生物炭對餐廚垃圾厭氧消化的影響

王粟 裴占江 史風梅 高亞冰 劉曉燁 劉杰

摘要 [目的]探究生物炭對餐廚垃圾厭氧消化過程的影響。[方法]通過向序批式厭氧消化系統中添加不同比例生物炭，研究其對餐廚垃圾厭氧消化效率及系統穩定性的影響。[結果]生物炭的添加可有效調節系統C/N，減少氨氮抑制，增強微生物活性，提高系統穩定性及厭氧消化產氣效率。未添加生物炭處理（CK）的累計產氣量為1 618 mL，甲烷含量為39%；而添加生物炭處理平均累計產氣量達（2 939±473） mL，且平均甲烷含量均在50%以上；反應體系中添加生物炭處理的氨氮濃度均保持在2 000 mg/L左右，而對照處理的氨氮濃度均在2 500 mg/L以上，系統穩定性較差。生物炭添加量7%處理的累計產氣量最高，達3 307 mL，平均甲烷含量55%，產甲烷菌群活性最高時，輔酶F420吸光值可達0.68，TS、VS和油脂去除率分別為60%、72%和61%。[結論]該研究可為餐廚垃圾的無害化處理和資源化利用提供科學依據。

關鍵詞 生物炭；餐廚垃圾；厭氧消化

中圖分類號 S216.4；X799.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）04-0055-03

Effect of Biochar on Anaerobic Digestion of Kitchen Waste

WANG Su，PEI Zhan-jiang，SHI Feng-mei，LIU Jie* et al （Rural Energy Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin，Heilongjiang 150086）

Abstract [Objective] To explore effects of biochar on anaerobic digestion of kitchen waste.[Method] Effects of biochar on efficiency，performance and stability of kitchen waste anaerobic digestion system were investigated.[Result] The results showed that addition of biochar was an important approach to adjust the C/N，reduce inhibition of ammonia nitrogen，improve the stability of system，enhance the microbial activity and improve the efficiency of biogas production.Mean biogas yields of treatments by adding different concentration of biochar and CK were （2 939±473） mL and 1 618 mL，respectively.Mean content of methane in treatments and CK were above 50% and 39% respectively.The ammonia nitrogen content in treatments and CK kept about 2 000 mg/L and 2 500 mg/L，respectively.The system with 7% of biochar dosage had the maximal cumulative gas production of 3 307 mL，maximal methane content of 55% and the highest absorbance value of coenzyme F420 of 0.68，and the removal rate of TS，VS and grease were 60%，72% and 61%，respectively.[Conclusion]The study can provide scientific basis for harmless treatment and resource utilization of kitchen waste.

Key words Biochar；Kitchen waste；Anaerobic digestion

目前，我國每年產生城市餐廚垃圾約1億t，大量餐廚垃圾不僅帶來了一系列的環境污染問題，還造成了大量生物質能源的浪費[1-2]。餐廚垃圾是良好的厭氧消化底物，產甲烷潛力可達0.48 m3/kg[3]，但由于其高油脂、高有機質、碳氮比不協調等特點，厭氧消化過程經常受到抑制，系統穩定性差，易酸化，氨氮濃度高，菌群活性差，物料難降解，導致運行失敗[4-6]。國內外研究多采用向反應器中投放外源性添加劑加以處理，但工藝復雜，處理成本高。

生物炭是生物質在缺氧或絕氧條件下不完全燃燒所生成的固態炭質，具有可溶性低、高度羥酸酯化和芳香化結構，大孔隙度和比表面積，富含多種微量元素和小分子有機物等特點[7-9]。近些年，國內外學者利用生物炭在多個領域進行了探索和研究。黃劍[10]、Kimetu等[11]研究表明，在土壤中施加生物炭可有效提高土壤微生物量及碳、氮水平，增加土壤酶的催化容量；Lehmann等[12]通過研究生物炭微觀結構，發現其表面官能團可影響土壤的環境功能特性，使得生物炭在土壤固碳、土壤改良、溫室氣體減排及環境修復等方面均具有潛在功效；潘君廷等[13]研究了生物炭添加對雞糞厭氧消化的影響，其產氣率提高了45%，氨氮濃度得到了很好的抑制，并認為生物炭的粒徑對甲烷體積分數具有一定的影響；Kolb等[14]、杜連柱等[15]、周丹丹[16]研究發現，生物炭可以選擇性地吸附多種離子，生物炭顆粒可去除污水中化學需氧量（COD）和含氮污染物，其COD去除率分別達到87.9%，NH4+、NO3-去除率達到60.0%和95.0%。筆者采用序批式厭氧消化工藝，通過梯度試驗設計，將不同比例的生物炭直接投入反應體系中，研究添加生物炭對餐廚垃圾厭氧消化過程的影響，以期為拓展生物炭應用領域及餐廚垃圾的無害化處理和資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

