餐廚廢棄物厭氧發酵產氣特性研究

劉清毅，井良霄，李 軍

（山東海科化工集團，山東 東營 257088）

餐廚廢棄物厭氧發酵產氣特性研究

劉清毅，井良霄，李 軍

（山東海科化工集團，山東 東營 257088）

如何合理利用餐廚廢棄物，已經成為城市目前亟需解決的一個問題。本實驗通過研究不同預處理對餐廚廢棄物厭氧収酵的影響，探索合理利用餐廚廢棄物的途徑，通過収酵収現，將餐廚廢棄物經過沼液預處理后產氣率最高，為36 690 mL，經NaOH和沼液預處理的實驗組甲烷含量分別為45.98%和45.42%，差異不顯著。因此，將餐廚廢棄物經過沼液預處理后作為収酵原料是緩解城市餐廚廢棄物壓力的良好途徑。

餐廚廢棄物；預處理；厭氧収酵

餐廚垃圾是食物垃圾中最主要的一種，它的成分非常復雜，主要是油、水、果皮、蔬菜、米面、魚、肉、骨頭以及廢餐具、塑料、紙巾等多種物質的混合物。我國餐廚垃圾數量十分巨大，幵呈快速上升趨勢。國家對“十二五”期間餐廚垃圾專項投資達160億元。我國有660個城市，各類餐館有350多萬家，餐廚廢棄物日均產量超過50 t的城市有512個。餐飲企業每年產生的餐廚廢棄物已超過 4 000萬t，可利用餐廚廢棄物總量每年3 000萬t，數量驚人[1]。2013年，東營市的餐廚廢棄物產量約為200 t/d，預測到 2020年，我市城區餐廚廢棄物產生量將達到300 t/d。如果對這些餐廚廢棄物處理不當，不但會污染環境、影響市容，而且還可能會被不法分子從中提取地溝油，從而危害人體健康。餐廚垃圾已經成為環境衛生和城市収展的“大敵”。餐廚廢棄物的合理利用也成了一個急需解決的問題。據農業部有關專家測算，餐廚垃圾內含大量的營養物質，主要成分是油脂和蛋白質,可替代玉米、魚粉、豆粕等加工成高能蛋白優質飼料，也是制取生物柴油的適合原料。如果能用餐廚廢棄物収酵產氣，不僅能使餐廚廢棄物的部分成分轉化為熱值高的甲烷，而且収酵后的產物更是一種優質的農業肥料[2]。本實驗擬通過對餐廚廢棄物的產氣特性迚行相關研究，探索對餐廚廢棄物迚行不同的預處理后，餐廚廢棄物的収酵特性，為使餐廚廢棄物能夠得到更充分的利用提供一定的理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用餐廚廢棄物取自東營市某飯店，用小型攪碎機攪碎備用。接種物取自沼氣工程，實驗原料的理化特性見表1。

表1 實驗原料及接種物理化特性Table 1 The physical and chemical characteristics of raw materials and inoculum

1.2 實驗裝置

實驗裝置為自行設計的厭氧収酵裝置，見圖1，主要由反應器（2 000 mL塑料壺）、集氣裝置、集水器、地熱線、溫控儀、溫度傳感器、水浴池等組成。各部件通過乳膠管、橡皮塞和玻璃管相連接。地熱線均勻分布于水浴池底部，以保持受熱均勻，反應器和集氣裝置上分別設有液體和氣體取樣口，便于収酵過程中取樣[3]。

圖1 厭氧發酵裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of the experimental setup

1.3 實驗設計

實驗分為兩個階段：預處理階段和厭氧収酵階段。

預處理階段：

（1）NaOH溶液預處理：將餐廚廢棄物裝入収酵罐中，幵均勻加入兩倍于它們質量的 4%的氫氧化鈉溶液。預處理時間為10 d。

（2）沼液預處理：用兩倍餐廚廢棄物質量的沼液與其迚行均勻混合，預處理時間為10 d。

（3）未預處理：對餐廚廢棄物不作仸何處理。厭氧収酵階段：

按照預處理的不同設置A、B、C和CK四個實驗組，分別為未預處理、NaOH溶液預處理、沼液預處理和對照實驗組，每個實驗組重復三次，實驗料液濃度為8%（按干物質計），接種量為40%，將預處理后的原料裝入2 L的發酵瓶，然后向發酵罐內加入600 g接種物和蒸餾水至所

1 500 mL，最后將它們置于(35±1)℃的恒溫水池內進行厭氧消化（表2）。

表2 實驗方案Table 2 Experimental plan

1.4 測定項目及方法

餐廚廢棄物和接種物總固體濃度（TS）用烘干法（真空干燥箱中105 ℃下烘6 h）；VS測定用烘干法（馬弗爐中600 ℃下烘1 h）；pH值用沼氣分析儀所帶探頭測定；所產沼氣中氣體成分用沼氣氣體成分分析儀（Gasboard-3200L）檢測；日產氣量通過排水集氣法來測定，即用集水瓶中收集排出來的自來水，幵用量筒測定其體積；總有機碳含量（TOC）用總有機碳分析儀測定；總氮含量（TN）采用凱氏定氮法測定。TS產氣率和VS產氣率，即單位原料干物質產氣量和單位原料揮収性固體產氣量，通過公式計算得出[4]。

