餐厨垃圾两相厌氧发酵处理对产气量的影响

刘德江　杨　惠　王　璇　刘盛林

（1新疆农业职业技术学院新疆昌吉8311002新疆石河子西域牧歌农业科技公司新疆石河子832000）

餐厨垃圾两相厌氧发酵处理对产气量的影响

刘德江1杨惠1王璇1刘盛林2

（1新疆农业职业技术学院新疆昌吉8311002新疆石河子西域牧歌农业科技公司新疆石河子832000）

采用固、液两相发酵（ADSL）系统处理餐厨垃圾，将原餐厨（RFM）分成固相（FSW）和液相（FLW）。在保持相同发酵负荷、温度和周期的条件下，对比三种发酵原料的产气率、日产气速率和pH值变化。结果表明：固液分离后的固相和液相的产气率均比原餐厨的产气率高，最大产气率分别为659、643和581mL/g-VS；在发酵初期，液相和固相的产气速率均比原餐厨高，而在发酵中后期，三种发酵原料的日产气速率则无显著差异；横向对比三种原料在30天的发酵周期内pH值的大小变化，其顺序为：FLW＜FSW＜RFM。

原餐厨；固相；液相；产气率；产气速率

我国餐厨垃圾的生物质含量平均值在16%～22%，据李荣平等人［1］测定北京某高校食堂的餐厨垃圾的成分，其中碳水化合物含量高达40%～60%，蛋白质含量为15%～17%，脂类含量为6%～24%。因此，餐厨垃圾的可生物、降解能力强，具有很高的开发利用价值。

一般而言，原餐厨垃圾主要分为两大部分：餐厨垃圾液体（泔水）和餐厨垃圾固体，固体部分主要为颗粒物质或大分子物质，例如大米、蔬菜、肉类等；泔水主要由液相和废油组成，而液相则主要含有无机盐、可溶性物质和小颗粒物质。废油主要为动物脂肪、植物油等［2］。为了提高餐厨垃圾的降解速率，一些研究人员对用于厌氧发酵的餐厨垃圾做了预处理，例如超声波预处理、加热处理和酸处理等［3］。

本研究结合餐厨垃圾的性质，采用固、液两相发酵（ADSL）处理餐厨垃圾，即首先将餐厨垃圾中的固相和液相分开，然后分别进行厌氧发酵，同时采用油水分离技术将游离的脂类去除，以减轻油脂和无机盐对厌氧发酵的抑制，旨在提高沼气的产气率。

1　试验材料与方法

1.1试验材料

1.1.1餐厨垃圾

餐厨垃圾由新疆农业职业技术学院食堂提供，主要为午餐、晚餐的混合物。发酵前，对餐厨垃圾进行了预处理：首先通过人工筛选，将餐厨垃圾中的大块骨头、塑料袋等对发酵不利的物质筛出，其次利用餐厨垃圾粉碎机（孔径为3 m m）将其粉碎；粉碎后的餐厨垃圾经过混匀，保存于20℃的冰箱中备用。其主要成分详见表1。

表1　餐厨垃圾主要成分（%干重）

1.1.2接种物

厌氧发酵的接种物取自昌吉市污水处理厂的活性污泥，其TS和VS特征详见表2。

表2　活性污泥特征（%干重）

1.2参数测定

1.2.1TS和VS测定

把样品放在105℃的烘箱中烘干至恒重，此时物质的质量就是该样品的总固体质量。再将于105℃下烘干的原料置于600℃的马福炉中，焙烧2 h，其减轻的质量即为该样品的挥

发性固体质量，剩余的物质是样品的灰分，称量该样品灰分质量。

TS的计算公式为：TS=W1/W0x100%（1）

式中：TS——样品的固体物质的百分含量；%

W1——样品中干物质的质量；Mg

W0——样品的总质量；Mg

VS的计算公式为：VS=W2/W0×100%（2）

式中：VS——样品中可挥发性固体的百分含量：%

W2——样品中可挥发性物质的质量；Mg

1.2.2产气量的测定

沼气由排水取气法收集，每天的沼气产量可通过量筒的读数测得。作图分析时，按3天的平均值计算。

1.2.3pH值的测定

采用上海雷磁光电仪器厂生产的pH-S3C型酸度计，以复合电极测定发酵物的pH值，每隔3天测定一次。

1.3试验方法

由于餐厨垃圾的含水量较高，固液分离后所得到的固相和液相与原餐厨垃圾物化学组成相差较大。另外，由于油脂在ADSL系统中的去除，分离后的固相和液相的油脂含量明显降低，有利于厌氧发酵的进行。试验采取原餐厨（RFM）、固相（FSW）和液相（FLW）三种不同的原料，进行沼气发酵，每种有机物的负荷均为8 g-VS/L/d。发酵周期为30天。

