餐廚垃圾與牛糞混合厭氧發酵產沼氣研究

朱洪艷 王粟 裴占江 等

摘要：為了解決餐廚垃圾單獨發酵時容易發生酸化等問題，以餐廚垃圾和牛糞為原料，在35 ℃下，采用批式厭氧發酵方法，研究了不同餐廚垃圾和牛糞配比對混合厭氧發酵效率的影響。結果表明，餐廚垃圾和牛糞比例為3∶1時反應效果最好，累積產氣量為3 750.5 mL，是餐廚垃圾單獨厭氧發酵（T6）產氣量的3倍，氣體甲烷含量可達52.1%。反應后期消化液的pH保持在7.3～7.5，沒有發生酸化現象；氨氮濃度保持在2 000～2 200 mg/L；輔酶F420最大值為0.72。而餐廚垃圾單獨厭氧發酵時發生酸化效應，反應運行失敗。由以上結果可知，混合發酵有利于厭氧發酵的進行，用混合發酵方法處理餐廚垃圾可以提高餐廚垃圾厭氧發酵效率。

關鍵詞：餐廚垃圾；牛糞；混合厭氧發酵；反應配比

中圖分類號：S216.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）20-5145-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.055

Study on Biogas Production from Anaerobic Co-digestion of Food Waste and Cow Manure

ZHU Hong-yan1，WANG Su2，PEI Zhang-jiang2，GAO Ya-bing2，WANG Xiang-he1，YAN Hong1，LIU Jie2

（1. College of Chemical and Environmental Engineering，Harbin University of Science and Technology/Key Laboratory of Green Chemical Engineering and Technology of College of Heilongjiang Province，Harbin 150040，China；2. Rural Energy Insititute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin 150086，China）

Abstract： Food waste anaerobic digestes alone will easily acidificate. Anaerobic co-digestion method was adpot to solve this problem.Food waste（FW） and cow manure（CM） were used as raw material，at the temperature of 35 ℃，the impact of the different reaction ratio to the co-anaerobic digestion efficiency with food waste and cow manure was studied by sequencing batch. The results showed that the best FW and CW reaction rate was 3∶1，the total gas production was 3 750.5 mL，which was there times of the FW digestesd alone，and the methane volume fraction was 58.7%，pH kept at 7.3～7.5，and the system didnt acidificate.The concentration of ammonia nitrogen kept at 2 000～2 200 mg/L. The highest absorbance value of coenzyme F420 was 0.72. Food waste anaerobic digested alone acidificated， the reaction failed to run. From the above results，we can know that co-digestion is benefit for anaerobic digestion，it could improve the efficiency of the anaerobic fermentation of food waste.

Key words： food waste；cow manure；anaerobic co-digestion；reaction ratio

餐廚垃圾是中國城市生活垃圾的主要組成部分，具有顯著的危害和資源二重性，它的主要特點是鹽分、有機物含量高，并富含氮、磷、鉀及各種微量元素[1]。由于餐廚垃圾中存在病原微生物，易導致腐爛、變質、發臭、滋生蚊蟲等情況發生[2]。隨著中國經濟的發展及人口的增加，餐廚垃圾的排放量也與日俱增，如何妥善地處理餐廚垃圾，消除其帶來的危害，實現其資源化利用是目前中國面臨的嚴峻問題之一。

厭氧發酵技術是一種科學的處理有機垃圾的生態方法，也是處理餐廚垃圾的一種有效的途徑[3，4]，這不僅可以減少污染物的排放、消除環境污染，還可以獲得清潔能源。混合厭氧發酵將是厭氧發酵技術的重要研究方向[5]。研究表明，混合發酵遠遠優于單獨發酵，餐廚垃圾單獨進行厭氧發酵時，由于其有機物含量高，碳氮比較高，體系不穩定，發酵時極易酸化，導致發酵失敗[6]。楚莉莉等[7]以豬糞、麥稈為原料，研究了不同比例混合對厭氧發酵產沼氣的影響，結果表明，豬糞與麥稈配比（干物質量比）1∶1時，產氣量是麥稈單獨發酵產氣量的1.6倍。丁琨等[8]研究了豬糞和玉米秸稈混合厭氧發酵產沼氣效果，結果表明，糞秸比為30%時發酵產氣效果最好。Zarkadas等[9]將DWE（洗滌廢水）與牛糞、豬糞混合發酵，產氣率提高了50%。目前，針對餐廚垃圾和牛糞混合厭氧發酵的研究較少。牛糞的碳氮與餐廚垃圾相比較低[10]，將牛糞和餐廚垃圾混合發酵，可以達到厭氧發酵的合適碳氮比，而且牛糞有較強的緩沖能力，可以使厭氧發酵體系穩定[11]。畜禽糞便是農村環境污染的主要來源[12]，隨意堆放畜禽糞便導致的環境問題，影響了新農村的面貌，對農民的生活環境和健康也造成了直接威脅。將餐廚垃圾和牛糞混合發酵，既可以提高餐廚垃圾厭氧發酵效率，又可以解決城市和農村的環境污染問題。

