農村生活垃圾厭氧發酵產沼氣性能研究

魏珞宇， 羅臣乾， 張 敏， 申祿坤， 王 星， 張國治

(農業部沼氣科學研究所， 成都 610041)

農村生活垃圾厭氧發酵產沼氣性能研究

魏珞宇， 羅臣乾， 張 敏， 申祿坤， 王 星， 張國治

(農業部沼氣科學研究所， 成都 610041)

文章研究了在TS為8%和5%，中溫(35℃)與常溫，粉碎程度為粗粒與細粒的條件下，不同組合的農村生活垃圾厭氧發酵的產氣效果。結果表明，當TS為8%，中溫粗粒條件下的累計產氣量和TS甲烷產率達到最高，分別達8035 mL和0.2704 m3·kg-1，而TS為5%，常溫粗粒條件下，農村生活垃圾的累計產氣量最低，僅為2453 mL。發酵過程中pH值維持在6.0～7.5之間，厭氧發酵產氣效果較好，而pH值低于6時，厭氧發酵受到明顯抑制。此外，厭氧發酵對農村生活垃圾的重金屬含量有明顯去除作用。

農村生活垃圾； 厭氧發酵； 沼氣

近年來，隨著經濟的發展，農民的生活水平得到了很大的改善，農村的建設面貌也煥然一新。但是，隨之產生的問題是隨著人們生活水平不斷提高，生活垃圾日益增多，農村生活廢棄物的產量和種類也逐年增加，對環境造成極大的破壞。據統計，我國農村生活廢棄物(以餐廚垃圾和果蔬廢棄物為主)年產量超過20億t[1]，這些廢棄物不妥善處理不僅污染環境還會影響人們的健康。目前只有少量的農村生活垃圾得到有效處理，且處理方式也大多為填埋，轉運[2]。因此，如何合理高效的處理農村生活垃圾已成為當前迫切需要解決的問題。

厭氧發酵是處理有機廢棄物的理想方法，在消除污染的同時可以產生清潔能源—沼氣，且發酵后的沼渣、沼液可用作有機肥[3]。國內也對通過厭氧消化來處理農村生活垃圾做了大量研究[4-5]。筆者主要探索在不同發酵條件組合下，農村生活垃圾厭氧發酵的產氣性能研究，以期找出最優組合，為有效利用農村生活垃圾發酵技術處理農村有機生活廢棄物的實際應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生活垃圾均取自成都市周邊農村。

圖1 發酵裝置示意圖

1.2 試驗裝置

試驗采用批式厭氧消化法，1 L廣口瓶作發酵罐，800 mL的有效反應體積，恒溫水浴鍋控制溫度進行連續培養，排水集氣法收集沼氣。

1.3 試驗方法

發酵條件設定為中溫35℃和常溫、粉碎程度為粗粒(3 cm)與細粒(1 cm)4個條件，發酵濃度TS設為 5%和8%，交叉組合共8個處理(見表1)，每個處理3次重復。對照為中溫條件污泥TS 為5%和8%與常溫條件污泥TS的 5%和8%。接種量均為20%。堆漚1個星期,然后調節pH值至8，裝瓶進行厭氧發酵，并添加適量微量元素。每日記錄各實驗裝置產氣量，并不定期測試各實驗組氣質含量和pH值，直至實驗結束。

表1 農村生活垃圾厭氧發酵實驗設置對照表

1.4 測定項目及方法

總固體(TS)含量：烘干法測定；

產氣量：排水集氣法測定；

氣體成分：沼氣氣體成分分析儀測定；

pH值：智能pH計測定。

微量元素：原子吸收法測定

2 結果與分析

2.1 農村生活垃圾厭氧發酵的產氣狀況

2.1.1 日產氣量和累計產氣量

不同條件下各處理厭氧發酵的啟動速度和日產氣量在發酵期間差異很大(見圖2)。在中溫條件下，處理D和處理E在發酵第13天左右就到達產氣高峰，處理E的日產氣量達到1000 mL以上，但D不到600 mL；隨后產氣量迅速下降，在發酵第22天左右就基本不產氣，而處理B和處理H啟動時間相對較慢，產氣高峰分別出現在第22和16天左右，最高產氣量也分別達到1000 mL，600 mL以上，后面雖然也迅速下降，但發酵時間也分別持續到第40，30天左右。在常溫條件下，常溫處理的啟動時間明顯較長，處理A和處理F的產氣高峰在第30天左右，最高日產氣量分別在800 mL，600 mL左右，處理C和處理G產氣高峰出現在第25天左右，最高日產氣量只有400 mL左右。從圖中還可以看出，在相同濃度相同粒徑條件下，中溫處理的發酵日產氣量明顯高于常溫處理，而在相同溫度相同濃度條件下，細粒處理的日產氣量量也要高于粗粒處理，此外，日產氣量TS為8%的又明顯高于TS為5%，綜上所述，高濃度中溫細粒條件下，農村生活垃圾厭氧發酵的日產氣量達到最好。

而對于累計產氣量，各處理農村生活垃圾厭氧發酵的累計產氣量大小順序為：B > E > A > F > H >D >C >G (見圖3)，各處理最終累計產氣量依次為8035 mL，7577 mL，5520 mL，5139 mL，3590 mL，3446 mL，2521 mL，2453 mL。可以看出，中溫優于常溫，高濃度優于低濃度，粗粒優于細粒。這與日產氣量細粒優于粗粒結果相違背，主要是因為，細粒處理雖然在短時間能很快達到產氣高峰且日產氣量高，但由于粉碎程度細，厭氧消化快，原料很快發酵完成，從而時間短，造成累計產氣量反而較低。綜上可以看出，高濃度中溫粗粒條件下，農村生活垃圾的累計產氣量達到最大。

