濕垃圾與豬糞混合厭氧發酵初步研究

李 玲， 宗文明， 朱洪光， 成瀟偉, 徐宇鵬， 彭勝男

(1.安徽農業大學 工學院， 安徽 合肥 230036； 2.同濟大學 新農村發展研究院生物質能源研究中心， 上海 201804)

濕垃圾與豬糞混合厭氧發酵初步研究

李 玲1， 宗文明1， 朱洪光2， 成瀟偉2, 徐宇鵬2， 彭勝男2

(1.安徽農業大學 工學院， 安徽 合肥 230036； 2.同濟大學 新農村發展研究院生物質能源研究中心， 上海 201804)

濕垃圾主要是纖維、竹木、廚房菜渣等含有機物成分的廢棄物，城市生活垃圾中50%以上為濕垃圾，且逐年增長，濕垃圾的處理問題刻不容緩。文章提出將濕垃圾與豬糞進行混合厭氧發酵，旨在為濕垃圾的循環利用提供新途徑。將菜葉、剩飯、果皮、爛水果收集粉碎攪勻后，與豬糞按照不同比例混合于55℃下發酵，通過分析配比率對沼氣產量、甲烷含量、沼液SCOD和堿度的影響，探究該處理方法的可行性以及混合發酵和單一發酵間的差別，優化發酵的條件。結果表明：原料配比率對產氣有顯著影響，合適的配比率不僅能提高總產氣量還能提高甲烷含量，濕垃圾的添加比例過高時則會對發酵產生抑制作用。具體表現為豬糞和濕垃圾的配比率為4∶3時最適宜，相對豬糞單一發酵，總產氣量可以提高79%，SCOD去除率可以提高12%，僅需3天便可成功啟動，隨后甲烷含量穩定維持在60%左右直到產氣結束。

厭氧發酵; 豬糞; 濕垃圾; 混合發酵; 沼氣工程

在過去的10年里，隨著農業產業結構的調整和農村經濟的發展，以及群眾對肉類食品消費需求的不斷提高，各省市相繼出臺了相關政策，鼓勵和扶持畜禽養殖業，使其走上快速發展的道路。據統計，2015年，全國生豬出欄量達到70825 萬頭，豬肉產量達5487萬噸。2015年，全年生豬的平均價格為每千克15.4元，比2014年上漲了13.5%，全國豬肉平均價格每千克24.7元，比上年上漲9.8%。[1]。我國畜禽養殖行業發展迅速，由于集中養殖能夠節約土地，降低管理運營成本，規模化養殖比例持續升高，同時產生大量的畜禽糞便，其集中處理也成為一大難題。2010年我國畜禽養殖業主要水污染排放中COD和氨氮排放量分別達到1148萬t，65萬t[2],占農業源排放總量的比例分別為95%和78%。隨著我國畜禽養殖業的進一步發展，預計到2020年，我國畜禽養殖業的COD和氨氮的年排放量將分別達到1480萬t，97萬t，將比2010年分別增加29%和49%，畜禽養殖污染已經成為農業污染源之首。高度集約化的養殖產生大量集中的畜禽廢棄物，種養平衡關系失調，養殖廢棄物由農業利用的資源轉變為破壞環境的污染物和困擾養殖者的最棘手問題。大量的畜禽污染物直接進入養殖場的地下水體，在局部地區，畜禽養殖污染相當嚴重，甚至威脅飲用水的安全；養殖場散發的臭氣日益成為周邊居民投訴和引發糾紛的原因；沒有及時規范安全處理病死畜禽尸體的現象也頻頻曝光。如果不能探索一條經濟上合理、技術上可行的污染綜合防治模式，必然會影響我國養殖業健康良性發展。

