餐廚垃圾與堆肥預處理的玉米秸稈混合厭氧發酵

徐 明， 畢 捷， 季 祥， 成 杰， 曹菊梅， 蔡 祿

(1.內蒙古自治區生物質能源化利用重點實驗室， 內蒙古 包頭 014010； 2.內蒙古科技大學生命 科學與技術學院， 內蒙古 包頭 014010； 3.包頭市排水產業有限責任公司， 內蒙古 包頭 014010)

項目來源： 內蒙古自治區重大基礎研究開放課題資助項目(201503001-4-3)； 包頭市應用研發資金科技計劃項目(2015Z2010-3)； 內蒙古自治區研究生科研創新項目(S20151012709)

餐廚垃圾與堆肥預處理的玉米秸稈混合厭氧發酵

徐 明1,2， 畢 捷1,2， 季 祥1,2， 成 杰1,2， 曹菊梅3， 蔡 祿1,2

(1.內蒙古自治區生物質能源化利用重點實驗室， 內蒙古 包頭 014010； 2.內蒙古科技大學生命 科學與技術學院， 內蒙古 包頭 014010； 3.包頭市排水產業有限責任公司， 內蒙古 包頭 014010)

試驗采用經堆肥處理過的玉米秸稈與餐廚垃圾混合厭氧發酵來提升厭氧發酵系統的穩定性。結果表明：經Modified Gompertz模型擬合，餐廚垃圾與堆肥預處理的玉米秸稈以8∶2配比有最高的甲烷產氣速率49 mL·g-1VSd-1(甲烷積累量543 mL·g-1VS)。對發酵結束時氨氮和游離氨氮濃度的分析結果顯示，餐廚垃圾與玉米秸稈或經過堆肥預處理的玉米秸稈混合發酵均能降低發酵體系中的氨氮和游離氨氮濃度。對發酵過程中pH值和CO2/CH4進行分析顯示，玉米秸稈經堆肥預處理可以使厭氧發酵系統更穩定。

餐廚垃圾； 厭氧消化； 玉米秸稈； 堆肥預處理

現今城市有機廢棄物成為了城市垃圾處理的重要問題，其處理不當會污染環境。餐廚垃圾作為城市有機廢棄物的主要成分，目前最有效的處理手段是厭氧發酵技術。厭氧發酵技術能夠高效地處理餐廚垃圾，而產生的沼氣也可以作為清潔的能源加以利用[1]。

餐廚垃圾在厭氧發酵過程中快速降解所產生的揮發性脂肪酸(VFAs)會抑制厭氧發酵體系中的甲烷菌，同時游離氨氮也會伴隨著揮發性脂肪酸的積累而產生，到達一定濃度時抑制甲烷菌的活性，為了避免酸化和游離氨氮的產生[2]，餐廚垃圾往往和其它有機廢棄物混合發酵：餐廚垃圾與牛糞混合發酵時，厭氧發酵全程不用調節pH值，并提高41.1%產氣量[3]；餐廚垃圾與玉米秸稈混合發酵，既可以提高COD去除率，還可以減少游離氨氮的產生[4]。內蒙古地區有大面積的鹽堿化土地，其農田的主要作物是耐鹽堿和干旱的玉米，但玉米秸稈利用率極低，主要用于焚燒，因此對周邊地區的環境造成污染，本實驗使用玉米秸稈與餐廚垃圾作為原料，研究其混合厭氧發酵過程，以期達到將農業廢棄物和城市垃圾進行綜合能源化利用的目的。

預處理是厭氧發酵的重要環節之一。使用堆肥的方法預處理物料，相當于提升了接種量：Neumann[5]等發現添加能源作物堆肥物的厭氧發酵體系，發酵初期甲烷八疊球菌的相對比例提升了14%，27天后氫營養型古生菌相對比例提升了6%。而甲烷八疊球菌和氫營養型古生菌是甲烷化過程中的主要功能菌群，它們在發酵系統中占據主導并建立優勢會減小VFAs積累所造成的影響，并使發酵系統高效穩定的運行。堆肥不僅能夠馴化氫營養型甲烷菌，同時也能向厭氧發酵系統中引入一些可以增強纖維素和半纖維素分解的乙酸氧化菌。