餐廚垃圾取自黑龍江省農業科學院職工食堂，去除雜質，剩余主要成分為米飯、肉類、蔬菜等，經粉碎后，收集于透明聚乙烯袋中，于-4 ℃環境保存備用；生物炭是以黑龍江省農業科學院國家級農業示范園區廢棄玉米秸稈為原料制備的，粉碎后經40目篩篩取，留存備用；接種污泥取自于黑龍江省農業科學院農村能源研究所沼氣發酵罐，試驗前將接種污泥置于35 ℃，2 Hz搖床上振蕩24 h，減少內生甲烷氣體對結果的影響[17]。各材料的理化性狀見表1。

1.2 試驗裝置及方法

采用批式厭氧消化方法，以1 L廣口瓶為反應容器，采用600 mL反應體系，干物質含量（TS）為6.0%，于（30±1）℃恒溫培養，采用排飽和食鹽水法收集沼氣，試驗進行至反應啟動后第30天。

根據生物炭投放量的不同，共設4個添加生物炭梯度處理，分別記為T1（3%）、T2（5%）、T3（7%）、T4（9%），為了更好地檢測厭氧發酵系統的啟動效率及穩定性，另設未添加生物炭對照處理（CK），每處理3次重復。將原料充分混勻后，裝入反應器，按1∶1接種沼液，接種時厭氧瓶內充入500 mL/min氮氣流，保持6 min以上，使反應系統處于嚴格的厭氧環境。記錄每天產氣體積，測定甲烷含量，消化液每次取樣4 mL，并補充反應液，檢測氨氮濃度、揮發性指肪酸（VFAs）含量及輔酶F420活性；根據厭氧消化反應前后消化液及干物質的變化，檢測油脂、TS、揮發性固體含量（VS）等指標。

1.3 測定項目與方法

沼氣產量采用自制排水裝置測定；甲烷含量采用安捷倫7890A測定，色譜條件：HP-PLOT molesieve色譜柱，柱箱溫度40 ℃恒溫，以氮氣為載氣，TCD檢測器，檢測器溫度250 ℃；氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法測定[18]；VFAs采用高速微量離心機測定，方法為消化液經離心后取350 μL上清液，注入裝有FID 檢測器的氣相色譜（安捷倫6890）中，高純氮氣作為載氣，氣體流量為50 mL/min，柱箱溫度120 ℃，前進樣口溫度為200 ℃，前檢測器的溫度為200 ℃；輔酶F420活性采用紫外分光光度法測定[19]；油脂采用索氏抽提法，SZF-06 型粗脂肪測定儀測定；TS、VS含量參照標準方法測定[20]。

2 結果與分析

2.1 生物炭對餐廚垃圾厭氧消化產氣效率的影響

從圖1～3可以看出，各處理的產氣啟動速度較快，在第3天產氣量開始升高。其中，CK的最高日產氣量出現在第4天，達210 mL，產氣高峰期到第11天，隨后產氣量迅速下降，第15天基本停止產氣，平均甲烷含量為39%，累計產氣量為1 618 mL；處理T1～T4，啟動第3天產氣量升高，隨后逐漸下降，在第12天產氣量再次迅速升高，其中T3日產氣量最高為256 mL，第19 d后產氣量逐漸趨于穩定，T1～T4累計產氣量分別達到2 647、2 879、3 307、3 924 mL，平均甲烷含量均達到50%以上，其中T3甲烷含量最高，達55%。由此可見，添加生物炭對餐廚垃圾厭氧消化產氣量的影響較大，尤其是在產氣中后期，可以保證較高的系統穩定性及產氣效率。

