李曉豐，黃佳欣，劉軼鋆，黃晶晶，黃 濤

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756; 2.德國(guó)斯圖加特大學(xué)衛(wèi)生工程、水質(zhì)和固體廢物管理研究所，德國(guó) 斯圖加特 70569)

前 言

為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，德國(guó)政府于2010年9月提出全新的指導(dǎo)方針，要求在2050年之前，能源供應(yīng)需具有環(huán)境友好性、安全性和可負(fù)擔(dān)性，溫室氣體排放量屆時(shí)需較1990年降低85%～92%[1]。對(duì)此，德國(guó)政府要求能源供應(yīng)需以可再生能源為主，主要包括風(fēng)能和太陽(yáng)能[2]。然而，這兩種能源供應(yīng)方式均受制于天氣的影響，如日照時(shí)長(zhǎng)、風(fēng)速等，導(dǎo)致這些能源供應(yīng)方式在每天甚至每時(shí)都存在巨大波動(dòng)[3]。同時(shí)，這些能源供應(yīng)方式由于過(guò)于依賴(lài)天氣情況，會(huì)使得供電曲線(xiàn)和電量需求曲線(xiàn)之間存在差異，電量需求無(wú)法得到完全保證[4]。針對(duì)這些問(wèn)題，生物質(zhì)厭氧發(fā)酵按需供氣的概念于2013年由Szarka等提出，該概念通過(guò)對(duì)厭氧發(fā)酵投料環(huán)節(jié)的管理以及儲(chǔ)氣環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，來(lái)彌補(bǔ)風(fēng)能和太陽(yáng)能在用電高峰可能存在供應(yīng)不足的問(wèn)題，提高電量供應(yīng)的穩(wěn)定性[5]。Mauky等于2015年最先使用青貯玉米、牛糞和青貯甜菜等不同降解速率的有機(jī)物進(jìn)行投料，通過(guò)對(duì)投料時(shí)間和投料量的管理來(lái)實(shí)現(xiàn)按需供氣，結(jié)果表明，通過(guò)合理的搭配，產(chǎn)氣速率可以很好地匹配用電需求[6]。Lv等2014年的實(shí)驗(yàn)首次論證了投料制度(投料時(shí)間，頻率等)的變化不會(huì)對(duì)沼氣產(chǎn)量產(chǎn)生明顯影響[7]。O'Shea等于2016年建立了電氣聯(lián)產(chǎn)模型，根據(jù)用電需求量，確定沼氣用來(lái)發(fā)電和制甲烷的最佳分配比以及最優(yōu)的投料時(shí)間[8]。然而，關(guān)于發(fā)酵液中食用鹽(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鹽)濃度對(duì)產(chǎn)氣曲線(xiàn)以及按需供氣的影響并未獲得過(guò)專(zhuān)門(mén)研究。

