梧州市生活垃圾高固体厌氧发酵产甲烷

郭燕锋,李 东,孙永明*,孔晓英,王德汉,袁振宏 (.中国科学院广州能源研究所,广东 广州50640；.华南农业大学资源环境学院,广东 广州 5064)

梧州市生活垃圾高固体厌氧发酵产甲烷

郭燕锋1,2,李 东1,孙永明1*,孔晓英1,王德汉2,袁振宏 1 (1.中国科学院广州能源研究所,广东 广州5106402；2.华南农业大学资源环境学院,广东 广州 510642)

以梧州市的生活垃圾为原料,针对其难降解部分含量相对较高的特点,进行高浓度中温[(35±2)℃]批式厌氧消化实验,主要研究TS的3个设置浓度对厌氧消化稳定性及性能的影响.结果表明,分别为20%、25%和30%的3种TS均能实现稳定的产甲烷过程,在整个过程中没有明显产生挥发性脂肪酸的抑制,pH能实现自稳态调控;TS为 20%、25%和 30%的厌氧消化的累积产甲烷量为 93.06、105.92和117.23L/kgVS;较低的总固体浓度有助于缩短厌氧发酵周期,而较高浓度可提高产甲烷效率.

梧州；生活垃圾；厌氧消化；甲烷产率

2007年我国城市人口在100万以下的地级市占了58.8%,人口超过2亿人[1].由于中小城市垃圾处理方式单一,普遍采用市郊露天堆放或简单填埋.未经过无害化处理的垃圾已严重威胁到城市及周边地区的生态环境.中国城市生活垃圾(MSW)现行的处理方式主要为填埋、焚烧和堆肥.研究表明,这三种处理方式的共性难题主要是由有机部分造成[2-3].城市垃圾是一种含水率高和含有大量的有机质的原料,适宜进行厌氧消化处理.

相对大城市而言,中国中小城市生活垃圾的基本特点为:以灰土、煤渣为主的无机成分含量高,不可堆腐成分多于可堆腐成分[4].国内对的城市生活垃圾的厌氧发酵的研究均集中关注大城市垃圾的简单有机部分,如模拟垃圾[5-6],餐厨垃圾[7-8]、庭院手工分选有机垃圾[9]等,而针对中小型城市的生活垃圾的厌氧处理研究的很少[10],尤其是结合我国中小城市的生活垃圾厌氧发酵产甲烷的研究仍未见报道.

针对中小型城市生活垃圾中有机质含量相对较低的特点,本实验以梧州城市生活有机垃圾作为发酵原料,进行高固体浓度下厌氧发酵产甲烷特性.

1 材料与方法

1.1 发酵原料与接种剂

实验原料来源于广西省梧州市的一家机械分选厂的新鲜垃圾,采取简单破碎混匀,粒径小于6cm,取40kg带回实验室在4℃冷藏保存.接种剂取自本实验室长期运行的生活有机垃圾厌氧消化反应器(35L);使用前经过孔径 1mm的筛网过滤以去除碎骨头、砂石、纤维等大颗粒难降解物质,过滤后的滤液作为本实验的厌氧发酵接种剂,并采用实验原料对接种剂进行为期20d的驯化,并等到不再产沼气时,接入反应器.接种剂的 pH值为7.19,TS、VS分别为6.2%和1.7%.

1.2 实验装置与设计

厌氧发酵实验装置见图 1,反应器采用 1.6L的上下口抽滤瓶,上口为气体采样口,下口为液体采样口.产气量采用排饱和食盐水法测量.反应器放入水浴锅中控制发酵温度(37±2)℃,每天定时手动摇动反应器2次.

图1 厌氧发酵产甲烷实验装置示意Fig.1 Experimental set-up for anaerobic fermentation

1.3 实验方法

在产甲烷实验前,先对原料进行手工分选以获得原料的各组分,并对各组分进行二次破碎至粒径＜0.2cm,严格按照原来垃圾组成成分进行配制发酵原料,测得原料C/N为21.8.发酵原料进料量(以TS计)分别为240,300,360g,接种剂的量分别为 300,375,450mL.加蒸馏水分别调节反应器中原料 TS至20%,25%和30%.进料后封罐并通氮气吹扫2min以驱除反应器顶部的空气.每天定时测定产气量,并根据产气量每隔2～5d测定其生物气中CH4和CO2含量以及液相中间产物挥发性脂肪酸的含量(乙酸,丙酸,正异丁酸和正异戊酸).整个厌氧发酵实验直到基本停止产气为止,共进行了40d.

