菌劑添加比對廚余垃圾厭氧發酵的影響

李謨軍， 梅 鑫， 張 玲

（北京金福騰科技有限公司，北京 100142）

0 引言

廚余垃圾是指日常生活中的餐廚垃圾，主要包括饅頭、大米、面條、蔬菜、果皮、肉類等殘羹剩飯。數據顯示，目前我國廚余垃圾年產量接近2 億t[1]。然而，以北京市為例，生活垃圾每天產生2.2 萬t，其中的廚余垃圾大約1.1 萬t，而分類收集合格的廚余垃圾僅有500～1 000 t[2]。隨著我國餐飲業的發展和人民生活水平的提高，我國廚余垃圾量呈現快速增長的趨勢。當前的廚余垃圾占城市生活垃圾總量的40%左右[3]。廚余垃圾含水量高、含鹽量高、脂肪含量高，容易產生異味和致病菌。尤其是在高溫下，廚余垃圾的降解速度非常快，會造成環境污染，甚至威脅人們的健康。廚余垃圾的傳統處理方法有集中焚燒、飼料轉化、直接填埋和好氧堆肥等[4]。當前的廚余垃圾處理的最新技術是厭氧發酵技術。廚余垃圾經厭氧發酵后產生可重復利用的生物菌肥，實現垃圾的再利用[5]。

厭氧發酵技術指的是采用厭氧微生物對廚余垃圾中的有機物進行降解并產生沼氣的處理方法[6]。由于廚余垃圾本身含有較少的厭氧微生物，接種量對厭氧發酵反應非常重要。當接種量過小時，厭氧發酵反應系統中的微生物菌群數量不足，容易影響整個反應系統的正常運行。當菌劑接種量過大時，由于營養物質的缺乏，大量厭氧微生物的活性受到抑制，影響厭氧發酵的產氣性能。

尚秀華等[7]研究了添加微生物菌劑對稻殼分解的促進作用。在稻殼分解過程中，添加不同含量的微生物菌劑對溫度變化的影響不同。加入1%的干物質，更利于發酵分解。土壤有機質含量和碳氮比受各微生物菌劑含量的影響較小，變化趨勢相似。由于微生物菌劑在堆肥發酵過程中可以繁殖，因此并不是菌劑添加量越大，效果就越好，綜合考慮發酵效果和生產成本，可添加1%的干物質。根據前人大量的研究，本文討論復合發酵菌劑的不同添加比對廚余垃圾厭氧發酵的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用北京金福騰科技有限公司自主研發的廚余垃圾生物處理機，廚余垃圾原料來自北京金福騰科技有限公司員工食堂，包括菜幫菜葉及用餐后的剩飯剩菜，剔除骨頭、一次性筷子、餐紙抹布等不宜放入設備內的垃圾，再用小型破碎機破碎，混合均勻，進行預處理，保證各個處理的差異性最小。

1.2 試驗設計

每個處理機內部投放2 kg 經過預處理的廚余垃圾，將每個處理設置成相同的工作模式，并且將發酵溫度控制在40 ℃左右（之前大量試驗發現，溫度設置在40 ℃時，發酵菌工作效率最適宜）。

試驗共設置5 個處理，發酵菌劑與廚余垃圾質量比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，用T1、T2、CK、T3、T4 表示，將添加比為1∶1 的處理作為試驗對照，每個處理重復3 次，在試驗過程中分別測定pH 值、揮發性脂肪酸（VFA）、沼氣產量、甲烷含量、化學需氧量（COD）等數據。

1.3 測定方法

pH 值：PHS-3C 型pH 計；VFA 產量：氣相色譜法；沼氣產量：通過濕氣流量計讀取；甲烷含量：采用甲烷含量測定儀進行現場采樣測定；COD 濃度：采用重鉻酸鉀氧化法測定COD 濃度。