同時(shí)，全世界每年產(chǎn)生大量的餐廚垃圾，據(jù)估計(jì)，2018年世界范圍內(nèi)共產(chǎn)生13億噸廚垃圾，且在未來(lái)20年內(nèi)，餐廚垃圾產(chǎn)生量會(huì)不斷增加[9]。沒(méi)有合適的處理方式，餐廚垃圾會(huì)產(chǎn)生諸如惡臭，溫室氣體排放等環(huán)境問(wèn)題[10]。同時(shí)，鹽作為一種廣泛使用的調(diào)料，其在食物中的質(zhì)量比約為2%至5%[11]。鹽中主要物質(zhì)為氯化鈉，質(zhì)量比超過(guò)97%，而相應(yīng)的鈉含量約為39%[12]。鈉離子對(duì)厭氧發(fā)酵十分重要，其在細(xì)胞合成增長(zhǎng)以及代謝中扮演著重要角色[13]。對(duì)中溫氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌而言，350 mg/L 是最適宜的鈉濃度[14]。對(duì)中溫乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌而言，230 mg/L鈉濃度最適宜于乙酸的利用[15]。而當(dāng)鈉離子濃度提高到5.6～53.0g/L時(shí)則會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制情況[16]。同時(shí)，鹽可以提高餐廚垃圾中蛋白質(zhì)和碳水化合物的水解程度[17]。Li等于2019年首次利用修正的Gompertz模型對(duì)不同成分餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率進(jìn)行定量研究，結(jié)果表明鹽濃度變化會(huì)對(duì)產(chǎn)氣速率產(chǎn)生明顯影響，尤其是以蛋白質(zhì)和碳水化合物為主要成分的餐廚垃圾[18]。綜上所述，鹽濃度變化不僅會(huì)影響餐廚垃圾沼氣產(chǎn)量，也會(huì)影響產(chǎn)氣速率。因此，在利用餐廚垃圾進(jìn)行按需供氣時(shí)，需要重點(diǎn)考慮鹽濃度的影響。本文工作主要如下：1、研究半連續(xù)發(fā)酵罐中，產(chǎn)氣量與鹽濃度的關(guān)系，2、構(gòu)建單位沼氣罐體積模型，分析為實(shí)現(xiàn)按需供氣，產(chǎn)氣速率變化對(duì)單位沼氣罐體積的影響，并給出最適宜餐廚垃圾厭氧發(fā)酵按需供氣的鹽濃度。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)進(jìn)料

由于缺少成分穩(wěn)定的餐廚垃圾來(lái)源，實(shí)驗(yàn)使用鹽、面條、脫油豆粉和食用油按照一定比例混合來(lái)模擬餐廚垃圾。鹽、面條和食用油購(gòu)自德國(guó)Kaufland超市，脫油豆粉由網(wǎng)站Stadtmühle Waldenbuch上購(gòu)買(mǎi)。鹽為食用精鹽，其中NaCl成分占97%以上，由于NaCl含量較高，此處不考慮其余成分對(duì)發(fā)酵的影響。面條等具體性質(zhì)如表1所示，可以看出，面條的主要成分為碳水化合物，含量為80.2%VS，脫油豆粉的主要成分為蛋白質(zhì)，含量為71.4%VS，而食用油則完全由油脂構(gòu)成?？紤]到餐廚垃圾的主要成分為碳水化合物、蛋白質(zhì)和油脂，因此，可以通過(guò)面條、脫油豆粉和食用油三種物質(zhì)按一定比例來(lái)模擬餐廚垃圾[17]。其中，碳水化合物包括淀粉、纖維素等，蛋白質(zhì)全部為植物蛋白，油脂全部為油類(lèi)。面條煮熟后使用攪拌器打成糊狀后再與其他物質(zhì)進(jìn)行混合，混合后餐廚垃圾蛋白質(zhì)含量為36.6%，碳水化合物為48.4%，油脂為15.1%，該比例參考餐廚垃圾的實(shí)際成分混合而成[19]。同時(shí)，采用剩余污泥和餐廚垃圾混合的方式進(jìn)行投料，混合比例為14∶ 100(VS計(jì))。剩余污泥采自德國(guó)Institut für Siedlungswasserbau，Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA)生活污水處理廠。剩余污泥的添加可以降低餐廚垃圾的粘滯性，避免進(jìn)料管堵塞，同時(shí)剩余污泥可以給厭氧發(fā)酵提供所需的微量元素，提高發(fā)酵效率[6]。

表1 厭氧發(fā)酵進(jìn)料性質(zhì)Tab.1 Characteristics of feeding material for anaerobic digestion