評價單一批次厭氧發酵系統穩定性的參數通常由pH值，VFAs濃度，產氣速率，甲烷含量等判斷，其中Li[6]等研究pH值與VFAs的積累呈負相關變化，但在高濃度氨氮的條件下，pH值很難對VFAs的積累做出評價，而Ghanimeh[2]等研究發現在氨氮濃度升高的條件下，CO2/CH4與VFAs的積累呈正相關變化，所以pH值和CO2/CH4相結合可以簡單有效的評價發酵起始階段VFAs對系統的影響。同時Hansen[7]等的研究表明，pH值可以計算發酵結束時的游離氨氮并評價游離氨氮對體系的影響；Schnürer[8]等人發現CO2/CH4也能對甲烷類菌群的營養途徑偏向性做出初步的判斷，利用Modified Gompertz模型能夠準確的對甲烷類菌群生長狀況做出描述[9]。我們通過實驗設計，平行比較經堆肥預處理的玉米秸稈和餐廚垃圾混合厭氧發酵實驗組與玉米秸稈和餐廚垃圾混合厭氧發酵實驗組之間的差別，來進一步的評價堆肥物對厭氧發酵系統穩定性的影響，并為餐廚垃圾厭氧共消化工藝的優化提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米秸稈取自包頭市周邊農戶，粉碎篩分20目以下粒徑備用。餐廚垃圾取自內蒙古科技大學食堂，高溫蒸煮除油后打漿密封-4℃冰柜保存，油脂作為生物柴油材料。接種物為污水處理廠AOA池污水，參考Xiang[10]等方法污水經3000轉離心10 min后棄去上清液，污泥密封備用。原料基本理化性質見表1。

表1 原料基本性質 (%)

注： TS:總固體; VS:揮發性固體; TOC:有機碳; TKN:凱氏氮; C/N:碳氮比。

1.2 試驗方法

實驗裝置參照劉丹[11]等如圖1：發酵裝置采用500 mL三角瓶，使用橡膠塞密封，與玻璃管和乳膠管(直徑5 mm)相連接，集氣裝置為1 L鋁箔氣體采樣袋。溫控裝置由恒溫水浴鍋控制，發酵溫度為37 ℃中溫發酵。玉米秸稈的堆肥方法參照高白茹等[12]，并添加堆肥專用的EM菌劑，經5天左右。在300 mL單一批次全混式發酵體系中：餐廚垃圾由NaOH溶液調節pH值約為7，進料量為1.311 gVS(濕重10.00 g；有機負荷4.37 gVS·L-1)，接種物與底物揮發性固體量之比約為73∶27(離心后接種物為50.00 g)。實驗設計見表2。

圖1 小試批式實驗厭氧消化裝置

序 號進料量/gVS餐廚垃圾秸稈堆肥預處理的玉米秸稈VS比FW1.3110010∶0FCS8∶21.0490.26208∶2FCS6∶40.7870.52406∶4FCS4∶60.5240.78704∶6FCS2∶80.2621.04902∶8FCC8∶21.04900.2628∶2FCC6∶40.78700.5246∶4FCC4∶60.52400.7874∶6FCC2∶80.26201.0492∶8CS01.31100∶10CCS001.3110∶10

注：FW:餐廚垃圾(food waste); FCS:餐廚垃圾和玉米秸稈(food waste and corn stalk); FCC:餐廚垃圾和堆肥預處理的玉米秸稈(food waste and corn stalk compost); CS:玉米秸稈(corn stalk); CCS:堆肥預處理的玉米秸稈(corn stalk compost)。

1.3 測定項目及方法

TS，VS由重量法測定； TKN由凱式定氮法測定；氨氮(TAN)使用KDN-102C定氮儀測定；TOC采用重鉻酸鉀氧化—分光光度法；產氣量使用150 mL注射器計數；pH值采用pHS-2C型pH計進行測定;CH4和CO2濃度使用Gasboard-3200P紅外氣體分析儀(武漢)測定；游離氨濃度由Hansen等[7]方法計算，如公式(1)：

NH3/TAN={1+10^(-pH)/10^[-(0.09018+

2729.92/T(K)]}^-1

(1)

利用Modified Gompertz模型擬合甲烷積累量與時間變化，從而得到最大積累產氣量、最大產氣速率和滯留時間3個模型參數，由此推算VS產氣量、產氣速率[13]。如公式(2)：

y(t)=Hm×exp{-exp[(Rm×e)/Hm×(λ-t)+

1]}

(2)

式中：y(t)為時間t時的積累產氣量，mL；Hm為最大積累產氣量；Rm為最大產氣速率；λ為滯留時間；exp為exp(1)=2.7128。

2 結果與分析

2.1 甲烷積累產氣量

甲烷積累產氣量如圖2和圖3，餐廚垃圾與玉米秸稈或玉米秸稈堆肥物不同混合比下厭氧發酵27 d，在高接種比、玉米秸稈顆粒直徑小于2.00 mm及餐廚垃圾除油后初始pH值調節至7.0的條件下，使發酵相對的較早結束[4,14-16]。FW實驗組有最多的甲烷積累量579±32 mL·g-1VS與其它研究的甲烷積累量范圍570～622 mL·g-1VS相似[3,15]，CS實驗組與CCS實驗組有最低的甲烷積累量(369±54 mL·g-1VS，415±36 mL·g-1VS)。隨著玉米秸稈或玉米秸稈堆肥物在發酵體系中增加，甲烷積累量逐漸下降，說明餐廚垃圾有著更高的生物可降解性，其主要原因是餐廚垃圾的主要成分為淀粉、蛋白質、脂肪等，而秸稈主要由難以降解的木質素、纖維素、半纖維素等組成[15]。

