不同碳基材料對餐廚垃圾厭氧消化性能的影響

摘要：利用6種碳基材料進行餐廚垃圾厭氧消化試驗，采用AMPTS全自動甲烷潛力測試系統開展產甲烷潛力試驗，結合動力學方程分析餐廚垃圾產甲烷潛力及碳基材料對餐廚垃圾厭氧消化性能的影響。結果表明，除碳布、碳納米管（物料比為3∶5，m/m，下同）外，添加其他碳基材料均可以提高餐廚垃圾厭氧消化有機物的去除率，提高有機物降解性能。生物炭添加組的累積甲烷產量分別比對照組提高55.9%（物料比為4∶5）和55.5%（物料比為3∶5）；采用修正的Gompertz模型方程對累積甲烷產量進行擬合，在餐廚垃圾厭氧消化中添加生物炭能夠明顯提升物料產甲烷的能力并縮短厭氧消化滯后期。微生物群落結構分析表明，餐廚垃圾厭氧消化前后的細菌群落結構在門水平未發生較大變化，厚壁菌門和擬桿菌門為各試驗組的優勢菌門，厚壁菌門具有絕對優勢地位；各試驗組優勢古菌均為甲烷八疊球菌屬。

關鍵詞：碳基材料；餐廚垃圾；厭氧消化；產甲烷潛力；性能

中圖分類號：S216.4" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2025）01-0049-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.01.009 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The influence of different carbon based materials on the anaerobic digestion performance of kitchen waste

CHEN Jian-kun1，2， GUO Zhan-bin1， FENG Jing2， MENG Hai-bo2， YE Bing-nan2， LI Pei-qi2， XU Han2， YU Jia-dong3

（1.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing" 163319， Heilongjiang，China； 2. Key Laboratory of Energy Utilization of Agricultural Waste， Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Academy of Agricultural Planning and Engineering，MARA， Beijing" 100125，China；

3.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing" 100125，China）

Abstract： Six carbon based materials were used for anaerobic digestion experiment of kitchen waste， and the methane production potential experiment was carried out using the AMPTS fully automatic methane potential testing system. The methane production potential of kitchen waste and the influence of carbon based materials on anaerobic digestion performance of kitchen waste were analyzed by combining kinetic equations. The results showed that， except for carbon cloth and carbon nanotubes （material ratio of 3∶5， m/m， the same below）， the addition of other carbon based materials could improve the removal rate of organic matter in the anaerobic digestion of kitchen waste and enhanced the degradation performance of organic matter. The cumulative methane production of the biochar addition group increased by 55.9% （material ratio of 4∶5） and 55.5% （material ratio of 3∶5） respectively compared to the control group；using the modified Gompertz model equation to fit the cumulative methane production， adding biochar to the kitchen waste anaerobic digestion could significantly enhance the material’s methane production capacity and shorten the anaerobic digestion lag period. Microbial community structure analysis showed that the bacterial community structure before and after anaerobic digestion of kitchen waste did not undergo significant changes at the phylum level. Firmicutes and Bacteroidota were the dominant phyla in each experimental group， with Firmicutes having an absolute dominant position； the dominant archaea in each experimental group were all Methanococcus.

Key words： carbon based materials； kitchen waste； anaerobic digestion； methane production potential； performance

隨著人們生活水平的提高，食物浪費現象越來越嚴重。預計2025年餐廚垃圾產生量將達1.7億t［1］。餐廚垃圾成分復雜，具有油脂高［2］、鹽分高［2］、含水率高［3］、有機質含量高［4］等特點，極易腐敗變質，處理措施不當還會造成空氣、水域和土壤污染，引發傳染病危害人們的身體健康［5，6］。目前處理餐廚垃圾的方法主要有焚燒、填埋、飼料化、好氧堆肥和厭氧消化。厭氧消化處理餐廚垃圾相比其他方法既能減輕餐廚垃圾污染、保護生態環境，又能獲得燃燒及發電所需的清潔能源（沼氣）［7］，使餐廚垃圾資源化、無害化、減量化，具有顯著的能源和環境雙重效益。