2 結果與分析

2.1 菌劑添加量對pH 值的影響

如圖1 所示，在整個發酵反應過程中，各個處理的pH 值變化呈現先下降后上升的趨勢，這是因為在厭氧發酵過程中，會產生大量的脂肪酸，在反應后期的分解產物氨會增加。試驗中，剛剛投入廚余垃圾初始pH 值為6.7 左右；反應進行到12 h 左右時，T4 處理的pH 值最高，為6.3，T3、CK、T1、T2 處理依次降低，pH 值分別為6.1、5.6、5.4、5.2；反應進行到24 h 左右時，各個處理呈現相同的趨勢；當反應進行到36 h 左右時，廚余垃圾反應基本結束，此時CK、T2 處理的pH 值最高為6.2，T1、T3、T4 處理的pH 值依次降低，分別為5.9、5.8、5.7。綜上，當菌劑的添加量占比為2:1 時，廚余垃圾厭氧發酵效率最高。

圖1 菌劑添加量對pH 值的影響Fig. 1 Changes of pH on each treatment

2.2 菌劑添加量對VFA 產量的影響

如圖2 所示，各個處理產生的VFA 含量呈現先上升后下降的趨勢。反應在24 h 時達到頂峰，試驗中，剛剛投入廚余垃圾時VFA 的產量基本為零；反應進行到12 h 左右，T2 處理下VFA 的產量最高，為9.26 g/L，然后T1、CK、T3、T4 依次降低，分別為7.61、4.62、4.35 和4.23 g/L；反應到24 h 和36 h 左右時，呈現相同的變化趨勢，都是T2 處理下VFA 的含量最高。VFA 的含量整體變化趨勢和pH 值變化呈現相反的趨勢，符合厭氧發酵反應內部變化趨勢。

圖2 菌劑添加量對VFA 含量的影響Fig. 2 Effect of bacterial agent addition on VFA content

2.3 菌劑添加量對沼氣累積產量的影響

如圖3 所示，各個處理過程中沼氣產量隨著發酵時間的增加呈現上升的趨勢。反應進行到12 h 左右時，T2 處理的沼氣產量最高，為12.45 L，T1、CK、T3、T4 處理依次降低，分別為11.54、10.44、9.57 和7.55 L；反應進行到24 h 和36 h 左右時，T2 處理沼氣的產量依然最高，分別為26.70 和48.74 L，T4 處理的產量最低分別為21.84 和28.59 L。綜上，菌劑添加量占比為2:1 時，厭氧發酵效率最高。

圖3 菌劑添加量對沼氣產量的影響Fig. 3 Effect of bacterial agent addition on biogas yield

2.4 菌劑添加量對甲烷含量的影響

在厭氧發酵過程中，沼氣是一種由甲烷、二氧化碳、氮、硫化氫、一氧化碳等組成的混合氣體。其中，甲烷為主要成分，二氧化碳為次要成分，此外，氮、硫化氫、一氧化碳等含量極少[8]。因此，沼氣中的甲烷含量是衡量發酵系統穩定性的重要指標。

如圖4 所示，在整個反應過程中，各個處理中甲烷的含量呈現上升的趨勢。反應進行到12 h 左右時，此時的甲烷含量均偏低，其中T2 處理甲烷含量最高，為10.89%；反應進行到2 4 h 左右時，甲烷的含量明顯上升，其中T2 處理最高，為60.54%，T1、CK、T3、T4處理依次降低，分別為52.59%、46.58%、45.26%、41.47%；反應進行到36 h 左右時，此時的整個厭氧發酵基本進行完畢，甲烷的含量也都達到最高，變化趨勢和24 h 基本一致，也是T2 處理下甲烷含量最高，為70.25%，T4 處理的含量最低，為52.55%。

圖4 菌劑添加量對甲烷含量的影響Fig. 4 Effect of bacterial agent addition on methane content

2.5 菌劑添加量對COD 含量的影響

如圖5 所示，COD 含量的變化趨勢與沼氣產量呈現相反的趨勢，正好符合廚余垃圾的厭氧反應變化，各個處理整體變化趨勢呈現下降的趨勢。反應進行到12 h 左右時，此時T2 處理的COD 含量最低，為865 mg/L，T1、CK、T3、T4 處理依次升高，分別為956、987、1 002 和1 105 mg/L；反應進行到24 h 和36 h 左右時，呈現相同的變化趨勢，其中T2 處理下，在12～24 h 范圍內COD 含量的下降趨勢較快，在24～36 h 時間范圍內下降趨勢明顯變緩。在整個反應過程中，T2 處理下在各個時間段中，COD 的含量始終最低，表明COD 的去除率最高。

