農村生活垃圾厭氧發酵產沼氣潛力研究

奚永蘭，劉 洋，高 娣，曹風雷，杜 靜，孔祥平,2，葉小梅,

農村生活垃圾厭氧發酵產沼氣潛力研究

奚永蘭1,2,3，劉 洋3，高 娣1，曹風雷4，杜 靜1,2,3，孔祥平1,2，葉小梅1,3※

（1. 江蘇省農業科學院，南京 210014；2. 農業農村部農村可再生能源華東科學觀測實驗站，南京 210014；3.江蘇大學農業裝備工程學院，鎮江 212013；4. 江蘇省徐州市沛縣大屯街道環衛辦公室，徐州 221611）

旨在對農村有機生活垃圾厭氧發酵產沼氣的潛力進行研究。對江蘇省徐州市沛縣大屯街道王莊村生活垃圾分類處置中心每月1次采集樣品，并對一周年十二個月份的生活垃圾樣品進行批式中溫厭氧發酵產氣潛力研究，考察農村生活垃圾作為發酵原料周年沼氣產量和甲烷產量的變化，各月份試驗組的累積沼氣產氣量范圍為447～1 398 mL、累積甲烷產氣量范圍為215～865 mL。并用SPSS數據分析發現農村生活垃圾含水率、總磷TP、總鉀TK、總氮TN、有機質、C/N、半纖維素、纖維素、木質素的含量均對產沼氣潛力有影響，其中纖維素含量會對產沼氣潛力有顯著的正向影響關系，而TP會對產氣潛力產生顯著的負向影響關系，最后，該研究根據生活垃圾理化性質數據基礎上建立了多元線性逐步回歸最優方程，可根據農村有機生活垃圾的含水率、纖維素和木質素的含量預測其厭氧發酵產沼氣潛力。

農村；垃圾；厭氧發酵；理化性質；產沼氣潛力

0 引 言

隨著生活水平的提高，農村的垃圾產生量也迅速增加，僅2014年就達到了1.4億t[1-4]。近年來，隨著中國農村經濟發展和新農村建設逐步推進，中國農村生活垃圾基本形成了“組保潔-村收集-鎮轉運-縣處理”的集中處理模式[5-8]。而填埋技術是解決生活垃圾的主要方法[9-10]，對自然環境產生很大的污染，因此有效處置農村生活垃圾對改善農村生活環境、打造綠色宜居村鎮有十分重要的意義。相比較城市處理生活垃圾的焚燒、填埋等技術手段，厭氧發酵技術可以有效的轉化生活垃圾，并產出沼氣清潔能源[11-13]，沼渣和沼液也可以還田利用，最終達到處理垃圾和廢棄能源化利用的目的[14-17]。中國農村生活垃圾因為地域、生活習慣、經濟水平等因素有變化，各地的生活垃圾的組成也有差異[18-21]。當前，農村生活垃棄物等。其中包括大量的剩飯、菜葉、果皮圾主要來源于飲食、生活用品廢棄、農業廢等有機垃圾，其他的廢棄物多通過廢品回收處理掉[22-23]。因此農村生活垃圾具備作為厭氧發酵原料的潛力。

2017年6月，江蘇省徐州市沛縣被住建部確定為全國農村垃圾分類和資源化利用示范縣，大屯街道成為江蘇省農村生活垃圾分類試點鎮。沛縣創新性地采用“兩分法”的分類方式，將生活垃圾分為“可堆肥垃圾”和“其他垃圾”，每天定時收集垃圾，將“其他垃圾”經中轉站壓縮后送到垃圾焚燒廠，對“可堆肥垃圾”進行資源化處理。由于沛縣有機垃圾的前段分揀較為細致且大屯街道各個垃圾處理站點都采用同樣的垃圾分類模式收集，因此本研究選取大屯街道王莊村的生活垃圾分類處置中心為取樣點。目前已有一些對有機垃圾產沼氣的研究報道，如金鵬康等通過中溫厭氧發酵，發現生活垃圾的餐廚垃圾和紙類垃圾的比例為35：65時，系統運行效率最高[1]。文國來等[24]的堆肥裝置通過12d高溫發酵，24d編織袋2次發酵的處理方式，發酵后出倉減容40%左右，在發酵過程未產生二次污染。證明該設備可以有效消化生活垃圾，且實現資源再利用。但是針對農村有機生活垃圾的產氣潛力研究鮮有報道。

