管志云 饒玲華 李平

摘 要：果蔬是我國(guó)的第二大農(nóng)作物，每年產(chǎn)生大量的果蔬垃圾，厭氧消化是其最合適的處理方式，果蔬厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)氣不穩(wěn)定，針對(duì)這一問(wèn)題，本文分析得出甲烷的理論產(chǎn)氣量與含碳量和含氫量有關(guān)，動(dòng)力學(xué)模型主要以ADM1為主，果蔬垃圾負(fù)荷高會(huì)導(dǎo)致大量的脂肪酸產(chǎn)生抑制甲烷生產(chǎn)，其單相厭氧易導(dǎo)致酸化，最佳的發(fā)酵溫度為35℃。

關(guān)鍵詞：果蔬垃圾;厭氧消化;負(fù)荷;溫度;pH

中圖分類號(hào)：S-3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20191030017

前言

蔬菜是生活中必不可少的食品，是我國(guó)的第2大農(nóng)作物。每年的產(chǎn)量已達(dá)7.69億t，種植面積已超過(guò)0.22億hm2，可以滿足全球2倍人口的日常生活需求，產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩，雖然每年的蔬菜產(chǎn)量多，但由于蔬菜的易腐爛性使其在收取、儲(chǔ)存、加工和運(yùn)輸過(guò)程中，會(huì)造成很大損耗，損耗的廢棄物蔬菜如果不采用合適的手段處理，會(huì)產(chǎn)生硫化氫、有機(jī)酸等惡臭氣體，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。

蔬菜廢棄物總固體含量在6%～10%之間，水分高，熱值低，總固體（TS）中主要物質(zhì)是糖類，約占70%，纖維素及木質(zhì)素占10%左右，TS中VS含量高，但蔬菜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，且水分主要在細(xì)胞中，不易脫水。從蔬菜的生物可降解性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特征（含水率、流動(dòng)性、可壓縮性）考慮其處理方式，厭氧發(fā)酵技術(shù)最適合，其可以充分利用蔬菜的可降解性進(jìn)行無(wú)害化與資源化利用。

厭氧發(fā)酵是厭氧及兼性厭氧菌在無(wú)氧或缺氧條件下，將生物質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳及少量的硫化氫等氣體的過(guò)程，其過(guò)程根據(jù)最新理論具體可描述為4個(gè)階段：水解、酸化、產(chǎn)氧產(chǎn)乙酸、甲院化階段。

產(chǎn)氣量是厭氧發(fā)酵研究的核心內(nèi)容，目前，果蔬垃圾由于其酸化速度快，產(chǎn)氣量難以穩(wěn)定控制，如何使果蔬垃圾厭氧發(fā)酵過(guò)程中穩(wěn)定產(chǎn)氣是當(dāng)下的研究重點(diǎn)。

本論文分析了果蔬垃圾厭氧發(fā)酵理論產(chǎn)氣量的模型，過(guò)程中物料成分、負(fù)荷、pH及溫度對(duì)產(chǎn)氣率的影響。

1 產(chǎn)氣影響因素

果蔬垃圾的含水率大多在90%以上，最合適的厭氧發(fā)酵為濕式發(fā)酵，將果蔬經(jīng)過(guò)破碎篩分后在進(jìn)行濕法發(fā)酵，極易水解酸化降解，一般停留時(shí)間在10～15d左右，遠(yuǎn)低于糞污、秸稈等有機(jī)物的停留時(shí)間，由碳、氫、氧、氮等元素構(gòu)成的有機(jī)化合物，通過(guò)巴斯維爾公式理論上能夠計(jì)算出CH4與CO2的量[2]。公式計(jì)算過(guò)程如下：

CmHnOb+m-a4-b2H2O→m2-a8+b4CO2+（m2+a8-b/4）CH4

有機(jī)物在厭氧消化過(guò)程中，需要降解成葡萄糖等單糖才能進(jìn)一步被產(chǎn)甲烷菌消化利用，以葡萄糖為例來(lái)計(jì)算理論產(chǎn)氣量。葡萄糖主要生物代謝反應(yīng)[1]如下：

C6H12O6→3CH4+3CO2

由上式可知，甲烷的產(chǎn)量與含碳量和含氫量有關(guān)，且厭氧反應(yīng)的主要產(chǎn)物為甲烷和二氧化碳。表1為典型有機(jī)化合物的理論產(chǎn)沼氣組成。脂類化合物的沼氣中甲烷純度最高，甲烷濃度達(dá)到72%，然而實(shí)際厭氧發(fā)酵中脂類化合物的分子較大，完全分解的時(shí)間長(zhǎng)，造成厭氧停留時(shí)間長(zhǎng)。碳水化合物與蛋白質(zhì)，雖然沼氣中甲烷含量低于低脂類，但其降解速度快，厭氧停留時(shí)間短，可以降低投資與運(yùn)行底物累積的風(fēng)險(xiǎn)，所以在有機(jī)物進(jìn)行厭氧發(fā)酵前需要進(jìn)行脫脂或者預(yù)處理來(lái)提高其降解的能力[3]。

現(xiàn)階段厭氧發(fā)酵過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型主要采用ADM1，ADM1是一個(gè)對(duì)厭氧發(fā)酵中的生化和物化過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述與分析的結(jié)構(gòu)化模型，物理化學(xué)過(guò)程是厭氧反應(yīng)器中普遍存在的非生物媒介的反應(yīng)過(guò)程，其可細(xì)分為液-液（離子結(jié)合/分離）、液-氣（液/氣交換）和液-固（沉淀/溶解）3個(gè)過(guò)程。ADM1清楚劃分了模型組分并建立了相應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，使厭氧消化可計(jì)量性 [4]。