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)使用250L的發(fā)酵罐，其中工作體積為210L，發(fā)酵罐使用循環(huán)泵進(jìn)行投料以及混合，見(jiàn)圖1。發(fā)酵罐使用循環(huán)水進(jìn)行保溫，工作溫度控制在35～36℃。每次進(jìn)料量為10L，相應(yīng)的水力停留時(shí)間為21d。10L進(jìn)料中，含有食用油63g，面條220g，脫油豆粉200g，并加入剩余污泥定容到10L，每日的進(jìn)料負(fù)荷為2.28gVS/L。實(shí)驗(yàn)分為6個(gè)周期，一個(gè)預(yù)周期和5個(gè)正式周期，每周期持續(xù)一周時(shí)間，鹽添加量分別為8g，8g，16g，24g，39g和52g。在預(yù)周期前，發(fā)酵罐已經(jīng)分別進(jìn)行了食用油、面條和脫油豆粉的單獨(dú)發(fā)酵，發(fā)酵進(jìn)行順利，而預(yù)周期的目的是為了讓厭氧微生物提前適應(yīng)混合后的餐廚垃圾。

圖1 發(fā)酵罐實(shí)物圖Fig.1 Picture diagram of anaerobic digestion reactor

1.3 實(shí)驗(yàn)分析方法

沼氣和甲烷產(chǎn)量使用Ritter Apparatebau公司的氣體流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)每10min記錄一次。TS和VS使用標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)量[20]。pH用SCHOTT公司的CG819pH計(jì)測(cè)定?？偀o(wú)機(jī)碳(TIC)和可揮發(fā)有機(jī)酸(VOA)使用0.05M硫酸分別滴定到pH=5.0和pH=4.4求得[21]。使用Replectoquant公司的銨根測(cè)試儀(儀器產(chǎn)品號(hào)1.16977.001)測(cè)出。鹽濃度使用標(biāo)曲法測(cè)定[18]。

1.4 理論鹽濃度計(jì)算

理論鹽濃度通過(guò)鹽質(zhì)量守恒計(jì)算，假設(shè)每天出料時(shí)，發(fā)酵液已攪拌均勻，公式如下：

(1)

1.5 一階產(chǎn)氣模型

一階產(chǎn)氣模型常被用來(lái)對(duì)沼氣和甲烷產(chǎn)氣曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，可被用來(lái)預(yù)測(cè)沼氣和甲烷產(chǎn)氣量[7,19,22]，公式如下：

Y(t)=Ymax[1-exp(-kt)]

(2)

式中，Ymax為沼氣或者甲烷的最終產(chǎn)量(L/kg VS)，k是產(chǎn)氣速率常數(shù)(1/h)，t是產(chǎn)氣時(shí)間(h)。模型由Matlab R2010b計(jì)算，其中e取值2.718 3。

1.6 理論沼氣產(chǎn)量

理論沼氣產(chǎn)量(TBP，L/kgVS)是指進(jìn)料完全降解發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣量，其公式如下[23]：

TBP=750carbohydrates(%VS)

+800proteins(%VS)+1390fat(%VS)

(3)

計(jì)算可得，餐廚垃圾理論沼氣產(chǎn)量為866。本文計(jì)算時(shí)使用餐廚垃圾理論沼氣產(chǎn)量作為一階產(chǎn)期模型的Ymax。

1.7 單位沼氣罐體積模型

按需供氣旨在用電高峰時(shí)提供沼氣進(jìn)行發(fā)電，從而緩解供電壓力，因此，可以通過(guò)在用電低谷期儲(chǔ)存沼氣以備高峰期使用的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。本文在一階產(chǎn)氣模型的基礎(chǔ)上，建立了為實(shí)現(xiàn)按需供氣，所需的單位沼氣罐最小體積模型。推導(dǎo)過(guò)程如下：

假設(shè)投料時(shí)刻即為產(chǎn)氣開(kāi)始時(shí)刻，此時(shí)t=0。對(duì)公式(1)進(jìn)行求導(dǎo)可得產(chǎn)沼氣速率：

Y·(t)=Ymax×k×exp(-kt)

(4)

對(duì)公式(1)再求導(dǎo)可得：

Y· ·(t)=-Ymax×k2×exp(-kt)

(5)

式中，-Ymax，k和t均為正值，因此，Y· ·(t)<0,Y·(t)為減函數(shù)。因此，若產(chǎn)氣曲線(xiàn)不變，用電高峰時(shí)長(zhǎng)為m小時(shí)，則供氣時(shí)間應(yīng)從t=0開(kāi)始，至t=m終止，此時(shí)所需沼氣罐體積S最小，為