研究了餐廚垃圾和牛糞按不同配比混合厭氧發酵的產氣情況，以產氣量、產甲烷量、pH、輔酶F420活性、氨氮濃度等作為指標，對混合發酵產氣規律進行了分析，以期得到最佳原料配比。

1 材料與方法

1.1 材料

餐廚垃圾（FW）取自黑龍江省農業科學院職工食堂，挑出骨頭、塑料等不易發酵雜質，經粉碎后，收集于20 L的透明聚乙烯袋里，于-4 ℃保存備用。牛糞（CM）取自黑龍江省農業科學院畜牧研究所奶牛養殖場，取鮮樣后于-4 ℃保存備用。接種污泥（SS）取自黑龍江省農業科學院農村能源研究所沼氣發酵罐。

1.2 裝置

采用批式厭氧發酵方法，以1 L廣口瓶為反應容器，采用700 mL反應體系，試驗時干物質量的TS含量為6.8%，在恒溫培養箱內培養，反應溫度（35±1） ℃，采用排水法收集沼氣，直至不再產氣為止[13]。

1.3 方法

1.3.1 原料處理 試驗前，采用烘干法測定餐廚垃圾（FW）和牛糞（CM）的干物質質量分數TS（%）及揮發性固體質量分數VS（%），并將接種污泥（SS）置于35 ℃、2 Hz搖床上搖24 h，以減少內生甲烷氣體對試驗結果的影響[14]。

1.3.2 分組設計 根據FW∶CM比例不同設6個處理，分別為T1（0∶1）、T2（1∶1）、T3（2∶1）、T4（3∶1）、T5（4∶1）、T6（1∶0），每個處理3次重復。將原料充分混合后，裝入反應器，按1∶1接種沼液，接種時厭氧瓶內充入500 mL/min氮氣流，保持6 min以上，使反應系統處于嚴格的厭氧環境。記錄每天產氣體積，每3 d測定氣體中甲烷含量，每3 d取消化液樣品1次，每次取樣4 mL，并補充反應液。

1.3.3 指標測定 采用排水法測定產氣量；反應器內料液的pH采用pHS-2C型數顯pH計進行測定；甲烷含量采用安捷倫7890A測定（HP-PLOT molesieve色譜柱，柱箱溫度40 ℃恒溫，以氮氣為載氣，TCD檢測器，檢測器溫度250 ℃）；氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法測定[15]；輔酶F420活性采用紫外分光光度法測定[16]。

2 結果與分析

2.1 原料性質

各原料基本性質如表1所示。

2.2 不同反應物配比對產氣量的影響

由圖1可知，各處理在發酵反應第1 天均有氣體產生，牛糞單獨發酵（T1）時，在反應第8天達到最大產氣量，T2～T5處理在反應第5天達到最大產氣量；餐廚垃圾單獨發酵（T6）時，在反應第3天達到最大產氣量。即產氣量隨時間的變化呈先上升再下降的趨勢，該趨勢與前人研究的廚垃圾與牛糞混合厭氧發酵最佳配比[17]時得出的結論一致，最大產氣量T4>T3>T5>T2>T1>T6。由圖2可知，發酵反應結束后，各處理的累積產氣量不同，T1～T6處理的累積產氣量分別為1 589、2 065、2 442、3 750、2 111、1 267 mL，T4累積產氣量最多。由此可知，牛糞具有緩沖作用，加入牛糞可以減慢厭氧發酵反應，提高餐廚垃圾厭氧發酵的產氣量，有利于厭氧發酵反應的進行，但當牛糞超過或少于一定量時，產氣量降低，抑制了餐廚垃圾的發酵反應。當餐廚垃圾和牛糞的配比為3∶1時，產氣效果最好。

