李謨軍， 梅 鑫， 張 玲

（北京金福騰科技有限公司，北京 100142）

0 引言

廚余垃圾是指日常生活中的餐廚垃圾，主要包括饅頭、大米、面條、蔬菜、果皮、肉類等殘羹剩飯。數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)廚余垃圾年產(chǎn)量接近2 億t[1]。然而，以北京市為例，生活垃圾每天產(chǎn)生2.2 萬(wàn)t，其中的廚余垃圾大約1.1 萬(wàn)t，而分類收集合格的廚余垃圾僅有500～1 000 t[2]。隨著我國(guó)餐飲業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)廚余垃圾量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)前的廚余垃圾占城市生活垃圾總量的40%左右[3]。廚余垃圾含水量高、含鹽量高、脂肪含量高，容易產(chǎn)生異味和致病菌。尤其是在高溫下，廚余垃圾的降解速度非?？欤瑫?huì)造成環(huán)境污染，甚至威脅人們的健康。廚余垃圾的傳統(tǒng)處理方法有集中焚燒、飼料轉(zhuǎn)化、直接填埋和好氧堆肥等[4]。當(dāng)前的廚余垃圾處理的最新技術(shù)是厭氧發(fā)酵技術(shù)。廚余垃圾經(jīng)厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生可重復(fù)利用的生物菌肥，實(shí)現(xiàn)垃圾的再利用[5]。

厭氧發(fā)酵技術(shù)指的是采用厭氧微生物對(duì)廚余垃圾中的有機(jī)物進(jìn)行降解并產(chǎn)生沼氣的處理方法[6]。由于廚余垃圾本身含有較少的厭氧微生物，接種量對(duì)厭氧發(fā)酵反應(yīng)非常重要。當(dāng)接種量過(guò)小時(shí)，厭氧發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng)中的微生物菌群數(shù)量不足，容易影響整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)菌劑接種量過(guò)大時(shí)，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏，大量厭氧微生物的活性受到抑制，影響厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能。

尚秀華等[7]研究了添加微生物菌劑對(duì)稻殼分解的促進(jìn)作用。在稻殼分解過(guò)程中，添加不同含量的微生物菌劑對(duì)溫度變化的影響不同。加入1%的干物質(zhì)，更利于發(fā)酵分解。土壤有機(jī)質(zhì)含量和碳氮比受各微生物菌劑含量的影響較小，變化趨勢(shì)相似。由于微生物菌劑在堆肥發(fā)酵過(guò)程中可以繁殖，因此并不是菌劑添加量越大，效果就越好，綜合考慮發(fā)酵效果和生產(chǎn)成本，可添加1%的干物質(zhì)。根據(jù)前人大量的研究，本文討論復(fù)合發(fā)酵菌劑的不同添加比對(duì)廚余垃圾厭氧發(fā)酵的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用北京金福騰科技有限公司自主研發(fā)的廚余垃圾生物處理機(jī)，廚余垃圾原料來(lái)自北京金福騰科技有限公司員工食堂，包括菜幫菜葉及用餐后的剩飯剩菜，剔除骨頭、一次性筷子、餐紙抹布等不宜放入設(shè)備內(nèi)的垃圾，再用小型破碎機(jī)破碎，混合均勻，進(jìn)行預(yù)處理，保證各個(gè)處理的差異性最小。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每個(gè)處理機(jī)內(nèi)部投放2 kg 經(jīng)過(guò)預(yù)處理的廚余垃圾，將每個(gè)處理設(shè)置成相同的工作模式，并且將發(fā)酵溫度控制在40 ℃左右（之前大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度設(shè)置在40 ℃時(shí)，發(fā)酵菌工作效率最適宜）。

試驗(yàn)共設(shè)置5 個(gè)處理，發(fā)酵菌劑與廚余垃圾質(zhì)量比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，用T1、T2、CK、T3、T4 表示，將添加比為1∶1 的處理作為試驗(yàn)對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3 次，在試驗(yàn)過(guò)程中分別測(cè)定pH 值、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、沼氣產(chǎn)量、甲烷含量、化學(xué)需氧量（COD）等數(shù)據(jù)。

1.3 測(cè)定方法

pH 值：PHS-3C 型pH 計(jì)；VFA 產(chǎn)量：氣相色譜法；沼氣產(chǎn)量：通過(guò)濕氣流量計(jì)讀??；甲烷含量：采用甲烷含量測(cè)定儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)定；COD 濃度：采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定COD 濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌劑添加量對(duì)pH 值的影響