雖然玉米秸稈生物可降解性較低，但添加其與餐廚垃圾混合發酵可以平衡C/N，避免酸化，減少游離氨氮的產生，同時各種分解類酶(木質素酶等)也會增多，進一步的提高難降解物質的降解率[17]。筆者實驗中餐廚垃圾與玉米秸稈混合發酵的4個實驗組相對于餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物混合發酵的4個實驗組的平均甲烷積累產氣量下降比例為1.69%，經5 d左右堆肥的玉米秸稈并未消耗過多的有機物(VS/TS下降0.02)，而堆肥中的一些微生物也會保留在厭氧發酵體系中增強木質素等分解[18]，從而提升甲烷產氣量。

圖2 餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物不同混合比下厭氧發酵累積甲烷產氣量

圖3 餐廚垃圾與與玉米秸稈不同混合比下厭氧發酵累積甲烷產氣量

2.2 Modified Gompertz模型擬合結果

采用Modified Gompertz模型對甲烷積累量隨時間變化進行擬合如表3。相關系數r反應了Modified Gompertz模型可以較好的擬合所有實驗組的甲烷積累量與時間變化的情況。隨著玉米秸稈或堆肥預處理的玉米秸稈的添加甲烷積累產氣量逐漸下降，發酵周期與滯留時間逐漸縮短，與蔣滔[4]等結論相同。

餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物混合發酵4個實驗組平均滯留時間相對于餐廚垃圾與玉米秸稈的4個實驗組縮短了0.3 d。堆肥物致使滯留時間進一步縮短。其原因可能是堆肥物刺激發酵起始的甲烷八疊菌增多[5]，同時還有一些其它類型的微生物留在了厭氧發酵系統中，增強了系統的魯棒性，使發酵體系偏向于乙酸的產生，而非丙酸的產生[17]，進而導致了更短的滯留時間。

最大產氣速率如表3，相比FW實驗組， FCS1，FCS2，FCC1，FCC2，FCC3有較高的產氣速率，而餐廚垃圾與堆肥玉米秸稈混合發酵有著相對較高的產氣速率，可能是發酵前期穩定的發酵環境所致，此結論與周祺[14]等相似。

表3 各實驗組Modified Gompertz模型動力學參數

圖4 餐廚垃圾和玉米秸稈堆肥物不同混合比厭氧發酵過程中pH值變化

2.3 pH值和CO2/CH4

pH值變化如圖4和圖5。在高接種比條件下，所有處理均未酸化，其中FW實驗組第3 天的pH值最低(5.95±0.24)。CCS實驗組的pH值波動最小。餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物混合發酵pH值變化趨勢與CCS實驗組相同，第3天分別至最低點。餐廚垃圾與玉米秸稈混合發酵pH值變化趨勢與CS實驗組相同。餐廚垃圾和玉米秸稈堆肥物混合發酵相比餐廚垃圾和玉米秸稈混合發酵第3天的pH值更低，其原因可能是易分解的物質前期被堆肥消耗，同時纖維素等結構被破壞[13]，在第3天時分解，致使pH值下降。

圖5 餐廚垃圾與玉米秸稈不同混合比厭氧發酵過程中pH值變化

所有處理組均隨發酵時間增加，CO2/CH4呈下降的趨勢(見圖6和圖7)。添加玉米秸稈的實驗組發酵起始有較高的CO2/CH4，第1天FCS2∶8實驗組的CO2/CH4超過FW實驗組(見圖8)。

CO2/CH4可以作為評價厭氧發酵系統穩定性的指標，在VFAs積累階段CO2/CH4與VFAs呈正向相關變化[2]。餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物的處理組第3天時的pH值達到最低點，但CO2/CH4并未升高，餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物實驗組第1天的CO2/CH4顯著低于餐廚垃圾與玉米秸稈實驗組，證明了餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物混合發酵，使啟動階段的發酵體系更穩定。造成兩個實驗組差異的可能原因如下：堆肥預處理使玉米秸稈中含有更少的易降解物，并促進了分解；堆肥物的添加相當于提升了接種量；外源微生物的添加改變了系統微生物多樣性使發酵更偏向于乙酸的產生。

