163319； 2. 大慶市農(nóng)業(yè)委員會(huì)， 黑龍江 大慶 163411)

文章以餐廚垃圾和牛糞為原料，在餐廚垃圾16 gVS·L-1的條件下，添加牛糞調(diào)節(jié)原料中餐廚垃圾與牛糞VS質(zhì)量比為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶3進(jìn)行混合發(fā)酵，研究牛糞添加量對(duì)餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程和產(chǎn)氣效果的影響。結(jié)果表明，單獨(dú)厭氧消化時(shí)，餐廚垃圾沼氣產(chǎn)率和甲烷產(chǎn)率均顯著高于牛糞。混合發(fā)酵時(shí)，消化過(guò)程中pH值先下降后上升，隨著牛糞添加比例的提高，pH值下降程度變小，恢復(fù)上升速度加快； 甲烷產(chǎn)量顯著上升，但甲烷產(chǎn)率顯著下降。餐廚垃圾和牛糞混合消化的甲烷產(chǎn)量均高于對(duì)應(yīng)質(zhì)量餐廚垃圾和牛糞單獨(dú)厭氧消化產(chǎn)量之和，當(dāng)牛糞的添加比例為2∶1時(shí)，甲烷產(chǎn)量提高效果最顯著，提高率達(dá)到52.4%?？梢?jiàn)，添加牛糞與餐廚垃圾進(jìn)行混合厭氧消化可以增強(qiáng)消化體系的穩(wěn)定性，提高厭氧消化效率。

餐廚垃圾； 牛糞； 混合厭氧發(fā)酵； 沼氣

隨著城鎮(zhèn)人口的增長(zhǎng)和人們生活水平的提高，城市生活垃圾的產(chǎn)量逐年增加，2013年我國(guó)城市垃圾總量超過(guò)了1.6×108t[1]，其中37%～62%的城市生活垃圾為餐廚垃圾[2]。餐廚垃圾是飯店、餐館和機(jī)關(guān)、院校、企事業(yè)單位在食品加工、餐飲服務(wù)、單位供餐等活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物的統(tǒng)稱，有機(jī)質(zhì)含量豐富，含水率高，易腐敗，容易產(chǎn)生臭氣和污水，處置不當(dāng)，將嚴(yán)重影響周圍的環(huán)境。城市生活垃圾一般采用衛(wèi)生填埋的方法進(jìn)行處理，但是衛(wèi)生填埋占用土地量大，易污染地下水，產(chǎn)生甲烷等溫室氣體，資源回收利用率低，采用填埋法處理餐廚垃圾受到限制[3]。

餐廚垃圾的有機(jī)質(zhì)含量豐富，采用厭氧消化的方式處理可生產(chǎn)甲烷含量較高的沼氣[4]。然而，餐廚垃圾中易降解成分含量高，單獨(dú)進(jìn)行厭氧消化時(shí)易酸化[5]； 營(yíng)養(yǎng)元素不均衡，一般認(rèn)為厭氧消化適宜的C/N為20～30[6]，而餐廚垃圾的C/N并不在此范圍[7]。研究發(fā)現(xiàn)，混合厭氧消化可以稀釋餐廚垃圾中的高鹽分、高油脂，調(diào)節(jié)C/N，豐富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，穩(wěn)定消化體系，增強(qiáng)產(chǎn)沼氣能力[8]。

牛糞是厭氧消化最常用原料之一。牛糞的緩沖能力強(qiáng)，營(yíng)養(yǎng)成分豐富，但多為難降解物質(zhì)，單獨(dú)厭氧消化時(shí)啟動(dòng)慢、處理周期長(zhǎng)、沼氣產(chǎn)率較低[9]。將餐廚垃圾與牛糞進(jìn)行混合厭氧消化，可以充分利用各自的厭氧消化特性和產(chǎn)氣潛能，提高發(fā)酵效率[10]。研究者多在恒定的底物濃度的條件下，研究牛糞與餐廚垃圾不同混合比例對(duì)產(chǎn)甲烷的影響，得到混合發(fā)酵時(shí)產(chǎn)氣量高于單獨(dú)厭氧發(fā)酵的結(jié)果[11-12]； 但李榮平[13]等研究表明，牛糞與餐廚垃圾混合厭氧消化產(chǎn)氣量顯著低于餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化的產(chǎn)氣量，隨著混合原料中餐廚垃圾所占比例的提高，產(chǎn)氣量逐漸升高，以產(chǎn)氣量為標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法得出最佳的混合比例。可見(jiàn)，原料的來(lái)源與性質(zhì)的差異可導(dǎo)致不同的產(chǎn)氣效果。本實(shí)驗(yàn)室研究表明餐廚垃圾的沼氣產(chǎn)率顯著高于混合消化[14]，與李榮平等的研究結(jié)果一致。為了明確不同比例餐廚垃圾與牛糞混合厭氧消化的效果，將混合原料單獨(dú)厭氧消化的累加產(chǎn)氣效果與混合消化相比較，探究牛糞的添加比例對(duì)餐廚垃圾厭氧消化的影響。