2.3 不同反應物配比對甲烷含量的影響

由圖3可知，在整個厭氧發酵過程中，甲烷含量呈上升趨勢，在發酵反應第15天時甲烷含量達到最大值，并保持穩定。各處理的最大甲烷含量大小為T4>T3>T2>T5>T1>T6，與累積產氣量變化基本一致。由此可知，適當加入牛糞可以提高餐廚垃圾產甲烷量，當餐廚垃圾和牛糞的配比為3∶1時，最高甲烷含量可達52.1%，產氣效果最好。

2.4 不同反應物配比對反應液pH的影響

由圖4可知，各處理組的pH呈先下降后上升的趨勢，在發酵反應初期（0～9 d），不溶性的大分子有機物分解為可溶性小分子有機酸，有機酸逐漸積累，pH下降。隨著發酵發應的進行，有機酸被產甲烷菌利用，含氮有機物分解產生的氨使pH上升。發酵反應進行到20 d左右時，T4處理的pH保持在7.3～7.5，而其他處理的pH一般保持在6.3左右，T6處理pH低于6.3。產甲烷菌的活性要求pH在6.8～7.2之間，pH小于6.3時，甲烷菌活性降低，甚至失活，產甲烷活性大小與產氣量的多少呈正相關[18]。從圖1也可以得出，發酵反應進行到20 d時，除T4處理外，其他各處理產氣量降低，直至不再產氣。由此可知，當餐廚垃圾和牛糞的配比為3∶1時，反應液的pH可以保持在厭氧發酵反應所需范圍內。

2.5 不同反應物配比對氨氮濃度的影響

由圖5可知，氨氮濃度的變化呈先上升后下降的趨勢，在厭氧發酵初期（0～13 d），餐廚垃圾和牛糞中的蛋白質和氨基酸的發酵及其他含氮有機物的降解產生氨氮，使氨氮濃度升高。隨著厭氧發酵反應的進行，產甲烷菌大量繁殖需要消耗氮源作為營養元素，氨氮的濃度又逐漸下降。除T4處理外，T1～T6處理的最大氨氮含量在2 300 mg/L左右，通常認為氨氮濃度在2 000 mg/L時就會產生明顯的抑制效果[19]，T4處理的氨氮含量2 000 mg/L以下，保證了發酵反應的穩定進行。由此可知，當餐廚垃圾和牛糞的配比為3∶1時，消化液不會發生氨氮抑制現象。

2.6 不同反應物配比對輔酶F420活性的影響

輔酶F420是產甲烷菌特有的物質，是產甲烷菌代謝途徑中重要的輔酶之一，其作為電子載體，在產甲烷的電子傳遞鏈中起著非常重要的作用[20]。輔酶F420可以用來反映厭氧發酵產甲烷過程中產甲烷菌的數量或者產甲烷菌活性。通過輔酶F420在420 nm處的吸光度來反映輔酶F420的活性，進而評價產甲烷菌的活性大小。由圖6可知，輔酶F420的活性呈先下降后上升的趨勢，反應初期（0～9 d）輔酶F420活性上升，反應進行到12 d時又逐漸下降。其原因是在產氣初始階段，發酵產生的酸使甲烷菌生長受到抑制，而隨著酸的利用，產甲烷菌快速增長而活性增大。當產氣量達到最大峰值時，產甲烷菌活性大小為T4>T2>T5>T3>T1>T6。由此可知，當餐廚垃圾和牛糞的配比為3∶1時，輔酶F420活性最高，其吸光度可達到0.72。

3 小結

餐廚垃圾單獨厭氧發酵時出現酸化現象，導致厭氧發酵反應運行失敗。餐廚垃圾與牛糞混合厭氧發酵可以提高餐廚垃圾厭氧發酵效率，FW∶CM為3∶1時，累積產氣量和甲烷含量最高，分別為3 750 mL和52.1%，反應后期消化液pH保持在7.3～7.5，沒有發生酸化現象；氨氮濃度為2 000～2 200 mg/L，沒有發生氨氮抑制現象；產甲烷菌的吸光度為0.72，產甲烷菌活性較高。不同處理的累積產氣量與甲烷含量的大小為T1>T4>T3>T2>T5>T6，即加入適量的牛糞，有利于餐廚垃圾進行厭氧發酵反應。

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