餐廚垃圾理化性質及其厭氧發酵產氣潛力分析

易龍生，饒玲華，王鑫，王浩

(中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083)

餐廚垃圾是人們日常生活及食品加工過程中產生的食品廢料，其成分主要為米飯、蔬菜、肉類、骨頭等。餐廚垃圾富含有機物，含水率高，易腐爛變質，其在運輸與處理的過程中不僅產生大量毒素，散發惡臭氣體，而且污染水體和大氣。長期以來，我國的餐廚垃圾都是以飼養牲畜為主，部分被不法商販用于提煉潲水油，還有一部分與其他生活垃圾混在一起處理。在經濟和生產力的制約下，餐廚垃圾的產量相對較少，對環境尚未構成嚴重的危害。隨著經濟的不斷發展，城鎮人口的增加，餐廚垃圾的產量急劇增長，傳統的處置方式(如填埋)已不能滿足環境和衛生安全的要求。餐廚垃圾是資源型廢棄物，利用厭氧發酵法將其資源化處理逐漸成為人們關注的焦點。厭氧發酵處理技術，不僅可以處理大量餐廚垃圾，且發酵周期短，產生大量清潔能源——沼氣，沼液和沼渣可轉化為農業有機肥。據對餐廚垃圾厭氧發酵的研究表明，餐廚垃圾的產沼氣率大于435 mL/g[1-3]，即1 t餐廚垃圾(濕基)厭氧發酵可產87 m3沼氣。而1 m3沼氣完全燃燒后，能產生相當于0.7 kg無煙煤或0.7 kg汽油或0.8 kg煤油完全燃燒所產生的熱量[4]。因此，以餐廚垃圾為資源，變廢為寶，勢必將成為未來大規模處理餐廚垃圾的主要途徑。餐廚垃圾中不同物理組分的產沼氣能力不同，因而組成不同的餐廚垃圾的產沼氣能力也不同[5-7]。本文作者以某學生食堂的餐廚垃圾為原料，分別從物理組成和含水率、揮發性固體含量以及營養元素等角度來表征餐廚垃圾的理化性質，并對混合餐廚垃圾及單一組分的產沼氣能力進行實驗研究，以考察餐廚垃圾厭氧發酵處理的可行性，為餐廚垃圾資源化處理提供依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

餐廚垃圾樣品的收集與制備：為全面考察餐廚垃圾情況，每月15號對餐廚垃圾進行采樣，樣品取自于某學生食堂。取樣時，采用人工分揀的方式去除其中少量的雜質如塑料、木棒、紙巾后，將垃圾桶內的餐廚垃圾充分攪拌混勻后，取10 kg的餐廚垃圾。餐廚垃圾取回后，采用四分法，選取餐廚垃圾樣品。采用絞肉機將餐廚垃圾破碎使其呈粒度均勻的漿狀，顆粒粒徑為1～5 mm，于 5 ℃冰箱中保存備用。

接種物的收集與儲存：接種物取自于長沙某污水處理廠厭氧段的污泥，為黑色絮狀物。取回后，用塑料瓶密封靜置1 d，分層后，取下層污泥作為接種物。

1.2 實驗裝置

實驗裝置見圖1。裝置由1 L的厭氧發酵瓶，1 L的集氣瓶和500 mL量筒3部分組成。發酵瓶分別置于高溫(55±2)℃的水浴器中。發酵瓶中產生的氣體沿著玻璃導管進入集氣瓶，集氣瓶中裝有3%(質量分數)的NaOH溶液，吸收氣體中的酸性組分后，等體積的NaOH溶液被壓入到右邊的量筒中，量筒的讀數即為所產甲烷的體積。發酵瓶與集氣瓶之間的閥門為氣體采樣點。每次調節pH后均向發酵瓶中通入N2以維持發酵瓶內的厭氧環境。每天手動攪拌2次，每次5 min，使發酵液均勻混合。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.3 指標測定方法

采用烘干法[8]測定總固體(TS)、揮發性固體(VS)；采用玻璃電極法測定pH；碳元素(C)和氮元素(N)的測定采用元素分析儀(Vario ELⅢ，德國)；鉀(K)、鈉(Na)、鈣(Ca)等常規營養元素采用 ICP-AES(PS-6 真空型，美國Baird公司)[9-11]測定；沼氣產量采用排3% NaOH溶液法測定。

2 結果與分析

2.1 餐廚垃圾的理化特性分析

2.1.1 物理組成分析

餐廚垃圾成分復雜，飲食習慣、季節變化及生活水平等均會影響其組成。剔除塑料、木棒、紙巾等雜質后，每月餐廚垃圾的物理組成見圖2。從圖2可以看出：餐廚垃圾的成分主要為米飯、蔬菜、肉類和骨頭。其中米飯為餐廚垃圾主要部分，其變化范圍為38.3%～55.4%(濕基)，夏秋2季蔬菜含量較春冬2季的略高0.3%，相反，春冬季節肉類的含量比春冬2季的高2.7%。對厭氧發酵工藝而言，骨頭為餐廚垃圾中較為穩定的雜質來源，其平均含量為8.9%。