試驗(yàn)以餐廚垃圾的量為定值，改變牛糞的量實(shí)現(xiàn)混合比例的變化，35℃條件下采用批式厭氧消化方式研究牛糞添加量對(duì)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響，探討兩種物料在厭氧消化過(guò)程中的相互作用效果，為提高餐廚垃圾和牛糞的厭氧消化效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試餐廚垃圾取自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校內(nèi)學(xué)生食堂。將供試餐廚垃圾用JJ-2B粉碎機(jī)(金壇市盛威試驗(yàn)儀器廠)機(jī)械打漿成顆粒(粒徑為1～5 mm)。牛糞取自黑龍江省肇東市宋站鎮(zhèn)奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)新鮮牛糞。原料收集后均在-20℃條件下保存，使用前在4℃條件下解凍24 h。實(shí)驗(yàn)室采用半連續(xù)發(fā)酵的方式通過(guò)添加餐廚垃圾馴化牛糞料液，將產(chǎn)氣與pH值穩(wěn)定的料液經(jīng)自然沉降的上清液作為接種物[14]。餐廚垃圾和牛糞的主要特性見(jiàn)表1。

表1 餐廚垃圾和牛糞的特性 (%)

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，下同。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的消化裝置為1 L的螺口瓶，用硅膠塞密封，料液的裝量0.8 L。瓶塞上設(shè)有取樣口和集氣口，用 1 L的鋁箔集氣袋收集產(chǎn)生的沼氣。消化裝置的示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 消化裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示，在消化裝置(見(jiàn)圖1)中加入餐廚垃圾16 gVS，添加不同質(zhì)量(5.32，8，16，32和48 gVS)的牛糞，調(diào)節(jié)餐廚垃圾和牛糞VS質(zhì)量比分別為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶3(A1～A5)進(jìn)行混合厭氧消化； 同時(shí)設(shè)置與混合消化料液中對(duì)應(yīng)濃度的牛糞(B1～B5)與餐廚垃圾(C)進(jìn)行單獨(dú)厭氧消化。原料添加到消化瓶后，添加接種物240 mL，補(bǔ)水至800 mL，充分混勻后，通過(guò)取樣口通入氮?dú)? min (300 mL·min-1)，使消化瓶中形成厭氧環(huán)境。將消化瓶放置于恒溫培養(yǎng)箱中，35℃條件下厭氧消化30 d。試驗(yàn)過(guò)程中，每天從取樣口取出1 mL料液用于pH值的測(cè)定，將集氣袋中的氣體排出用于沼氣產(chǎn)量和甲烷含量的測(cè)定。每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.4 測(cè)定方法

TS和VS采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[15]。pH值采用pH計(jì)(HORIBA，Model B-712)測(cè)定。餐廚垃圾和牛糞的總氮和總碳采用multi N/C 3100總有機(jī)碳/總氮分析儀(Analytik Jena公司)測(cè)定，通過(guò)計(jì)算總碳與總氮的比值求得C/N。將集氣袋中的氣體采用排水法測(cè)定產(chǎn)氣量，采用GA2000便攜式沼氣分析儀(Geotech公司)測(cè)定甲烷含量。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

注：A1～A5：餐廚垃圾和牛糞混合厭氧消化； B1～B5：牛糞單獨(dú)厭氧消化； C：餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化