1.4 分析方法

TS、VS和灰分采用烘干法测定;热值采用 WGR-1型热值分析仪测定;生化成分分析采用国标法测定,其中,总碳水化合物=100-水分+灰分+蛋白质+脂类).VFA 的测定,采样后离心(5000r/min,0～4℃),取上清液过滤(0.45μm)后采用HP-6820型气相色谱测定:色谱柱型号DB-FFAP;载气 He;进样口温度 250℃,分流比1:50;FID 检测器温度 300℃;柱箱采用程序升温,初始温度100℃保持5min,然后以10℃/min的升温速率升到 250℃,保持 12min.气体成分由 HP-6890型气相色谱测定,TCD检测器,载气为 Ar,进样口和检测器温度分别为 100和150℃.柱箱采用程序升温,初始温度40℃,保持2min,然后以 10℃/min的升温速率升到 80℃并保持1min.氨氮浓度由FC-100型台式氨氮测定仪测定.

2 结果与讨论

2.1 原料的成分和特性

小型城市的垃圾成分在城市的时间上和地域上存在一定的差异,但是其总体组分比较稳定,其主要成分包括厨余、灰土、树叶、木竹,塑料、废纸和纺织物等[10].从表1可以看出,本实验的垃圾各组分比例与中小城市的较为一致,与大城市的相比,具有高无机物含量、低热值、厨余和可回收部分的含量(纸类和塑料)较低.中小城市单位质量的热值(6.2MJ/kg)过低,不能满足垃圾焚烧发电的热值要求(5000kJ/kg以上)[11].

挥发性固体(VS)是衡量固体垃圾有机质含量的指标,不仅包括了易生物降解部分(BVS),例如,糖、淀粉、有机酸、纤维素、脂肪和蛋白质等物质,还包含了难生物降解部分(RVS),例如木质素和塑料[12].对于厌氧发酵来讲,仅有 BVS才能有效地评估垃圾的生物降解能力、生物气产率、有机负荷和C/N,显然,具有高VS低RVS含量特征的垃圾比较适合厌氧消化.在本研究中,若以生化成分分析中的碳水化合物(不包含纤维素)、蛋白质和脂类(表 2)作为 BVS,则 BVS占VS的59.86%;可见VS中的有相当一部分不易被降解.然而VS的比例相对较小,仅为44.94%,造成实验样品的可生物降解性较差;在手工分拣过程中可以看到大量的沙土.因此,中小城市在未采用源头分类收集时,若采用厌氧发酵技术处理生活垃圾,应该在发酵前采取有效的生活垃圾分选技术以分选出可被降解的有机部分.

表1 城市垃圾的组成及特性Table 1 Composition and characteristics of MSW

表2 样品的生化成分分析Table 2 biochemical com position analysis for SW in Wuzhou city

2.2 产甲烷实验

图2 厌氧消化过程中pH值的变化Fig.2 The pH profiles of anaerobic digestion

2.2.1 pH值和氨氮、VFAs的浓度变化 VFAs是厌氧消化过程中有机质水解酸化的主要产物,同时也是产甲烷菌所利用底物,因此常常作为评价水解酸化和产甲烷是否平衡的重要指标.厌氧消化反应条件如原料种类和浓度、温度、初始和反应过程的pH值、有机负载率、搅拌,以及接种物等参数及条件的变化均会改变微生物群落结构、代谢活性及代谢途径,这些改变直接由VFAs的构成和浓度大小反映,并由 pH值变化间接表征,最终体现为消化反应的稳定性.厌氧发酵反应系统的pH值波动主要受到VFAs浓度、氨氮浓度、CO2的分压和总碱度的影响.

在图1中,3组反应器中的pH值在前5d里,均随之 VFAs浓度急剧增加而迅速变小,从7.1～7.2降到 6.5～6.1之间,其中下降幅度最大的一组为TS＝25%反应器的pH值从7.09下降至6.13,3组反应器中pH值均在第4d后开始恢复到7.0～7.8之间,发酵过程总体上的pH值仍是在适宜发酵产甲烷的pH值范围内.

在图 2中,在反应的前 4d,3组反应器的VFAs浓度(为乙酸,丙酸,正异丁酸和正异戊酸浓度之和)急速上升,从 2000mg/L增加至7834mg/L,TS越高的反应器,VFAs浓度增加速度越快,这主要是和有机负荷越大,有更多的有机物被水解和转化成VFAs有关.整个反应过程中,VFAs的最高浓度为 7834mg/L,未达到抑制产甲烷菌活性的浓度.

图2 厌氧消化过程中VFAs浓度的变化Fig.2 Variations of VFAs concentration in the whole anaerobic digestion period

图3 厌氧消化过程中氨氮浓度的变化Fig .3 Variation of NH3-N in anaerobic digestion

图4 厌氧消化过程中池容产气速率的变化Fig.4 Variations of gas production rate in the whole anaerobic digestion period

厌氧过程中氨氮主要来源于发酵底物中蛋白质和尿素的水解[13],低浓度的氨氮可以为微生物提供必要的氮养分和有利于维持稳定的pH值,但是高浓度的氨氮会严重影响产甲烷过程,当氨氮浓度为4051～5734mg/L时,可使产甲烷菌的活性下降了 56.5%[14].在图 3中,氨氮从开始到第18d呈上升的趋势,TS＝30%的反应器氨氮增长最快,在第18d氨氮最高浓度为1823mg/L.研究表明,即使是驯化过的长期运行反应系统,只要氨氮浓度达到 1700mg/L就会使产甲烷箘活性下降10%,同时产气量会开始下降[7,15].