S=S1+S2

(6)

式中，S1為非供氣時(shí)間內(nèi)(m時(shí)至24時(shí))所需的沼氣罐體積，L，S2為供氣時(shí)間內(nèi)(0時(shí)至m時(shí))所需的沼氣罐體積, L。

供氣時(shí)間內(nèi)所需的沼氣罐體積則是由于產(chǎn)氣開(kāi)始階段產(chǎn)氣速率大于供氣速率，多產(chǎn)的沼氣所需要的沼氣罐體積。當(dāng)勻速供氣時(shí)，供氣速率為：

(7)

式中,b為供氣速率 L/h，V為單日所需沼氣量，L。為在24小時(shí)內(nèi)達(dá)到所需沼氣量V，則需投料pkg VS，使得

V=ρ×Ymax[1-exp(-k×24)]

(8)

則產(chǎn)氣速率等于供氣速率的時(shí)間應(yīng)為：

(9)

(10)

則S2應(yīng)為：

(11)

否則，S2=0。

非供氣時(shí)間內(nèi)所需的沼氣罐體積應(yīng)為該時(shí)間段內(nèi)的沼氣產(chǎn)量，即:

-exp(-24k)]

(12)

化簡(jiǎn)得沼氣罐體積為

(13)

(14)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鹽濃度變化對(duì)沼氣產(chǎn)量與成分的影響

隨著進(jìn)料中鹽含量的不斷提高，發(fā)酵液中的鹽濃度也隨之提高，見(jiàn)圖2。

圖2 發(fā)酵液中實(shí)測(cè)鹽濃度與理論鹽濃度圖Fig.2 Measured and theoretical salt concentration in digestate

圖2中，實(shí)驗(yàn)前兩周，發(fā)酵液的鹽濃度穩(wěn)定在1 g/L以下，由于每日進(jìn)料時(shí)添加的鹽量較少，增長(zhǎng)也比較緩慢。而第三周開(kāi)始，鹽濃度迅速增長(zhǎng)，直到第33天的2.12 g/L。由于發(fā)酵液中的鹽濃度并未隨進(jìn)料達(dá)到穩(wěn)定，因此本文將探討發(fā)酵液鹽濃度與產(chǎn)氣的關(guān)系，而不討論進(jìn)料中鹽添加量的改變與產(chǎn)氣的關(guān)系。通過(guò)計(jì)算，實(shí)測(cè)鹽濃度和理論鹽濃度的R2為0.995 5，說(shuō)明對(duì)鹽濃度的測(cè)量方法具有很高的可靠性。

