魏珞宇， 羅臣乾， 張 敏， 申祿坤， 王 星， 張國(guó)治

(農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041)

農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能研究

魏珞宇， 羅臣乾， 張 敏， 申祿坤， 王 星， 張國(guó)治

(農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041)

文章研究了在TS為8%和5%，中溫(35℃)與常溫，粉碎程度為粗粒與細(xì)粒的條件下，不同組合的農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果。結(jié)果表明，當(dāng)TS為8%，中溫粗粒條件下的累計(jì)產(chǎn)氣量和TS甲烷產(chǎn)率達(dá)到最高，分別達(dá)8035 mL和0.2704 m3·kg-1，而TS為5%，常溫粗粒條件下，農(nóng)村生活垃圾的累計(jì)產(chǎn)氣量最低，僅為2453 mL。發(fā)酵過程中pH值維持在6.0～7.5之間，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果較好，而pH值低于6時(shí)，厭氧發(fā)酵受到明顯抑制。此外，厭氧發(fā)酵對(duì)農(nóng)村生活垃圾的重金屬含量有明顯去除作用。

農(nóng)村生活垃圾； 厭氧發(fā)酵； 沼氣

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)民的生活水平得到了很大的改善，農(nóng)村的建設(shè)面貌也煥然一新。但是，隨之產(chǎn)生的問題是隨著人們生活水平不斷提高，生活垃圾日益增多，農(nóng)村生活廢棄物的產(chǎn)量和種類也逐年增加，對(duì)環(huán)境造成極大的破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)農(nóng)村生活廢棄物(以餐廚垃圾和果蔬廢棄物為主)年產(chǎn)量超過20億t[1]，這些廢棄物不妥善處理不僅污染環(huán)境還會(huì)影響人們的健康。目前只有少量的農(nóng)村生活垃圾得到有效處理，且處理方式也大多為填埋，轉(zhuǎn)運(yùn)[2]。因此，如何合理高效的處理農(nóng)村生活垃圾已成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。

厭氧發(fā)酵是處理有機(jī)廢棄物的理想方法，在消除污染的同時(shí)可以產(chǎn)生清潔能源—沼氣，且發(fā)酵后的沼渣、沼液可用作有機(jī)肥[3]。國(guó)內(nèi)也對(duì)通過厭氧消化來處理農(nóng)村生活垃圾做了大量研究[4-5]。筆者主要探索在不同發(fā)酵條件組合下，農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能研究，以期找出最優(yōu)組合，為有效利用農(nóng)村生活垃圾發(fā)酵技術(shù)處理農(nóng)村有機(jī)生活廢棄物的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試生活垃圾均取自成都市周邊農(nóng)村。

圖1 發(fā)酵裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用批式厭氧消化法，1 L廣口瓶作發(fā)酵罐，800 mL的有效反應(yīng)體積，恒溫水浴鍋控制溫度進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，排水集氣法收集沼氣。

1.3 試驗(yàn)方法

發(fā)酵條件設(shè)定為中溫35℃和常溫、粉碎程度為粗粒(3 cm)與細(xì)粒(1 cm)4個(gè)條件，發(fā)酵濃度TS設(shè)為 5%和8%，交叉組合共8個(gè)處理(見表1)，每個(gè)處理3次重復(fù)。對(duì)照為中溫條件污泥TS 為5%和8%與常溫條件污泥TS的 5%和8%。接種量均為20%。堆漚1個(gè)星期,然后調(diào)節(jié)pH值至8，裝瓶進(jìn)行厭氧發(fā)酵，并添加適量微量元素。每日記錄各實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)氣量，并不定期測(cè)試各實(shí)驗(yàn)組氣質(zhì)含量和pH值，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