本研究通過對沛縣生活垃圾理化性質分析后可知，分類后沛縣大屯街道有機生活垃圾含水率為75%～80%；有機質占比約為40%；氮含量豐富，為20～25 g/kg；碳氮比（C/N）為17～23；木質素質量分數為5%～10%，初步判斷分類后農村有機生活垃圾較適合作為厭氧消化產沼氣的原料[25-28]。所以本研究主要針對徐州沛縣大屯街道一年十二個月份的有機生活垃圾進行批式中溫厭氧發酵[29-30]，考察農村有機生活垃圾作為發酵原料的周年產氣潛力變化規律，并運用SPSS分析軟件對沛縣厭氧發酵產沼氣潛力進行分析，建立多元線性逐步回歸最優方程，為農村生活垃圾的無害化處理和資源化利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

農村生活垃圾采自江蘇省徐州市沛縣大屯街道王莊村生活垃圾分類處置中心，對該處置中心的生活垃圾原料堆垛進行為期1 a的多點采樣，各點取2 kg樣品后混合，取2 kg混合樣品，采樣頻率為每月1次，然后粉碎至粒徑<4 mm，其理化指標如表1所示。接種物取自江蘇省常州市金壇區永康農牧科技公司養殖場的厭氧活性污泥。

表1 試驗材料主要理化指標

1.2 理化性質測定方法

1.2.1 含水率的測定

總固體含量（Total Solid，TS）是將樣品放在105 ℃的烘干箱中烘干至恒質量時的質量占比，揮發性固體含量（Volatile Solid，VS）是將105 ℃烘干的原料置于550 ℃下灼燒4 h揮發掉的固體成分占比，剩余的物質是樣品的灰分。具體計算如式（1）～式（3）所示：

TS=1/0×100%（1）

VS=(1?3)/0×100%（2）

含水率=(0?1)×100%（3）

式中1為樣品中干物質的質量，g；0為樣品的總質量，g；3為樣品中的灰分，g。

1.2.2 有機碳的測定

樣品有機碳的測定采用稀釋熱法[31]。利用濃硫酸和重鉻酸鉀迅速混合時所產生的熱量來氧化有機質，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來滴定，根據所消耗的重鉻酸鉀的量來計算有機碳的含量，具體計算如式（4）所示：

有機碳(%)=[(1?2)××0.003×1.33]/×100%（4）

式中1為滴定空白樣所用FeSO4溶液體積，mL；2為滴定樣品所用FeSO4溶液體積，mL；為所用FeSO4溶液的當量濃度，N；0.003為1 mg當量碳的質量，g；1.33為氧化矯正系數；1.724為有機碳轉化為有機質的平均換算系數；為樣品干質量，g。

1.2.3 全氮的測定

樣品全氮的測定采用凱氏定氮法[31]。樣品烘干至恒質量后，粉碎機粉碎再過0.42 mm（60目篩），取0.1～0.2 g樣品進行消煮，消煮液冷卻、定容后取過濾液進行蒸餾，然后采用酸式滴定方法進行測定。具體計算如式（5）所示：

全氮=(?0)·×14×/1（5）

式中為滴定樣品所用酸標準溶液的體積，mL；0為滴定空白時所用的酸標準溶液體積，mL；為所用的酸標準溶液的濃度，mol/L；14為氮原子的摩爾質量，g/mol；1為烘干樣品的質量，g；為消煮溶液定容體積所取體積，L。

1.3 試驗設計

農村有機生活垃圾厭氧發酵產沼氣試驗均采用有效容積為108 mL的血清瓶模擬厭氧發酵裝置。進料TS濃度為4%，并添加厭氧活性污泥與生活垃圾原料混勻調至有效容積108 mL，混勻調節pH值至7.5，之后密封置于37 ℃的恒溫水浴鍋里進行發酵，發酵周期為25 d。共設計12個試驗組，每組設置3個平行。每天定時記錄發酵裝置產氣量以及測定氣體里的甲烷含量。

