餐飲垃圾單級間歇式厭氧消化制沼氣試驗研究

厭氧消化處理廢棄物（包括廢水與固體廢棄物）已經(jīng)有很長的歷史，尤其是廢水（包括工業(yè)廢水、生活污水、禽畜糞便廢水等）的厭氧處理，國內(nèi)外有大量的規(guī)模化應用實例。厭氧消化方式是有機廢物資源化的重要手段，厭氧消化產(chǎn)生的沼氣可以作為能源加以利用，同時也減少了CO2、CH4等溫室氣體的排放。在能源和環(huán)境問題日益突出的今天，厭氧消化技術作為一種處理廢棄物并能回收能源的環(huán)境工程技術，在世界上越來越受到關注［1］。近年來，中國的厭氧技術發(fā)展迅速，尤其在有機垃圾的厭氧消化處理方面，取得了一大批研究成果，餐飲垃圾的厭氧消化處理逐漸引起人們的關注。餐飲垃圾因其高水分、高油脂、高鹽分以及易腐發(fā)臭、易生物降解等特點，不宜直接填埋或焚燒，用厭氧消化技術處理不僅可產(chǎn)生沼氣作為能源加以利用，而且，因反應過程要求保持厭氧狀態(tài)，反應設備均為密閉狀態(tài)，不會有更多異味逸出；消化后產(chǎn)生的殘渣數(shù)量較少，其后續(xù)處理及運輸所需的成本也相對較低［2］。因此，本試驗對厭氧消化方式處理餐飲垃圾進行研究，以便探索出一種處理餐飲垃圾的有效方法。 
1材料與方法 
1.1試驗裝置 
試驗采用的反應器為2500mL的小口瓶，填料后反應器置于恒溫水浴槽中，溫度控制在（36±1）℃，采用排水集氣法收集氣體，反應器和集氣瓶均蠟封。用量筒測量排出水的體積，即為當天的產(chǎn)氣量圖1試驗裝置 
1.2試驗原料 
1.2.1餐飲垃圾 
所用餐飲垃圾取自成都市區(qū)餐館。為使樣品具有代表性，中餐館、火鍋店和面館各取一定量，餐飲垃圾主要成分為剩菜、剩飯、剩湯及廚房剩余物料。由于油脂可回收加工皂粒，所以進行人工去油脂，去油脂后用細篩將液態(tài)成分和固態(tài)成分分離，固態(tài)成分去除其中的骨頭、木筷、塑料等后用打漿機打漿，最后把液態(tài)成分和漿液調成需要的TS值進行試驗。由成都市環(huán)境監(jiān)測中心站測定液態(tài)成分的原料特性，其化學需氧量（COD）為939mg?L－1，生化需氧量（BOD5）為418mg?L－1，懸浮物（SS）為1.93×104mg?L－1，pH值為4.89，屬可生化性較好的有機原料。 
1.2.2接種污泥 
所用污泥取自農(nóng)業(yè)部沼氣科學研究所厭氧消化池，未經(jīng)稀釋，亮黑色、冒氣泡、質地細膩。污泥取回后用塑料桶密封，提前兩周進行馴化，馴化方法為取污泥15kg，每隔一天加入0.3kg原料，5d后每隔一天加入0.5kg原料，依次逐漸加大量，馴化待用。 
1.3研究方法 
1.3.1監(jiān)測方法 
總固體（TS）：重量法，烘箱中105℃烘干24h后放置室溫至恒重。揮發(fā)性固體（VS）：重量法，馬弗爐中600℃烘干2h放置室溫至恒重。pH值：PHS－3C精密pH計。產(chǎn)氣量：排水集氣法。甲烷含量：氣相色譜法。 
1.3.2試驗方法 
試驗分兩個階段，第一階段探索餐飲垃圾的產(chǎn)沼氣能力，研究單級間歇式中溫厭氧消化處理餐飲垃圾的可行性及其應用價值，并得出最佳水力停留時間（HRT）。第一階段試驗原料的特性為總固體（TS）為4.67％，揮發(fā)性固體（VS）占總固體（TS）的80％，污泥接種量為50％，原料和污泥分別添加0.8kg。第二階段研究單級間歇式中溫厭氧消化處理餐飲垃圾的影響因素，以期取得最優(yōu)工藝參數(shù)，指導實際生產(chǎn)應用。第二階段試驗原料特性見表1，污泥接種量為50％，原料和污泥分別添加1kg，兩階段所用污泥取自同一厭氧消化池。第一階段消化周期為51d，第二階段由于停電只消化了18d。第二階段2號瓶和3號瓶的填料相同，對3號瓶用NaOH溶液進行pH值調節(jié)作為對比。兩階段均每天定時人工搖晃反應器進行攪拌，定時測量產(chǎn)氣量，定期測沼氣中的甲烷含量，每天取適量樣品測pH值。 
