添加劑對新疆餐廚垃圾厭氧消化性能的影響

王 璇，邱桃玉，韓陽花，李 瑜，侯鳳蘭，劉德江

(新疆農業職業技術學院，新疆 昌吉 831100)

近年來，利用厭氧消化工藝處理餐廚垃圾以實現固廢的資源化、減量化、無害化，這是國內外固體廢物處理領域的熱門研究課題，尤其是在化石能源日益緊缺的當今社會，餐廚垃圾的厭氧消化不僅可以消除這類污染源對環境的影響，同時還能提供清潔的生物天然氣(沼氣)能源，可有效緩解緊張的能源供給需求。硅藻土、膨潤土等礦物材料具有良好吸附性能和離子交換性能，它們在底物的厭氧消化過程中，可以釋放一定量的金屬離子，同時由于它們廉價易得，使得它們成為了這一領域內研究的熱點。Angelidaki[1]等研究了膨潤土在牛糞高溫厭氧消化過程中的效應，發現膨潤土對鹽類物質具有良好的吸附能力。Milan[2]等研究了天然沸石、斜發沸石、發光沸石、蒙脫石等礦物材料在豬場厭氧消化過程的作用，發現礦物材料的吸附、離子交換能力對厭氧消化的過程具有顯著的促進作用。目前，國內宋珍霞[3]等人將礦物材料應用到餐廚垃圾的厭氧消化過程中，馬磊[4]等人通過礦物材料預處理研究對餐廚垃圾高溫厭氧消化的影響，均取得了一定的研究成果。雖然關于礦物材料提升厭氧消化性能的研究報道較多，但是針對新疆的地域特點以及餐廚垃圾的成分差異性，向餐廚垃圾中添加膨潤土、硅藻土等礦物質對厭氧消化特性的影響的研究文獻相對較少。

本文通過添加膨潤土、硅藻土、沸石粉3種礦物質對新疆餐廚垃圾厭氧消化產氣性能的影響，旨在為今后新疆地區餐廚垃圾的規模化處理利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 餐廚垃圾

由于餐廚垃圾的成分隨地域、季節及居民生活習慣與飲食習慣等眾多因素存在明顯的差異，因此本試驗中所用到的餐廚垃圾是按照新疆城市居民飲食習慣自行配置的餐廚垃圾。其中各種物質的比例見表1，餐廚垃圾中各成分按照表1稱量(以濕基計)后，再經過蒸煮、機械打漿，制成糊狀半流體態，于冷柜內(-4℃)保存備用。

表1 新疆餐廚垃圾組成成分

1.2 接種物(污泥)

厭氧消化所用的接種物(污泥)取自處于穩態運行中的餐廚垃圾厭氧消化反應器，反應器內餐廚垃圾的理化性質與本試驗的相同。污泥的接種比例為：污泥∶餐廚垃圾=1∶1(m/m，以濕基計)。

1.3 添加劑

試驗選用的天然膨潤土、硅藻土、沸石粉均取自新疆昌吉市某礦區，其pH值分別為 8.21、8.75、7.96。

1.4 試驗方法

試驗設置4個處理，主要研究在相同有機負荷下，分別添加膨潤土、硅藻土及沸石粉對餐廚垃圾厭氧消化過程的影響，同時，以不添加礦物質的餐廚垃圾作為對照(CK)。3種礦物質的添加量均為20 g，采用1000 mL發酵瓶(有效容積為900 mL)，4個處理發酵瓶中的總固體(TS)含量均為10%，共計12個發酵瓶。采用常溫厭氧消化裝置，連續進行60天的厭氧消化，每天記錄產氣量，同時測定CH4含量及pH值。

1.5 測試項目及方法

(1)pH值:使用pHS-25型精密pH計測定。

(2)產氣量:排水集氣法。

(3)產氣率：即單位質量揮發性固體物(VS)的產氣量，根據標準方法折算而來。

(4)甲烷(CH4)含量：使用武漢四方公司生產的沼氣成分分析儀(Gasbard 3200)測定。

(5)固體濃度(TS)：采用常規烘干法測定。

(6)揮發性固體物(VS)：測量方法同上。

2 結果與分析

2.1 不同添加劑對產氣量的影響

試驗設置4個處理，每個處理均設置3次重復，共計12個發酵瓶。每天記錄4個處理3次重復的的累計產氣量，并計算出每個處理的日平均產氣量，作圖分析時再按3天的平均產氣量找點繪制曲線。3種添加劑對餐廚垃圾厭氧消化沼氣產量的影響有著顯著的不同，詳見圖1。

