果蔬垃圾厭氧消化產(chǎn)氣分析

管志云 饒玲華 李平

摘 要：果蔬是我國的第二大農(nóng)作物，每年產(chǎn)生大量的果蔬垃圾，厭氧消化是其最合適的處理方式，果蔬厭氧消化過程中產(chǎn)氣不穩(wěn)定，針對這一問題，本文分析得出甲烷的理論產(chǎn)氣量與含碳量和含氫量有關(guān)，動力學模型主要以ADM1為主，果蔬垃圾負荷高會導致大量的脂肪酸產(chǎn)生抑制甲烷生產(chǎn)，其單相厭氧易導致酸化，最佳的發(fā)酵溫度為35℃。

關(guān)鍵詞：果蔬垃圾;厭氧消化;負荷;溫度;pH

中圖分類號：S-3文獻標識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20191030017

前言

蔬菜是生活中必不可少的食品，是我國的第2大農(nóng)作物。每年的產(chǎn)量已達7.69億t，種植面積已超過0.22億hm2，可以滿足全球2倍人口的日常生活需求，產(chǎn)能嚴重過剩，雖然每年的蔬菜產(chǎn)量多，但由于蔬菜的易腐爛性使其在收取、儲存、加工和運輸過程中，會造成很大損耗，損耗的廢棄物蔬菜如果不采用合適的手段處理，會產(chǎn)生硫化氫、有機酸等惡臭氣體，對環(huán)境造成嚴重污染[1]。

蔬菜廢棄物總固體含量在6%～10%之間，水分高，熱值低，總固體（TS）中主要物質(zhì)是糖類，約占70%，纖維素及木質(zhì)素占10%左右，TS中VS含量高，但蔬菜結(jié)構(gòu)強度低，且水分主要在細胞中，不易脫水。從蔬菜的生物可降解性和結(jié)構(gòu)強度特征（含水率、流動性、可壓縮性）考慮其處理方式，厭氧發(fā)酵技術(shù)最適合，其可以充分利用蔬菜的可降解性進行無害化與資源化利用。

厭氧發(fā)酵是厭氧及兼性厭氧菌在無氧或缺氧條件下，將生物質(zhì)中的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳及少量的硫化氫等氣體的過程，其過程根據(jù)最新理論具體可描述為4個階段：水解、酸化、產(chǎn)氧產(chǎn)乙酸、甲院化階段。

產(chǎn)氣量是厭氧發(fā)酵研究的核心內(nèi)容，目前，果蔬垃圾由于其酸化速度快，產(chǎn)氣量難以穩(wěn)定控制，如何使果蔬垃圾厭氧發(fā)酵過程中穩(wěn)定產(chǎn)氣是當下的研究重點。

本論文分析了果蔬垃圾厭氧發(fā)酵理論產(chǎn)氣量的模型，過程中物料成分、負荷、pH及溫度對產(chǎn)氣率的影響。

1 產(chǎn)氣影響因素

果蔬垃圾的含水率大多在90%以上，最合適的厭氧發(fā)酵為濕式發(fā)酵，將果蔬經(jīng)過破碎篩分后在進行濕法發(fā)酵，極易水解酸化降解，一般停留時間在10～15d左右，遠低于糞污、秸稈等有機物的停留時間，由碳、氫、氧、氮等元素構(gòu)成的有機化合物，通過巴斯維爾公式理論上能夠計算出CH4與CO2的量[2]。公式計算過程如下：

CmHnOb+m-a4-b2H2O→m2-a8+b4CO2+（m2+a8-b/4）CH4

有機物在厭氧消化過程中，需要降解成葡萄糖等單糖才能進一步被產(chǎn)甲烷菌消化利用，以葡萄糖為例來計算理論產(chǎn)氣量。葡萄糖主要生物代謝反應(yīng)[1]如下：

C6H12O6→3CH4+3CO2

由上式可知，甲烷的產(chǎn)量與含碳量和含氫量有關(guān)，且厭氧反應(yīng)的主要產(chǎn)物為甲烷和二氧化碳。表1為典型有機化合物的理論產(chǎn)沼氣組成。脂類化合物的沼氣中甲烷純度最高，甲烷濃度達到72%，然而實際厭氧發(fā)酵中脂類化合物的分子較大，完全分解的時間長，造成厭氧停留時間長。碳水化合物與蛋白質(zhì)，雖然沼氣中甲烷含量低于低脂類，但其降解速度快，厭氧停留時間短，可以降低投資與運行底物累積的風險，所以在有機物進行厭氧發(fā)酵前需要進行脫脂或者預處理來提高其降解的能力[3]。

現(xiàn)階段厭氧發(fā)酵過程的動力學模型主要采用ADM1，ADM1是一個對厭氧發(fā)酵中的生化和物化過程進行了詳細描述與分析的結(jié)構(gòu)化模型，物理化學過程是厭氧反應(yīng)器中普遍存在的非生物媒介的反應(yīng)過程，其可細分為液-液（離子結(jié)合/分離）、液-氣（液/氣交換）和液-固（沉淀/溶解）3個過程。ADM1清楚劃分了模型組分并建立了相應(yīng)的反應(yīng)動力學方程，使厭氧消化可計量性 [4]。