但餐廚垃圾厭氧消化過程中，往往存在產氣性能低、運行穩定性差等問題［8］，這已成為餐廚垃圾厭氧消化發展的瓶頸。向餐廚垃圾厭氧消化系統中添加碳基材料可以有效增強厭氧消化產甲烷性能，維持系統穩定性。Zhao等［9］發現碳基材料的添加可以提高高有機負荷下UASB反應器的甲烷產量，同時提高系統穩定性。石笑羽等［10］發現生物炭的添加可以提高餐廚垃圾厭氧消化系統的pH，促進乙酸、丙酸和丁酸的降解，最大日甲烷產量提高24.09%。研究顯示，碳基材料的適量添加可以有效促進餐廚垃圾厭氧消化效率［11］。在厭氧消化中，微生物活動對維持系統穩定和產氣效率起著關鍵作用，研究微生物群落對解析厭氧消化微觀過程是有利的［12］，添加碳基材料可以對厭氧消化系統中微生物群落結構產生影響［13］。

本研究通過在厭氧消化批式試驗中添加不同的碳基材料，觀察碳基材料對餐廚垃圾厭氧消化產甲烷效果的影響并結合修正的Gompertz模型分析餐廚垃圾產甲烷潛力，從而為改善餐廚垃圾厭氧消化和碳基材料的實際應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

餐廚垃圾來自農業農村部規劃設計研究院職工餐廳，利用人工的方式去除樣品中的雜質（餐巾紙、塑料袋、大塊骨頭、雞蛋殼等），然后用絞肉機將其粉碎，以保證其均質性，攪拌均勻后用密封袋密封儲存在-20 ℃的冰箱中備用。沼液取自三河某沼氣工程。餐廚垃圾（底物）和沼液（接種物）的理化性質見表1。碳基材料生物炭（BC）、活性炭（PAC）、碳布（CFC）、碳氈（CF）、炭黑（CB）、碳納米管（CNT）購自北京新時代合眾科技有限公司，并置于陰涼處密封保存。

1.2 試驗裝置

本試驗在AMPTS II全自動甲烷潛力測試裝置（Automatic methane potential test system）中開展，該裝置包括樣品消化單元、CO2固定單元、氣體體積測定單元（圖1）。

1.3 試驗設計

基于前期所做接種物與底物配比預試驗研究結果，確定物料比為4∶5和3∶5（m/m，下同），碳基材料分別為生物炭、活性炭、碳納米管、炭黑、碳布、碳氈，每個物料比設置7個試驗組。對照（CK）組反應器內不添加碳基材料，試驗組和對照組均進行3次重復試驗。分析餐廚垃圾產甲烷潛力以及碳基材料對餐廚垃圾厭氧消化性能的影響。試驗設計如表2所示。

試驗開始前向發酵瓶內充入氮氣1 min，排出空氣，保持發酵瓶內的厭氧環境。試驗結束后從每個發酵瓶中取50 mL樣品用于測定物料特性、微生物群落等指標。

1.4 方法

總固體含量、揮發性固體含量采用烘干重量法和灼燒減量法測定；pH采用便攜式pH計測定；總有機碳采用TOC分析儀測定；氨氮采用化學分析儀測定；化學需氧量采用分光光度法測定；日甲烷產量和累積甲烷產量采用AMPTSII的氣體體積測定單元記錄；采用OriginPro 2021軟件繪圖。

本研究使用修正的Gompertz模型對餐廚垃圾厭氧消化產氣潛力測試過程進行擬合，計算式如下。

[P（t）=Pm×exp-expRmeλ-tPm+1]，t≥0" " " " " " " " " " " "（1）

式中，[P（t）]為第t天時累積甲烷產量；Pm為最大累積甲烷產量；Rm為最大產甲烷速率；λ為產甲烷延滯期；e為常數2.718 28。

2 結果與分析

2.1 物理特性分析

餐廚垃圾厭氧消化前后各試驗組的TS、VS去除率如表3所示。對照組的TS去除率分別為33.33%（物料比為4∶5）和25.00%（物料比為3∶5），VS去除率分別為42.86%（物料比為4∶5）和33.33%（物料比為3∶5）。生物炭添加組的TS去除率分別為66.67%（物料比為4∶5）和36.36%（物料比為3∶5），VS去除率分別為75.00%（物料比為4∶5）和70.00%（物料比為3∶5）。生物炭添加組（物料比為4∶5）的TS、VS去除率均高于其他碳基材料添加組。與對照相比，除碳布、碳納米管（物料比為3∶5）外，添加其他碳基材料均可以提高餐廚垃圾厭氧消化有機物的去除率，提高有機物降解性能。