圖2 農村生活垃圾厭氧發酵日產氣量的變化

圖3 農村生活垃圾厭氧發酵累積產氣量的變化

2.2 不同處理的TS產氣潛力

由表2可以看出，高濃度總體TS去除率高于低濃度。圖4表明，高濃度下細粒常溫以及粗粒中溫發酵的TS產氣量最高，達到0.4 m3·kg-1，明顯高于其它處理；然而原料甲烷產率粗粒中溫更高，這與前面累計產氣量結論相符合。總體高濃度中溫條件的原料產氣率高于其他處理，表明在適當條件下農村生活垃圾厭氧發酵對農村生活廢棄物的資源化利用具有實際應用前景。

表2 農村生活垃圾厭氧發酵TS去除率 (%)

圖4 農村生活垃圾厭氧發酵TS產氣潛力

2.3 pH值對發酵試驗的影響

有機廢棄物厭氧發酵過程是經各種大小分子有機物、短鏈脂肪酸轉化成 CH4和CO2的過程[6]，雖然過程復雜，但仍會表現出規律性的消化系統酸堿性變化。因此，pH值的變化趨勢被用來反映消化過程的進行情況[7]。

由圖5可以看出，隨著發酵過程的推移，不同處理的發酵過程中pH值均表現出先降低后增加，然后趨于穩定的變化趨勢。其中處理A，B，F的pH值均在第7天下降，出現酸化情況，抑制了發酵的進行。再對比日常氣量圖，也看出各處理在第6天左右表現出產氣量下降甚至不產氣的情況。隨后，在反應進行第9天，對pH值降到6.5以下的再次添加氧化鈣進行調節。調節后pH值明顯上升并逐漸穩定。且從圖2也可以看出日產氣量數據明顯上升。這充分表明適宜的酸堿度是農村生活垃圾厭氧發酵的必要條件[8]，當pH值在6.0～7.5之間時厭氧發酵能正常進行，pH值低于6.0時厭氧發酵會明顯受到抑制，這與付善飛[9]等的研究結果相似。這是因為pH值會顯著影響厭氧發酵過程中微生物的生命活動和物質代謝[10]。

圖5 農村生活垃圾厭氧發酵的pH值變化

2.4 微量元素分析

對農村生活垃圾的原料組份進行分析發現，其大致組成為50%菜葉，25%果皮，20%餐廚及5%廢紙等其他不同原料。因此對原料進行分選后，分析測定其主要成分的微量元素含量。厭氧發酵完成后分析，同時分析產氣最高的兩個處理的元素含量。從表3可以看出，發酵后沼液中的重金屬含量總體低于發酵前原料中的含量，其中Cu和Hg含量的降低最為顯著，其他元素的含量從發酵前到發酵后均有不同程度的減少。由此可以說明，農村生活垃圾厭氧發酵對重金屬的去除有明顯作用。

表3 農村生活垃圾各組分及發酵后沼液的元素含量

圖6 農村生活垃圾各組分的纖維素含量

3 結論

(1) 濃度、溫度、粒度條件的變化直接影響農村生活垃圾厭氧發酵的產氣量和產氣潛力，是影響厭氧發酵產氣效果的重要因素。當TS濃度為8%，中溫粗粒的條件下農村生活垃圾厭氧發酵的累計產氣量和原料甲烷產率達到最高，分別達8035 mL和0.2704 m3·kg-1。

(2) 不同粉碎程度以及不同溫度條件影響發酵產氣速率，從而影響發酵完成時間。原料粉碎程度越細，產氣進程越快；發酵溫度越高，產氣高峰出現得越早，反之，產氣高峰出現得越晚。

(3) 適宜的酸堿度是厭氧發酵進行的重要影響因素，當發酵液pH值維持在6.0～7.5之間，厭氧發酵累計產氣量較高；當發酵液pH值低于6時，厭氧發酵明顯受到抑制，甚至出現不產氣的情況。

(4)厭氧發酵對農村生活垃圾的重金屬含量有明顯降低的作用。

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Biogas Production Potential of Rural Domestic Waste /

WEI Luo-yu, LUO Cheng-qian, ZAHNG Min, SHEN Lu-kun, WANG Xing, ZHANG Guo-zhi /

(Biogas Institute of Ministry of Agricultural, Chengdu 610041,China)

An anaerobic digestion experiment was conducted to study the biogas production potential of rural domestic waste under different condition combination of 35 ℃ or room temperature, the TS content of 8% or 5%, the grinding degree of coarse or fine. The results show that, with TS of 8%, temperature of 35℃, and grinding degree of coarse fragment, the fermentation obtained the highest cumulative biogas production of 8035 mL and highest methane yield of 0.2704 m3·kg-1. And under TS of 5%, ambient temperature, and grinding degree of coarse fragment, the fermentation of rural domestic waste obtained lowest accumulative biogas production of only 2453 mL. The pH maintained between 6.0～7.5 were better than pH below 6 under which the fermentation was inhibited obviously. In addition, the content of heavy metals in rural domestic waste could be significantly removed by anaerobic fermentation.

rural domestic waste; anaerobic fermentation; biogas

2016-08-23

項目來源： 中國農科院創新工程

魏珞宇(1988-)，四川成都人，碩士，助理研究員，主要從事農村生活垃圾厭氧發酵相關研究工作，E-mail:weiluoyu1128@163.com通信作者： 張國治,E-mail:13308189417@163.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)06-0042-04