果蔬垃圾厭氧消化產氣分析

管志云 饒玲華 李平

摘 要：果蔬是我國的第二大農作物，每年產生大量的果蔬垃圾，厭氧消化是其最合適的處理方式，果蔬厭氧消化過程中產氣不穩定，針對這一問題，本文分析得出甲烷的理論產氣量與含碳量和含氫量有關，動力學模型主要以ADM1為主，果蔬垃圾負荷高會導致大量的脂肪酸產生抑制甲烷生產，其單相厭氧易導致酸化，最佳的發酵溫度為35℃。

關鍵詞：果蔬垃圾;厭氧消化;負荷;溫度;pH

中圖分類號：S-3文獻標識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20191030017

前言

蔬菜是生活中必不可少的食品，是我國的第2大農作物。每年的產量已達7.69億t，種植面積已超過0.22億hm2，可以滿足全球2倍人口的日常生活需求，產能嚴重過剩，雖然每年的蔬菜產量多，但由于蔬菜的易腐爛性使其在收取、儲存、加工和運輸過程中，會造成很大損耗，損耗的廢棄物蔬菜如果不采用合適的手段處理，會產生硫化氫、有機酸等惡臭氣體，對環境造成嚴重污染[1]。

蔬菜廢棄物總固體含量在6%～10%之間，水分高，熱值低，總固體（TS）中主要物質是糖類，約占70%，纖維素及木質素占10%左右，TS中VS含量高，但蔬菜結構強度低，且水分主要在細胞中，不易脫水。從蔬菜的生物可降解性和結構強度特征（含水率、流動性、可壓縮性）考慮其處理方式，厭氧發酵技術最適合，其可以充分利用蔬菜的可降解性進行無害化與資源化利用。

厭氧發酵是厭氧及兼性厭氧菌在無氧或缺氧條件下，將生物質中的有機質轉化成甲烷、二氧化碳及少量的硫化氫等氣體的過程，其過程根據最新理論具體可描述為4個階段：水解、酸化、產氧產乙酸、甲院化階段。

產氣量是厭氧發酵研究的核心內容，目前，果蔬垃圾由于其酸化速度快，產氣量難以穩定控制，如何使果蔬垃圾厭氧發酵過程中穩定產氣是當下的研究重點。

本論文分析了果蔬垃圾厭氧發酵理論產氣量的模型，過程中物料成分、負荷、pH及溫度對產氣率的影響。

1 產氣影響因素

果蔬垃圾的含水率大多在90%以上，最合適的厭氧發酵為濕式發酵，將果蔬經過破碎篩分后在進行濕法發酵，極易水解酸化降解，一般停留時間在10～15d左右，遠低于糞污、秸稈等有機物的停留時間，由碳、氫、氧、氮等元素構成的有機化合物，通過巴斯維爾公式理論上能夠計算出CH4與CO2的量[2]。公式計算過程如下：

CmHnOb+m-a4-b2H2O→m2-a8+b4CO2+（m2+a8-b/4）CH4

有機物在厭氧消化過程中，需要降解成葡萄糖等單糖才能進一步被產甲烷菌消化利用，以葡萄糖為例來計算理論產氣量。葡萄糖主要生物代謝反應[1]如下：

C6H12O6→3CH4+3CO2

由上式可知，甲烷的產量與含碳量和含氫量有關，且厭氧反應的主要產物為甲烷和二氧化碳。表1為典型有機化合物的理論產沼氣組成。脂類化合物的沼氣中甲烷純度最高，甲烷濃度達到72%，然而實際厭氧發酵中脂類化合物的分子較大，完全分解的時間長，造成厭氧停留時間長。碳水化合物與蛋白質，雖然沼氣中甲烷含量低于低脂類，但其降解速度快，厭氧停留時間短，可以降低投資與運行底物累積的風險，所以在有機物進行厭氧發酵前需要進行脫脂或者預處理來提高其降解的能力[3]。

現階段厭氧發酵過程的動力學模型主要采用ADM1，ADM1是一個對厭氧發酵中的生化和物化過程進行了詳細描述與分析的結構化模型，物理化學過程是厭氧反應器中普遍存在的非生物媒介的反應過程，其可細分為液-液（離子結合/分離）、液-氣（液/氣交換）和液-固（沉淀/溶解）3個過程。ADM1清楚劃分了模型組分并建立了相應的反應動力學方程，使厭氧消化可計量性 [4]。

