餐廚垃圾厭氧發酵連續產氫產甲烷的試驗研究

張國華, 張志紅, 黃江麗, 王東升, 丁建南

(江西省科學院生物資源研究所， 江西 南昌 330029)

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餐廚垃圾厭氧發酵連續產氫產甲烷的試驗研究

張國華, 張志紅, 黃江麗, 王東升, 丁建南

(江西省科學院生物資源研究所， 江西 南昌 330029)

餐廚垃圾中有機物含量高，是理想的厭氧發酵底物。文章從接種菌來源和pH值角度，研究餐廚垃圾厭氧發酵連續產氫產甲烷的可行性，以期提高餐廚垃圾資源化利用率。結果表明，餐廚垃圾產氫階段100℃處理30 min以沼渣和厭氧消化污泥為來源的接種菌，有利于氫氣產生和提高產生氣體中氫氣濃度，且沼渣比污泥產氣效果好，調節發酵pH值于4.5～5.5有利于氫氣發酵。產氫殘留物厭氧發酵產甲烷階段，調節發酵pH值于7.0～7.5有利于沼氣發酵。產氫階段以沼渣為菌源的連續產甲烷階段產生氣體量及產生氣體中甲烷濃度比以污泥為菌源的厭氧發酵效果好。

餐廚垃圾; 厭氧發酵; 氫氣; 沼氣

1 材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾：收集于江西省科學院職工食堂，將餐廚垃圾中的骨頭、紙巾、筷子、牙簽等雜物分揀出。

接種用厭氧發酵菌種來源：分別取自于農戶老沼氣池中的新鮮沼渣和污水處理廠脫水厭氧消化污泥。

1.2 接種用厭氧發酵菌前處理

分別取部分新鮮沼渣和消化污泥于100℃壓力滅菌鍋中打開放氣閥蒸煮處理30 min，其目的是為了抑制無芽孢的產甲烷菌等耗氫微生物，抑制甲烷產生，提高產氫率[10-12]。

1.3 餐廚垃圾性質測定

分揀后的餐廚垃圾、沼渣及厭氧活性污泥進行含水率、總固體物質含量(TS)、總揮發性物質(VS)、灰分、含油率等參數的測定[13-14]。

加快水利信息化建設。按照《水利信息化建設頂層設計》提出的“五個統一”的要求，統籌推進流域防汛抗旱指揮系統二期、水資源管理信息系統、水利數據中心、信息共享平臺等項目建設；推進水利信息系統應用，健全完善系統功能，提高工作效率。完善數據更新機制，加強數據共享；加強科技創新。繼續推進流域科技創新中心建設，創新科研機制，完成科研管理辦法制定。抓好公益性行業科研專項的項目管理，不斷提高管理的科學化、規范化和制度化。加強重大水利問題研究和成果推廣應用，注重在科研項目中鍛煉隊伍。

1.4 試驗裝置

試驗裝置由2.5 L廣口玻璃瓶，2.5 L集氣瓶和2.5 L集水瓶組成，并由硅膠管進行密封連接。試驗裝置置于35℃±1℃恒溫培養箱中，每天定時檢測集氣瓶氣體成分中氫氣和甲烷含量，并準確量取集水瓶中排水體積。

1.5 試驗方法

(1) 餐廚垃圾厭氧發酵制備氫氣階段。

取6只2.5 L廣口玻璃瓶并分別標號Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，按表1分別在6只廣口瓶中加入發酵反應物[15-17]。

表1 試驗組設置

將Ⅰ～Ⅵ反應瓶分別與6只集氣瓶(集氣瓶中裝滿水)、6只集水瓶組裝成厭氧發酵裝置。將Ⅰ～Ⅵ反應裝置放入35℃±1 ℃恒溫培養箱進行發酵培養。定時測定產生氣體中氫氣和甲烷含量、排水體積、反應體系pH值，當發酵體系pH值下降過低，用堿調節發酵體系pH值于5.0 ～ 6.0，直至發酵體系不再產氣，視為餐廚垃圾厭氧發酵產氫階段完成。

試驗組Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ對比比較在相同條件下接種以厭氧活性污泥和沼渣為發酵菌產氣的區別。試驗組Ⅰ，Ⅱ和試驗組Ⅴ，Ⅵ對比比較接種經100℃熱處理后的厭氧活性污泥和沼渣為發酵菌，以及未經熱處理的厭氧活性污泥和沼渣為發酵菌產氣的區別。試驗組Ⅰ，Ⅱ和試驗組Ⅲ，Ⅳ對比比較添加餐廚垃圾底物產氣與未添加餐廚垃圾底物產氣的區別。