2.2 化學特性分析

圖2反映碳基材料的添加對氨氮和COD的影響。由圖2a可知，餐廚垃圾厭氧消化初始時，各試驗組中氨氮濃度為184.56～658.28 mg/L。在反應結束后，各試驗組中氨氮濃度均明顯上升，為1 410.76～1 764.28 mg/L。現有研究中氨氮抑制閾值為1 500～3 000 mg/L［14］，而且當氨氮抑制發生時，甲烷產量隨之降低。此外，2個對照組中氨氮濃度均高于碳基材料添加組，并且生物炭（物料比為4∶5）和活性炭添加組均沒有達到氨氮抑制閾值。因此生物炭和活性炭能更好地緩解氨氮積累，更有助于維持系統穩定。

由圖2b所示，餐廚垃圾厭氧消化后，各試驗組中COD濃度比厭氧消化初始時均有所下降。這說明在厭氧消化過程中可溶性有機物逐漸被微生物利用與轉化［15］。厭氧消化后，對照組的COD去除率較低，分別為8.8%（物料比為4∶5）和5.6%（物料比為3∶5）；生物炭添加組的COD去除率最高，分別為59.2%（物料比為4∶5）和53.8%（物料比為3∶5）。因此，在餐廚垃圾厭氧消化系統中添加生物炭更有利于可溶性有機物的降解轉化，有效提高有機物降解能力。

2.3 產甲烷特性分析

2.3.1 甲烷產量 由圖3a、圖3b可知，除CF-1添加組外，其他試驗組的累積甲烷產量均超過對照組。生物炭添加組的累積甲烷產量分別比對照組提高55.9%（物料比為4∶5）和55.5%（物料比為3∶5）。這主要是因為碳基材料可以在餐廚垃圾厭氧消化過程中起到提升系統緩沖能力、減輕氨氮抑制以及為微生物提供載體的作用，這些都提高了餐廚垃圾厭氧消化效率。

由圖3c、圖3d可知，物料比為4∶5時，CNT-1、CFC-1、CB-1、PAC-1、BC-1、CF-1添加組的日甲烷產量分別在第8、9、10、11、12、25天達到最高峰，其最大日甲烷產量分別為308.7、287.9、328.0、387.7、377.4、99.0 mL/g，而CK-1添加組日甲烷產量在第15天達到最大值，為291.3 mL/g。在物料比為3∶5的組中CFC-2、CF-2、CB-2、PAC-2、CNT-2、BC-2添加組的日甲烷產量分別在8、9、10、12、13、13天達到最大值，分別為281.2、300.2、381.8、330.7、337.0、369.8 mL/g，CK-2添加組日甲烷產量在第15天達到最高，為275.0 mL/g。添加碳基材料的試驗組（除CF-1添加組外）均出現2次產氣高峰，而對照組甲烷產量從第15天開始到試驗結束一直處于緩慢下降的趨勢，這說明添加碳基材料能在一定程度上促進餐廚垃圾厭氧消化產甲烷的能力。CF-1添加組的累積甲烷產量和日甲烷產量均較低，并且直到第24天才開始大規模產氣。

2.3.2 產甲烷動力學分析 使用修正的Gompertz模型對餐廚垃圾厭氧消化的最大累積甲烷產量、最大產甲烷速率和延滯期進行預測。由圖4和表4可知，試驗組R2均大于0.990 00，表明擬合數據可以準確反映厭氧消化的產氣過程［16］。物料比為4∶5時，1～6組（除試驗組5外）的最大累積甲烷產量為" " " " 4 844.00～6 358.50 mL/g，比對照組提高了17.02%～53.60%；生物炭、活性炭、碳納米管、炭黑添加組的最大產甲烷速率均高于對照組，分別為372.25、370.64、311.56、293.21 mL/（g·d），比對照組分別提高了38.95%、38.35%、16.30%、9.45%；除試驗組5外，其他試驗組的滯后期均低于對照組。