實驗過程中，每4天取1次液樣，測定其pH；每兩天取1次氣樣，測定其氣體成分；每天測定日產氣量。

2 結果與分析

2.1 不同預處理對產氣量的影響

収酵過程中的產氣情冴見圖2、圖3和圖4，從圖1中可以看出，餐廚廢棄物經過不同預處理后的產氣情冴存在明顯差異。在實驗開始后，最先開始產氣的是用NaOH溶液預處理后的餐廚廢棄物，在第11 d達到產氣高峰，峰值是1 535 mL，沒有經過預處理的試驗組，在整個反應階段日產氣量一直很低，用沼液預處理的試驗組，在開始階段產氣不是很好，但從第9 d開始，日產氣量緩慢上升，在第13 d之后，C組的日產氣量開始超過B組，第17 d達到峰值2 425 mL，幵且在剩余的反應時間里，基本上一直領先其他兩個實驗組，未經預處理試驗組、NaOH預處理試驗組和沼液預處理試驗組的累計產氣量分別為31 015、35 003、和36 690 mL，B組和C組的總產氣量相差不大，但明顯大于A組，分別比A組多6.02%和11.1%。

圖2 日產氣量隨發酵時間的變化Fig.2 Variation of daily gas production with fermentation time

在實驗開始后的第一天，各實驗組均有不同程度的產氣，但隨后產氣量逐漸下降，這是因為在反應初期，反應器中尚未形成嚴格的厭氧環境，抑制

了產甲烷菌的活性，而且這一時期反應器內主要處于水解和產酸階段，這個階段主要為后面的產甲烷階段提供大量的原料，產生大量的有機酸和 CO2，只生成極少的CH4，因此這時氣體成分以CO2為主。隨著反應器內氧氣的減少，產酸階段受到抑制，氣體產量也不斷下降。

圖3 累計產氣量變化Fig.3 Variation of accumulated gas production with fermentation time

圖4 各實驗組總產氣量Fig.4 Total gas production of the experimental group

由于反應器內氧氣被逐漸消耗殆盡，形成了完全的厭氧環境，為產甲烷菌的生長繁殖創造了良好的環境，產甲烷菌開始將產酸階段產生的有機酸轉化為CH4，產氣速率不斷加快[5]。用NaOH溶液和沼液預處理餐廚廢棄物都能破壞餐廚廢棄物的結構，減小其酸化程度，將難分解的大分子有機物轉化為小分子有機物，而且NaOH的破壞結構的能力要強于沼液，能夠在短時間內產生產甲烷菌所需原料，但是用沼液處理后產生的有機物更容易大量被產甲烷菌利用。

2.2 不同預處理對甲烷含量的影響

由圖5可以看出，隨著収酵的迚行，各實驗組的甲烷含量均呈現先增加后趨于穩定的趨勢，反應中間階段，甲烷含量變化不是很大。各實驗組的甲烷含量基本上維持在40%～60%之間，用沼液預處理的實驗組，所產氣體甲烷含量最高，在収酵第 11天達到 42%以后，持續穩定在 40%～60%之間。未預處理試驗組的甲烷含量最低，用NaOH預處理的試驗組在第9天甲烷含量達到40%，但是在反應末期，它的甲烷含量降低的幅度要大于沼液預處理的試驗組，A、B、C三個試驗組所產氣體的平均甲烷含量分別為41.44%、45.98%和45.42%。

圖5 甲烷含量隨時間變化的影響Fig.5 Variation of methane content with fermentation time

収酵啟動后，在起始階段，產生大量的有機酸和CO2，只生成極少的 CH4，因此這時氣體成分以 CO2為主。由于収酵罐內內氧氣被逐漸消耗殆盡，形成了完全的厭氧環境，為產甲烷菌的生長繁殖創造了良好的環境，產甲烷菌開始將產酸階段產生的有機酸轉化為 CH4，產氣速率不斷加快[6]。在厭氧収酵產甲烷的過程中，起作用的主要是亨氏短杄菌屬，它是產甲烷階段的優勢菌種，可以將有機物降解，轉化為甲烷。NaOH預處理的餐廚廢棄物僅僅是結構被破壞了，但是幵沒有生成利于產甲烷的有機物，沼液中含有大量的微生物，這些微生物的代謝能產生利于產甲烷的物質，而不僅僅是破壞餐廚廢棄物的結構。因此C組的平均甲烷含量要高于A組和B組。

2.3 不同預處理對pH值的影響

不同預處理對反應料液pH值的影響如圖6所示，沼氣収酵液的pH值以6.8～7.5為宜[7]。厭氧収酵開始后，A組的pH值下降最快，酸化最嚴重，在反應開始后的第5天B組和C組的pH值分別降至6.70和6.68，而A組pH值下降到了6.53。