如圖1 所示，在整個(gè)發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程中，各個(gè)處理的pH 值變化呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵趨捬醢l(fā)酵過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的脂肪酸，在反應(yīng)后期的分解產(chǎn)物氨會(huì)增加。試驗(yàn)中，剛剛投入廚余垃圾初始pH 值為6.7 左右；反應(yīng)進(jìn)行到12 h 左右時(shí)，T4 處理的pH 值最高，為6.3，T3、CK、T1、T2 處理依次降低，pH 值分別為6.1、5.6、5.4、5.2；反應(yīng)進(jìn)行到24 h 左右時(shí)，各個(gè)處理呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到36 h 左右時(shí)，廚余垃圾反應(yīng)基本結(jié)束，此時(shí)CK、T2 處理的pH 值最高為6.2，T1、T3、T4 處理的pH 值依次降低，分別為5.9、5.8、5.7。綜上，當(dāng)菌劑的添加量占比為2:1 時(shí)，廚余垃圾厭氧發(fā)酵效率最高。

圖1 菌劑添加量對(duì)pH 值的影響Fig. 1 Changes of pH on each treatment

2.2 菌劑添加量對(duì)VFA 產(chǎn)量的影響

如圖2 所示，各個(gè)處理產(chǎn)生的VFA 含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。反應(yīng)在24 h 時(shí)達(dá)到頂峰，試驗(yàn)中，剛剛投入廚余垃圾時(shí)VFA 的產(chǎn)量基本為零；反應(yīng)進(jìn)行到12 h 左右，T2 處理下VFA 的產(chǎn)量最高，為9.26 g/L，然后T1、CK、T3、T4 依次降低，分別為7.61、4.62、4.35 和4.23 g/L；反應(yīng)到24 h 和36 h 左右時(shí)，呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，都是T2 處理下VFA 的含量最高。VFA 的含量整體變化趨勢(shì)和pH 值變化呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，符合厭氧發(fā)酵反應(yīng)內(nèi)部變化趨勢(shì)。

圖2 菌劑添加量對(duì)VFA 含量的影響Fig. 2 Effect of bacterial agent addition on VFA content

2.3 菌劑添加量對(duì)沼氣累積產(chǎn)量的影響

如圖3 所示，各個(gè)處理過(guò)程中沼氣產(chǎn)量隨著發(fā)酵時(shí)間的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。反應(yīng)進(jìn)行到12 h 左右時(shí)，T2 處理的沼氣產(chǎn)量最高，為12.45 L，T1、CK、T3、T4 處理依次降低，分別為11.54、10.44、9.57 和7.55 L；反應(yīng)進(jìn)行到24 h 和36 h 左右時(shí)，T2 處理沼氣的產(chǎn)量依然最高，分別為26.70 和48.74 L，T4 處理的產(chǎn)量最低分別為21.84 和28.59 L。綜上，菌劑添加量占比為2:1 時(shí)，厭氧發(fā)酵效率最高。

圖3 菌劑添加量對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響Fig. 3 Effect of bacterial agent addition on biogas yield

2.4 菌劑添加量對(duì)甲烷含量的影響

在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，沼氣是一種由甲烷、二氧化碳、氮、硫化氫、一氧化碳等組成的混合氣體。其中，甲烷為主要成分，二氧化碳為次要成分，此外，氮、硫化氫、一氧化碳等含量極少[8]。因此，沼氣中的甲烷含量是衡量發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

如圖4 所示，在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，各個(gè)處理中甲烷的含量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。反應(yīng)進(jìn)行到12 h 左右時(shí)，此時(shí)的甲烷含量均偏低，其中T2 處理甲烷含量最高，為10.89%；反應(yīng)進(jìn)行到2 4 h 左右時(shí)，甲烷的含量明顯上升，其中T2 處理最高，為60.54%，T1、CK、T3、T4處理依次降低，分別為52.59%、46.58%、45.26%、41.47%；反應(yīng)進(jìn)行到36 h 左右時(shí)，此時(shí)的整個(gè)厭氧發(fā)酵基本進(jìn)行完畢，甲烷的含量也都達(dá)到最高，變化趨勢(shì)和24 h 基本一致，也是T2 處理下甲烷含量最高，為70.25%，T4 處理的含量最低，為52.55%。

圖4 菌劑添加量對(duì)甲烷含量的影響Fig. 4 Effect of bacterial agent addition on methane content

2.5 菌劑添加量對(duì)COD 含量的影響

如圖5 所示，COD 含量的變化趨勢(shì)與沼氣產(chǎn)量呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，正好符合廚余垃圾的厭氧反應(yīng)變化，各個(gè)處理整體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。反應(yīng)進(jìn)行到12 h 左右時(shí)，此時(shí)T2 處理的COD 含量最低，為865 mg/L，T1、CK、T3、T4 處理依次升高，分別為956、987、1 002 和1 105 mg/L；反應(yīng)進(jìn)行到24 h 和36 h 左右時(shí)，呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，其中T2 處理下，在12～24 h 范圍內(nèi)COD 含量的下降趨勢(shì)較快，在24～36 h 時(shí)間范圍內(nèi)下降趨勢(shì)明顯變緩。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，T2 處理下在各個(gè)時(shí)間段中，COD 的含量始終最低，表明COD 的去除率最高。

