城市有機垃圾與羊糞聯合厭氧消化產沼氣研究

韓文彪, 徐 霞， 趙玉柱， 夏曉華， 吳振宇

(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)

?

城市有機垃圾與羊糞聯合厭氧消化產沼氣研究

韓文彪1,2, 徐 霞1,2， 趙玉柱1,2， 夏曉華1,2， 吳振宇1,2

(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)

文章以城市有機垃圾和羊糞為發酵原料，研究了在中溫(35℃)條件下不同原料配比對厭氧消化過程及消化效率的影響。結果表明，城市有機垃圾和羊糞進行聯合厭氧發酵可以提高原料的消化效率。當城市有機垃圾和羊糞TS比為1∶2時厭氧消化效果最好，COD去除率達52.73%，TS去除率達47.39%，VS去除率達54.93%，累計產氣量最大且甲烷含量較高。

城市有機垃圾；羊糞；厭氧消化

伴隨我國城市化進程的加快，城市規模也在不斷的擴大，城市生活垃圾的產生量也與日俱增。據統計，我國城市生活垃圾儲存量已經達到60億t,并以年均10% 左右的速度持續增長，并且城市生活垃圾中的有機物含量也在逐年增加[1]。城市生活垃圾是城市發展的必然產物，其特點是含水量大、有機質含量高、成分復雜等[2]，傳統的填埋處理會造成巨大的資源浪費，而采用厭氧發酵工藝進行處理，不僅可以實現垃圾處理的減量化、資源化和無害化，而且也可進行能源回收[3]。畜禽糞便作為一種生物質能源,經厭氧消化產沼氣的轉化率為20%～40%，我國從上世紀80年代開始大規模建設沼氣工程，采用厭氧發酵工藝處理畜禽糞便[4]。但是，采用單一原料進行厭氧發酵，消化效率會受到很大限制[5-7]。因此，如何提高厭氧消化效率是厭氧發酵工藝首要解決的問題。有研究表明，采用兩種或多種進行原料聯合發酵能夠提高厭氧消化效率[8-11]。

實驗以城市有機垃圾和羊糞為發酵原料，研究了不同原料配比對厭氧消化效果的影響，以期為城市生活垃圾和羊糞聯合厭氧發酵的工程化應用提供技術支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

實驗所用生活垃圾原料來自鄂爾多斯市東勝區垃圾處理廠，生活垃圾經粗略分選后，分揀有機成分進行粗破碎，粒徑均勻小于2 cm，然后用膠體磨進行研磨、勻漿，粒徑約4～5 mm。

羊糞來自于準格爾旗沙圪堵鎮養殖場，厭氧消化菌種取自本實驗室聯合厭氧消化后的沼液經35℃中溫馴化后作為接種物。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝置

試驗裝置由實驗室自制，主要由發酵瓶與集氣瓶組成。發酵瓶由1 L圓底燒瓶制成，集氣瓶為1 L細口瓶，分別用大小合適的橡膠塞密封，橡膠塞上有排氣口和取樣口。發酵瓶置于35℃恒溫水浴箱內保溫，裝置示意圖見圖1[12]。

1.恒溫水浴箱；2.取樣口；3.發酵瓶；4.儲氣瓶；5.橡膠塞；6.導管；7.儲水瓶圖1 厭氧消化實驗裝置

1.2.2 測定方法

實驗過程中主要分析項目如下[13]：pH值，5-3C型pH測定儀測定；COD，重鉻酸鉀法進行測定；TS，105℃～110℃烘干24 h至恒重后測定；VS，550℃灼燒1 h，前后質量差值即為VS；氣體體積，排水法；氣體成分，氣相色譜法(GC112A氣象色譜儀)。

1.2.3 試驗設計

實驗以城市生活垃圾、羊糞和二者5組不同TS配比的混合原料為發酵底物，設7個實驗組和1個空白參比組(只有菌種)，每組設兩個重復，按30%的接種量進行接種，反應液TS為6%，起始pH值調為7.0，總體積1 L，發酵周期約45 d(不產氣為止)，在35℃進行厭氧消化，每天定時攪拌兩次(8:00和18:00)，每次約10 min。每天量取產氣體積，每隔四天取樣分析發酵液。原料配比及發酵液特性見表1。