1.5 甲烷產(chǎn)量提高率的計(jì)算方法

將餐廚垃圾和牛糞混合消化的甲烷產(chǎn)量與對(duì)應(yīng)質(zhì)量餐廚垃圾和牛糞單獨(dú)厭氧消化產(chǎn)甲烷量之和相比較，計(jì)算甲烷產(chǎn)量提高率，計(jì)算方法為：甲烷產(chǎn)量提高率=(混合消化甲烷產(chǎn)量-混合料液?jiǎn)为?dú)消化產(chǎn)量之和)/混合料液?jiǎn)为?dú)消化產(chǎn)量之和×100%。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用軟件Origin8.0中描述性統(tǒng)計(jì)分析(descriptive statistics)的方法對(duì)平行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用單因素方差分析 (One way ANOVA，Turkey法，P=0.05)的方法對(duì)不同處理之間的差異進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 餐廚垃圾與牛糞混合消化過(guò)程中pH值的變化

在30 d的批式厭氧消化中，pH值的變化見(jiàn)表3。隨著消化的進(jìn)行，不同處理消化過(guò)程中pH值均先下降后上升，然后穩(wěn)定在7.3左右。在厭氧消化的初始階段，由于產(chǎn)酸菌快速繁殖生長(zhǎng)和代謝，將易降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸，但產(chǎn)甲烷古菌生長(zhǎng)和代謝緩慢，不能及時(shí)將產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸利用，容易造成脂肪酸的積累，導(dǎo)致消化體系pH值下降。隨著產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖和對(duì)消化環(huán)境的適應(yīng)，脂肪酸的利用逐漸加快。另外含氮有機(jī)物的降解可產(chǎn)生胺鹽，使消化體系的pH值上升[16]。消化體系可自行調(diào)節(jié)pH值至產(chǎn)甲烷適宜的范圍，反應(yīng)器運(yùn)行正常。餐廚垃圾單獨(dú)消化的pH值下降速度最快，下降程度最大，前3 d迅速降至5.5，恢復(fù)速度最慢，直到第10 d才趨于平緩，最終pH值保持在7.2左右。牛糞單獨(dú)消化的pH值下降速度最小，恢復(fù)速度最快，在第3 d降至7.0，第5 d已恢復(fù)至7.3左右。餐廚垃圾和牛糞混合厭氧消化時(shí)，牛糞添加比例越高，pH值下降的速度越慢、下降程度越小，恢復(fù)速度越快。張存勝[17]研究廚余沼氣發(fā)酵時(shí)，考察了餐廚垃圾與秸稈、牛糞的混合發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)與牛糞的混合后的體系更穩(wěn)定，確定了餐廚垃圾的最佳混合物為牛糞。陳廣銀[18]等對(duì)牛糞與互花米草混合厭氧消化產(chǎn)沼氣的效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)牛糞的比例越高，系統(tǒng)的緩沖能力越強(qiáng)。牛糞具有較強(qiáng)的緩沖pH值的能力，添加牛糞提高了厭氧消化體系的穩(wěn)定性。

表3 厭氧消化過(guò)程中pH值的變化

2.2 餐廚垃圾、牛糞及混合消化的產(chǎn)沼氣效果

消化初始時(shí)，沼氣日產(chǎn)率隨著牛糞添加比例的增大而降低，這可能是由于餐廚垃圾的易降解物質(zhì)含量高，產(chǎn)氣過(guò)程主要集中在前10 d[19]，而牛糞中纖維素、半纖維素含量較高，厭氧消化啟動(dòng)慢造成的。牛糞單獨(dú)消化的處理在28 d時(shí)停止產(chǎn)氣，而混合消化體系在23 d時(shí)產(chǎn)氣基本停止，混合消化縮短了牛糞的消化時(shí)間。經(jīng)過(guò)30 d的厭氧消化，不同處理的沼氣產(chǎn)率和產(chǎn)量如表4所示?？梢?jiàn)，添加牛糞提高了餐廚垃圾厭氧消化的沼氣產(chǎn)量。餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化的沼氣產(chǎn)率最高，達(dá)到596 mL·g-1VS； 牛糞單獨(dú)厭氧消化的沼氣產(chǎn)率最低，僅為231～279 mL·g-1VS； 混合原料的沼氣產(chǎn)率居于餐廚垃圾和牛糞的沼氣產(chǎn)率之間，隨著牛糞添加量提高，混合原料沼氣產(chǎn)率逐漸下降。