1.4 氣體測定指標及方法

使用排水法收集和測量所產沼氣。試驗啟動之后，每天定時記錄各組產氣量。甲烷含量采用型號為GC-9890B/T的氣相色譜儀進行測定，該款氣相色譜儀采用TCD熱導檢測器，載氣為高純的氫氣，操作溫度分別設置檢測器溫度85 ℃，進樣器溫度130 ℃，柱箱溫度130 ℃。本試驗采用南京任華色譜科技應用開發中心制備的標準混合氣，其中氮氣濃度為24.5%，甲烷濃度為44.5%，二氧化碳濃度為31.0%。采用外標法對樣品的譜圖進行分析計算得出其對應的氮氣、甲烷及二氧化碳的濃度。pH值使用梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司的FE20型號pH計測定。

2 結果與分析

2.1 沼氣產量分析

試驗共運行25 d，各試驗組的沼氣日產氣量和累積產氣量變化曲線如圖1所示。發酵試驗啟動迅速，第1天就開始產氣，其中一月、三月、四月、五月份試驗組的第1天產氣量均達到40 mL以上。此后各組均呈快速上升的趨勢，其中第3個月份和第12個月份試驗組的沼氣日產氣量在第三天達到峰值，分別為98.7 mL和90.7 mL；第二和第四月份試驗組在第5天達到峰值，分別為78.6 mL和110.7 mL；其余月份試驗組在第7～10天里達到峰值。此后，沼氣日產氣量總體為下降趨勢，在發酵試驗結束時各試驗組沼氣日產氣量都在4 mL以下。

圖1 沼氣日產氣量和累積產氣量變化

整個厭氧發酵過程沼氣累積產氣量曲線先快速上升后趨于平緩。在發酵的前15 d，各組累積產氣量快速增長。第6個月份試驗組的累積產氣量明顯高于其他組，達到了1 398.1 mL，快速增長后各組曲線趨向水平。在整個發酵周期中，各試驗組發酵前15 d累積產氣量均達到了總產氣量的85%以上，第15 天之后，除第6個月份試驗組在持續增加外，其余月份試驗組累積產氣量趨于穩定。這表明農村生活垃圾厭氧發酵產沼氣主要集中在發酵周期的前15 d。第6月、8月份試驗組的累積沼氣產量均明顯高于其他試驗組，由表1可知這2個月的有機生活垃圾C/N在20～30之間，其余組均不在此范圍內，并且已有文獻表明厭氧發酵的最佳C/N比是20～30[6]，表明C/N對農村生活垃圾厭氧發酵產沼氣的潛力具有重要影響。

2.2 甲烷含量分析

在試驗進行過程中，每天測定各試驗組沼氣的甲烷含量，甲烷含量變化曲線如圖2所示。發酵啟動后第1天，各試驗組的甲烷含量普遍較低，在2.19%～29%之間。這是由于厭氧發酵的初期是酸化和產酸的階段，該階段主要產生甲酸、乙酸等簡單脂肪酸，產生的氣體主要以N2、CO2為主，甲烷含量較低。各試驗組的甲烷含量變化趨勢相似，快速增加后在最高值附近浮動，直至產氣結束。各試驗組的甲烷含量峰值都達到了60%以上，說明厭氧消化過程運行良好。其中第二月、三月、四月和十二月份試驗組在第3天就達到了60%附近；第一月、五月、六月份試驗組的增速較為緩慢，直至發酵7 d時甲烷含量達到60%；第七月、八月、九月、十月、十一月份試驗組的甲烷含量增速最慢，在發酵的第12天時才達到60%。結果表明農村有機生活垃圾周年產氣潛力隨月份差異較大，不同月份的農村生活垃圾因組分差異，難降解物質和易降解物質的含量不同，也導致產氣量差異較大。

圖2 甲烷含量變化

2.3 甲烷產量分析

各試驗組甲烷日產氣量和累積甲烷產量的變化曲線如圖3所示。發酵試驗啟動后甲烷體積日產氣量迅速達到產氣高峰，其中第3、12月份試驗組在發酵第3天達到產氣高峰，峰值分別為64.0 mL和61.5 mL；第2和第4月份試驗組甲烷日產氣量在第5天達到峰值，分別為51.5和77.2 mL；其余月份試驗組的產甲烷高峰在發酵的7～9 d出現，說明厭氧消化過程運行良好。各試驗組累積甲烷產量在快速增長后趨于穩定，第6個月份試驗組的甲烷產量一直在快速增長，累計產量達到865.3 mL，第11個月份試驗組累積甲烷產氣量最低，為215.6 mL。可知農村生活垃圾具有良好的厭氧發酵產沼氣潛力，并且不同月份之間的產氣潛力有較大差別。