表1 農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)設(shè)置對(duì)照表

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

總固體(TS)含量：烘干法測(cè)定；

產(chǎn)氣量：排水集氣法測(cè)定；

氣體成分：沼氣氣體成分分析儀測(cè)定；

pH值：智能pH計(jì)測(cè)定。

微量元素：原子吸收法測(cè)定

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣狀況

2.1.1 日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量

不同條件下各處理厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)速度和日產(chǎn)氣量在發(fā)酵期間差異很大(見圖2)。在中溫條件下，處理D和處理E在發(fā)酵第13天左右就到達(dá)產(chǎn)氣高峰，處理E的日產(chǎn)氣量達(dá)到1000 mL以上，但D不到600 mL；隨后產(chǎn)氣量迅速下降，在發(fā)酵第22天左右就基本不產(chǎn)氣，而處理B和處理H啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較慢，產(chǎn)氣高峰分別出現(xiàn)在第22和16天左右，最高產(chǎn)氣量也分別達(dá)到1000 mL，600 mL以上，后面雖然也迅速下降，但發(fā)酵時(shí)間也分別持續(xù)到第40，30天左右。在常溫條件下，常溫處理的啟動(dòng)時(shí)間明顯較長(zhǎng)，處理A和處理F的產(chǎn)氣高峰在第30天左右，最高日產(chǎn)氣量分別在800 mL，600 mL左右，處理C和處理G產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第25天左右，最高日產(chǎn)氣量只有400 mL左右。從圖中還可以看出，在相同濃度相同粒徑條件下，中溫處理的發(fā)酵日產(chǎn)氣量明顯高于常溫處理，而在相同溫度相同濃度條件下，細(xì)粒處理的日產(chǎn)氣量量也要高于粗粒處理，此外，日產(chǎn)氣量TS為8%的又明顯高于TS為5%，綜上所述，高濃度中溫細(xì)粒條件下，農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵的日產(chǎn)氣量達(dá)到最好。

而對(duì)于累計(jì)產(chǎn)氣量，各處理農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵的累計(jì)產(chǎn)氣量大小順序?yàn)椋築 > E > A > F > H >D >C >G (見圖3)，各處理最終累計(jì)產(chǎn)氣量依次為8035 mL，7577 mL，5520 mL，5139 mL，3590 mL，3446 mL，2521 mL，2453 mL?？梢钥闯?，中溫優(yōu)于常溫，高濃度優(yōu)于低濃度，粗粒優(yōu)于細(xì)粒。這與日產(chǎn)氣量細(xì)粒優(yōu)于粗粒結(jié)果相違背，主要是因?yàn)?，?xì)粒處理雖然在短時(shí)間能很快達(dá)到產(chǎn)氣高峰且日產(chǎn)氣量高，但由于粉碎程度細(xì)，厭氧消化快，原料很快發(fā)酵完成，從而時(shí)間短，造成累計(jì)產(chǎn)氣量反而較低。綜上可以看出，高濃度中溫粗粒條件下，農(nóng)村生活垃圾的累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到最大。

圖2 農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量的變化

圖3 農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣量的變化

2.2 不同處理的TS產(chǎn)氣潛力

由表2可以看出，高濃度總體TS去除率高于低濃度。圖4表明，高濃度下細(xì)粒常溫以及粗粒中溫發(fā)酵的TS產(chǎn)氣量最高，達(dá)到0.4 m3·kg-1，明顯高于其它處理；然而原料甲烷產(chǎn)率粗粒中溫更高，這與前面累計(jì)產(chǎn)氣量結(jié)論相符合?？傮w高濃度中溫條件的原料產(chǎn)氣率高于其他處理，表明在適當(dāng)條件下農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵對(duì)農(nóng)村生活廢棄物的資源化利用具有實(shí)際應(yīng)用前景。

表2 農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵TS去除率 (%)

圖4 農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵TS產(chǎn)氣潛力

2.3 pH值對(duì)發(fā)酵試驗(yàn)的影響

有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵過程是經(jīng)各種大小分子有機(jī)物、短鏈脂肪酸轉(zhuǎn)化成 CH4和CO2的過程[6]，雖然過程復(fù)雜，但仍會(huì)表現(xiàn)出規(guī)律性的消化系統(tǒng)酸堿性變化。因此，pH值的變化趨勢(shì)被用來反映消化過程的進(jìn)行情況[7]。