在图4中,明显看到在第18d后,池容产气量开始迅速的下降可能与高浓度的氨氮对产甲烷菌的抑制有关系.

2.2.2 产甲烷浓度以及累积产甲烷量 图 5为气体中甲烷含量的变化.在发酵前10d,TS浓度越低,甲烷含量越高.TS为20%在第8～12d产气中甲烷浓度稳定在 62.24%～64.50%之间,整个消化过程沼气的甲烷平均浓度为55.25%(甲烷平均浓度以累积产甲烷量占累积产气量的比例计算);TS为 25%在第 10～18d产气中甲烷浓度稳定在61.94%～63.87%之间,整个消化过程沼气的甲烷平均浓度为58.48%;TS为30%在第10～22d产气中甲烷浓度稳定在61.69%～ 63.71%之间,整个消化过程沼气的甲烷平均浓度为 58.14%.可见,随着 TS的增加,能维持较高浓度的产甲烷反应时间越长.

图5 厌氧消化产生物气中甲烷浓度的变化Fig.5 The concentration of methane in biogas

图6 为累积产甲烷曲线.TS为20%、25%和30%的厌氧消化的累积产甲烷量为93.06、105.92和 117.23L/kgVS,累积产甲烷量仅为国外城市生活垃圾高固体浓度厌氧发酵的生物气产量(200～300L/kgVS[16])的 50%,其主要原因是我国城市垃圾未采用源头分类收集或未经过高效率的机械分选导致垃圾VS中的可降解性远远低于西方国家;3种TS厌氧消化的累积产甲烷量达到累积产甲烷量 80%所需的时间 T80分别为10.7d、17.5d和18.8d.这说明较低的总固体浓度有助于缩短厌氧发酵周期,而较高浓度可以提高产甲烷效率.

图6 厌氧消化过程积累产甲烷量Fig.6 The cumulative methane production of anaerobic digestion

3 结论

3.1 以梧州为代表的我国中小型生活垃圾的生物可降解性较差,无机成分较多.挥发性固体含量仅为 44.94%,VS中的易被降解的挥发性固体含量不高,占VS的59.86%.

3.2 三种TS均能实现稳定的厌氧消化过程,pH自我恢复调节能力较强,在整个过程中没有产生明显挥发性脂肪酸和氨氮的抑制;消化过程 pH值最低为 6.13,均在第 4d后开始恢复到 7.0～7.8之间,最高脂肪酸和氨氮浓度分别为 7834mg/L和1823mg/L.

3.3 三种 TS均能实现稳定的产甲烷过程,较低的 TS有助于较早实现产气高峰,并缩短发酵周期,而较高浓度可以提高产甲烷效率.TS为20%、25%和 30%的厌氧消化的累积产甲烷量达到累积产甲烷量80%所需的时间T80分别为10.7d、17.5d和 18.8d.累积产甲烷量分别为 93.06、105.92和117.23L/kgVS;整个消法过程沼气的甲烷平均浓度分别为55.25%、58.48%和58.14%.

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High solid anaerobic digestion of municipal solid waste from Wuzhou.

GUO Yan-feng1,2, LI Dong1, SUN Yong-ming1*,KONG Xiao-ying1, WANG De-han2, YUAN Zhen-hong1(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China；2.College of Resources and Environment, South China Agricultural University,Guangzhou 510642, China). China Environmental Science, 2011,31(3)：412～416

Municipal solid waste from Wuzhou was sampled and its composition and biochemical characteristics were analyzed. The effect of three different substrate concentration (TSr=20%, 25%,30%) on batch anaerobic digestion was investigated at mesophilic temperature[(35+2)℃]. The experiment results showed that all three digestions were stable with no inhibition of volatile fatty acids and ammonia. The pH was stable at 7.0～7.8 without control. The cumulative methane productions were 93.06, 105.92 and 117.23 L/kgVS for TSr of 20%, 25% and 30% respectively. Lower total solids concentration could help reduce the anaerobic fermentation period, while higher concentration could increase the methane yield.

Wuzhou；municipal solid waste；anaerobic digestion；methane yield

X705

A

1000-6923(2011)03-0412-05

2010-07-21

国家“863”项目(2009AA10Z405)

* 责任作者, 副研究员, sunym@ms.giec.ac.cn.

郭燕锋(1985-),男,广东揭东县人,硕士,主要从事城市垃圾资源化技术研究.