圖6 餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物不同混合比厭氧發酵過程中CO2/CH4變化

圖7 餐廚垃圾與玉米秸稈不同混合比厭氧發酵過程中CO2/CH4變化

Neumann等人發現添加堆肥物的厭氧發酵體系，第27天氫營養型古生菌相對提升了6%，而Schnürer等研究發現厭氧體系更偏向于互養途徑(氫營養型甲烷菌的營養途徑)時，CO2/CH4會值上升[5,8]。兩個對比實驗組(FCC和FCS)在發酵結束時CO2/CH4無顯著差異?？赡茉蚴菂捬醢l酵體系菌群間形成穩定結構的時間在90 d以上[19-20]，本實驗發酵時間(27 d)和堆肥時間較短(5.5 d)，因此外源微生物的引入并沒有改變產氣組成。但CCS實驗組比CS實驗組在發酵后期有著更明顯更高的CO2/CH4，說明與堆肥物混合厭氧發酵可能會使發酵體系更偏向于互養途徑。

注：圖中*表示相同混合比下不同實驗處理間數值差異顯著 (p<0.05)。 圖8 發酵第1天餐廚垃圾與玉米秸稈或玉米秸稈堆肥物不同混合比的CO2/CH4

2.4 總氨氮與游離氨氮濃度

在高接種比條件下，厭氧體系可以快速啟動，減少游離態氨氮的生成[10]。氨氮可以提升發酵效率，低濃度的氨氮含量會降低甲烷菌的活性和甲烷的產量，相反高濃度的氨氮會因VFAs積累而部分轉化為游離的氨氮，而游離氨氮的產生量常作為評價系統穩定性的指標[7,9]。實驗第28天TAN與NH3濃度如圖9，隨著玉米秸稈堆肥物或玉米秸稈比例增多，TAN和NH3逐漸減小。FW實驗組相比其它實驗組有更高的TAN和NH3含量，且其pH值波動較大，證實了混合發酵的系統穩定性要強于餐廚垃圾的單一發酵。

圖9 餐廚垃圾與秸稈或秸稈堆肥物不同混合比發酵結束時TAN和NH3

3 結論

在中溫37 ℃、接種比(ISRvs)73∶27和相同揮發性固體有機負荷(4.37 gVS·L-1)條件下,餐廚垃圾與玉米秸稈或玉米秸稈堆肥物混合厭氧發酵。單一發酵餐廚垃圾有最高的甲烷積累量579±32 mL·g-1VS。Modified Gompertz模型擬合顯示餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物混合比8∶2條件下有最高的甲烷產氣速率49 mL·g-1VSd-1(甲烷積累量543±35 mL·g-1VS)。隨著玉米秸稈堆肥物或玉米秸稈比例的上升，發酵體系的滯留時間逐漸縮短，TAN和NH3逐漸減小，積累甲烷產氣量逐漸下降。

玉米秸稈堆肥物進一步的提升了餐廚垃圾混合發酵體系甲烷產氣速率，并縮短了滯留時間，使發酵過程中pH值變化更小，并且在發酵第1 天中有顯著較低的CO2/CH4，證明了玉米秸稈堆肥物可以加速餐廚垃圾厭氧發酵。

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TheAnaerobicCo-digestionofFoodWasteandCornStalkCompost/

XUMing1,2,BIJie1,2,JIXiang1,2,CHENGJie1,2,CAOJu-mei3,CAILu1,2/

(1.InnerMongoliaKeylaboratoryofBiomass-energy，Baotou014010,China; 2.Schooloflifescienceandtechnology,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China; 3.BaotouDrainageIndustryCoLtd,Baotou014010,China)

The corn stalk compost was used to promote the anaerobic digestion of food waste at the thermophilic condition. Food waste were mixed with corn stalk compost or corn stalk with different volatile solids ratios (0∶10, 2∶8, 4∶6, 6∶8, 8∶2, 10∶0). The results showed that all treatment groups were well fitted the Modified Gompertz model. With the corn stalk compost,the ratio of 8∶2 achieved the highest methane production rate of 49 mL·g-1VSd-1( methane production potential 543 mL·g-1VS). Both corn stalk and corn stalk compost could reduce the build-up of ammonium nitrogen (TAN) and free ammonia ([NH3]) in the sludge, thus subdued the subsequent inhibition for the anaerobic digestion. The values of pH and CO2/CH4implied that the stability of anaerobic digestion of food waste system could be improved by adding corn stalk compost.

food waste; anaerobic co-digestion; corn stalk; compost

2016-06-24

2017-05-02

徐 明(1987- )，男，漢族，內蒙古包頭人，在讀碩士，研究方向為生物質能源化利用，E-mail:605593608@qq.com

蔡 祿， E-mail: nmcailu@163.com

S216.4； X705

A

1000-1166(2017)04-0027-06