巴斯維爾公式是描述有機(jī)物理論產(chǎn)甲烷量，ADM1使用數(shù)學(xué)模型的方式描述了厭氧反應(yīng)中的生化過(guò)程和物化學(xué)過(guò)程，但實(shí)際的厭氧反應(yīng)中產(chǎn)氣率受到反應(yīng)溫度、pH值、物料成分的多種因素影響。

2 果蔬廢棄物產(chǎn)氣影響因素分析

2.1 物料成分及負(fù)荷的影響

呂琛等對(duì)果蔬與餐廚廢棄物的厭氧發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行了研究，在2%、4%、6%（TS）的進(jìn)料負(fù)荷進(jìn)行厭氧消化。發(fā)現(xiàn)果蔬與餐廚的濕比例為5∶8，進(jìn)料含固率在2%時(shí)，產(chǎn)氣量最多，TS的甲烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到 600mL/g[5]。Bouallagui H 等人對(duì)果蔬垃圾進(jìn)行了2相厭氧發(fā)酵研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)厭氧發(fā)酵的負(fù)荷為7.5g（COD）/L/d 時(shí)，系統(tǒng)的果蔬酸化率達(dá)到了81%，但能承受13.3g/L的最大負(fù)荷率，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)在厭氧發(fā)酵的負(fù)荷為10.1 g（COD）/L/d時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)酸就開(kāi)始增加，甲烷產(chǎn)量開(kāi)始降低，甲烷產(chǎn)率為320L/kgCOD，厭氧系統(tǒng)的COD去除率達(dá)到95%以上[6]。

2.2 pH值的影響

果蔬垃圾厭氧消化容易導(dǎo)致有機(jī)酸積累，pH過(guò)低，破壞系統(tǒng)緩沖能力，而使得甲燒菌的活性低，難以消化降解產(chǎn)生的有機(jī)酸。Bouallagui對(duì)果蔬垃圾進(jìn)行了厭氧因素影響實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)果蔬垃圾厭氧發(fā)酵的固體含量超過(guò)7%時(shí)會(huì)導(dǎo)致大量揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生，pH值迅速下降，甲烷化緩慢，產(chǎn)氣降低[6]。Mtz-Viturtia A認(rèn)為果蔬垃圾兩相厭氧由于極易酸化，導(dǎo)致產(chǎn)氣率低于單相厭氧消化，若不能很好的控制酸化，兩相厭氧消化不適合處理果蔬垃圾[7]。

2.3 溫度的影響

厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率在35～38℃有一個(gè)峰值，50～65℃有另一個(gè)峰值，通常厭氧發(fā)酵的溫度控制在這2個(gè)溫度范圍內(nèi)，以盡可能地獲得高降解速度與高產(chǎn)氣率。江志堅(jiān)將餐廚和果蔬垃圾按照8：5進(jìn)行混合后研究在不同負(fù)荷與溫度下產(chǎn)氣的規(guī)律，35℃、50gTS/L的酸化出料的甲烷產(chǎn)氣規(guī)律與45℃、40gTS/L的趨勢(shì)相近，35℃的產(chǎn)氣率更高，同時(shí)研究35℃、45℃與55℃下的產(chǎn)氣量，45℃產(chǎn)氣量最小[1]。

3 結(jié)論

果蔬垃圾進(jìn)行2相厭氧發(fā)酵時(shí)產(chǎn)氣率低于單相厭氧發(fā)酵，且極易酸化，破壞產(chǎn)甲烷菌的活性，可以采用與其他有機(jī)物混合發(fā)酵的方式，單相厭氧發(fā)酵不適合果蔬垃圾。

果蔬垃圾適合與餐廚垃圾混合發(fā)酵，比例為5∶8時(shí)產(chǎn)氣效果最佳。當(dāng)果蔬垃圾含固率較高時(shí)，容易導(dǎo)致大量揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生，對(duì)甲烷的產(chǎn)生有抑制作用。

果蔬垃圾的厭氧消化最佳溫度在35℃與55℃左右。

參考文獻(xiàn)

[1] 江志堅(jiān). 果蔬與餐廚垃圾混合兩相厭氧消化性能的試驗(yàn)研究[D]. 北京：北京化工大學(xué)， 2013.

[2] 彭武厚， 陸鑫. 沼氣發(fā)酵原理及其作用[C].江蘇：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社， 2006：274-278.

[3] 陳云進(jìn). 研究探討科學(xué)實(shí)施餐飲廢油資源化的循環(huán)經(jīng)濟(jì)實(shí)踐[C].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2010：18-22.

[4]周雪飛，張亞雷，顧國(guó)維.厭氧消化1號(hào)模型（ADM1）簡(jiǎn)介[J].中國(guó)給水排水，2003（02）：85-87.

[5]呂 琛， 袁海榮， 王奎升.果蔬垃圾與餐廚垃圾混合厭氧消化產(chǎn)氣性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2011， 27（13）：91-95.

[6] Bouallagui H，Torrijos M，Godonc J J，et al.Two-phases anaerobic digestion of fruit and vegetable wastes：bioreactors performance[J].Biochemical Engineering Journal，2004（21）：193-197.

[7]Mtz.-Viturtia A，Mata-Alvarez J，Cecchi F.Two-phase continuous anaerobic digestion of fruit and vegetable wastes[J].Resources Conservation and Recycling， 1995， 13（3-4）：257-267.

作者簡(jiǎn)介：

管志云（1992-），男，碩士研究生。研究方向：固廢資源化。