物料比為3∶5時，8～13組的最大累積甲烷產量為3 948.82～5 790.93 mL/g，比對照組提高了4.01%～52.53%；最大產甲烷速率為257.27～353.53 mL/（g·d）；生物炭、碳納米管、碳布添加組的滯后期均低于對照組，分別為3.25、3.74、3.23 d，與對照組相比，分別縮短了16.24%、3.61%、16.75%。結果表明，在餐廚垃圾厭氧消化中添加生物炭能夠明顯提升物料產甲烷的能力并縮短厭氧消化滯后期。

2.4 微生物群落分析

2.4.1 細菌群落分析 圖5反映了餐廚垃圾厭氧消化前細菌門水平的組成和豐度變化，其優勢菌門為厚壁菌門（Firmicutes）、互養菌門（Synergistota）、擬桿菌門（Bacteroidota）等。餐廚垃圾厭氧消化后（圖6），各試驗組的細菌群落與試驗開始前相似，厚壁菌門相對豐度為55.99%～70.47%，擬桿菌門相對豐度為7.04%～23.49%，互養菌門相對豐度為4.71%～16.06%。厭氧消化前后的細菌群落結構在門水平上未發生較大變化。厚壁菌門和擬桿菌門為各試驗組的優勢菌門，厚壁菌門具有絕對優勢地位。這是由于這兩類菌群主要參與底物的水解酸化過程，增強纖維和蛋白質等物質的降解，促進有機物向揮發酸轉化，從而為甲烷的產生提供底物。

2.4.2 古菌群落分析 餐廚垃圾厭氧消化前古菌相對豐度如圖7所示。各試驗組優勢古菌為甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）、嗜氫產甲烷菌屬（Methanoculleus），相對豐度分別為65.66%～94.18%、5.90%～33.87%。

厭氧消化后古菌相對豐度如圖8所示，各試驗組優勢古菌為甲烷八疊球菌屬，相對豐度為74.47%～92.16%。此外，各試驗組甲烷桿菌屬（Methanobacterium）相對豐度為1.27%～4.71%，甲烷螺菌屬（Methanospirillum）相對豐度為0.19%～12.32%，甲烷囊菌屬（Methanoculleus）相對豐度為0.51%～12.34%，這些菌群均為氫營養型產甲烷菌，可以將H2/CO2轉化為甲烷。甲烷鬃菌屬（Methanosaeta）是一種乙酸型產甲烷菌，其相對豐度為1.36%～10.14%，該菌群能將二氧化碳轉化為甲烷。甲烷八疊球菌屬是一種混合營養型產甲烷菌，既可利用乙酸，又能利用H2/CO2促進甲烷產生。因此，古菌群落由乙酸型產甲烷菌和氫營養型產甲烷菌共同主導。

3 小結

1）生物炭添加組（物料比為4：5）的TS、VS去除率均高于其他碳基材料添加組。除碳布、碳納米管（物料比為3：5）外，添加其他碳基材料均可以提高餐廚垃圾厭氧消化有機物的去除率，提高有機物降解性能。

2）2個對照組中氨氮濃度均高于碳基材料添加組，并且生物炭（物料比為4：5）和活性炭添加組均沒有達到氨氮抑制閾值。因此生物炭和活性炭能更好地緩解氨氮積累，更有助于維持系統穩定。厭氧消化后，各試驗組中COD濃度比厭氧消化初始時均有所下降。在餐廚垃圾厭氧消化系統中添加生物炭更有利于可溶性有機物的降解轉化，有效提高有機物降解能力。

3）除CF-1添加組外，其他試驗組的累積甲烷產量均超過對照組。生物炭添加組的累積甲烷產量分別比對照組提高55.9%（物料比為4∶5）和55.5%（物料比為3∶5）；采用修正的Gompertz模型方程對累積甲烷產量進行擬合，結果表明，在餐廚垃圾厭氧消化中添加生物炭能夠明顯提升物料產甲烷的能力并縮短厭氧消化滯后期。

4）厭氧消化前后的細菌群落結構在門水平上未發生較大變化。厚壁菌門和擬桿菌門為各試驗組的優勢菌門，厚壁菌門具有絕對優勢地位。餐廚垃圾厭氧消化前后優勢古菌均為甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）。

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