由圖5可以看出，隨著發(fā)酵過程的推移，不同處理的發(fā)酵過程中pH值均表現(xiàn)出先降低后增加，然后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。其中處理A，B，F(xiàn)的pH值均在第7天下降，出現(xiàn)酸化情況，抑制了發(fā)酵的進(jìn)行。再對(duì)比日常氣量圖，也看出各處理在第6天左右表現(xiàn)出產(chǎn)氣量下降甚至不產(chǎn)氣的情況。隨后，在反應(yīng)進(jìn)行第9天，對(duì)pH值降到6.5以下的再次添加氧化鈣進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)后pH值明顯上升并逐漸穩(wěn)定。且從圖2也可以看出日產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)明顯上升。這充分表明適宜的酸堿度是農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵的必要條件[8]，當(dāng)pH值在6.0～7.5之間時(shí)厭氧發(fā)酵能正常進(jìn)行，pH值低于6.0時(shí)厭氧發(fā)酵會(huì)明顯受到抑制，這與付善飛[9]等的研究結(jié)果相似。這是因?yàn)閜H值會(huì)顯著影響厭氧發(fā)酵過程中微生物的生命活動(dòng)和物質(zhì)代謝[10]。

圖5 農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵的pH值變化

2.4 微量元素分析

對(duì)農(nóng)村生活垃圾的原料組份進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其大致組成為50%菜葉，25%果皮，20%餐廚及5%廢紙等其他不同原料。因此對(duì)原料進(jìn)行分選后，分析測(cè)定其主要成分的微量元素含量。厭氧發(fā)酵完成后分析，同時(shí)分析產(chǎn)氣最高的兩個(gè)處理的元素含量。從表3可以看出，發(fā)酵后沼液中的重金屬含量總體低于發(fā)酵前原料中的含量，其中Cu和Hg含量的降低最為顯著，其他元素的含量從發(fā)酵前到發(fā)酵后均有不同程度的減少。由此可以說明，農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵對(duì)重金屬的去除有明顯作用。

表3 農(nóng)村生活垃圾各組分及發(fā)酵后沼液的元素含量

圖6 農(nóng)村生活垃圾各組分的纖維素含量

3 結(jié)論

(1) 濃度、溫度、粒度條件的變化直接影響農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣潛力，是影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的重要因素。當(dāng)TS濃度為8%，中溫粗粒的條件下農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵的累計(jì)產(chǎn)氣量和原料甲烷產(chǎn)率達(dá)到最高，分別達(dá)8035 mL和0.2704 m3·kg-1。

(2) 不同粉碎程度以及不同溫度條件影響發(fā)酵產(chǎn)氣速率，從而影響發(fā)酵完成時(shí)間。原料粉碎程度越細(xì)，產(chǎn)氣進(jìn)程越快；發(fā)酵溫度越高，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)得越早，反之，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)得越晚。

(3) 適宜的酸堿度是厭氧發(fā)酵進(jìn)行的重要影響因素，當(dāng)發(fā)酵液pH值維持在6.0～7.5之間，厭氧發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)氣量較高；當(dāng)發(fā)酵液pH值低于6時(shí)，厭氧發(fā)酵明顯受到抑制，甚至出現(xiàn)不產(chǎn)氣的情況。

(4)厭氧發(fā)酵對(duì)農(nóng)村生活垃圾的重金屬含量有明顯降低的作用。

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Biogas Production Potential of Rural Domestic Waste /

WEI Luo-yu, LUO Cheng-qian, ZAHNG Min, SHEN Lu-kun, WANG Xing, ZHANG Guo-zhi /

(Biogas Institute of Ministry of Agricultural, Chengdu 610041,China)

An anaerobic digestion experiment was conducted to study the biogas production potential of rural domestic waste under different condition combination of 35 ℃ or room temperature, the TS content of 8% or 5%, the grinding degree of coarse or fine. The results show that, with TS of 8%, temperature of 35℃, and grinding degree of coarse fragment, the fermentation obtained the highest cumulative biogas production of 8035 mL and highest methane yield of 0.2704 m3·kg-1. And under TS of 5%, ambient temperature, and grinding degree of coarse fragment, the fermentation of rural domestic waste obtained lowest accumulative biogas production of only 2453 mL. The pH maintained between 6.0～7.5 were better than pH below 6 under which the fermentation was inhibited obviously. In addition, the content of heavy metals in rural domestic waste could be significantly removed by anaerobic fermentation.

rural domestic waste; anaerobic fermentation; biogas

2016-08-23

項(xiàng)目來源： 中國(guó)農(nóng)科院創(chuàng)新工程

魏珞宇(1988-)，四川成都人，碩士，助理研究員，主要從事農(nóng)村生活垃圾厭氧發(fā)酵相關(guān)研究工作，E-mail:weiluoyu1128@163.com通信作者： 張國(guó)治,E-mail:13308189417@163.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)06-0042-04