近年來，沼氣發酵技術發展迅速，已經成為提高農村畜禽糞便和農作物秸稈資源化利用的有效途徑[3-5]。單一原料發酵已得到深入細致的研究，并形成了較成熟的技術體系而應用于實際生產生活中[6-9]。人畜糞便、有機垃圾單獨發酵時，糞便的發酵效果明顯優于有機垃圾的發酵效果，但人畜糞便是堿性物質，是有機垃圾較好的混合物，而利用兩種或多種有機廢棄物混合發酵，通過調節進料配比，可以使有機質的C/N處于適宜的范圍，提高厭氧發酵效率[10]。微生物生長和產沼氣的過程需要多種營養元素，營養元素的平衡也是微生物生長必須的[10]，而多種多樣的有機垃圾恰巧可以提供多種營養元素。厭氧消化技術是最重要的生物質能利用技術之一，它使固體有機物變為溶解性有機物，再將蘊藏在廢棄物中的能量轉化為沼氣，以實現資源和能源的回收；厭氧消化后殘渣少，性質穩定；反應設備密閉，可控制惡臭的散發。厭氧消化極大地改善了有機廢棄物處理過程的能量利用率，在經濟和環境上均有較大的優勢[11]。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用豬糞為上海市崇明縣花園村的新鮮豬糞，接種物為取自富民農場以豬糞為發酵原料正常發酵的沼氣工程所產生的沼渣，濕垃圾由剩米飯、菜葉和果皮按照質量比為1∶1∶1的比例混合，剩米飯取自同濟大學食堂，菜葉和果皮取自同濟大學對面的菜市場。接種物是在實驗室中高溫(55℃±1℃)馴化成功的污泥。在試驗前測定了3 者的理化性質，如表 1 所示。

表1 試驗材料的理化性質 (%)

1.2 試驗裝置

試驗所采用的厭氧發酵裝置由以下4 個部分組成( 見圖 1)：恒溫水浴振蕩箱、藍蓋玻璃瓶、導氣管、采氣袋。其中藍蓋玻璃瓶容積為250 mL，采氣袋為 1 L 的鋁箔采氣袋。

1.恒溫水浴振蕩箱； 2.藍蓋玻璃瓶； 3.導氣管； 4.鋁箔采氣袋圖1 試驗裝置圖

試驗工作過程為:按一定接種率向混合發酵原料里添加接種物，攪拌均勻后加入到厭氧發酵瓶中蓋上瓶蓋并用蠟密封好，將藍蓋玻璃瓶置于恒溫水浴振蕩箱中，發酵產生的沼氣通過導氣管輸入到鋁箔采氣袋中，每日更換采氣袋，并用100 mL注射器抽出其中的氣體，測出其體積得到日產氣量，在測定氣體成分時，用10 mL注射器抽取5 mL氣體注入氣相色譜儀中進行氣體成分分析。

1.3 試驗方法

將不同比例(7∶0，6∶1，5∶2，4∶3，3∶4，2∶5，1∶6，0∶7)混合的生活垃圾和豬糞，混合均勻后作為發酵原料分為A～H組，采用一次投料的方式，在接種率為30%，進料濃度為5%的情況下加入相應質量的接種物和水，最終調節發酵總重為200 g，同時設置僅有接種物的對照組，以此來排除接種物對實驗產氣的影響。將厭氧發酵瓶密封后置于 2 臺恒溫水浴振蕩器中，設置溫度為55℃，同時設置振蕩頻率為 100 r·min-1。啟動試驗后每天測定產氣量，每兩天測定一次氣體成分，以一周內無氣體產生判斷為反應結束。

1.4 分析方法

總固體含量( TS) ： 烘干法( 恒溫鼓風干燥箱中，溫度為105℃ 下烘至恒重) ；揮發性固體含量( VS) ：烘干法( 馬弗爐中溫度為600℃烘干 2 h) ；含水率、灰分烘干法；pH 值: 精密 pH 計( PHS-25) 測定; 總有機碳( TOC) ：大約為有機質的 47%[12]，TOC = 0． 47 × VS；總氮( TN) : H2SO4-H2O2消煮滴定法( NY525-2012) ； 產氣量：注射器抽取測定；氣體成分：氣相色譜分析儀測定( GC122，TCD 檢測器，氫氣載氣，上海精科) 。物料的產氣潛力用 TS 產氣量表示，物料有機質轉化潛力用 VS 產氣量表示[13]，計算公式如下：