表4 各處理的沼氣產(chǎn)率和沼氣產(chǎn)量

2.3 餐廚垃圾、牛糞及混合消化的產(chǎn)甲烷效果

表5列出了餐廚垃圾和牛糞單獨(dú)厭氧消化的甲烷產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)率和甲烷含量。通過(guò)單因素方差分析 (One way ANOVA，Turkey法，P=0.05)可以看出，VS的變化對(duì)牛糞單獨(dú)厭氧消化的甲烷產(chǎn)率和甲烷含量無(wú)顯著影響，VS的提高可以顯著提高甲烷產(chǎn)量； 餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化的甲烷產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)率和甲烷含量均顯著高于牛糞?？梢?jiàn)，在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)原料濃度對(duì)牛糞消化的甲烷產(chǎn)率的影響不顯著。餐廚垃圾和牛糞單獨(dú)厭氧消化的甲烷產(chǎn)率分別為358 mL·g-1VS和80～87 mL·g-1VS，餐廚垃圾的甲烷產(chǎn)率比牛糞的高3.5倍，與李榮平的研究結(jié)果相一致[17]。

表5 各處理厭氧消化的甲烷產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)率和甲烷含量

注：各處理間差異采用ANOVA分析，每列中不同的字母表示處理之間有顯著性差異(P<0.05)，下同。

餐廚垃圾和牛糞混合厭氧消化的甲烷產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)率和甲烷含量見(jiàn)表6。從表5和表6可見(jiàn)，混合厭氧消化的甲烷產(chǎn)量、甲烷含量均顯著高于餐廚垃圾和牛糞單獨(dú)厭氧消化； 但混合厭氧消化的甲烷產(chǎn)率顯著高于牛糞，低于餐廚垃圾，這主要是由于牛糞的甲烷產(chǎn)率遠(yuǎn)低于餐廚垃圾的引起的?；旌舷瘯r(shí)，隨著牛糞添加比例的增加，甲烷產(chǎn)量逐步提高，甲烷產(chǎn)率逐漸下降。當(dāng)牛糞的添加比例超過(guò)1時(shí)，甲烷含量有了顯著提高，在添加比例比值為2時(shí)，甲烷含量達(dá)到最高值70.3%。

表6 各處理厭氧消化的累積產(chǎn)甲烷量、甲烷產(chǎn)率和甲烷含量

處 理甲烷產(chǎn)量甲烷產(chǎn)率甲烷含量mL(mL·g-1VS)%A16718±125d315±3a63．2±0．3bA27224±129c301±3b65．4±1．2bA39390±223b295±4bc69．7±1．8aA413776±148a287±3c70．3±0．6aA512760±153a215±5d69．2±0．3a

2.4 牛糞添加量對(duì)餐廚垃圾厭氧消化甲烷產(chǎn)量的影響

表7顯示的是牛糞添加量對(duì)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響。餐廚垃圾和牛糞混合消化的甲烷產(chǎn)量均高于對(duì)應(yīng)質(zhì)量餐廚垃圾和牛糞單獨(dú)厭氧消化產(chǎn)量之和，表明混合厭氧消化可以顯著提甲烷產(chǎn)量，促進(jìn)牛糞和餐廚垃圾的厭氧消化效率。當(dāng)餐廚垃圾和牛糞的混合比例為1∶2，C/N為26.9時(shí)，厭氧消化的產(chǎn)甲烷量提高了4737 mL，提高率高達(dá)52.4%。

3 討論和結(jié)論

餐廚垃圾的主要成分為淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)等易降解物質(zhì)，這些成分的快速降解容易導(dǎo)致消化液中的有機(jī)酸積累，使厭氧消化發(fā)生酸敗[20]。牛糞中的營(yíng)養(yǎng)成分豐富，緩沖pH值的能力強(qiáng)，有助于提高厭氧消化體系的穩(wěn)定。研究人員將餐廚垃圾與牛糞進(jìn)行混合厭氧消化，混合消化系統(tǒng)的緩沖能力得到增強(qiáng)，穩(wěn)定性得到提高，取得了良好的厭氧消化效果[7, 11～12, 14]。筆者研究表明，將牛糞添加到餐廚垃圾中進(jìn)行混合發(fā)酵，提高了餐廚垃圾的緩沖能力。同時(shí)，與牛糞和餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化的累加效果相比，混合消化的甲烷產(chǎn)量有所提高。

