生活垃圾與餐廚垃圾厭氧消化產氣潛能的研究

徐　霞， 韓文彪， 趙玉柱， 陳　灝， 步天達

(1.中科院生態環境研究中心 鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術研究所， 內蒙古 鄂爾多斯　017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產研究開發有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯　017000)

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生活垃圾與餐廚垃圾厭氧消化產氣潛能的研究

徐霞1,2， 韓文彪1,2， 趙玉柱1,2， 陳灝1,2， 步天達1

(1.中科院生態環境研究中心 鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術研究所， 內蒙古 鄂爾多斯017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產研究開發有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯017000)

文章選取固廢物生活垃圾與餐廚垃圾中有機垃圾作為研究對象，進行中溫批量厭氧消化對照試驗。結果表明：生活垃圾與餐廚垃圾原料產氣潛能分別為19.36 L· kg-1，42.1 L·kg-1。實驗中，生活垃圾與餐廚垃圾分別經過67，82天的厭氧消化，得出生活垃圾原料的TS和VS產氣率分別為131.54 L·kg-1TS和260.66 L·kg-1VS，餐廚垃圾組TS和VS產氣率分別為237.56 L·kg-1TS和405.56 L·kg-1VS。

生活垃圾； 餐廚垃圾； 厭氧消化 ； 沼氣

隨著社會的發展和人民生活水平的不斷提高,全國尤其是大中型城市產生的日常生活垃圾與餐廚垃圾產量不斷增長，垃圾未經無害化處理,裸露堆置或不合理處置會產生一系列的影響:加劇環境污染,嚴重危害城市環境和居民生活條件。因此，垃圾處理已成為社會發展中一個亟待解決的問題。傳統的垃圾處理處置方法主要有填埋、焚燒、堆肥等，而餐廚垃圾具有含水率高，有機物含量高等特點，傳統的處理方法，不僅造成餐廚垃圾中資源的損失，而且達不到清潔利用的效果，容易產生二次污染。因此不論是生活垃圾還是餐廚垃圾如不妥善處理都會不同程度地影響地表水、地下水、大氣污染等，都會造成現實的影響和潛在的危害,這樣不僅破壞了城市的生態環境,而且嚴重危害人民的身體健康[1-7]。

現階段由于能源的過度消耗，人們在處理環境污染問題的時候越來越重視污染處理的資源化，因此，厭氧處理技術作為一種產能的技術，既能產生潔凈能源——沼氣，又有效地減少垃圾污染，還可以產生很好的經濟效益和巨大的環境效益，實現廢棄物減量化、無害化、資源化的環保目標[8-9]。試驗通過中溫批量厭氧消化實驗，初步研究生活垃圾和餐廚垃圾產沼氣性能，為二者無害化處理、資源化利用提供一條可行的途徑，并為我國工業化應用的研究提供一定的借鑒。

1　材料與方法

1.1原料與接種物

厭氧發酵原料：生活垃圾取自鄂爾多斯市東勝區傳祥垃圾處理廠生產車間的有機物，經人工破碎后加水過膠體磨；餐廚垃圾：取自東勝區餐廚車間制漿后料液；接種物(菌種)：采用厭氧發酵后經板框壓濾機壓濾出的沼渣加水過濾后的污泥，取上清液作為接種物(菌種)。由于接種物的固含率低，可降解的有機物少，產氣量不高，因此，在后續發酵中忽略不計，發酵原料特性見表1。

1.2實驗裝置與方法

自制排水集氣法厭氧發酵裝置(見圖1)，裝置由1 L厭氧發酵瓶，5 L排水集氣瓶，1 L集水量筒

表1　試驗原料的物化特性

組成。試驗采用恒溫37℃批量發酵工藝，接種物和發酵原料按質量比為3∶7的比例調配并用等量水替代發酵原料做對照(菌種)，混勻后裝入厭氧發酵瓶中置于恒溫水浴鍋進行厭氧發酵，直至不再產氣為止。每天晃動攪拌兩次(8:00,18:00)，每次5 min。每天定時測定產氣量，每3 d取樣分析發酵液指標，根據產氣情況測定氣體成分。

1.恒溫水浴鍋； 2.發酵瓶； 3.集氣瓶； 4.集水瓶； 5.取樣口； 6.取氣口； 7.導氣管圖1　厭氧消化實驗裝置

1.3主要實驗儀器

HHS-6S電子恒溫不銹鋼水浴鍋，M-FB180a J膠體磨，HH-6化學耗氧量測定儀，101A-1恒溫干燥箱，A-10型箱式電阻爐，5-3C型pH測定儀，GC112A氣象色譜儀，722型可見分光光度。