TS產氣量=總產氣量-空白組總產氣量總固體含量

(1)

VS產氣量=總產氣量-空白組總產氣量揮發性固體含量

(2)

2 結果

2.1 日產氣量

圖2為不同試驗組的日產氣量變化情況。由圖可以看出，各實驗組的產氣情況在試驗的前12 d有較大的區別，當試驗進行到12 d之后8個試驗組的日產氣量走勢十分接近，也就是說這幾組不同配比的試驗組之間最大的區別是在前11 d。隨著濕垃圾的比例增加試驗周期變短，日產氣峰值出現的越早。A(純豬糞)，B(豬糞∶垃圾=6∶1)，D(豬糞∶垃圾=4∶3)均在第2天達到第一個峰值，日產氣分別為77 mL，152 mL，329 mL，第3天產氣量均出現驟減，整體開始呈現一個振蕩下降的趨勢，并在第13天左右降到最低值，日產氣量僅在10 mL左右，隨即3組的日產氣量又開始逐漸上升，并在20天左右達到第2個峰值，此后3組的日產氣量開始迅速減少，反應趨向于停止。C(豬糞∶垃圾=5∶2)，D(豬糞：垃圾=4∶3)，F(豬糞∶垃圾=2∶5)，G(豬糞∶垃圾=1∶6)，H(單一濕垃圾)組在試驗進行第1天達到第1個峰值，分別為396 mL，568 mL，414 mL，506 mL，558 mL，隨后日產氣開始迅速下降。H組(單一濕垃圾)在試驗進行到第5天發酵停止。

圖2 不同試驗組日產氣量變化圖

2.2 總產氣量

圖3為不同試驗組總產氣量的變化情況，圖4為各組的總產氣量。由兩圖可知，在試驗的前5 d，D，F，G組的產氣量十分相似除空白組外的各試驗組產氣量幾乎一致，第6天開始，D組的總產氣量明顯高于F組和G組，可能由于D組的豬糞和有機垃圾的混合比例相當，使其pH值接近弱堿性，有利于厭氧發酵的進行，使其總產氣量呈穩定上升趨勢，而F和G組由于有機垃圾的比例較大，使其pH值低于D組。同樣H組由于是濕垃圾的單一發酵，各種菜葉、果皮偏酸性，使其pH值較低不利于厭氧發酵的進行，從而導致H組在發酵進行的第5天停止產氣。從試驗的總產氣量的柱狀圖來看的話，總產氣量隨著濕垃圾添加比例的增加，總產氣量呈現先增加后減少的趨勢，A，B，C，D，E，F，G，H組的總產氣量分別為909 mL，975 mL，1337 mL，1798 mL，2523 mL，1216 mL，1625 mL，1316 mL，而造成這種結果也是由于豬糞與有機垃圾的比例不同，使每個試驗組的pH不同才導致總產氣量的不同。因為pH值對厭氧發酵能否順利進行至關重要，因為pH值可以影響產甲烷菌的菌體及酶系統的生理功能及活性，影響發酵環境的氧化還原電位以及基質的可利用性[14]。

2.3 甲烷含量

圖5為各試驗組甲烷含量的變化情況，由圖可知，A組，F組，G組的甲烷含量在厭氧發酵啟動后的前5 d內較為相似，且一直處于一個較低的水平，僅在30%上下浮動，不同的是A組為純豬糞組隨著發酵的進行，甲烷含量雖增長緩慢，但一直穩定的增加，最后維持在一個穩定的水平。B組，C組，D組，E組隨著發酵的進行，前6天左右甲烷含量都呈明顯的上升趨勢，隨著就一直維持在一個穩定的水平，在60%～70%左右。可見豬糞與有機垃圾混合只要比例適當，使pH值維持在適合厭氧發酵的水平，就可以使甲烷含量迅速穩定在一個較高的范圍，所以只要比例恰當這兩種原料混合更適合厭氧發酵。