(2) 餐廚垃圾厭氧發酵產氫殘渣連續沼氣發酵階段。

餐廚垃圾厭氧發酵產氫階段完成后調節Ⅰ ～ Ⅵ發酵體系pH值于7.0～7.5，將Ⅰ ～ Ⅵ反應裝置放入35 ℃±1 ℃恒溫培養箱進行發酵培養。定時測定產生氣體中氫氣和甲烷含量、排水體積、反應體系pH值，當發酵體系pH值低于7.0時，調節pH值于7.0～7.5。

1.6 分析方法

餐廚垃圾、沼渣及厭氧活性污泥中的含水率、總固體物質含量(TS)采用烘干法測定；總揮發性物質(VS)、灰分含量采用馬弗爐灼燒法測定；含油率采用酸水解法測定；pH值采用pHS-3C型精密pH計測定。

氣體成分采用美國安捷倫公司Micro-GC 3000A便攜式氣相色譜儀測定。色譜條件：plot分子篩柱；柱溫、氣化室以及檢測器(TCD)溫度分別為110℃，100℃，110℃；氬氣為載氣[18-19]。

2 結果與分析

2.1 餐廚垃圾、沼渣及厭氧消化污泥特征

經分揀后餐廚垃圾與沼渣、厭氧消化活性污泥測得含水率、總固體物質含量(TS)、總揮發性物質(VS)、灰分，粗脂肪和pH值等參數見表2。

表2 餐廚垃圾、沼渣與活性污泥參數測定

2.2 餐廚垃圾厭氧發酵產氫特征

Ⅰ～Ⅵ號試驗組放置35℃±1℃恒溫培養箱后，6月3日測定Ⅰ～Ⅵ號試驗組，pH值均劇烈下降。如圖1所示，Ⅰ，Ⅴ號試驗組pH值降至3.5左右，產氣排水量不佳，產生氣體中氫氣濃度較低；Ⅱ，Ⅲ，Ⅵ號試驗組pH值降至4.5左右；Ⅱ，Ⅵ號產氣排水量較好，產生氣體中氫氣濃度相對較高；Ⅴ號試驗組pH值降至5.5左右，產氣排水量不佳，產生氣體中氫氣濃度較低。經過不斷調節發酵體系pH值于5.0～6.0，產氫發酵后期Ⅰ～Ⅵ號試驗組pH值均趨于5.0～5.5之間。如圖2和表3所示，Ⅱ，Ⅵ號試驗組產氣速率相對較快，在6月3日～6月6日達到產氣高峰，產氣高峰期Ⅱ號產生氣體中氫氣濃度達到最高峰43%，未檢測到甲烷成分，Ⅵ號產生氣體中氫氣濃度達到最高峰20%，檢測到甲烷成分；Ⅰ號試驗組在6月7日～6月8日達到產氣高峰，產氣高峰期Ⅱ號產生氣體中氫氣濃度達到最高峰36%，未檢測到甲烷成分；Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ號試驗組產氣效果不佳，Ⅴ號產生氣體中檢測到甲烷成分。如圖3所示，累計排水氣量Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ。

圖1 餐廚垃圾厭氧發酵制氫pH值變化

圖2 餐廚垃圾厭氧發酵制氫日排水量

日 期試驗組ⅠⅡⅢⅣⅤⅥH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4h%t%t%t%t%t%t6月3日1202004．304．804．81．2123．16月4日7．803402．205．00——152．56月5日——4303．803．201．60．8201．86月6日2003103．202．801．30．8111．36月7日3602402．801．602．00．84．50．86月8日3301302．32．81．502．51．51．50．66月9日8．105．601．51．20．50——0．50．56月10日————————————

2.3 餐廚垃圾厭氧發酵產氫殘渣連續沼氣發酵特征

餐廚垃圾厭氧發酵產氫階段結束后，6月13日調節Ⅰ～Ⅵ號試驗組發酵體系pH值于7.5左右，由于產氫階段酸累計效應，6月14日Ⅰ～Ⅵ號試驗組pH值均出現下降現象，降至5.5左右。如圖4所示，通過不斷調節pH值，Ⅰ～Ⅵ號試驗組pH值逐漸上升，發酵后期Ⅰ～Ⅵ號試驗組pH值均趨于7.0左右。產氣方面，如圖5與表4所示，由于酸累計效應Ⅰ～Ⅵ號試驗組于6月13日～6月17日產氣不佳，產生氣體中甲烷含量較低；Ⅰ,Ⅱ號在6月22日～6月25日達到產氣高峰期，Ⅰ號產生氣體中甲烷含量達到最高61%，Ⅱ號產生氣體中甲烷含量達到最高62.2%；Ⅴ，Ⅵ號在6月19日～6月24日達到產氣高峰期，Ⅴ號產生氣體中甲烷含量達到最高52%，Ⅱ號產生氣體中甲烷含量達到最高57%；Ⅲ號產生氣體中甲烷含量最高為40.5%；Ⅳ號產生氣體中甲烷含量最高為43.2%。如圖6所示，累計排水量Ⅱ>Ⅵ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ。