表1第二階段試驗原料特性 2結果與分析 
2.1第一階段 
2.1.1pH值的變化 
pH值是影響厭氧消化處理的重要因素，厭氧微生物的生命活動、物質代謝與pH值有密切的關系，pH值的變化直接影響著消化過程和消化產(chǎn)物。產(chǎn)甲烷菌對生長環(huán)境的pH值極為敏感，其最適宜的pH值范圍為6.6～7.5［3，4］。第一階段的pH值變化規(guī)律如圖2，從填料后第1天起pH值迅速下降，表明餐飲垃圾的消化過程能很快進入水解酸化階段，到第4天下降到最低值5.1，這與O.Stabnikova［5］在對食品廢物進行厭氧消化試驗所觀察到的現(xiàn)象一致。從第5天開始，pH值緩慢上升，到第9天升至6.5，且第9天的產(chǎn)氣可以點燃，表明厭氧消化過程順利進入產(chǎn)甲烷階段。試驗表明，原料總固體含量（TS）為4.67％，污泥接種量為50％時，消化液自身能夠消除水解酸化引起的pH值下降，使pH值達到產(chǎn)甲烷菌的適宜范圍，保證厭氧消化過程的順利進行。 圖2第一階段pH值的變化 
2.1.2沼氣產(chǎn)量 
圖3為第一階段的沼氣產(chǎn)量示意圖。第1天的產(chǎn)氣量較高，達到0.974L，原因可能是厭氧污泥和餐飲垃圾在加入反應器前處于室溫環(huán)境，由于是冬季溫度較低，加入反應器后隨著攪拌和升溫過程，厭氧污泥和餐飲垃圾中部分夾帶的氣體逐步散發(fā)出來［6］。從第2天起產(chǎn)氣量明顯下降，第2～8天產(chǎn)氣量維持在較低水平，低于0.4L，甲烷含量較低，不能點燃。原因是此階段正處于水解酸化階段，產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制［7］。第9天起沼氣產(chǎn)量開始上升，甲烷含量逐漸升高，能夠點燃。第9～32天沼氣產(chǎn)量一直維持在較高水平，達到0.6L以上，甲烷含量最高可達70％。試驗后半期沼氣產(chǎn)量逐漸下降，到第51天降至0.1L，表明消化過程基本結束。結果顯示，餐飲垃圾（去油）中溫厭氧消化，每千克揮發(fā)性固體（VS）可產(chǎn)沼氣797.48L，甲烷含量在50％以上。試驗表明餐飲垃圾中溫厭氧消化產(chǎn)沼氣的潛力巨大，具有開發(fā)利用的價值，出于經(jīng)濟方面的考慮，水力停留時間以35d為宜。 圖3第一階段產(chǎn)氣量變化 
2.2第二階段 
2.2.1調節(jié)pH值對產(chǎn)氣量的影響 
第二階段由于停電試驗只進行了18d，pH值變化如圖4，填料后當天測pH值在4～5之間，原因是填料前餐飲垃圾已在室溫條件下放置了2d，發(fā)生了一定程度的酸化，且漿料化比較嚴重。pH值超出產(chǎn)甲烷菌的適宜范圍將引起嚴重的問題，低于pH值下限并持續(xù)過久時，會導致產(chǎn)甲烷菌活力喪失而產(chǎn)乙酸菌大量繁殖，引起反應系統(tǒng)的“酸化”。嚴重酸化發(fā)生后，反應系統(tǒng)難以恢復至原有狀態(tài)［8］。為避免出現(xiàn)酸化，進行pH值調節(jié)試驗，2號瓶和3號瓶填料相同，作為對比，先對3號瓶用NaOH溶液進行pH值調節(jié)，調節(jié)后的產(chǎn)氣量對比如表2。由表2數(shù)據(jù)可知，調節(jié)pH值可以改善產(chǎn)甲烷菌的生存環(huán)境，增強產(chǎn)甲烷菌的活性，提高產(chǎn)沼氣速率。所以，對所有的反應器用NaOH溶液進行pH值調節(jié)。 