有機負荷對餐廚單相厭氧消化產甲烷的影響

夏元亮，劉 程，呂 丹，鄧恩龍

（大連東泰有機廢物處理有限公司，遼寧 大連 116035）

目前對餐廚垃圾的處理方法主要包括機械粉碎直排、焚燒、衛生填埋、堆肥、飼料化處理、制生物柴油等，而這些方法或者不能將餐廚垃圾轉化成可利用的能源或者成本太高［1-2］。隨著居民對食品消費需求量的不斷增長以及全球能源的日益緊張，如何將大量囤積的餐廚垃圾轉化成可利用能源備受關注［3-5］，利用餐廚垃圾厭氧消化生產沼氣既可以得到清潔能源，又可以減少污染物的排放，產出的沼渣及沼液可以作為肥料，對餐廚垃圾污染的處理處置及節能減排具有重要的指導意義。因此，筆者在前人對餐廚垃圾厭氧消化產沼氣研究的基礎上［6-9］，以污泥厭氧消化產生的消化液為接種物，以餐廚垃圾為底物，在高含固率條件下對餐廚垃圾單相厭氧消化工藝中有機負荷對餐廚垃圾厭氧消化產沼氣的影響在中試環境下進行了試驗研究。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

餐廚垃圾取自前處理車間的餐廚儲池，主要成分為蔬菜、米飯、肉類等。經人工分選出骨頭、塑料等雜物后用破碎機將餐廚垃圾粉碎成漿狀，于冰箱中儲存。以污泥厭氧消化過程中產生的消化液為接種消化液。餐廚垃圾及消化液的總固體（TS）、揮發性固體（VS） 含量見表1。

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1.2 實驗方法

以有機負荷為試驗因素，所用餐廚單相厭氧消化罐罐體容積50 L，有效容積45 L。試驗溫度37℃，厭氧消化罐攪拌器轉速150 r/min，間隔25 min轉動5 min。試驗啟動前以有機負荷為1 kg/（m3·d）的低有機負荷對菌種進行馴化。通過逐漸增加進料量而提高底物有機負荷。通過加入蒸餾水調節進料含固率為12%，試驗中所研究的有機負荷分別為1.5、2.5、3.0、3.5 kg/（m3·d）。試驗過程中測定產氣量、產氣中甲烷含量、氨氮含量、總氮含量、pH、進出料總固體及揮發性固體含量等。

1.3 檢測方法

以納氏試劑分光光度法測定氨氮含量；進出料總固體及揮發性固體含量采用烘干法測定［10］；pH采用pH計測定；產氣量采用濕式防腐氣體流量計進行計量；甲烷含量采用氣相色譜儀進行分析。

2 結果分析

2.1 有機負荷對產氣量的影響

餐廚垃圾厭氧消化產甲烷在各有機負荷下日產氣量如圖1所示，單位質量有機質日產氣率如圖2所示。在相同的產氣時間內，當有機負荷為1.5 kg/（m3·d） 時，總產氣量為1 191 L，平均日產氣率為0.80 L/（g·d）；當有機負荷為2.5 kg/（m3·d）時，總產氣量為2 044 L，平均日產氣率為0.83 L/（g·d）；當有機負荷為3.0 kg/（m3·d） 時，總產氣量為2 215 L，平均日產氣率為0.75 L/（g·d）；當有機負荷為3.5 kg/（m3·d） 時，實驗初期產氣量小于有機負荷為2.5、3.0 kg/（m3·d）時的產氣量，實驗到第11天時，產氣相對穩定，平均日產氣率為0.53 L/（g·d），11 d后，產氣率開始大幅下降，到反應后期，幾乎不產氣。

當有機負荷從1.5 kg/（m3·d） 提高至2.5 kg/（m3·d） 時，平均日產氣率由0.80 L/（g·d） 提高至0.83 L/（g·d），提高了4%，可見，在低有機負荷下，適當的提高有機負荷能夠提高餐廚垃圾的產氣率。這是由于在低有機負荷下，影響產氣的限制因素為消化體系底物中有機質濃度［11］，因此提高有機負荷，底物中有機質濃度升高，產氣率升高；當有機負荷從2.5 kg/（m3·d） 提高至3.0 kg/（m3·d） 時，平均日產氣率有所下降，但是由圖2可知有機負荷為3.0 kg/（m3·d） 時，產氣率趨于穩定，整個系統可以正常運行；當有機負荷從3.0 kg/（m3·d） 提高至3.5 kg/（m3·d） 時，產氣率明顯下降，并且，到試驗后期系統幾乎不產氣，這是由于有機負荷過高，系統中產酸菌大量繁殖，而產甲烷菌的世代周期長，繁殖慢，使系統內產生的有機酸大量積累，導致厭氧消化系統不穩定，最終無法繼續進行。