2.4 產氣潛力分析

本研究以沼氣揮發性固體（VS）產氣率為判斷農村有機生活垃圾厭氧發酵產氣潛力的指標。在對沛縣的十二個月份的農村有機生活垃圾進行發酵試驗后，計算各個月份試驗組的沼氣VS產氣率，各月份產氣情況如表2所示。

由表2可知，第六月份試驗組的揮發性固體（VS）產氣率是最高的為633.2 mL/g，最低為第十二月份試驗組的181.6 mL/g)，相差約4倍，夏季試驗組揮發性固體（VS）產氣率最大，約為冬季的1.5倍。農村有機生活垃圾厭氧發酵有較大的潛力，且季節性差異明顯。

圖3 甲烷日產氣量和累積產氣量變化

表2 各月份產氣情況

2.5 生活垃圾與產氣潛力相關性分析

農村有機生活垃圾的理化性質與其產氣潛力間的相關性分析如表3所示，從表中可以看出總磷（TP）、C/N、半纖維素與產氣潛力具有相關性。總磷（TP）和有機垃圾揮發性固體（VS）產氣率之間的相關系數值為?0.687，并且呈現出0.01水平的顯著性，說明產氣潛力和總磷（TP）之間有著顯著的負相關關系；碳氮比和有機垃圾揮發性固體（VS）產氣率之間的相關系數值為0.680，并且呈現出0.01水平的顯著性，說明產氣潛力和碳氮比之間有著顯著的正相關關系；半纖維素與有機垃圾揮發性固體（VS）產氣率相關系數值為0.487，并且呈現出0.05水平的顯著性，說明產氣潛力和半纖維素之間有著顯著的正相關關系，生活垃圾的其他理化性質和產氣潛力的顯著性水平均高于0.05，不具有相關性。

通過相關性分析，可以得出影響農村有機生活垃圾厭氧發酵產氣潛力的因素，可為有機生活垃圾處理的相關研究提供科學依據。

2.6 多元線性回歸分析

多元線性回歸分析是確定2種或2種以上變量間相互依賴的定量關系的一種統計方法，在厭氧發酵產氣預測中應用十分廣泛[32]。

本研究以農村有機生活垃圾的含水率、總氮（TN）、總磷（TP）、有機質、總鉀（TK）、C/N、纖維素、半纖維素、木質素作為自變量，以揮發性固體（VS）所示。經過模型自動識別，剩下含水率、總磷（TP）、纖維素和木質素共4項自變量在模型中，2為0.727，說明這4項指標與揮發性固體（VS）產氣率之間的顯著相關性較好，并且模型通過檢驗（=8.653，=0.001<0.05），說明模型有效，SPSS軟件中可直接得出此結果。得出了置信度較高、相關性較顯著的模型，模型方程為=?51.424+3.733×含水率?19.806×TP+23.262×纖維素+6.513×木質素。由表4可知含水率的回歸系數值為3.733（=1.193，=0.254>0.05）、木質素的回歸系數值為6.513（=1.099，=0.292>0.05），說明含水率、木質素對農村有機生活垃圾厭氧發酵產氣潛力無影響；總磷（TP）的回歸系數值為?19.806（=?2.779，=0.016<0.05），說明總磷（TP）會對產氣潛力產生顯著的負向影響關系；纖維素的回歸系數值為23.262（=3.472，=0.004<0.01），說明纖維素對產氣潛力產生顯著的正向影響關系。因此，利用該回歸方程可根據農村有機生活垃圾的含水率、纖維素和木質素的含量預測其厭氧發酵產沼氣潛力。

表4 多元線性回歸分析

3 結 論

本研究以農村有機生活垃圾為研究對象，對十二個月份的有機生活垃圾進行中溫厭氧發酵，對發酵結果運用SPASS軟件進行相關性分析和多元線性回歸分析得出如下結論。

1）農村有機生活垃圾具有良好的厭氧發酵產沼氣潛力，由于各個月份試驗組農村有機生活垃圾的組分不同，各月份和季節的產氣潛力不同。夏季試驗組的產氣潛力最大，約為冬季的1.5倍，其中第6個月份試驗組的揮發性固體（VS）產氣率達到了633.2 mL/g。