2.2 生物炭對餐廚垃圾厭氧消化氨氮濃度的影響

蛋白質的分解率可用反應溶液中上清液所含氨氮的濃度來估算。從圖4可以看出，各處理在啟動后第3天，氨氮濃度迅速升高，這是由于蛋白質和氨基酸的分解及其他含氮有機物的降解產生大量氨氮，隨著厭氧消化反應的進行，產甲烷菌群繁殖需要消耗大量氮源作為營養元素，因此氨氮濃度又會逐漸下降。CK的氨氮濃度波動性較大，且含量多在2 500 mg/L以上，最高濃度達3 000 mg/L以上，可見厭氧消化反應產生了明顯的抑制作用；T1～T4處理的氨氮濃度隨著產甲烷菌群活性的逐漸增強而緩慢下降，最后趨于平衡，氨氮濃度均保持在2 000 mg/L左右，保證了反應的穩定運行。

2.3 生物炭對餐廚垃圾厭氧消化VFAs含量的影響

VFAs是餐廚垃圾厭氧消化過程中酸化階段的主要產物，主要由乙酸、丙酸、丁酸組成，是產甲烷菌群主要利用底物，VFAs的濃度常作為評價水解酸化和產甲烷是否平衡的重要指標。從圖5可以看出，各處理VFAs含量在前5 d迅速積累，隨后緩慢下降，并維持在較穩定水平。但CK在第20天后的 VFAs含量多維持在1 700 mg/L左右，明顯高于T1～T4處理（1 400～1 600 mg/L）。這可能是由于T1～T4處理的產甲烷菌群活性更強，VFAs中乙酸和丁酸得到了更好的分解。

2.4 生物炭對餐廚垃圾厭氧消化輔酶F420活性的影響

輔酶F420是產甲烷菌所特有的一種酶，是產甲烷菌代謝途徑中重要的輔酶之一，其作為電子載體，在產甲烷的電子傳遞鏈中起著重要作用，因此輔酶F420可以用來反映厭氧消化過程中產甲烷菌群的數量或者產甲烷菌群活性。從圖6可以看出，各處理反應初期（第0天至第9天）輔酶F420吸光值（OD）均在0.3～0.4，并保持相對平穩，這是由于在產氣初始階段，發酵產生的酸使產甲烷菌群生長受到抑制，而隨著酸的利用，產甲烷菌群快速增長而活性增大，隨后各處理輔酶F420吸光值呈上升趨勢，并逐漸趨于平穩，其中T3處理的產甲烷菌群活性最高時（第18天），其OD值達0.68；發酵剩余反應液中，各處理輔酶F420的OD值依次為T3、T4、T2、T1、CK。可見，生物炭的投放對提高反應體系中產甲烷菌群活性有較明顯的效果。

2.5 生物炭對餐廚垃圾厭氧消化料液特性的影響

從圖7可以看出，T1～T4處理的去除率均明顯高于CK，說明添加生物炭可以促進餐廚垃圾厭氧消化，提升產氣效率及TS、VS及油脂的去除效率，其中T3處理效果最好，TS去除率達到60%，VS去除率達到72%，油脂去除率達到61%。

3 結論

（1）餐廚垃圾單獨厭氧消化時，系統易出現酸抑制和氨抑制現象，導致系統運行失敗。而添加生物炭后，系統緩沖能力增強。生物炭含有的大量小分子有機物可被厭氧微生物利用，對系統C/N起到一定的調節作用；同時，生物炭的空隙度和粗糙的比表面積為微生物提供了良好的生長環境，可以增加發酵系統中產甲烷群落數量，減緩生物活性衰退，去除反應過程中有害物質，從而增強體系緩沖能力，提高餐廚垃圾厭氧消化效率。