2.2 有機負荷對產氣中甲烷含量的影響

從圖3可以發現，在不同有機負荷下，產出的沼氣中甲烷含量相差不大，均分布在54%～65%。這是由于產氣中甲烷含量與底物的組成有關，而與底物中有機質濃度無關，不同有機負荷下系統底物中有機質濃度改變，但底物的組成不變，因此，對甲烷含量沒有影響。

2.3 有機負荷對體系中氨氮濃度的影響

餐廚厭氧消化過程中氨氮來源于餐廚中富含的蛋白質，蛋白質在厭氧消化罐中經水解生成氨基酸進而生成氨氮，并且餐廚厭氧消化過程中對氮類營養物質一般無法消耗，最終以氨氮的形式被排出［12］。從圖4可以看出，隨著有機負荷的提高，厭氧消化體系中氨氮的濃度逐漸上升，當有機負荷小于3.5 kg/（m3·d） 時，氨氮濃度為1 500～2 900 mg/L；當有機負荷提高到3.5 kg/（m3·d）時，氨氮濃度上升到3 000 mg/L以上。這是由于大部分氮經水解作用以氨氮形式存在，隨著有機負荷的提高，氨氮濃度不斷升高。根據N.A.Mignone的研究，當系統內氨氮的濃度超過3 000 mg/L時，對厭氧消化過程具有毒害作用。這與本實驗的結果相一致。這也可能是當有機負荷提升到3.5 kg/（m3·d） 時實驗產氣率減小并且最終終止的原因。

2.4 有機負荷對體系中pH的影響

由圖5可知，當有機負荷在1.5～3.0 kg/（m3·d）時，系統消化液的pH隨著有機負荷的提高略有降低，但總體維持在7.1～7.7；當有機負荷提高到3.5 kg/（m3·d） 時，消化液pH明顯降低，最終下降到6.5以下。

當系統pH為7時，有利于厭氧消化過程的水解和酸化，為厭氧消化產甲烷提供更有利的機質［13］；當系統pH為7.5時，有利于厭氧消化產甲烷過程［14］。因此，系統內pH在7.1～7.5為厭氧消化產甲烷過程的最佳范圍。當有機負荷小于3.0 kg/（m3·d） 時，系統中底物濃度適宜，產甲烷菌可以將產酸菌產生的有機酸完全利用，在這個過程中有機酸沒有累積，系統pH相對穩定。當有機負荷提高到3.5 kg/（m3·d） 時，系統內產生的有機酸大量積累，而產甲烷菌的世代周期長，繁殖慢，使產生的有機酸不能完全利用最終導致pH下降，超過了系統的最適pH范圍，產甲烷過程受到抑制。

3 結論

1）有機負荷對餐廚垃圾單相厭氧消化產甲烷具有重要的指導意義。在較低有機負荷（1.5～3.0 kg/（m3·d）） 下，系統內產酸菌產生的有機酸能夠被產甲烷菌完全利用，系統內氨氮濃度及pH均保持相對穩定，有機負荷的提高會提高沼氣產量及產率。當有機負荷進一步提升到3.5 kg/（m3·d）時，系統內氨氮濃度升高，pH明顯降低，沼氣產量及產氣率下降，厭氧消化過程受到抑制。因此，餐廚單相厭氧消化產沼氣工程的設計有機負荷應控制在2.5～3.0 kg/（m3·d），在該工藝條件下餐廚垃圾厭氧消化產甲烷的周期為37～44 d，系統內有機質降解率在80%以上，含固率為12%的噸餐廚垃圾理論產氣量為82.8～91.6 m3，噸干基理論產氣量可達693～763 m3。

2）在不同有機負荷下，產出的沼氣中甲烷的含量均在54%～65%，因此，厭氧消化過程中沼氣中的甲烷含量與系統的有機負荷無關。同時，由于餐廚垃圾中有機氮含量較高，在有機負荷較高情況下，會導致系統內氨氮濃度過高，對甲烷菌的活性有一定的影響，進而影響厭氧消化過程的產氣量及產氣率。因此，應調節餐廚垃圾碳氮比，如與含碳量較高的有機物協同反應，減小由于氨氮濃度過高而產生對系統的抑制作用。

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