適宜厭氧微生物生長(zhǎng)的C/N在25左右[21]，但餐廚垃圾的C/N低于此范圍。較低的C/N會(huì)使氨氮積累，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。因此，餐廚垃圾單獨(dú)進(jìn)行厭氧消化時(shí)，雖然能夠在較低負(fù)荷下持續(xù)的運(yùn)行，但消化性能不穩(wěn)定，效率低。為調(diào)節(jié)餐廚垃圾的C/N，平衡原料中的營(yíng)養(yǎng)成分，使厭氧消化體系穩(wěn)定進(jìn)行，許多研究人員將餐廚垃圾與印染廢水、果蔬廢棄物等進(jìn)行混合，混合后的原料C/N更加適宜微生物的生長(zhǎng)，促進(jìn)了厭氧消化的效率的提高[7]。馮磊[12]等研究了廚余和牛糞混合厭發(fā)氧消化的產(chǎn)氣性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)廚余與牛糞的總固體質(zhì)量比為2∶1時(shí)的產(chǎn)沼氣潛能最大，可達(dá)610 mL·g-1VS，此時(shí)原料的C/N為23。牛糞含有較高的C/N，往往高于適宜厭氧微生物生長(zhǎng)的最佳范圍[22]。將餐廚垃圾與牛糞進(jìn)行混合后，原料的C/N處于厭氧微生物生長(zhǎng)的適宜范圍。筆者研究表明，當(dāng)餐廚垃圾與牛糞的VS質(zhì)量比為2，C/N為26.9時(shí)，混合厭氧消化的甲烷產(chǎn)量增強(qiáng)率最高。

表7 牛糞添加量對(duì)混合厭氧消化甲烷產(chǎn)量的影響

添加牛糞到餐廚垃圾中進(jìn)行混合厭氧消化增強(qiáng)了餐廚垃圾消化體系的緩沖能力，調(diào)節(jié)了C/N，提高了甲烷產(chǎn)量和沼氣中的甲烷含量，對(duì)提高餐廚垃圾和牛糞的厭氧消化效率有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，但牛糞添加對(duì)混合消化影響的機(jī)理尚不明確，需進(jìn)一步研究。

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Effect of Cow Dung Added Amount on Kitchen Waste Anaerobic Digestion /

WANG Yan-jie1, BI Shao-jie1, HONG Xiu-jie2, HAN Xiao-liang2, GAO Ya-mei1, YAN Lei1, WANG Wei-dong1/

(1.College of Life Science and Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2. Commission of Agriculture of Daqing City, Daqing 163000, China)

Under the kitchen waste loading of 16 gVS·L-1, different amount of cow dung were added(kitchen waste ：cow dung were 3∶1，2∶1，1∶1，1∶2, 1∶3, based on VS), the effect of cow dung quantity on the kitchen waste fermentation were investigated. The result showed that, the sole kitchen waste fermentation had higher biogas production than the sole cow dung fermentation. The pH firstly went down and then up. With the increasing of cow dung quantity, the going down level of pH tended to smaller, and its recover speed tend to faster, the total methane production increased significantly but methane production rate based on VS decreased. The co-digestion of kitchen waste and cow dung had higher methane production than their sole digestion. The kitchen waste and cow dung proportion of 2∶1 had the best methane production with methane production increasing of 52.4%. So, the addition of cow dung to kitchen waste could stabilize the digestion.

kitchen waste; manure; anaerobic co-digestion; biogas

2015-12-11

2016-01-31

項(xiàng)目來(lái)源： 國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAD21B01;2012BAD12B05-3)； 黑龍江省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2012TD006)； 黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目(GZ11B108;GC12B306)； 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(YJSCX2015-Y55)； 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)成、引進(jìn)人才科研啟動(dòng)計(jì)劃(XDB2015-26)

王彥杰(1972- )，男，山東單縣人，教授，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究工作，E-mail:wangyanjie1972@163.com

王偉東，E-mail:wwdcyy@126.com

S216.4; X713

A

1000-1166(2016)06-0027-06