1.4分析項目及方法

CODcr：快速密閉催化消解法；TS和VS：重量法；pH值：玻璃電極法；NH3-N：納氏試劑比色法； 氣體成分：氣相色譜法；產氣量：排水集氣法。

2　結果與討論

2.1生活垃圾與餐廚垃圾的產氣量

生活垃圾與餐廚垃圾的日產氣量為每組的日產氣量減去相應對照組(菌種)的日產氣量，結果見圖2。從圖2可以看出：厭氧發酵初期生活垃圾和餐廚垃圾第1天便開始產氣，但釋放的大多是二氧化碳，之后生活垃圾與餐廚垃圾的產氣量都急劇下降，pH值也持續降低，最后通過人工干預后 (加10 mol·L-1NaOH進行調節),從第8 d開始隨發酵時間的延長兩組的產氣量逐漸升高，但餐廚垃圾不明顯，生活垃圾在第18 d出現最高峰值；而餐廚垃圾在第25 d～62 d日產氣量相對穩定，第67 d才出現最高峰值。出現峰值后兩組的日產氣量都隨厭氧發酵的進行逐漸減小，直至停止產氣。

圖2　厭氧消化過程中日產氣量的變化

由圖3可以看出，生活垃圾與餐廚垃圾的累積產氣量分別在34 d，80 d之內是逐漸上升，然后相對平穩，在實驗結束后，累積總產氣量分別達到16269.5 mL，32182.1 mL,減去對照組(菌種)的累積產氣量，生活垃圾及餐廚垃圾凈累積產氣量分別為：13554.2 mL，29466.8 mL。由此可得出，生活垃圾與餐廚垃圾原料的產氣率分別達19.36 m3·t-1，42.16 m3·t-1。以TS計，產氣率分別達131.54 m3·t-1，237.56 m3·t-1；以VS計，產氣率分別達260.66 m3·t-1，405.26 m3·t-1。

2.2厭氧消化過程中發酵液有機物變化

由表2可知，厭氧發酵前后，生活垃圾與餐廚垃圾兩組的COD去除率分別為30.53%，57%；TS去除率分別為31.25%，33.26%；VS去除率分別為42.04%，45.01%。

2.3消化過程環境指標的變化

發酵過程中生活垃圾與餐廚垃圾pH值，氨氮，COD的變化見圖4～圖6。pH值是影響厭氧發酵過程的重要工藝參數，厭氧消化過程中產甲烷的最佳pH值是6.8～7.2。由圖4看出，實驗pH值是先下降后上升最后趨于穩定。在發酵初期，由于發酵原料迅速水解酸化，發酵體系中甲烷菌數量有限，產生的VFA不能被甲烷菌全部利用，造成酸的積累，因此pH值持續下降。隨后在第6 d分別向發酵瓶

表2　發酵原料物化特性的變化

中加入10 mol·L-1NaOH調節pH值到7.2左右，再加上系統本身的調節，甲烷菌的活性慢慢增強，開始有效利用原料中的VFA，隨著發酵的進行pH值逐漸升高，并維持在7.2～8.2之間，這時產甲烷也比較穩定。

圖4　厭氧消化過程中pH值的變化

圖5　厭氧消化過程中氨氮的變化

氨氮是厭氧微生物生長所必需的基本氮源，一定濃度的氨氮對產甲烷有一定的促進作用。圖5顯示，氨氮濃度隨著試驗的延續呈上升趨勢。這是由于有機垃圾中含有大量的有機氮，多以蛋白質的形式存在，厭氧發酵后，蛋白質水解為氨基酸，并進一步被轉化為氨態氮，因而發酵液中氨態氮升高。發酵后期氨氮累積明顯，一定程度上抑制產甲烷菌的活性。由圖6看出，生活垃圾與餐廚垃圾的COD均呈現下降趨勢。這是由于系統中的原料得到微生物的有效利用而釋放出CO2和CH4，因此二者COD隨厭氧發酵的進行逐漸減少。

圖6　厭氧消化過程中COD的變化

3　結論

通過試驗得出，生活垃圾與餐廚垃圾發酵原料中溫厭氧發酵的產氣潛能分別為：19.36 m3·t-1，42.1 m3·t-1。以TS計，產氣率分別達131.54 m3·t-1，237.56 m3·t-1；以VS計，產氣率分別達260.66 m3·t-1，405.26 m3·t-1。

由此可見，生活垃圾與餐廚垃圾在中溫條件下具有很好的產氣潛力，是良好的沼氣厭氧發酵原料，既能變廢為寶，提供能源，又有利于環境保護。

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The Biogas Production Potential of Domestic Waste and Kitchen Waste /

XU Xia1,2， HAN Wen-Biao1,2， ZHAO Yu-Zhu1,2， CHEN Hao1,2， BU Tian-Da1/

(1. Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Ordos 017000,China; 2. Ordos Urban Mining Research and Development Co Ltd,Ordos 017000,China)

The biogas production potential of domestic waste and kitchen waste were experimented and compared in batch fermentation under 37℃.After 67 days of fermentation with domestic waste and 82 days with kitchen waste, the TS based biogas production rate were 131.54 L·kg-1， 237.56 L·kg-1, and that of VS based were 260.66 L·kg-1，405.56 L·kg-1, respectively. Both materials showed good biogas production potential.

domestic waste; kitchen waste; anaerobic digestion; biogas

2015-10-09

2015-11-16

徐 霞(1978-)，女，漢族，內蒙古呼和浩特人，工程師，研究方向為城市有機廢棄物處置與利用，E-mail:737708102@qq.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)05-0038-03