圖3中，由于節(jié)假日以及周末原因無(wú)法進(jìn)料，因此1、6、7、11、13、14、20、21、26、27、28和34日的分時(shí)產(chǎn)氣量并未出現(xiàn)峰值，且較其他日為低。同時(shí)，每一日中的峰值會(huì)在進(jìn)料后的1～5h內(nèi)出現(xiàn)，說(shuō)明進(jìn)料的降解速率很快。隨著產(chǎn)氣峰值的出現(xiàn)，沼氣中二氧化碳的分時(shí)濃度出現(xiàn)上升，而甲烷的分時(shí)濃度出現(xiàn)下降。這是由于此時(shí)發(fā)酵罐中主要進(jìn)行的是水解酸化反應(yīng)，該階段產(chǎn)生二氧化碳，并無(wú)甲烷生成，導(dǎo)致沼氣中二氧化碳濃度的上升[24]。而開(kāi)始階段甲烷濃度高達(dá)79%，說(shuō)明那時(shí)發(fā)酵罐中主要進(jìn)行產(chǎn)甲烷反應(yīng)，且由于產(chǎn)甲烷過(guò)程有兩種途徑，其中之一是通過(guò)消耗氫氣和二氧化碳生成甲烷，這也使得此時(shí)沼氣以甲烷為主。類(lèi)似現(xiàn)象也出現(xiàn)在每次產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)之后，隨著水解酸化基本完成，發(fā)酵罐中主要進(jìn)行產(chǎn)甲烷反應(yīng)，此時(shí)甲烷濃度逐漸上升，二氧化碳濃度開(kāi)始下降。而周末或者節(jié)假日時(shí)，由于沒(méi)有進(jìn)料，反應(yīng)罐中仍主要進(jìn)行產(chǎn)甲烷反應(yīng)，因此此時(shí)甲烷和二氧化碳濃度基本保持穩(wěn)定，大致為甲烷濃度60%，二氧化碳濃度37%。對(duì)比每次進(jìn)料后的沼氣分時(shí)產(chǎn)量峰值可見(jiàn)，峰值的最大值出現(xiàn)在第18日進(jìn)料后的第2小時(shí)，產(chǎn)氣量為27 L，同樣，15、16、17日的產(chǎn)氣峰值也較其他日為高，而這4日均屬于進(jìn)料的第三周期，對(duì)應(yīng)的發(fā)酵液鹽濃度為0.98～1.27 g/L(圖2)，說(shuō)明該鹽濃度范圍的產(chǎn)氣效果最好。在每個(gè)周期中，除22日外，其余周期進(jìn)料第一日(2、8、15和29日)的產(chǎn)氣峰值均為本周內(nèi)最低，這是由于暫停進(jìn)料導(dǎo)致水解酸化菌食物減少，數(shù)量和活性下降，而隨著進(jìn)料的重新進(jìn)行，水解酸化菌數(shù)量和活性恢復(fù)，產(chǎn)氣峰值隨之上升[25]。唯一例外的22日將在后文討論。而除了每周期的第一日外，屬于最后一周期的第30、31、32和33日的產(chǎn)氣峰值均低于其他周期，這說(shuō)明此時(shí)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣出現(xiàn)了抑制，此時(shí)對(duì)應(yīng)的鹽濃度為1.68～2.12 g/L(圖2)。而不同于其他周期甲烷濃度在進(jìn)料后1日內(nèi)就達(dá)到穩(wěn)定，最后一周的甲烷濃度持續(xù)上升，在第35天的第12小時(shí)達(dá)到69%，高于其他周期穩(wěn)定時(shí)60%的甲烷濃度。這一現(xiàn)象與Li等使用批式實(shí)驗(yàn)研究鹽對(duì)餐廚垃圾產(chǎn)氣影響時(shí)一致，當(dāng)鹽對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程產(chǎn)生抑制時(shí)，甲烷的產(chǎn)生發(fā)生了滯后，從而導(dǎo)致相比于其他周期，最后一周的甲烷分時(shí)濃度要更低，而停止進(jìn)料后，甲烷分時(shí)濃度則不斷增加，甚至高于其他周期的穩(wěn)定狀態(tài)[18]。

圖3 沼氣分時(shí)產(chǎn)量和氣體分時(shí)濃度圖Fig.3 Hourly biogas yield and hourly gas concentrations

沼氣由甲烷、二氧化碳和其他氣體組成，其日產(chǎn)量圖見(jiàn)圖4。由于第1、6、7、11、13、14、20、21、26、27和28日未曾進(jìn)料，所以產(chǎn)氣量較低(82～226 L/kg VS)。同時(shí)，它們的其他氣體產(chǎn)量占沼氣產(chǎn)量的比例也較低，這可能是由于一方面氨氣、氫氣等均主要產(chǎn)生在水解酸化階段，該階段進(jìn)行較為迅速，導(dǎo)致在非進(jìn)料日時(shí)，反應(yīng)器中主要進(jìn)行產(chǎn)甲烷反應(yīng)，此時(shí)沼氣中主要成分則以甲烷為主(見(jiàn)圖3)。另一方面是沼氣中含有大量水蒸氣，盡管發(fā)酵設(shè)備配備有冷凝管，但當(dāng)沼氣產(chǎn)量較大時(shí)，冷凝管冷卻效果降低，使得進(jìn)料日的沼氣成分中有較多水蒸氣存在，提高了其他氣體的產(chǎn)量，而非進(jìn)料日沼氣產(chǎn)量較小，冷凝效果更好，使沼氣中水蒸氣大量冷凝，因而其他氣體產(chǎn)量較低。而第34日盡管未曾進(jìn)料，但由于鹽抑制帶來(lái)的產(chǎn)甲烷滯后現(xiàn)象，該日仍有較高的沼氣產(chǎn)量(440 L/kg VS)。