圖3 不同試驗組總產氣量變化圖

圖4 不同試驗組的總產氣量圖

圖5 不同試驗組的甲烷含量變化圖

2.4 單位 TS 和 VS 產氣量

根據各試驗組所測得的產氣量和投加物料的TS 值和 VS 值計算出各物料單位 TS 和 VS 產氣量分別如圖6和圖7所示。高溫發酵時，豬糞的單位TS 和 VS 產氣量分別為 129.86 mL·g-1和 179.28 mL·g-1，E組(豬糞∶垃圾=3∶4)的混合物料單位 TS產氣量、VS 產氣量最高，分別為360.43 mL·g-1，342.84 mL·g-1。從A組到H組隨著豬糞/垃圾比值的降低，TS產氣量和VS 產氣量的變化趨勢都是先升高后降低的模式，而最佳混合比例的E組的TS的產氣量要比單一豬糞組提高277%，比單一垃圾組提高192%；VS產氣量要比單一豬糞組提高191%，比單一垃圾組提高236%。

圖6 各物料TS產氣量對比圖

圖7 各物料VS產氣量對比圖

2.5 高溫組SCOD去除率

從A組～H組隨著豬糞含量的逐次降低，SCOD去除率呈現先升高后降低的趨勢，與產氣總量的趨勢十分吻合，這也說明當豬糞：垃圾的比值為4∶3時更加有利于兩者混合發酵。D(豬糞：垃圾=4∶3)，E(豬糞：垃圾=3∶4)兩組的SCOD去除率相近且較高。而F(豬糞：垃圾=2∶5)，G(豬糞：垃圾=1∶6)，H(單一垃圾)3組的去除率偏低在20%～30%以內，可能是由于厭氧發酵過早結束發酵。

圖8 SCOD去除率

2.6 堿度

圖9 各物料發酵結束堿度對比圖

3 試驗分析

3.1 一定比例的有機垃圾與豬糞混合有利產氣

通過對各試驗組日產氣量、總產氣量、甲烷含量的分析可知：純豬糞A組需要發酵16天左右才可以使甲烷的含量超過50%，而當豬糞和有機垃圾混合時可以迅速縮短甲烷含量趨于穩定的時間且只要5天左右就可以使甲烷含量超過50%。兩者以一定的比例混合可以明顯提高產氣總量和甲烷含量。東北農業大學的周領曾研究用堿性溶液對畜禽糞便進行預處理，發現用2.5%濃度的NaOH溶液處理牛糞反應效果較好[18]，但出于對實際工程應用成本的角度考慮本試驗所用豬糞并沒有用堿性溶液處理過。從產甲烷菌的角度出發兩者混合也有利于豐富菌種所需的營養，因為有機垃圾中所含的維生素、微量元素、生物素、葉酸、泛酸等確實是產甲烷菌所需要的。

