温度对高校生活垃圾厌氧消化影响的试验研究

周仲魁， 孙占学， 高 柏

(东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 抚州 344000)

城市生活垃圾是城市居民日常生活或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，是与城市相伴而生的长期污染源。改革开放以来，随着国民经济和城市建设的发展，城市生活垃圾排出量增长也十分迅速，城市生活垃圾的问题也越来越严重。目前我国城市垃圾年产量已达2.5亿t左右，而且正以每年约8% ～10%的速度增长(陆卫亚，2002)。2008年城市生活垃圾清运量约为1.54亿t，而垃圾处理率只有50%左右，实际垃圾无害化处理率仅有30%左右(张益，2010)。未经处理的城市垃圾大多采用裸露堆填的粗放弃置，占用城市周边土地面积达6万hm2，导致约有2/3的城市处于垃圾包围之中，既污染水质、土壤、大气，还将传播疾病，严重影响了城市环境质量和可持续发展。因此，如何科学妥善地处理城市生活垃圾是我国当前面临的重大课题。

温度是影响微生物生命活动过程的重要因素，主要通过对酶活性的影响而影响微生物的生长速率与对基质的代谢速率，因此是厌氧生物处理工艺的重要工艺参数。根据产甲烷菌在不同温度下的最佳活性将厌氧消化分为3个温度范围:20～25℃称为低温消化;30～40℃称为中温消化;50～60℃称为高温消化(徐云龙等，2006)。一般认为，厌氧生物反应可以在很宽的温度范围(5～83℃)内进行，而产甲烷作用则可以在2～100℃的温度范围内发生。总体上，整个消化反应每升高10℃，反应速率增加一倍，但在60℃以上时，反应速率迅速下降(任南琪等，2004;胡纪萃等，2003;刘艳等，2004;陈清后等，2006)。本文通过选取不同温度对高校生活垃圾厌氧消化影响进行研究，探讨温度对产气率，累积产气量和厌氧消化周期以及温度突变对厌氧产气量的影响等方面的问题。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为东华理工大学本部生活区新鲜生活垃圾，主要为厨余垃圾，含少量纸张、秸秆和无机物，纤维素含量较多。取来的样品挑除少量杂物后进行人工破碎，大约5 mm×5 mm左右的小块，处理后的垃圾特性如表1所示。测定其总固体含量(TS)为17.5%，挥发性固体为84.5%。发酵接种物为南昌市污水处理厂驯化污泥。发酵固含率通过加水和烘干进行调节控制，NaHCO3调节pH值。

表1 处理后的垃圾特性Table1 The waste characteristic after disposal

1.2 试验装置

本试验装置如图1所示。由发酵装置、集气装置及控温装置三部分组成，采用2 000 mL的平底玻璃烧瓶作为发酵瓶，用带有出气孔的橡胶塞密闭;集气装置由500 mL三角瓶和1 000 ml量筒连接而成，产生的气体量用排水法计量，水为饱和食盐水，防止沼气中CO2溶于水中。水浴加热，温控仪和继电器显示和控制发酵温度，温度波动范围±0.5 ℃。

图1 试验装置图Fig.1 Schematic of test device

1.3 试验方法

在25、35、45、55℃的温度条件下，分别选取4套发酵装置，装入称取经过处理的发酵垃圾800 g、接种物200 g。用少量干猪粪调节碳氮比为(25～30)∶1，每个发酵罐在实验时均同时加料，同时开始实验。

1.4 检测项目与方法

(1)总固体(TS):烘干法;

(2)挥发性固体(VS):灼烧法;

(3)pH值:pH测定仪(pHS-22，上海泽安);

(4)碳氮比:C 以 VS估算(C=0.47 VS)，VS以灼烧法测定;N以凯氏测氮法测定。

2 结果与讨论

2.1 温度对产气量的影响

图2和图3为试验垃圾在不同发酵温度下产气率和累计产气量的变化情况。

图2 不同发酵温度下的产气率Fig.2 Biogas production rate at different temperatures

由图2和图3可以看出，在反应初期，25℃时的产气率增长缓慢，第8 d后增长较快，第13 d达到最大峰值为1 201 ml/d，之后缓慢降低，最终累积产气量为15.31 L;35℃时的产气率试验开始后逐渐上升，第9 d达到最大峰值1 544 ml/d，之后缓慢降低，最终累积产气量为29.77 L，第16 d和第32 d累积产气量分别占到总累积产气量的47.13%和92.4%;45℃时的产气率在试验开始后第8天达到最大峰值1 861 ml/d，后逐渐降低，最终累积产气量为39.99 L，第16天和第32天累积产气量分别为19.06 L和36.43 L，占到总累积产气量的47.7%和91.1%;55℃时的产气率在试验开始后第12 d达到最大峰值1 954 ml/d，之后也逐渐降低，最终累积产气量为43.12 L，第16 d和第29 d累积产气量分别为22.02 L和39.01 L，占到总累积产气量的51.1%和90.5%。由以上分析得知，该生活垃圾在4个温度试验组的累积产气量比较为:55＞45＞35＞25℃。