圖4 沼氣日產(chǎn)量及其成分圖Fig.4 Daily biogas yield and its composition

圖4中沼氣和甲烷產(chǎn)量最高的均為17日，日沼氣和甲烷產(chǎn)量分別為794 L/kg VS和457 L/kg VS，沼氣產(chǎn)量為理論沼氣產(chǎn)量的92%，對(duì)應(yīng)的鹽濃度為1.09 g/L。隨著鹽濃度進(jìn)一步增加，抑制現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)。從第24日開(kāi)始，24、25兩天的日沼氣產(chǎn)量均低于第23天(717 L/kg VS)，分別為685 L/kg VS和627 L/kg VS，呈逐步降低趨勢(shì)。甲烷產(chǎn)量也呈現(xiàn)相同走勢(shì)，從23日的396 L/kg VS逐漸降低到24、25日的382 L/kg VS和347 L/kg VS。從圖3也可知，除了22日外，其余周期進(jìn)料第一日(2、8、15和29日)的產(chǎn)氣峰值均為本周內(nèi)最低，而22日的產(chǎn)氣峰值則高于25日。另外，在非進(jìn)料日中，26日的甲烷產(chǎn)量為133 L/kg VS，也高于除34日外的其他非進(jìn)料日(49～113 L/kg VS)，盡管差異有限，但也說(shuō)明此時(shí)因?yàn)檩p微鹽抑制而開(kāi)始出現(xiàn)產(chǎn)甲烷滯后現(xiàn)象。更明顯的抑制發(fā)生在29至33日，此時(shí)沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量較其他進(jìn)料日有明顯降低(圖4)。該周期的日沼氣產(chǎn)量為406～570 L/kg VS，僅為理論沼氣產(chǎn)量的47%～66%，甲烷產(chǎn)量為227～272 L/kg VS，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的鹽濃度為1.68～2.12 g/L。盡管該周期的沼氣產(chǎn)量有增加趨勢(shì)，但主要原因可能是由于產(chǎn)甲烷滯后導(dǎo)致的。綜上，當(dāng)發(fā)酵罐中的鹽濃度高于1.51 g/L時(shí)，沼氣產(chǎn)量開(kāi)始出現(xiàn)抑制，而鹽濃度大于1.68 g/L時(shí)，抑制程度進(jìn)一步加劇。

2.2 鹽濃度變化對(duì)一階產(chǎn)氣模型結(jié)果的影響

使用一階產(chǎn)氣模型對(duì)每日的沼氣曲線(xiàn)進(jìn)行模擬，結(jié)果如表2所示。

表2 一階產(chǎn)氣模型模擬結(jié)果表Tab.2 Simulation results of first-order biogas production model