圖5 菌劑添加量對(duì)COD 含量的影響Fig. 5 Effect of bacterial agent addition on COD content

3 討論

ZHOU Y 等[9]研究了菌劑接種量對(duì)豆腐渣厭氧發(fā)酵的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)接種率為0.6～0.9 時(shí)，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)氣量達(dá)到最大值，當(dāng)接種率＞1.0 時(shí)，產(chǎn)氣量開(kāi)始迅速下降。馬杰[10]通過(guò)改變復(fù)合微生物發(fā)酵菌劑的添加量，來(lái)確定廚余垃圾厭氧發(fā)酵菌劑最佳占比，設(shè)置復(fù)合菌劑與廚余垃圾進(jìn)料質(zhì)量比分別為3∶1、2∶1、1∶1、2∶3、1∶2，結(jié)果表明，隨著復(fù)合菌劑和廚余垃圾進(jìn)料質(zhì)量比例的增加，各處理?xiàng)l件下廚余垃圾降解率也逐漸增大?？梢?jiàn)復(fù)合微生物菌劑對(duì)于廚余垃圾降解具有一定促進(jìn)作用。胡紅偉等[11]研究結(jié)果表明，發(fā)酵菌劑的加入可以提高堆肥過(guò)程中有關(guān)酶的活性，物料高溫保持時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)酵過(guò)程加速，物料氮素的揮發(fā)損失降低，使堆肥中GI 值及總N、P、K 和速效P、K含量均有所增加。在此試驗(yàn)中，當(dāng)菌劑添加量為0.35%時(shí)為適宜。

張蓓[12]研究表明，發(fā)酵菌劑的加入有助于玉米秸稈中大分子纖維等有機(jī)物的降解，可以提前消除玉米秸稈的藥害。通過(guò)不同劑量處理的比較，發(fā)現(xiàn)分解菌對(duì)秸稈發(fā)酵的促進(jìn)作用隨著濃度的增加而增強(qiáng)。在一定的添加量范圍內(nèi)，腐熟菌劑的促熟作用隨添加量的增加而增強(qiáng)，但過(guò)量添加會(huì)減弱促熟作用，延長(zhǎng)腐熟時(shí)間。在該試驗(yàn)中，堆肥劑用量為秸稈質(zhì)量的0.3%時(shí)，促進(jìn)效果最好；添加0.1%和0.5%的添加劑處理效果次之；無(wú)菌處理發(fā)酵時(shí)間最長(zhǎng)，物質(zhì)變化范圍小，降解程度最低。發(fā)酵過(guò)程中氮素?fù)p失顯著高于細(xì)菌處理，種子發(fā)芽指數(shù)也顯著低于細(xì)菌處理。

也有一些研究表明，增加菌劑的添加量可以抑制發(fā)酵的反應(yīng)速率。為了研究發(fā)酵菌劑不同添加比例對(duì)發(fā)酵的影響，ESKICIOGLU C 等[13]以玉米渣為發(fā)酵原料，菌劑的添加比設(shè)置在0.46～3.67 gVS/g VS，結(jié)果表明，增加菌劑的添加比例不能改變?cè)系纳锝到庑?，但隨著添加菌劑比例的降低，基質(zhì)的降解速度越來(lái)越快，菌劑的添加比例越大，底物降解速率越慢。這個(gè)和本試驗(yàn)研究結(jié)果正好相反，可能是和設(shè)定菌劑添加量的范圍有關(guān)，推測(cè)出在一定范圍內(nèi)適當(dāng)減少菌劑添加量反而會(huì)促進(jìn)發(fā)酵速率，這個(gè)猜想還有待于試驗(yàn)證實(shí)。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)菌劑與廚余垃圾質(zhì)量比為2:1 時(shí)，此時(shí)pH值變化最為明顯，反應(yīng)在24 h 時(shí)，pH 值降到最低為5.2，反應(yīng)進(jìn)行到36 h 時(shí)，pH 值則又升至最高為6.2。說(shuō)明當(dāng)菌劑添加量與反應(yīng)底物質(zhì)量比為2:1 時(shí)，廚余垃圾厭氧發(fā)酵反應(yīng)效率較高。

（2）VFA 的含量整體變化趨勢(shì)和pH 值變化呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，符合厭氧發(fā)酵反應(yīng)相關(guān)的內(nèi)部變化趨勢(shì)。

（3）在反應(yīng)的各個(gè)階段，當(dāng)菌劑與底物質(zhì)量比為2∶1，反應(yīng)進(jìn)行到36 h 時(shí)，沼氣累積產(chǎn)量和甲烷含量始終為最高，分別為48.74 L、70.25%，COD 的產(chǎn)量呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。

（4）試驗(yàn)中，一定量的菌劑添加量能夠促進(jìn)厭氧發(fā)酵反應(yīng)，超過(guò)一定量則會(huì)產(chǎn)生一定的抑制作用。

綜上，當(dāng)菌劑添加量與廚余垃圾反應(yīng)底物質(zhì)量比為2∶1 時(shí)，廚余垃圾厭氧反應(yīng)效率最高。