表1 原料配比及原料初始指標

2 結果與討論

2.1 不同原料配比對pH值的影響

pH值是影響厭氧發酵系統的重要因素，pH值變化直接影響著微生物的活性，進而會影響產氣效率以及消化效果[14-15]。圖2描述了各組實驗中pH值隨發酵時間的變化關系。從圖中可以看出,不同原料配比在其消化過程中，pH值變化趨勢相似，都呈先下降后上升的趨勢。反應第4 d時，各組實驗pH值降到最低，其中，純生活垃圾，S∶Y為3∶1，2∶1和1∶1的處理組pH值迅速下降到5.5左右，而隨著羊糞含量的增加pH值變化逐漸變小，S∶Y為1∶2，1∶3的處理組pH值在第8 d后逐漸上升到6.5以上，并能較長時間保持在6.5～7.5之間，符合產氣要求的pH值環境，有利沼氣的產生。因此，通過衡量發酵效率和系統穩定性，S∶Y為1∶2(C/N=29∶1)的實驗組效果最好。

圖2 厭氧消化過程中pH值的變化

2.2 不同原料配比對產氣量的影響

由圖3中可以看出，各組的產氣變化趨勢大致相似,都是在第一天出現產氣高峰，產氣量最大的是純生活垃圾，其次是S∶Y為3∶1的處理，而純羊糞的產氣量最小；隨著發酵時間的延長，純羊糞在發酵第3d開始出現產氣高峰，而且持續時間較長，在發酵第11d和第16d分別出現了產氣高峰，分別為510 mL和775 mL，隨后產氣逐漸降低；S∶Y為1∶2的處理組在發酵前期產期較少，從第18d產氣逐漸增多，到第31 d出現產氣高峰，產氣量達到1310 mL，產氣持續至發酵結束，而其他處理均未出現明顯的產氣高峰。

圖3 厭氧消化過程中日產氣量的變化

從圖4可以看出，各處理的累積產氣量有明顯的差異，累積產氣量最大的處理是S∶Y為1∶2的處理，產氣量為12863 mL，其次是純羊糞，產氣量為10879 mL，最后是1∶1，2∶1，3∶1，生活垃圾的處理組，分別為9670 mL，9121 mL，8952 mL和8707 mL。由此可見，混合原料中組分不同對產氣量的影響很大，合適的原料配比(主要為C/N)，不僅可以縮短發酵周期，提前產氣高峰的發酵時間，還明顯提高產氣量。

圖4 厭氧消化過程中累積產氣量的變化

2.3 不同原料配比對甲烷含量的影響

不同原料配比與甲烷含量的關系如圖5所示，發酵起始階段主要為水解酸化階段，沼氣甲烷含量較低，因此，未進行甲烷含量測定，從第12 d開始測定。由圖可知，不同原料配比對厭氧發酵甲烷含量影響比較明顯，各試驗組甲烷含量呈現相似特征，發酵前期主要為上升階段，隨著反應的進行甲烷含量逐漸穩定。同時隨著羊糞含量的增加，甲烷含量也相對增高。其中，S∶Y為1∶2，1∶3，純羊糞3組的甲烷含量基本接近，穩定后可達80%左右，S∶Y為1∶2的處理組，甲烷含量最高時可達80.16%，而其余3個試驗組甲烷含量相對較低，基本維持在65%左右，以純生活垃圾為原料的發酵組甲烷含量最低，最高時只有50.65%。

圖5 厭氧消化過程中甲烷含量的變化

2.4 不同原料配比對發酵液COD的影響

在厭氧消化過程中，不同原料配比的COD的變化如圖6所示。可以看出,由于發酵原料配比不同，各組進料的初始COD值依次減小,但在發酵過程中，各處理的COD曲線隨著發酵時間的變化而上下波動，發酵結束后，除了菌種的COD變化不大外，其他實驗組的COD曲線均呈現下降趨勢。

如圖7所示，各處理組發酵前后COD的去除率，從發酵前后各處理的COD去除率上看，S∶Y為1∶2時的COD去除率最高，為52.73%，比純生活垃圾COD去除率提高了45%，比純羊糞實驗組COD去除率提高了91.2%；其次是S∶Y為1∶1時，COD去除率為50.6%，而除菌中外，純羊糞的實驗組COD去除率最小，只有27.5%，由此可以看出，S∶Y為1∶2時，COD去除效果最好，厭氧消化效果最好。

圖6 厭氧消化過程中COD的變化

圖7 厭氧消化COD的降解率

2.5 不同原料配比對TS和VS的影響

如圖8所示，不同原料配比的TS與VS去除率，各實驗組的TS和VS去除率均有較大變化，其中，生活垃圾和羊糞單一發酵原料的TS去除率分別為30.24%和37.06%，VS的去除率分別為28.75%和47.18%，而 S∶Y為1∶2的TS和VS去除率是各發酵組中最大的，分別為47.39%和54.93%。相比生活垃圾實驗組分別提高了56.4%和94.5%；相比羊糞實驗組分別提高了27.3%和18.6%。因此，S∶Y為1∶2時，TS和VS的降解率都最大，最有利于生活垃圾和羊糞的混合厭氧發酵。

