農村生活污水、餐廚垃圾與畜禽糞便混合產沼氣試驗研究

河南農業大學農業部可再生能源新材料和裝備重點實驗室生物質能源河南省協同創新中心 蘇煌 李威峰 李荊波 田超超 焦有宙河南農業大學機電工程學院

農村生活污水、餐廚垃圾與畜禽糞便混合產沼氣試驗研究

河南農業大學農業部可再生能源新材料和裝備重點實驗室
生物質能源河南省協同創新中心 蘇煌 李威峰 李荊波 田超超 焦有宙
河南農業大學機電工程學院

河南省農村能源環境保護總站 主辦

中國是一個農業大國，隨著農村居民生活水平的提高，農村的農業廢棄物和農村居民生活垃圾的產生量也與日俱增。大量農業廢棄物的隨意不當處理不僅造成大量生物質能源的浪費，而且對農村的環境造成很大的破壞。這些農業廢棄物主要包含種植業的作物秸稈和養殖業的禽畜糞便、養殖污水，農村生活垃圾包括農村的餐廚垃圾和生活污水。基于農村生物質未能合理利用，厭氧發酵是一種處理有機污染物的有效途徑。本文研究牛糞、餐廚垃圾和生活污水混合發酵的產氣性質。

一、農村有機廢棄物的資源化利用現狀

隨著農村供水系統的改善和生活水平的提高，農村生活污水的排放量在不斷增加。餐廚垃圾是農村生活垃圾的主要成分之一，包括居民餐廚生產過程中產生的食物殘渣、下腳料和剩菜剩飯等。朱艷等調研結果顯示，我國人均日產餐廚垃圾0.15kg/d，每年全國累計產生3 000多萬t餐廚垃圾，并且以10%～20%的增速增長。前些年，農村居民一般發展有家庭養殖業，習慣將餐廚垃圾作為家養畜禽的飼料使用，餐廚垃圾未經處理直接作為飼料也有一些問題，如餐廚垃圾中的金屬等堅硬物體會傷害動物消化道，餐廚垃圾中的病原菌會引起人畜共患病，微生物產生的生物毒素在動物體內富集，通過食物鏈進入人體。畜禽養殖業目前向規模化、集約化方向發展，禽畜糞便的排放量快速增加。畜禽廢棄物總量呈逐年大幅增長態勢，畜禽養殖產生的污染已成為農村環境污染的主要來源。2002年，全國禽畜糞便年排放量已達18.84 億t，相當于工業廢棄物年排放量的3.4倍。

二、材料與方法

（一）試驗材料

牛糞：取自河南農業大學牧醫工程學院的奶牛基地，新鮮牛糞試驗時現取現用，測量TS和VS分別為19.78%和14.39%。牛糞C/N為21.7。

生活污水：生活污水取自河南農業大學4號樓學生公寓的污水下水道，在4℃條件下保存備用，生活污水TS為0.035，C/N為10.2%。

餐廚垃圾：餐廚垃圾取與河南農業大學1號餐廳晚飯餐廚垃圾，去除雜質后在4℃條件下保存。餐廚TS 18.7%，C/N為14.3%。

（二）試驗方案設計

試驗研究不同比例的牛糞、餐廚垃圾與生活污水的發酵特性，實驗分為3組不同比例的物料混合梯度，第一組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：20，第二組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：16，第三組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：12。試驗在35℃中溫條件下進行序批式厭氧發酵50d左右。每組設3個平行，以3個平行的平均值為最終結果。三組實驗接種率都是10%。

牛糞、餐廚垃圾和生活污水混合發酵的產氣曲線圖

（三）分析方法

日產氣量用排飽和食鹽水法收集。測量產氣量即前后兩次量氣瓶的液面刻度之差，讀數時調節集氣瓶與量氣瓶的相對高度使集氣瓶和量氣瓶的液面高度相同，以保證集氣瓶內的氣壓與大氣壓相同。每天測量產氣量后，使發酵瓶與集氣瓶之間的止水夾閉合，在出氣孔用注射器抽出沼氣，使集氣瓶內充滿飽和食鹽水，并記錄量氣瓶液面刻度。日產氣量于每天下午2：30測量。試驗初始的發酵液為2.2L，隨著試驗進行發酵液物性的測量，發酵液會逐漸變小，校正后的日產氣量為當日實測產氣量/當日發酵液體積。試驗記錄日產氣量為校正后的日產氣量，以下提到的日產氣量均為校正后的日產氣量。累計產氣量是批次試驗的日產氣量進行累加。單位質量干物質產氣率等于總產氣量除以發酵液的初始總質量再除以發酵液的初始TS。單位質量揮發分產氣率等于總產氣量除以發酵液的初始總質量再除以發酵液的初始VS。用注射器取氣口抽取50mL氣體，用Agilent 6820GC-14B高效氣相色譜儀分析甲烷濃度，得出試驗產氣的甲烷含量。甲烷含量測量每3d進行1次，在上午9：00進行含量測量，抽取的50mL氣體計入當天日產氣量數值中。

三、牛糞、餐廚垃圾與生活污水混合發酵的產氣結果

牛糞與餐廚垃圾混合發酵的正交試驗結果是牛糞與餐廚垃圾混合比例在3：1時發酵效果最好，產氣速率和產氣量都達到最高，因此牛糞、餐廚垃圾和生活污水混合發酵的試驗將牛糞和餐廚垃圾的比例固定在3：1，通過改變生活污水的比例尋找最優的三者混合發酵的比例。由圖所示，牛糞、餐廚垃圾和生活污水以不同比例混合發酵的三組試驗都正常產氣，所產氣體的甲烷含量都在一個比較高的水平。產氣曲線顯示，三組試驗在發酵開始到第5天產氣量都很低，從第5天開始產氣量開始明顯增大，在第10天左右達到第一個產氣高峰，隨后開始下降，在第18天產氣量達到最低點后繼續增加，第二個產氣高峰出現在第30天左右，此時產氣量是整個發酵過程中日產氣量最高點分別達到400mL、500mL和650mL，而后產氣量開始緩慢下降直到試驗結束。第三組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：12組的產氣曲線比另外兩組高，產氣量高于其他兩組。第二組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：16組次之。產氣量最低的是第一組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：20，說明濃度越高其產氣量就越大。三組試驗產氣的甲烷含量變規律差別不大，都是在試驗開始到第10天從10%增長到60%，在第10天到試驗結束甲烷含量維持在50%～65%，整個發酵過程產氣穩定。

四、結論

牛糞和生活污水混合發酵可實現牛糞的高TS與低生活污水的高含水量進行互補，在牛糞、餐廚垃圾和生活污水的混合發酵過程中，牛糞、餐廚垃圾和生活污水質量比為3：1：20時，組單位VS產氣率最高，達到251mL/g；牛糞、餐廚垃圾與生活污水質量比為3：1：12時，累計產氣量最高，達到22 017mL。多元物料混合發酵與單一原料發酵相比較，具有以下優勢：改善原料的結構特性，增強介質傳遞，提高微生物對原料的利用率；促進發酵底物的營養平衡，增強發酵系統的緩沖能力和有機負荷；減少高濃度脂肪對發酵的毒性抑制，增強系統穩定性，提高發酵效率；多元物料混合發酵可以提高戶用沼氣池的利用率，避免戶用沼氣不同時期原料過剩或者短缺的問題。