圖5 菌劑添加量對COD 含量的影響Fig. 5 Effect of bacterial agent addition on COD content

3 討論

ZHOU Y 等[9]研究了菌劑接種量對豆腐渣厭氧發酵的影響。研究結果表明，當接種率為0.6～0.9 時，反應過程中產氣量達到最大值，當接種率＞1.0 時，產氣量開始迅速下降。馬杰[10]通過改變復合微生物發酵菌劑的添加量，來確定廚余垃圾厭氧發酵菌劑最佳占比，設置復合菌劑與廚余垃圾進料質量比分別為3∶1、2∶1、1∶1、2∶3、1∶2，結果表明，隨著復合菌劑和廚余垃圾進料質量比例的增加，各處理條件下廚余垃圾降解率也逐漸增大。可見復合微生物菌劑對于廚余垃圾降解具有一定促進作用。胡紅偉等[11]研究結果表明，發酵菌劑的加入可以提高堆肥過程中有關酶的活性，物料高溫保持時間長，發酵過程加速，物料氮素的揮發損失降低，使堆肥中GI 值及總N、P、K 和速效P、K含量均有所增加。在此試驗中，當菌劑添加量為0.35%時為適宜。

張蓓[12]研究表明，發酵菌劑的加入有助于玉米秸稈中大分子纖維等有機物的降解，可以提前消除玉米秸稈的藥害。通過不同劑量處理的比較，發現分解菌對秸稈發酵的促進作用隨著濃度的增加而增強。在一定的添加量范圍內，腐熟菌劑的促熟作用隨添加量的增加而增強，但過量添加會減弱促熟作用，延長腐熟時間。在該試驗中，堆肥劑用量為秸稈質量的0.3%時，促進效果最好；添加0.1%和0.5%的添加劑處理效果次之；無菌處理發酵時間最長，物質變化范圍小，降解程度最低。發酵過程中氮素損失顯著高于細菌處理，種子發芽指數也顯著低于細菌處理。

也有一些研究表明，增加菌劑的添加量可以抑制發酵的反應速率。為了研究發酵菌劑不同添加比例對發酵的影響，ESKICIOGLU C 等[13]以玉米渣為發酵原料，菌劑的添加比設置在0.46～3.67 gVS/g VS，結果表明，增加菌劑的添加比例不能改變原料的生物降解性，但隨著添加菌劑比例的降低，基質的降解速度越來越快，菌劑的添加比例越大，底物降解速率越慢。這個和本試驗研究結果正好相反，可能是和設定菌劑添加量的范圍有關，推測出在一定范圍內適當減少菌劑添加量反而會促進發酵速率，這個猜想還有待于試驗證實。

4 結論

（1）當菌劑與廚余垃圾質量比為2:1 時，此時pH值變化最為明顯，反應在24 h 時，pH 值降到最低為5.2，反應進行到36 h 時，pH 值則又升至最高為6.2。說明當菌劑添加量與反應底物質量比為2:1 時，廚余垃圾厭氧發酵反應效率較高。

（2）VFA 的含量整體變化趨勢和pH 值變化呈現相反趨勢，符合厭氧發酵反應相關的內部變化趨勢。

（3）在反應的各個階段，當菌劑與底物質量比為2∶1，反應進行到36 h 時，沼氣累積產量和甲烷含量始終為最高，分別為48.74 L、70.25%，COD 的產量呈現相反的趨勢。

（4）試驗中，一定量的菌劑添加量能夠促進厭氧發酵反應，超過一定量則會產生一定的抑制作用。

綜上，當菌劑添加量與廚余垃圾反應底物質量比為2∶1 時，廚余垃圾厭氧反應效率最高。