圖8 厭氧消化TS和VS的降解率

3 結論

試驗研究了有機生活垃圾和羊糞不同配比對厭氧發酵產沼氣的影響，結果表明：當S∶Y為1∶2時，累計產氣量最大(為12863 mL)且甲烷含量相對較高(約80%)，厭氧消化前后COD去除率最高，為52.73%，TS去除率為47.39%，VS去除率為54.93%，比其他處理組的去除率均高。由此可見，當S∶Y為1∶2時，有利于生活垃圾和羊糞聯合厭氧消化。

[1] 肖 鴻,彭 宏.城市生活有機垃圾濕式動態厭氧發酵工藝[J].環境工程,2007,25(4):65-69.

[2] 林 麗.中國國情下厭氧消化技術處理城市混合收集生活垃圾可行性研究[D].成都:西南交通大學,2009.

[3] 張 波,張麗麗,徐劍波,等.城市生活垃圾的厭氧消化處理現狀和研究進展[J].中國沼氣,2003,21(4):17-21.

[4] 楊廣忠. 城市生物垃圾與畜禽糞便中溫聯合厭氧消化研究[D].沈陽:沈陽航空工業學院,2010.

[5] Wang G, Gavala H N, Skiadas I V, et al.Wet explosion of wheat straw and co-digestion with swine manure: Effect on the methane productivity[J].Waste Management,2009,29:2830-2835.

[6] 楚莉莉.不同原料及配比厭氧發酵產氣效果研究[D].楊凌:西北農林科技大學農學院,2008.

[7] Somayaji D, Kbanna S. Biomethanation of rice and wheat straw[J].Microbiol Biotechnol,1994,10:521-523.

[8] 王永成,李 杰,許宏偉.豬雞糞便及其不同混合比例厭的研究[J].東北農業大學學報,2008,39(7):79～83.

[9] 劉戰廣,朱洪光,王 彪,等.糞草比對干式厭氧發酵產沼氣效果的影響[J].農業工程學報,2009,25(4):130-134.

[10] 劉一威. 畜禽糞便、污泥、農村垃圾中溫聯合厭氧消化技術研究[J].可再生能源,2012,30(6):59-62.

[11] 張洪賓，谷 潔，孫 薇，等．不同原料配比對厭氧發酵過程中產氣量VFA和脫氫酶活性的影響[J]．農業環境科學學報,2012,3l(2):422-427.

[12] 韓文彪,徐 霞,趙玉柱.接種量對城市有機垃圾和剩余污泥聯合厭氧消化的影響[J].中國沼氣, 2014(5):12-16.

[13] 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法(第4版)[M].北京:中國環境科學出版社,2002.

[14] 張玉靜,蔣建國,王佳明. pH值對餐廚垃圾厭氧發酵產揮發性脂肪酸的影響[J].中國環境科學, 2013, 33(4):680-684.

[15] 張 彤,李 偉,李文靜,等. 糞秸結構配比厭氧發酵中pH、VFA與產氣效果的關系[J].農業環境科學學報, 2010, 29(12):2425-2430.

Anaerobic Co-digestion of Municipal Organic Garbage and Sheep Manure and Its Biogas Production

HAN Wen-biao1,2, XU Xia1,2, ZHAO Yu-zhu1,2, XIA Xiao-hua1,2, WU Zhen-yu1,2

(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)

Anaerobic fermentation of municipal organic garbage mixed with sheep manure was studied under condition of different mixing ratio and temperature of 35 ℃. The results showed that the co-digestion of municipal organic garbage and sheep manure could improve the efficiency of garbage digestion, the TS mixing ratio of municipal organic garbage and sheep manure of 1∶2 obtained the best result,with the COD degradation rate reached 52.73%, TS degradation rate 47.39%, and VS degradation rate 54.93%. The accumulative biogas production obtained the maxium of 12863 mL, and the methane content was high.

municipal organic garbage; sheep manure; anaerobic digestion

2014-12-17

2014-12-29

項目來源： “十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAC25B03)

韓文彪(1986-)，男，漢族，內蒙古烏蘭察布市人，工程師，研究方向為城市有機廢棄物處置與利用，E-mail:13664875366@163.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)01-0025-04