（2）未添加生物炭對照處理（CK）的累計產氣量為1 618 mL，甲烷含量為39%，而添加生物炭處理（T1～T4）平均累計產氣量達（2 939±473） mL，且平均甲烷含量均在50%以上；反應體系中T1～T4處理氨氮濃度均保持在2 000 mg/L左右，而CK的氨氮濃度均在2 500 mg/L以上，系統穩定性較差。

（3）通過向厭氧反應器內添加不同比例的生物炭，得出最佳生物炭添加量為7%，該條件下累計產氣量可達3 307 mL，平均甲烷含量為55%，產甲烷菌群活性最高時，輔酶F420吸光值可達0.68，TS、VS和油脂去除率分別為60%、72%和61%。

參考文獻

[1] 裴占江，劉杰，王粟，等.餐廚垃圾厭氧消化工藝研究[J].可再生能源，2015，33（2）：289-295.

[2] 段妮娜，董濱，李江華，等.污泥和餐廚垃圾聯合干法中溫厭氧消化性能研究[J].環境科學，2013，34（1）：321-327.

[3] ZHANG R H，EL-MASHAD H M，HARTMAN K，et al.Characterization of food waste as feedstock for anaerobic digestion[J].Bioresource technology，2004，98（4）：929-935.

[4] 許智，葉小梅，常志州，等.稻秸、餐廚垃圾及人糞尿混合厭氧發酵[J].環境工程學報，2012，6（7）：2447-2453.

[5] 裴占江，劉杰，王粟，等.pH值調控對餐廚垃圾厭氧消化效率的影響[J].中國沼氣，2015，33（1）：17-21.

[6] 任連海，金宜英，劉建國，等.餐廚垃圾固相油脂液化及分離回收的影響因素[J].清華大學學報（自然科學版），2009，49（3）：386-389.

[7] AZARGOHAR R，DALAI A K.Biochar as a precursor of activated carbon[J].Appl Biochem Biotechol，2006，131（1/2/3）：762-773.

[8] LEHMANN J，GAUNT J，RONDON M.Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems：A review[J].Mitig adapt strategy global change，2006，11：395-419.

[9] SINGH B P，HATTON B J，BALWANT S，et al.Influence of biochars on nitrous oxide emission and nitrogen leaching from two contrasting soils[J].Journal of environmental quality，2010，39（4）：1224-1235.

[10] 黃劍.生物炭對土壤微生物量及土壤酶的影響研究[D].北京：中國農業科學院，2012.

[11] KIMETU J M，LEHMANN J，KRULL E，et al.Stability and stabilisation of biochar and green manure in soil with different organic carbon contents[J].Australian journal of soil research，2010，48（7）：577-585.

[12] LEHMANN J，LIANG B Q，SOLOMON D，et al.Near-edge X-ray absorption fine structure（NEXAFS） spectroscopy for mapping nano-scale distribution of organic carbon forms in soil：Application to black carbon particles[J].Global biogeochemical cycles，2005，19（1）：1-12.

[13] 潘君廷，邱凌，HASSANEIN A A M，等.生物炭添加對雞糞厭氧消化產氣特性的影響[J].農業機械學報，2014，45（12）：229-233.

[14] KOLB S E，FERMANICH K J，DORNBUSH M.Effect of charcoal quantity on microbial biomass and activity in temperate soils[J].Soil science society of American journal，2009，73（4）：1173-1181.

[15] 杜連柱，楊繼東，張克強，等.厭氧消化過程氨抑制研究進展[J].可再生能源，2012，30（4）：70-74.

[16] 周丹丹.生物碳質對有機污染物的吸附作用及機理調控[D].杭州：浙江大學，2008.

[17] 裴占江，劉杰，王粟，等.餐廚垃圾與牛糞聯合厭氧消化效率研究[J].中國沼氣，2013，32（4）：3-7.

[18] 國家環境保護局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法[M].4版：北京：中國環境科學出版社，2002.

[19] 趙陽，李秀芬，堵國成，等.鈷及其配合物對產甲烷關鍵酶的影響[J].水資源保護，2008，24（2）：82-85.

[20] RICE E W，BAIRD R B，EATON A D，et al.Standard methods for the examination of water and wastewater[M].Washington D.C.：American Public Health Assnociation，1995.