由表2中可以看出，在前三個(gè)周期里(21日之前)，每周首日(1、8、15日)的產(chǎn)氣速率k值最低，之后逐漸增加，第一周期中，k值從2日的0.031逐漸增加到5日的0.074，第三周期中，則從15日的0.061逐漸增加到17日的0.090，后兩日則在0.090附近波動(dòng)，而唯一例外是第二周期中，k值從8日的0.048增長(zhǎng)到10日的0.071后，卻在12日降到0.052，這主要是由于11日未曾進(jìn)料導(dǎo)致。然而在第四周期中，相比于23日的k值，24和25日的k值逐漸下降，而到了第五周期時(shí)，k值出現(xiàn)了進(jìn)一步的下降，這進(jìn)一步說(shuō)明鹽對(duì)發(fā)酵過(guò)程的抑制從鹽濃度高于1.51 g/L時(shí)開(kāi)始，而鹽濃度大于1.68 g/L時(shí)，抑制程度進(jìn)一步加劇，與前文結(jié)果一致。同時(shí)，值得注意的是，k值在17至19日達(dá)到最高值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的鹽濃度為1.09～1.27g/L，同時(shí)，這一區(qū)間內(nèi)，沼氣和甲烷產(chǎn)量也是最高的(圖4)，說(shuō)明在此鹽濃度下，厭氧發(fā)酵效果最好。從模擬的擬合度來(lái)看，R2最小的為4日的0.966，50%的R2大于0.99，說(shuō)明一階產(chǎn)氣模型具有很好的擬合效果。

2.3 按需供氣時(shí)鹽濃度變化對(duì)儲(chǔ)氣罐體積的影響

按需供氣可以通過(guò)在用電低谷期儲(chǔ)存沼氣以備高峰期使用的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。然而，由于鹽濃度的不同，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氣速率的差異(表2)，最終會(huì)影響儲(chǔ)氣罐的設(shè)計(jì)尺寸。本文建立了儲(chǔ)氣罐模型，來(lái)定量分析每提供1 L沼氣所需的儲(chǔ)氣罐體積。由于有些周期存在數(shù)據(jù)缺漏，因此為了合理比較各個(gè)周期的差異，剔除進(jìn)料中斷帶來(lái)的影響，本文選取每個(gè)周期運(yùn)行后的第三日作為研究對(duì)象，即研究4，10，17，24，31等五日的數(shù)據(jù)。根據(jù)公式14，做出單位儲(chǔ)氣罐體積與供氣時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系圖，見(jiàn)圖5。

圖5 不同時(shí)期S*與m關(guān)系圖Fig.5 Relationship between S* and m in different days

2.4 結(jié)果分析

圖6 發(fā)酵液性質(zhì)圖Fig.6 Characteristics of digestate

3 結(jié) 論

本文在半連續(xù)條件下利用餐廚垃圾進(jìn)行厭氧發(fā)酵，通過(guò)改變進(jìn)料中的鹽含量的方式，研究食用鹽對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵按需供氣影響。結(jié)果顯示：

3.1 當(dāng)發(fā)酵液鹽濃度為1.09～1.27 g/L時(shí)，沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量最高，分別為782～795 L/kg VS和450～457 L/kg VS，而當(dāng)鹽濃度升至1.51～2.12 g/L，抑制情況開(kāi)始出現(xiàn)。此時(shí)，發(fā)酵液中的VOC/TIC超過(guò)正常值，發(fā)酵罐中揮發(fā)性有機(jī)酸濃度過(guò)高，產(chǎn)生抑制現(xiàn)象；

3.2 利用一階產(chǎn)氣模型對(duì)沼氣曲線(xiàn)進(jìn)行擬合(0.969)，結(jié)果顯示，鹽濃度為1.09～1.27 g/L時(shí)的產(chǎn)氣速率k最高，為0.089～0.091；

3.3 使用單位沼氣罐體積模型對(duì)S*與m的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，當(dāng)m小于14h時(shí)，k與S*成反比，即為了減少按需供氣所需的S*，應(yīng)當(dāng)提高發(fā)酵速率。本實(shí)驗(yàn)中，最大k出現(xiàn)在鹽濃度為1.09～1.27 g/L時(shí)，S*最小。

綜上，當(dāng)鹽濃度為1.09～1.27 g/L時(shí)，是厭氧發(fā)酵的最佳濃度，且適合進(jìn)行m小于14h時(shí)的按需供氣。本研究揭示了不同供氣時(shí)長(zhǎng)下，單位沼氣罐體積與產(chǎn)氣速率k的關(guān)系，有助于按需供氣的實(shí)際應(yīng)用。