圖5為第二階段各反應器總產(chǎn)氣量對比圖。由圖5可知，前18d3號瓶的總產(chǎn)氣量略高于2號瓶，表明及時調節(jié)消化液pH值能夠減小酸化對甲烷菌的抑制作用，提高產(chǎn)沼氣速率。這可以從化學平衡及反應速率的角度分析，在底物濃度很低時，反應速率與酶的濃度和底物濃度均呈正比，如果底物濃度很高，反應速率僅與酶的濃度呈正比。酶促反應的實質是降低了原反應的活化能，降低了中間產(chǎn)物的反應勢能，使反應速率快速提高。本試驗所用原料有機質含量較高，調節(jié)了pH值后，改善了產(chǎn)甲烷菌的生存環(huán)境，使產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量顯著增多，降解過程中分泌出更多的產(chǎn)甲烷酶，從而加快了甲烷氣體的產(chǎn)生［9，10］。但是，調節(jié)pH值后，各瓶的產(chǎn)氣量一直不高。原因可能是在pH值調節(jié)過程中，由于操作原因反應器中有氧氣進入，不能保證嚴格的厭氧環(huán)境。由圖5可知，經(jīng)過18d的試驗1號瓶（TS＝20％）的總產(chǎn)氣量最高，雖然pH值調節(jié)比3號瓶晚，但產(chǎn)氣量卻優(yōu)于3號瓶，表明在污泥接種量為50％的條件下，餐飲垃圾（去油）中溫厭氧消化處理的總固體含量（TS）取20％為宜。但是，由于特殊原因第二階段的試驗周期太短，導致第二階段試驗不夠完整，所得結論有待于進一步驗證和完善。 
2.2.2溫度波動對產(chǎn)氣量的影響 
第二階段產(chǎn)氣量如圖6所示，填料后第1天產(chǎn)氣量較高，原因如第一階段所述。第2天產(chǎn)氣量急劇下降，而第3天又急劇上升，因為第1天晚上控溫器失靈，第2天早上測溫度為49℃，及時調整溫度后產(chǎn)氣量在次日回升，表明溫度的劇烈波動對產(chǎn)甲烷菌活性影響很大，中溫運行中在溫度升高到49℃的情況下，及時恢復溫度后產(chǎn)甲烷菌的活性能夠在短時間內(nèi)恢復。由圖6可知，第3天和第4天的產(chǎn)氣量較高，原因可能是試驗前原料已經(jīng)在室溫條件下放置2d，出現(xiàn)了一定程度的酸化，為產(chǎn)甲烷菌提供了較豐富的生長繁殖底物，填料后短時間內(nèi)酸化對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的抑制作用還沒有體現(xiàn)出來，產(chǎn)甲烷菌的活性仍然較高，所以，在第3天和第4天產(chǎn)氣量較高，而到了第5天，由于產(chǎn)甲烷菌長時間處在酸性環(huán)境中，活性降低，產(chǎn)氣量下降。 
 
圖6第二階段產(chǎn)氣量變化 
3小結與討論 
1）餐飲垃圾（去油）單級間歇式中溫厭氧消化處理的產(chǎn)沼氣能力為797.48L?kg-1VS，甲烷含量在50％以上，具有開發(fā)利用的價值，出于經(jīng)濟方面的考慮，水力停留時間以35d為宜。 
2）污泥接種量為50％的條件下，餐飲垃圾（去油）單級間歇式中溫厭氧消化處理的總固體含量（TS）為20％時產(chǎn)氣量最大。對消化液進行pH調節(jié)能夠減小酸化對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的抑制，提高產(chǎn)沼氣速率。但是，調節(jié)pH值后，產(chǎn)氣量一直不高。原因可能是在pH值調節(jié)過程中，由于操作原因反應器中有氧氣進入，不能保證嚴格的厭氧環(huán)境。 
3）由于特殊原因，第二階段試驗周期太短，使得試驗不夠完善，本試驗有待于進一步探究。 
參考文獻略