3.2 當豬糞中有機垃圾的比例添加過量時會抑制厭氧發酵

由上述結果可知，當豬糞和有機垃圾的比例為5∶2，6∶1，7∶0時試驗組的pH值會偏低不利于厭氧發酵的進行，會使厭氧發酵提前終止。分析原因是有機垃圾本身的pH值較低，所以純有機垃圾組無法進行厭氧發酵，而即使兩者混合若豬糞的微堿環境沒有中和有機垃圾中的酸性物質，使兩者混合后的pH值適合厭氧發酵那么試驗也不能很好的進行。試驗所用的接種物的含固率很低，這樣就使得30%的接種率需要加入相當大一部分體積的接種物，而接種物偏堿性，就使得按以上比例混合的發酵物一旦加入接種物之后，其pH值都是適合厭氧發酵的。開始我們認為這可能不是由于pH值得原因，后期我們又重復了一次試驗，這次我們將豬糞和有機垃圾混合后(沒有加入接種物前)的pH值測了一下，發現當僅僅只有豬糞和有機垃圾混合后的pH值適合厭氧發酵，那么后期試驗不會過早結束，而二者混合的pH值不適合厭氧發酵的試驗產氣時間一般不會超過5 d。這就證明如果未加入接種物的發酵原料，只要pH值在厭氧發酵范圍都可以進行厭氧發酵，若混合后pH值不在合適范圍就不能很好的進行厭氧發酵。一定濃度的有機酸會打破細胞內的酸堿平衡，導致細胞失活，這樣產甲烷菌的降解速率會降低，導致有機酸積累從而使得發酵料液酸化，最終使發酵趨于停止[18]。

4 結論

通過批式試驗，首先驗證了當原料為豬糞和濕垃圾時厭氧發酵是可行的，其次說明了向豬糞中添加一定比例的濕垃圾對最終的厭氧發酵非常有利：一個合適的豬糞與濕垃圾的添加比例能夠同時提高總產氣量和甲烷含量。但當有機垃圾的添加比例過高時會對厭氧發酵產生抑制作用從而影響沼氣工程的正常運行。試驗組中當豬糞∶有機垃圾=4∶3時最有利于厭氧發酵，且與單一豬糞組相比總產氣量可以提高79%，SCOD去除率可以提高12%，甲烷含量第3天就可以提高到50%以上，且從第3天開始甲烷含量就一直穩定在60%左右直到產氣結束。

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Preliminary Study on Wet Garbage and Pig Manure Mixed Anaerobic Digestion /

LI Ling1, ZONG Wen-ming1, ZHU Hong-guang2, CHENG Xiao-wei2, XU Yu-peng2, PENG Sheng-nan2/

(1.Anhui Agriculture University，College of engineering,Hefei 230036, China; 2.Bio-Energy Research Center, Institute of New Rural Development, Tongji University, Shanghai 201804, China)

More than 50% of the city waste were wet garbage containing organic matters as fiber, bamboo, kitchen vegetable wastes, etc.This approach was to mix the wet garbage with pig manure for anaerobic fermentation, so that to find a effective way for recycle use of wet garbage. Smashing and stirring the collected kitchen leftovers, leaves, peel rotten fruit and then mixed with pig manure in different ratio at 55℃, parameters of biogas yield, methane content, SCOD and alkalinity in biogas slurry, were measured and analyzed. The results showed that the mixing ratio had significant effect on gas production.A proper mixing ratio could not only increase the total gas production, but also increase the methane content. In this experiment, the optimum pig manure and wet garbage mixing ratio was 4∶3, which increased total gas production by 79% comparing with the sole pig manure fermentation, increased the SCOD removal rate by 12%, and only need 3 days for starting up successfully. The methane content was maintained at about 60% until the end of fermentation.

anaerobic fermentation； pig manure； organic waste； wet garbage; mixed fermentation； biogas engineering

2016-10-14

2016-12-13

項目來源： 安徽農業大學學科培育項目(2014XKPY-53)； 國家科技支撐計劃項目(2015BAD21B04)； 安徽省自然科學基金面上項目(1308085MC30)； 安徽省高校省級科研重點項目(KJ2012A104)； 自然光植物工廠集成示范(2013AA103006)

李 玲(1990-)，女，碩士，主要研究方向為生物質能源工程，E-mail: 1239792568@qq.com

宗文明，E-mail:wmzong@ahau.edu.cn； 朱洪光，E-mail:zhuhg@tongji.edu.cn

S216.4； X705； X713

A

1000-1166(2017)02-0062-06