2）通過相關性分析得出總磷（TP）、C/N、半纖維素與產氣潛力具有相關性。半纖維素對產氣潛力產生顯著的正向影響關系；總磷（TP）對產氣潛力產生顯著的負向影響關系；C/N對產氣潛力具有顯著的正相關關系。說明總磷（TP）、C/N和半纖維素是影響農村有機生活垃圾厭氧發酵產氣潛力的主要因素。

3）通過多元線性回歸分析，得到最優方程可通過輸入農村有機生活垃圾的含水率、纖維素和木質素的含量，有效預測農村有機生活垃圾厭氧發酵產沼氣的揮發性固體（VS）產氣率，為相關研究提供科學依據。

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Potential of biogas produced from anaerobic fermentation of rural household wastes

Xi Yonglan1,2,3, Liu Yang3, Gao Di1, Cao Fenglei4, Du Jing1,2,3, Kong Xiangping1,2, Ye Xiaomei1,3※

(1210014,; 2,,210014,; 3.,,212013,; 4.,,,,221600,)

In recent years, the improvement of the living standards of farmers has led to a sharp increase in the discharge of household waste in villages and towns. The focus on the work of ecological livability is the highlights of the treatment of household waste in villages and towns. Therefore, solving the problem of rural household waste has become the top priority of the rural revitalization strategy. The main components of rural organic household waste are leftover food and melon peel, which are rich in organic matter, high water content, and sufficient nutrients. Hence, rural organic household waste may be suitable for the raw material to use in anaerobic fermentation. The method of anaerobic fermentation can degrade organic household waste, produce biogas, and digested. The product of the fermentation can also be used as a slow-release fertilizer to improve the soil condition and fully realize the “reduction, recycling and harmlessness” of organic household waste in villages and towns. Peixian County in Xuzhou City is a national demonstration county for rural garbage classification and resource utilization, and Datun Subdistrict in Peixian County is a pilot town for rural household waste classification in Jiangsu Province. This paper aims to study the potential of biogas production by anaerobic fermentation of organic domestic waste in this rural areas. The site of collect samples was in Domestic Waste Classification and Disposal Center of Wangzhuang Village, Datun Street, Peixian county, Xuzhou city, Jiangsu Province. The frequency of collecting samples was once a month, and the cumulative one-year anniversary were 12 months. After classification, the moisture content of organic household garbage in Datun Street of Pei County is mostly between 75%-80%; organic matter accounts for about 40%; the nitrogen content is rich, between 20-25 g/kg; C/N is 15-35; Lignin content is about 8%. The results show that organic household waste in Datun Street of Peixian County is suitable as an anaerobic fermentation material. The experiment was carried out for batch anaerobic digestion with anaerobic sludge under 37℃ to evaluate the potential of biogas production. As the result, the accumulation of the experimental group in the biogas production rate was in the range of 447-1 398 mL, accumulated methane production rate was in the range of 215-865 mL. Using SPSS data analysis found that the moisture content of the rural living garbage, TP, TK, TN, organic matter, C/N, hemicellulose, cellulose and lignin content had the positive effect on methane production potential. Especially, the cellulose content to produce biogas potential is a significant positive influence on relationship, and TP could have a significant negative influence on gas potential relationship. And the optimal equation of multivariate linear stepwise regression between the physical and chemical properties of each experimental group and its gas production potential was abtained. Finally, this study had established the multivariate linear stepwise regression, the optimal equation, according to the moisture content of organic solid waste in rural areas, predicting the anaerobic digestion of cellulose and lignin content methane production potential.

rural; wastes; anaerobic digestion; physical and chemical characteristics; biogas potential

奚永蘭，劉洋，高娣，等. 農村生活垃圾厭氧發酵產沼氣潛力研究[J]. 農業工程學報，2020，36(23)：222-228.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.026 http://www.tcsae.org

Xi Yonglan, Liu Yang, Gao Di, et al. Potential of biogas produced from anaerobic fermentation of rural household wastes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 222-228. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.026 http://www.tcsae.org

2020-08-26

2020-10-15

國家重點研發計劃項目（2018YFD1100600）；江蘇省自然科學基金項目（BK20201242）

奚永蘭，博士，研究方向為廢棄物資源化利用。Email：yonglanxi@jaas.ac.cn

葉小梅，博士，研究員，研究方向為農業廢棄物資源化和循環利用。Email：yexiaomei610@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.026

X799.3

A

1002-6819(2020)-23-0222-07