圖3 餐廚垃圾厭氧發酵制氫累計排水量

圖4 制氫殘渣沼氣發酵pH值變化

圖5 制氫殘渣沼氣發酵日排水量

日 期試驗組ⅠⅡⅢⅣⅤⅥH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4h%t%t%t%t%t%t6月15日05．3010．908．105．705．500．76月16日--013．1012．5011．508．3010．56月17日07．5014．4015．9022．6013．6017．36月18日010．0022．4018．5028．1015．60266月19日015．5037．8023．3031．3025．7033．36月20日021．3040028．1038．8037．8038．56月21日043052033．1043．2042．50426月22日053．2059．1040．5030．80480456月23日061061．5032．4023．3052050．46月24日060．3062．2028．8017．5042．4057．56月25日053060．4021．3011．20270396月26日038043．5011．207．2013020．46月27日018．1023．509．60706．7014．2

圖6 制氫殘渣沼氣發酵累計排水量

3 討論與結論

從試驗結果可以得出，餐廚垃圾富含易降解有機物，是厭氧發酵的理想發酵底物，餐廚垃圾厭氧發酵可以連續產氫產甲烷，有利于提高餐廚垃圾資源化利用率。

餐廚垃圾厭氧發酵過程中，存在餐廚垃圾水解酸化過程，造成厭氧發酵體系pH值下降影響產氣。通過調節pH值營造厭氧發酵產氫最佳pH環境和沼氣發酵最佳pH環境，有利于提高氫氣和沼氣產氣率和濃度。試驗結果表明，厭氧發酵產氫階段pH值為4.5～5.5，有利于氫氣產生和產生氣體中氫氣濃度較高；沼氣發酵階段pH值為7.0～7.5,有利于甲烷產生和產生氣體中甲烷濃度較高。

試驗結果表明，在厭氧發酵產氫階段接種沼渣和厭氧消化活性污泥為產氫菌種來源，經熱處理后的沼渣和厭氧消化活性污泥比未經熱處理的沼渣和厭氧消化活性污泥產氣量大，產生氣體中氫氣濃度高，且未檢測到甲烷氣體成分。熱處理以沼渣和厭氧消化活性污泥為來源的產氫菌有利于餐廚垃圾厭氧發酵制備氫氣。

試驗結果還表明，餐廚垃圾厭氧發酵產氫階段，接種沼渣為菌種來源的厭氧發酵產氫氣量及產生氣體中氫氣濃度比接種厭氧消化活性污泥為菌種來源的厭氧發酵產氫效果好。厭氧發酵產氫殘留物連續厭氧沼氣發酵階段，接種沼渣為菌種來源的厭氧發酵產沼氣量及產生氣體中甲烷濃度比接種厭氧消化活性污泥為菌種來源的厭氧發酵產甲烷效果好。

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Experiment on Continuous Hydrogen and Methane Production in Food Waste Anaerobic Fermentation /

ZHANG Guo-hua, ZHANG Zhi-hong, HUANG Jiang-li, WANG Dong-sheng, DING Jian-nan /

(Institute of Biological Resources, Jiangxi Academy of Science, Nanchang 330096, China)

As high content of organic matter in food waste, it is an ideal substrate for anaerobic fermentation. This paper studied the feasibility of continuous production of hydrogen and methane in anaerobic fermentation of food waste from the point of view of inoculants source and pH value. The results showed that, treating of the food waste under 100℃ for 30 min and adopting anaerobic sludge and biogas residue as inoculants could improve the hydrogen production and hydrogen concentration in the hydrogen producing stage. The biogas residue as inoculants was better than the sludge. And pH of 4.5 ～ 5.5. was conducive to the hydrogen production fermentation. During the stage of methane fermentation with the residue of hydrogen production stage, the pH of 7.0 ～7.5 was in favor.And use of biogas residues as inoculants in hydrogen stage was better than the use of sludge as the inoculants in obtaining better biogas production and methane concentration for methane production stage.

food waste; anaerobic fermentation; hydrogen; methane

2015-08-26

2015-09-14

項目來源： 江西省科技計劃項目(20111BBG70012-1)

張國華(1983-)，男，助理研究員，主要從事應用微生物及廢棄資源再利用研究工作，E-mail: zhangguohua2050@163.com

丁建南，E-mail:jiannanding@aliyun.com

X705; S216.4

A

1000-1166(2016)04-0008-05