三種預處理方式對餐廚垃圾液相厭氧發酵的影響

曹輝++浦鵬　蔣弟勇　李葉青　周紅軍

摘要：指出了預處理可以改變餐廚垃圾的性狀，提高厭氧發酵性能，采用了3種物理處理方式考察了其對餐廚垃圾性質變化和厭氧發酵性能的影響。結果表明：經過破碎預處理后的餐廚垃圾液相中的VS和COD都高于經過過濾和擠壓的餐廚垃圾液相。餐廚垃圾液相產氣潛力從大到小分別為破碎>擠壓>過濾，經過破碎預處理后的樣品累計產氣分別比過濾和擠壓高出了145.9%和82.83%，產氣的甲烷含量也明顯高于其他兩種處理方式。

關鍵詞：餐廚垃圾；預處理；厭氧發酵；產氣潛力

中圖分類號：X799.3

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12000103

1引言

餐廚垃圾被稱為“放錯地方的資源”，從來源上主要分為餐飲垃圾和廚余垃圾兩大類[1]。從目前情況看，在城市生活垃圾中餐廚垃圾所占比重很大[2]。中國每年產生的餐廚垃圾高達6000萬t，個別大城市如北京、重慶和廣州等十分驚人[3]。因為餐廚垃圾的特點是含水率高，油脂含量高[4]，NaCl含量高[5]；有機物和各種微量元素含量高；易腐爛發臭，污染環境[6]，而隨著餐廚垃圾產量的逐年上漲，所帶來的衛生安全隱患也在增加，所以處理餐廚垃圾勢在必行。

由于餐廚垃圾的組分復雜，特性也不同于污水等生物質廢物，所以也導致其厭氧發酵過程十分復雜，而現有的餐廚垃圾厭氧發酵技術存在甲烷轉換效率低和發酵周期長等對工業化不利的弊端，所以探索高效的預處理技術是十分必要的。

目前餐廚垃圾預處理的主要方式分為物理預處理、化學預處理和生化預處理三大類。從工業化的角度來看，物理預處理比其他兩種方式更容易操作也更穩定。物理預處理的主要方式是減小顆粒物尺寸，增大顆粒物比表面積，Weemaes[7]、Clarkson[8]等發現經過粉碎后的餐廚垃圾可以提高10%～20%的產氣量。

2材料與方法

2.1實驗材料

實驗所用餐廚垃圾取自中國石油大學第一食堂餐廚垃圾收集桶，經手工分揀出其中的筷子、勺子和瓷片等雜物，分別經過濾、擠壓和破碎預處理，取經過3種預處理后所得的液相組分作為發酵底物備用，厭氧發酵接種物取自實驗室穩定運行的CSTR反應器。

2.2實驗方法

2.2.1預處理實驗

對目前國內外工藝中采用較為廣泛的3種固液分離的機械預處理方式：過濾，擠壓和破碎進行對比。

（1）過濾預處理。取經過分檢后的餐廚垃圾，置入裝有濾網的篩桶中，過濾出餐廚垃圾中的液相部分，收集至燒杯，為后續的餐廚垃圾批式產氣潛力實驗做準備。過濾預處理后檢測物料的pH值、TS、VS、COD等參數。

（2）擠壓預處理。取經過分檢后的餐廚垃圾，置入手動擠壓機中，經手動擠壓后，在擠壓機出口收集經過擠壓分離的餐廚垃圾中的液相部分，為后續的餐廚垃圾批式產氣潛力實驗做準備。擠壓預處理后檢測物料的pH值、TS、VS、COD等參數。

（3）破碎預處理。取經過分檢后的餐廚垃圾，置入小型破碎機中，經破碎后，將漿狀的餐廚垃圾放入手動擠壓機中擠壓，在擠壓機出口收集經過擠壓分離的餐廚垃圾中的液相部分，為后續的餐廚垃圾批式產氣潛力實驗做準備。擠壓預處理后檢測物料的pH值、TS、VS、COD等參數。經過3種預處理后的餐廚垃圾液相部分性質見表1。