巴斯維爾公式是描述有機物理論產甲烷量，ADM1使用數學模型的方式描述了厭氧反應中的生化過程和物化學過程，但實際的厭氧反應中產氣率受到反應溫度、pH值、物料成分的多種因素影響。

2 果蔬廢棄物產氣影響因素分析

2.1 物料成分及負荷的影響

呂琛等對果蔬與餐廚廢棄物的厭氧發酵過程進行了研究，在2%、4%、6%（TS）的進料負荷進行厭氧消化。發現果蔬與餐廚的濕比例為5∶8，進料含固率在2%時，產氣量最多，TS的甲烷轉化率達到 600mL/g[5]。Bouallagui H 等人對果蔬垃圾進行了2相厭氧發酵研究，發現當厭氧發酵的負荷為7.5g（COD）/L/d 時，系統的果蔬酸化率達到了81%，但能承受13.3g/L的最大負荷率，同時研究發現在厭氧發酵的負荷為10.1 g（COD）/L/d時，系統內有機酸就開始增加，甲烷產量開始降低，甲烷產率為320L/kgCOD，厭氧系統的COD去除率達到95%以上[6]。

2.2 pH值的影響

果蔬垃圾厭氧消化容易導致有機酸積累，pH過低，破壞系統緩沖能力，而使得甲燒菌的活性低，難以消化降解產生的有機酸。Bouallagui對果蔬垃圾進行了厭氧因素影響實驗，發現當果蔬垃圾厭氧發酵的固體含量超過7%時會導致大量揮發性脂肪酸產生，pH值迅速下降，甲烷化緩慢，產氣降低[6]。Mtz-Viturtia A認為果蔬垃圾兩相厭氧由于極易酸化，導致產氣率低于單相厭氧消化，若不能很好的控制酸化，兩相厭氧消化不適合處理果蔬垃圾[7]。

2.3 溫度的影響

厭氧發酵產氣率在35～38℃有一個峰值，50～65℃有另一個峰值，通常厭氧發酵的溫度控制在這2個溫度范圍內，以盡可能地獲得高降解速度與高產氣率。江志堅將餐廚和果蔬垃圾按照8：5進行混合后研究在不同負荷與溫度下產氣的規律，35℃、50gTS/L的酸化出料的甲烷產氣規律與45℃、40gTS/L的趨勢相近，35℃的產氣率更高，同時研究35℃、45℃與55℃下的產氣量，45℃產氣量最小[1]。

3 結論

果蔬垃圾進行2相厭氧發酵時產氣率低于單相厭氧發酵，且極易酸化，破壞產甲烷菌的活性，可以采用與其他有機物混合發酵的方式，單相厭氧發酵不適合果蔬垃圾。

果蔬垃圾適合與餐廚垃圾混合發酵，比例為5∶8時產氣效果最佳。當果蔬垃圾含固率較高時，容易導致大量揮發性脂肪酸產生，對甲烷的產生有抑制作用。

果蔬垃圾的厭氧消化最佳溫度在35℃與55℃左右。

參考文獻

[1] 江志堅. 果蔬與餐廚垃圾混合兩相厭氧消化性能的試驗研究[D]. 北京：北京化工大學， 2013.

[2] 彭武厚， 陸鑫. 沼氣發酵原理及其作用[C].江蘇：江蘇科學技術出版社， 2006：274-278.

[3] 陳云進. 研究探討科學實施餐飲廢油資源化的循環經濟實踐[C].北京：中國環境科學出版社，2010：18-22.

[4]周雪飛，張亞雷，顧國維.厭氧消化1號模型（ADM1）簡介[J].中國給水排水，2003（02）：85-87.

[5]呂 琛， 袁海榮， 王奎升.果蔬垃圾與餐廚垃圾混合厭氧消化產氣性能[J]. 農業工程學報， 2011， 27（13）：91-95.

[6] Bouallagui H，Torrijos M，Godonc J J，et al.Two-phases anaerobic digestion of fruit and vegetable wastes：bioreactors performance[J].Biochemical Engineering Journal，2004（21）：193-197.

[7]Mtz.-Viturtia A，Mata-Alvarez J，Cecchi F.Two-phase continuous anaerobic digestion of fruit and vegetable wastes[J].Resources Conservation and Recycling， 1995， 13（3-4）：257-267.

作者簡介：

管志云（1992-），男，碩士研究生。研究方向：固廢資源化。