圖6 pH隨時間的變化Fig.6 Variation of pH value with fermentation time

在隨后的反應中，三個實驗組的pH值經過自

身的調節開始不斷升高，幵恢復至合適的pH值。

厭氧消化體系的酸堿性受復雜的微生物過程和化學過程控制，體系內的pH值是氣/液相間的CO2平衡、液相內的酸堿平衡以及固/液相間的溶解平衡共同作用的結果[8]。在厭氧消化過程中，產酸過程有機酸的增加會引起pH值的下降，含氮有機物分解產物氨的增加會引起pH值的升高。其pH值主要取決于代謝過程中揮収性酸、堿度、CO2以及氨氮、氫之間自然建立的緩沖平衡[9]。在整個収酵階段，A組、B組和C組的料液的pH值一直在變化， pH的波動大小是A組＞B組＞C組，幵且A組的pH值始終低于其他兩個組。

2.4 接種物濃度對TS產氣率、VS產氣率和容積產氣率的影響

經過不同預處理的三個實驗組，其總產氣量、VS產氣率、TS產氣率及平均甲烷含量見表3，B組和C組在總產氣量、VS產氣率、TS產氣率和平均甲烷含量四個指標上均高于A組，幵且差異性顯著（P＜0.05）。C實驗組在總產氣量、VS產氣率和TS產氣率上要高于B組，但差異性不顯著(P＞0.05)，幵且B組的平均甲烷含量略高于C組。

表3 各實驗組的產氣指標Table 3 The biogas production index of the experimental group

3 結 論

（1）經過NaOH預處理的實驗組，產氣啟動速度快，用沼液預處理的實驗組，產氣潛力最大，總產氣量為36 690 mL，分別比NaOH預處理和不預處理的實驗組高4.8%和18.3%。

（2）不經過預處理的實驗組pH值波動最厲害，在収酵開始后的第5 d，下降到了6.53。其他兩個實驗組pH值波動相對較小，基本上都在収酵適宜范圍內。

（3）用NaOH預處理后的實驗組，平均甲烷含量最高，為45.98%，比沼液預處理和不預處理的實驗組分別高1.2%和11%。

（4）用沼液預處理的實驗組，總產氣量、VS產氣率、TS產氣率都要高于其他兩個實驗組，平均甲烷含量與用 NaOH預處理的實驗組差異性不顯著。綜合來看，用沼液預處理餐廚廢棄物，產氣效果更好。

［1］政策市場助推餐廚廢棄物資源化利用[J]. 中國資源綜合利用，2012(08).

［2］鄧媛方,邱凌,等.蘑菇廢棄菌棒及其與豬糞混合収酵對沼氣產量及質量的影響[J].農業環境科學學報，2012,31（3）：613-619.

［3］邱凌. 庭園沼氣高效生產與利用[M].北京：科學技術文獻出版社, 2008. 28-29.

［4］張錫輝. 高等環境化學與微生物學原理及應用[M]. 北京：化學工業出版社，2001.

［5］井良霄，邱凌,等.接種物對秸稈豬糞混合干式厭氧収酵產沼氣的影響[J].農機化研究，2013,（07）.

［6］李想，趙立欣，韓捷,等．農業廢棄物資源化利用新方向——沼氣干収酵技術[J]．中國沼氣，2006，24(4)：23－27．

［7］Hartmann H, Ahring B K. Strategies for the anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste—an overview[A]. In: Fourth International Symposium of Anaerobic Digestion of Solid Waste[C]. Copenhagen, Denmark, 2005: 34-51.

［8］阮文權,郁丹,鄒華,等．小城鎮廢棄物沼氣生產技術迚展[J]．中國沼氣，2006，24(4)：28-31．

［9］Forster-Carneiro T, Pérez M, RomeroL I, et al. Dry-thermopHilic anaerobic digestion of organic fraction of the municipal solid waste: Focusing on the inoculum sources[J]. Bioresource Technology, 2007, 98: 3195-3203.

Research on Properties of Gas From Anaerobic Digestion of Kitchen Waste

LIU Qing-yi， JING Liang-xiao，LI Jun
（Shandong Haike Chemical Group, Shandong Dongying 257088，China）

In many cities，how to utilize kitchen waste resource has become an important problem which need be solved. In this experiment, effect of different pretreatment methods on anaerobic digestion of kitchen waste was investigated; the ways to reasonably utilize kitchen waste were discussed. The results show that, the kitchen waste pretreated by biogas slurry has highest gas production,36690 ml;the difference is not significant about average methane contents between the experimental groups pretreated by NaOH and biogas slurry(P>0.05), which are 45.98% and 45.42%. Through comprehensive consideration, it’s pointed out that NaOH pretreatment is much better.

Kitchen waste; Pretreatment; Anaerobic fermentation

X 705

A

1671-0460（2014）10-1998-04

2013-12-27

劉清毅（1965-），男，山東東營人，高級工程師，EMBA學位，1988年畢業于中國石油大學石油加工工程專業，研究方向：石油化工及精細化工產品。E-mail：liuqydy@126.com，電話：0546-7785678。