图3 不同发酵温度下的累积产气量Fig.3 Cumulative biogas yield at different fermentation temperatures

同时笔者还认为:25℃时的产气率在初期增长缓慢是由于发酵罐内厌氧菌处在一个相对较低的温度，处于适应期，厌氧消化速率低，故产气量低;其次，四个不同发酵温度产气速率最大峰值均出现在第10 d至第13 d，是因为此时发酵罐内温度正好处于厌氧微生物代谢速率最快的35～38℃和50～65℃的温度范围内，酶活尤其是纤维素酶的酶活性增强，降解速度加快，从而使得厌氧菌得到更多的养分，使得产气量增加，发酵更为彻底。

2.2 温度对厌氧消化周期的影响

厌氧消化周期的长短决定了城市生活垃圾厌氧消化产气速率的快慢，也意味着相同时间内处理城市生活垃圾的多少，在工程实际应用中具有重要的意义。一般在实际生产中，以产气量达到累积产气量的90%以上认为消化反应完全。由图2可知，城市生活垃圾在不同温度下厌氧消化经历了多个波峰，且温度不同，波峰出现的时间和大小也不一。在25、35、45和55℃温度条件下，产气速率分别在第13 d、第10 d、第8 d和第12 d达到第一个峰值1 201 ml/d、1 544 ml/d、1 861 ml/d 和 1 954 ml/d，之后峰值逐渐减小。

试验过程中，生活垃圾不同温度条件下厌氧消化发酵完全情况见表2。

表2 不同温度条件下厌氧消化发酵完全情况Table2 The anaerobic digestion and fermentation condition at different temperatures

从表2可知，城市生活垃圾厌氧消化发酵完全时间随着温度的升高而缩短，累积产气量也增大。

由以上分析得出，在55℃高温条件下，生活垃圾发酵处理的优势非常明显。同时在55℃高温条件下可杀灭寄生虫卵达99%以上，大肠菌指数可达10～100，均能满足卫生要求(卫生要求对蛔虫卵的杀灭率95%以上，大肠菌指数10～100)(刘辉等，2010;吴满昌等，2005)。Song等(2004)研究表明，高温厌氧消化的总大肠杆菌去除率为99.7%，而中温为 66.7%。

2.3 温度突变对厌氧消化反应产气量的影响

相对产气量指以温度突变前的产气量为100%，其他时间的产气量与其比较而得到相对产气量(以%表示)，相对产气量可以用来说明温度突变对发酵的影响。为了解温度突变对厌氧消化反应产气量的影响，本试验开展了温度从55℃降到室温20℃持续不同时间后恢复到55℃相对产气量的研究。

图4 温度突变条件下相对产气量变化Fig.4 Relative gas production under the condition of sudden temperature changes

由图4可知，温度从55℃下降到室温20℃所需时间大约为1.5 h，相反从室温20℃加热到55℃所需时间大约为45 min。当55℃下降到室温20℃后持续1 h，该生活垃圾最低产气量为3.0%(体积分数)，温度恢复到55℃后，产气量经过1.5 h左右恢复到波动前水平;当55℃下降到室温20℃后持续1.5 h，产气量降到0，温度恢复后，产气量大约经过2.5 h恢复到波动前水平;持续时间为2 h，产气量也降到0，且持续了0.5 h，温度恢复后，产气量经过约3.5 h才恢复到波动前水平。这充分说明了温度突变对厌氧消化反应产气有着重要的影响，温度降低，产气量随之降低，温度逐渐恢复，产气量也随之升高。如温度波动时间较长时，产气效率恢复所需时间将相应延长。

3 结论

本试验研究了不同温度对东华理工大学有机生活垃圾厌氧消化的影响，试验结果表明:

(1)温度是影响厌氧生物处理工艺的重要工艺参数，对城市生活垃圾厌氧消化产气率和累计产气量等有重要影响。温度越高，产气率越高，累计产气量也越高;

(2)城市生活垃圾厌氧消化周期与温度之间存在重要联系，温度越高，厌氧消化产气率峰值越大，消化反应完全时间也越短;

(3)温度突变对厌氧消化反应产气有着重要的影响，温度降低，产气量随之降低，温度逐渐恢复，产气量也随之升高。如温度波动时间较长时，产气效率恢复所需时间将相应延长。

(4)55℃为城市生活垃圾厌氧消化的较佳温度，具有产气率高，消化彻底等优势。

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