圖2 餐廚垃圾物理組成變化圖Fig.2 Physical components of kitchen waste

2.1.2 含水率(ηMC)及揮發性固體含量(ηVS)分析

餐廚垃圾及其組分肉類、蔬菜、米飯的含水率(ηMC)、含固率(ηTS)、揮發性固體含量(ηVS)以及揮發性固體占總固體含量(ηVS/ηTS)的平均值如圖3所示。從圖3可以看出：餐廚垃圾及其組分米飯、蔬菜、肉類的含水率分別為：79.8%，74.2%，85.4%和 55.1%；以蔬菜的含水率最高，其次為混合餐廚垃圾，肉類最低。在對餐廚垃圾揮發性固體含量(即物料中有機物的量[8-11])的檢測中發現，肉類的有機物含量最高為43.2%，其次為米飯23.9%，混合餐廚垃圾為20.0%，蔬菜含量最低為12.6%。各組分的ηVS/ηTS表明：除水分外，有機物的含量的變化范圍在88.6%～96.6%。實驗結果表明：餐廚垃圾具有高含水率和高有機物含量的特性。

圖3 餐廚垃圾各組分的含水率(ηMC)、總固體(ηTS)、揮發性固體含量(ηVS)及揮發性固體占總固體(ηVS/ηTS)含量圖Fig.3 Values of ηMC, ηTS, ηVS and ηVS/ηTS in each component of kitchen waste

2.1.3 營養元素分析

厭氧發酵過程中起主導作用的是產甲烷菌，其世代周期較長，且對環境條件較為敏感，產甲烷菌生長狀態良好是厭氧發酵過程順利進行的前提。餐廚垃圾營養元素分析和產甲烷菌的化學組成見表1和表2。

通常認為，適宜的w(C)/w(N)比(有機物中碳總量與氮總量的質量分數之比)為15～30。w(C)/w(N)過高，含氮量不足，緩沖能力低，pH容易降低，反之若過低，則含氮量過高，微生物會將多余的氮代謝為氨(NH3)而釋放出來，從而使構成發酵液堿度的物質碳酸氫銨(NH4HCO3)增加，雖可提高發酵液的緩沖能力，但銨鹽容易積累而導致抑制發酵反應過程[12]。從表1可見，餐廚垃圾的w(C)/w(N)比為21.48，處于適宜的范圍內，完全符合微生物對C和N元素的需求。此外，產甲烷菌所需的主要營養物質如氮、磷、鉀、硫，以及金屬元素鐵，鎳、鈷、鉬、鋅、錳、銅等(見表2)在餐廚垃圾的營養元素分析中均可找到。綜合表1和表2 可知：餐廚垃圾中含有產甲烷細菌所需的均衡營養，完全滿足厭氧發酵工藝的要求。

表1 餐廚垃圾營養元素分析Table 1 Elemental composition analysis of kitchen waste mg/kg

表2 產甲烷菌的化學組成[13]Table 2 Elemental composition of methane-producing bacteria g/kg

2.2 餐廚垃圾厭氧發酵產能沼氣潛能研究

本研究以200 g餐廚垃圾或其組分為原料，于高溫(55±2) ℃下，進行為期30 d的厭氧發酵處理，在此期間各實驗組的pH、日沼氣產量和積累產沼氣率的變化情況分別如圖4～6所示。

2.2.1 餐廚垃圾在厭氧發酵過程中的pH變化

pH是影響厭氧發酵至關重要的因素：厭氧發酵期間的pH變化如圖4所示。從圖4可以看出，在試驗的第2天，各實驗組均酸化。經Ca(OH)2溶液調節至7.0后，從第4天開始，除米飯外，其他組分都在開始逐步恢復，而米飯則繼續酸化并于第4 天達到了最低值4.4，其隨后上升的過程也要明顯落后于其他組分。米飯組的酸化最為顯著，其主要成分為富含碳水化合物的淀粉，在淀粉酶的作用下，迅速降解而導致發酵液的持續酸化。酸化程度最低的為肉類，其最低 pH為5.8，且迅速恢復。這是由于肉類的主要成分蛋白質，在蛋白酶的作用下轉化為氨基酸，從而致使發酵液中銨根離子濃度較高，即pH較高。蔬菜以纖維素為主，易降解，從第15天開始發酵液的pH就開始維持在7.0左右。發酵結束時，各實驗組的發酵液均呈堿性。混合餐廚垃圾以米飯和蔬菜為主，其特性與米飯和蔬菜保持一致，具有易酸化、降解的特性。其 pH變化曲線介于米飯與蔬菜、肉類的之間，但變化趨勢相對更為平穩。