2.2.2批式產氣潛力實驗

取經過3種預處理后的餐廚垃圾液相部分各16 mL分別與184 mL接種物混合，置入250 mL發酵瓶，用氮氣排出瓶內空氣。每種預處理方式設置兩個平行實驗，并加設兩個發酵瓶，其中只加入184 mL接種物作為空白組，共計11發酵瓶，發酵21 d。恒溫搖床的溫度設定在37℃，120 r/min。實驗過程中的分析項目主要包括通過ANKOM微生物發酵產氣測量系統記錄日產氣量和用氣相色譜監測沼氣成分，待每天產氣量低于累積產氣量的1%時，即可停止實驗。

3結果與討論

3.1預處理效果

3.1.1COD的變化

經過3種不同方式的預處理后餐廚垃圾液相組分的COD如圖1所示。從圖1可以看出經過過濾預處理的餐廚垃圾液相COD與經過擠壓預處理差距不大，而經過破碎預處理的餐廚垃圾液相COD明顯更高，說明餐廚垃圾溶液中有機物質含量更高。

3.1.2VS的變化

經過3種不同方式的預處理后餐廚垃圾液相組分的VS如圖2所示。從圖2可以看出經過過濾預處理的餐廚垃圾液相VS最低，經過破碎預處理的餐廚垃圾液相VS最高，經過擠壓預處理的餐廚垃圾液相VS介于兩者之間。

3.2批式產氣潛力

3.2.1產氣潛力

圖3顯示了批式發酵日產氣實驗結果。圖3說明，經過21 d的發酵，經過破碎預處理的餐廚垃圾液相的產氣量普遍高于另外兩種預處理方式，從結果可知，產氣速率在發酵初始5 d內迅速上升，從第10 d開始迅速下降，在最開始的3 d，經過破碎預處理的餐廚垃圾液相的產氣量并不是最高，這是因為其負荷最高，導致其啟動偏慢，而另外兩種預處理方式的負荷較低，經過過濾和擠壓預處理的樣品分別在第9 d和第13 d停止產氣。

圖4顯示了批式發酵累計產氣實驗結果，圖4說明，經過21 d的發酵，餐廚垃圾液相累計產氣量從多到少預處理方式分別為破碎、擠壓和過濾，從結果可以看出，經過過濾預處理的樣品的最終累計產氣為1078 mL，經過擠壓預處理的樣品的最終累計產氣為1450 mL，經過破碎預處理的樣品的最終累計產氣為2651 mL，經過破碎預處理的樣品的累計產氣分別比過濾和擠壓高出了145.9%和82.83%。

3.2.2產氣組成

在發酵的前3 d，經過破碎預處理的樣品的沼氣中甲烷含量很低，在這之后的日產沼氣的甲烷含量均保持較高水平，這是因為經過破碎預處理的樣品負荷最高，導致其啟動偏慢，但因為其有機質含量高，所以產氣甲烷含量也高。

4結論

對餐廚垃圾進行過濾、擠壓和破碎3種物理預處理研究，以pH值、VS和COD三項指標做對比確定最好的物理預處理是破碎，經過破碎預處理的餐廚垃圾的VS相較于前兩種方式分別提高了125.0%和73.15%，COD相較于前兩種方式分別提高了22.14%和19.24%。經過過濾、擠壓和破碎三種物理預處理后的餐廚垃圾液相發酵的產氣潛力是破碎>擠壓>過濾。經過破碎預處理的樣品產氣啟動較慢，但累計產氣分別比過濾和擠壓高出了145.9%和82.83%，產氣的甲烷含量也明顯高于其他兩種處理方式。

參考文獻：

[1]

汪群慧，馬鴻志，王旭明，等. 廚余垃圾的資源化技術[J]. 現代化工，2004，24（7）：56～59.

[2]Zhang B， Zhang L L， Zhang S C， et al. The influence of pH on hydrolysis and acidogenesis of kitchen wastes in two-phase anaerobic digestion[J]. Environmental technology， 2005， 26（3）：329～340.

[3]曾彩明，李嫻，陳沛全，等. 餐廚垃圾管理和處理方法探析[J]. 環境科學與管理，2010，35（11）：31～35.

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[8]W W Clarkson， W Xiao. Bench scale anaerobic bioconversion of news print and office paper[J]. Water Science and Technology， 2000， 43（3）：93～100.