巴斯維爾公式是描述有機物理論產(chǎn)甲烷量，ADM1使用數(shù)學模型的方式描述了厭氧反應(yīng)中的生化過程和物化學過程，但實際的厭氧反應(yīng)中產(chǎn)氣率受到反應(yīng)溫度、pH值、物料成分的多種因素影響。

2 果蔬廢棄物產(chǎn)氣影響因素分析

2.1 物料成分及負荷的影響

呂琛等對果蔬與餐廚廢棄物的厭氧發(fā)酵過程進行了研究，在2%、4%、6%（TS）的進料負荷進行厭氧消化。發(fā)現(xiàn)果蔬與餐廚的濕比例為5∶8，進料含固率在2%時，產(chǎn)氣量最多，TS的甲烷轉(zhuǎn)化率達到 600mL/g[5]。Bouallagui H 等人對果蔬垃圾進行了2相厭氧發(fā)酵研究，發(fā)現(xiàn)當厭氧發(fā)酵的負荷為7.5g（COD）/L/d 時，系統(tǒng)的果蔬酸化率達到了81%，但能承受13.3g/L的最大負荷率，同時研究發(fā)現(xiàn)在厭氧發(fā)酵的負荷為10.1 g（COD）/L/d時，系統(tǒng)內(nèi)有機酸就開始增加，甲烷產(chǎn)量開始降低，甲烷產(chǎn)率為320L/kgCOD，厭氧系統(tǒng)的COD去除率達到95%以上[6]。

2.2 pH值的影響

果蔬垃圾厭氧消化容易導致有機酸積累，pH過低，破壞系統(tǒng)緩沖能力，而使得甲燒菌的活性低，難以消化降解產(chǎn)生的有機酸。Bouallagui對果蔬垃圾進行了厭氧因素影響實驗，發(fā)現(xiàn)當果蔬垃圾厭氧發(fā)酵的固體含量超過7%時會導致大量揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生，pH值迅速下降，甲烷化緩慢，產(chǎn)氣降低[6]。Mtz-Viturtia A認為果蔬垃圾兩相厭氧由于極易酸化，導致產(chǎn)氣率低于單相厭氧消化，若不能很好的控制酸化，兩相厭氧消化不適合處理果蔬垃圾[7]。

2.3 溫度的影響

厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率在35～38℃有一個峰值，50～65℃有另一個峰值，通常厭氧發(fā)酵的溫度控制在這2個溫度范圍內(nèi)，以盡可能地獲得高降解速度與高產(chǎn)氣率。江志堅將餐廚和果蔬垃圾按照8：5進行混合后研究在不同負荷與溫度下產(chǎn)氣的規(guī)律，35℃、50gTS/L的酸化出料的甲烷產(chǎn)氣規(guī)律與45℃、40gTS/L的趨勢相近，35℃的產(chǎn)氣率更高，同時研究35℃、45℃與55℃下的產(chǎn)氣量，45℃產(chǎn)氣量最小[1]。

3 結(jié)論

果蔬垃圾進行2相厭氧發(fā)酵時產(chǎn)氣率低于單相厭氧發(fā)酵，且極易酸化，破壞產(chǎn)甲烷菌的活性，可以采用與其他有機物混合發(fā)酵的方式，單相厭氧發(fā)酵不適合果蔬垃圾。

果蔬垃圾適合與餐廚垃圾混合發(fā)酵，比例為5∶8時產(chǎn)氣效果最佳。當果蔬垃圾含固率較高時，容易導致大量揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生，對甲烷的產(chǎn)生有抑制作用。

果蔬垃圾的厭氧消化最佳溫度在35℃與55℃左右。

參考文獻

[1] 江志堅. 果蔬與餐廚垃圾混合兩相厭氧消化性能的試驗研究[D]. 北京：北京化工大學， 2013.

[2] 彭武厚， 陸鑫. 沼氣發(fā)酵原理及其作用[C].江蘇：江蘇科學技術(shù)出版社， 2006：274-278.

[3] 陳云進. 研究探討科學實施餐飲廢油資源化的循環(huán)經(jīng)濟實踐[C].北京：中國環(huán)境科學出版社，2010：18-22.

[4]周雪飛，張亞雷，顧國維.厭氧消化1號模型（ADM1）簡介[J].中國給水排水，2003（02）：85-87.

[5]呂 琛， 袁海榮， 王奎升.果蔬垃圾與餐廚垃圾混合厭氧消化產(chǎn)氣性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2011， 27（13）：91-95.

[6] Bouallagui H，Torrijos M，Godonc J J，et al.Two-phases anaerobic digestion of fruit and vegetable wastes：bioreactors performance[J].Biochemical Engineering Journal，2004（21）：193-197.

[7]Mtz.-Viturtia A，Mata-Alvarez J，Cecchi F.Two-phase continuous anaerobic digestion of fruit and vegetable wastes[J].Resources Conservation and Recycling， 1995， 13（3-4）：257-267.

作者簡介：

管志云（1992-），男，碩士研究生。研究方向：固廢資源化。