圖4 餐廚垃圾及其組分厭氧發酵的pH變化圖Fig.4 pH variation in kitchen waste and components

2.2.2 餐廚垃圾的產沼氣能力

混合餐廚垃圾及其組分厭氧發酵的日產氣情況如圖5所示。從圖5可以看出：厭氧發酵產沼氣過程有2個較大的產氣高峰。隨著易降解有機物的迅速分解，在實驗的第2天，混合餐廚垃圾及其組分都出現了第1產氣高峰，且峰值較為接近。隨后出現的第2產氣高峰，各實驗組出現的時間和峰值有較為明顯的差別，依次為：肉類，第10天，1.4 L；蔬菜，第18天，3.5 L；混合餐廚垃圾，第24天，3.0 L；米飯，第26天，3.4 L。相比之下，肉類率先出現第2產氣高峰，但其峰值明顯低于其他各組。含水率較低以及蛋白質不易降解完全等可能是導致富含有機物的肉類沼氣產量較低的主要原因。

圖5 餐廚垃圾及其各組分厭氧發酵的日產氣圖Fig.5 Daily biogas yield from kitchen waste and components

在厭氧發酵處理中，混合餐廚垃圾及其組分的積累沼氣產率情況如圖6所示。從圖6可以看出：肉類的積累沼氣產率明顯低于其他組分的沼氣產率，雖然初始產氣率較大，但從第12天開始，積累沼氣產率開始趨于平緩，在消化結束時，積累沼氣產率僅為206.8 mL/g(以每克揮發性固體計，下同)；蔬菜和米飯的沼氣產率則高達433.3 mL/g 和478.2 mL/g，分別比肉類提高了110%和132%。由此可知：餐廚垃圾中不同組分的產沼氣能力不同，因而物理組成不同的餐廚垃圾的產沼氣能力也不同。本研究中混合餐廚垃圾以米飯和蔬菜為主，沼氣產率高達508.3 mL/g，即1 t餐廚垃圾(濕基)可產清潔能源沼氣101.7 m3。這可能是由于各組分間營養物質的良性互補，從而營造了更為良好的發酵條件。

圖6 餐廚垃圾及其各組分厭氧發酵積累沼氣產率圖Fig.6 Accumulative biogas yield from kitchen waste and components

2.3 餐廚垃圾厭氧發酵處理效益分析

厭氧發酵處理技術將令市政、環衛部門困擾的餐廚垃圾變成了清潔能源——沼氣和農業有機肥——沼渣和沼液。餐廚垃圾厭氧發酵處理，及其發酵產物沼氣、沼渣、沼液的綜合利用，有效實現了物質的循環利用，極大改善了城市環境，取得了良好的社會效益、生態效益和經濟效益。

2.3.1 社會效益

通過對餐廚垃圾的厭氧發酵處理，以及對發酵產物的綜合利用，從根本上解決了餐廚垃圾的處理問題，從一定程度杜絕了餐廚垃圾所引發的潲水豬與地溝油事件的發生，保障了居民的身體健康。

2.3.2 生態效益

城市環境得到了很好的改善，減少了由于餐廚垃圾的肆意堆放所帶來的土壤、水體以及空氣的污染。沼氣的利用，使局地居民的生活環境得到了改善；使用沼液防治蟲害，可有效減少農藥殘余問題，促進綠色農業；有機肥的使用有助于增加土壤中有機質與氮磷的含量，有利于土地的持續性利用。

2.3.3 經濟效益

據清華大學環境系固體廢物污染控制及資源化研究所的統計數據，中國城市每年產生餐廚垃圾不低于6 000萬t，如果均采用厭氧發酵技術處理，可獲6.1億 m3的沼氣，能有效緩解能源問題[14]，獲得較大的經濟效益；另外，厭氧發酵的殘余(沼渣和沼液)也可作為有機肥和葉面肥，用于養殖業，可有效節約農業生產成本[15]。

隨著我國餐廚垃圾處理問題的日益突出以及能源危機的日益加劇，厭氧發酵處理法對緩解能源危機和解決餐廚垃圾的處置問題具有非常重要的意義。

3 結論

(1) 餐廚垃圾具有高含水率和高有機物含量的特性，且具備產甲烷細菌所需均衡的營養。就厭氧發酵工藝而言，餐廚垃圾的理化特性完全滿足厭氧發酵工藝的要求。

(2) 米飯、蔬菜、肉類的沼氣產率(以揮發性固體計)分別為478.2，433.3和206.8 mL/g。在營養物質良性互補的作用下，混合餐廚垃圾的沼氣產率達 508.3 mL/g，即1 t餐廚垃圾(濕基)可產清潔能源沼氣101.6 m3，在有效解決餐廚垃圾的處置問題的同時，也實現了其經濟效益、生態效益和環境效益的統一。

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