圖1 4種處理的沼氣產量

從圖1可看出：從反應的第3天開始，產氣量逐漸增加，到第30天左右時，4個處理的產氣量均達到了最大值，之后隨著時間的推移，產氣量又逐漸減少。四者的產氣量變化曲線十分相似，但是它們的產氣量卻相差顯著，通過方差分析得知差異達到了極顯著，詳見表2。在整個發酵周期內，添加膨潤土、硅藻土、沸石粉的餐廚垃圾與對照(CK)相比，它們的累計產氣量分別是18652、16863、15986和14835 mL，大小次序為：添加膨潤土>硅藻土>沸石粉>對照。與對照(CK)相比，3種添加劑均能顯著提高餐廚垃圾的產氣量，其中膨潤土最高，提高了25.7%的產氣量，其次為硅藻土提高了13.5%，沸石粉提高了7.8%。

表2 產氣量方差分析表

2.2 不同添加劑對產氣率的影響

根據每天的累計產氣量折算出單位質量揮發性固體(VS)的產氣量，即產氣率大小，單位為mL·g-1VS。添加膨潤土、硅藻土、沸石粉的餐廚垃圾與對照(CK)產氣率差異較大，結果詳見圖2。

圖2 4種處理的產氣率

從圖2可看出:添加礦物質均能明顯提高餐廚垃圾的產氣率，大小次序依舊為：添加膨潤土>硅藻土>沸石粉>對照。3種添加劑以膨潤土的產氣率最高，峰值達到了228 mL·g-1VS，其次是硅藻土，沸石粉的產氣率最低，峰值只有190 mL·g-1VS。但是，它們在60天的厭氧消化期內，產氣率的變化規律是完全一致的，即隨著時間的推移，產氣率依次增大，當反應進行到第30天左右時，均達到峰值，之后又逐漸減少。

通過表3的方差分析得知：3種添加劑與對照相比產氣率的差異均達到了極顯著。分析其原因可能是3種礦物質材料增加了甲烷菌等厭氧型微生物的活性，促進了厭氧消化的過程，從而顯著提高了產氣量。

表3 產氣率方差分析表

2.3 不同添加劑對所產沼氣中甲烷(CH4)含量的影響

從圖3可看出：3種添加劑的甲烷含量幾乎接近，但均略高于對照(CK)。4種處理在整個厭氧消化過程中的變化趨勢也基本一致：即當消化進行到第30天時，4個處理的甲烷含量均達到了最大值(55%左右)。但從第35天開始，甲烷含量便又逐漸下降，最終回落到30%左右。

圖3 4種處理的甲烷含量

甲烷含量之所以先增高后降低，主要是由于厭氧消化微生物的特性所造成的。食乙酸產甲烷菌等發酵性微生物的活性隨消化過程的進行逐漸增強，到了中期達到峰值，之后又逐漸下降。直至后期便趨于穩定。

總體而言，添加膨潤土、硅藻土及沸石粉的餐廚垃圾所產沼氣中甲烷含量略高于對照(CK)，這是因為礦物質材料可以縮短厭氧消化反應的延滯期[5]，有利于改善體系厭氧消化系統的緩沖能力，促進了微生物種間的電子傳遞，提高了產甲烷菌活性，從而促進餐廚垃圾的產甲烷過程。但是，不同礦物質對餐廚垃圾所產沼氣中甲烷含量的影響差別不顯著。

2.4 不同添加劑對發酵液pH值的影響

從圖4可知：在發酵的前期，消化液的pH值一直處于較低的狀態，隨著時間的推移，pH值逐漸升高。當反應進行到第30天時，4個處理的發酵液均達到了7左右，之后便處于穩定狀態。這是由于添加礦物材料有利于調節反應體系的酸化過程，并且隨著厭氧消化過程中大分子物質不斷降解，大分子的降解速率會減慢，產甲烷菌還要消耗體系中的揮發性脂肪酸，從而使體系的pH值逐漸趨于穩定。這與崔少峰[5]等的研究結果一致。

圖4 4種處理消化液pH值變化

3 結論

(1)在新疆餐廚垃圾中添加礦物質材料可顯著提高其厭氧消化的效率，產氣量及產氣率比對照(CK)都有增加。但是不同的添加劑對產氣的影響有差異，本試驗選用的3種添加劑對產氣的貢獻大小次序為：膨潤土>硅藻土>沸石粉。王星[6]等在餐廚垃圾中添加膨潤土進行厭氧消化試驗也得出相近的研究結果，分析其原因可能是不同礦物質吸附能力及離子交換能力不同，對甲烷菌的活性和厭氧消化的促進能力也就不同，以膨潤土的促進能力最強。

(2)添加劑對提高新疆餐廚垃圾厭氧消化中的甲烷化質量效果不明顯，即不能顯著提高沼氣中的甲烷含量。而且不同添加劑對餐廚垃圾厭氧消化所產沼氣中的甲烷含量影響也不大，3種添加劑的加入與對照(CK)相比，在60天的消化周期內所產沼氣中甲烷含量的變化規律基本一致。

(3)添加膨潤土等礦物材料有利于抑制反應體系的酸化過程，隨著厭氧消化的進行，產甲烷菌對小分子有機酸的消耗，使體系pH值上升，最后趨于穩定在7左右。這與王振雄[7]等人的研究結果相吻合。