为了对比固相、液相和原餐厨的发酵产气能力，本试验采用批式厌氧发酵，对每种有机物的产气情况进行了测定，发酵实验装置如图1所示，发酵瓶的体积为1 L，有效体积为0.8 L，发酵瓶的温度由电磁恒温水浴锅控制，温度为35℃，发酵瓶内安置搅拌转子，转子长度为5 cm，转速为180 r/min。每天搅拌一次，搅拌时间为10 min。发酵瓶的上口有进料口、出料口和排气口，以确保厌氧发酵的正常进行。

图1　发酵实验装置图

2　试验结果与分析

2.1原料的物化特征对产气率的影响

为了研究固相、液相和原餐厨三种原料的产气能力，进行了对比发酵试验。每种有机物的负荷均为8 g-VS/L/d，发酵温度均为35℃。30天的产气试验结果详见图2所示。

图2　三种发酵物料的产气率

图2中产气量的变化曲线说明，经过18d的发酵，三种发酵原料的产气率均达到最大值（产气高峰）。固相和液相的总产气率均比原餐厨的高一些，对应的最高产气率分别为659，643和581 mL/g-VS。通常来说，水解阶段是整个厌氧发酵过程的限速步骤，由于固相和液相物质的水解要比原餐厨的水解容易，因此，对应的产气率就比原餐厨高。这与张存胜［4］的试验结果完全一致。

2.2原料的物化特征对产气速率的影响

在保持每种有机物的负荷均为8 g-VS/L/d、发酵温度为35℃的条件下，对比三种发酵原料的产气速率。每天测定计算一次，共计30次，作图分析时，按3天的平均值计算。图3则显示了每种有机物的日产气速率：

图3　三种发酵原料的日产气速率

由结果可知，三种原料的产气速率在发酵初始3 d内迅速上升然后又迅速下降，在初期的1～9 d内，液相的产气速率最高，其次为固相和原餐厨垃圾，发酵第9d后，三种有机物的产气速率无明显差别。另从图3可看出：在发酵初期，液相和固相的产气速率均比原餐厨高，其中液相的日产气速率相对最高，其原因可能是液相主要包括废水和小颗粒物质，其中，废水中含有可溶性物质，如糖类和氨基酸类物质等等，这些物质较易被甲烷菌分解［5，6］。而在发酵的中、后期，由于三种原料的有机物均已全部水解为乙酸、丙酸等小分子物质，产甲烷阶段的日产气率基本相同，因此，产气速率则无显著差异。

2.3原料的物化特征对发酵物pH值的影响

表3　三种原料发酵液pH值的变化

从表3可看出，三种原料在发酵的第3天pH值均很低，这是由于在厌氧发酵初期有机酸积累较多而造成的，从第6天开始，随着发酵的进行，有机酸含量逐渐降低，而pH值逐渐升高。当进行到第27天时，三种发酵物的pH值均稳定在7.6，之后不再发生变化。横向对比三种处理在30天的发酵周期内pH值的大小，可发现FLW

3　结语

3.1固液分离后的固相和液相的产气率均比原餐厨的产气率高，并且甲烷产率也得到了提高。在发酵进行到第18天时，固相、液相和原餐厨的产气率均达到最大值，对应的产气率分别为659、643和581mL/g-VS。从18天之后到30天的产气率基本保持不变。

3.2在发酵初期，液相和固相的产气速率均比原餐厨高，其中液相的日产气速率相对最高。

3.3餐厨垃圾与固液分离后的固相和液相在发酵初期，pH值均很低，随着发酵的进行，有机酸含量逐渐降低，而pH值逐渐升高。横向对比三种原料在30天的发酵周期内pH值的变化，其大小顺序为：FLW

［1］李荣平，等.餐厨垃圾特性及其厌氧消化性能的研究［J］.可再生能源，2010，28（1）：76-80.

［2］王梅.餐厨垃圾的综合处理工艺及应用研究.西北大学硕士学位论文，2008：5-13.

［3］王星，王德汉，张玉帅.国内外餐厨垃圾的生物处理及资源化技术进展［J］.环境卫生工程，2005，2（13）：25-29.

［4］张存胜.厌氧发酵技术处理餐厨垃圾产沼气的研究.北京化工大学博士学位论文，2013，05，30.

［5］尤宇嘉，杨军华.德国厌氧沼气工程技术在我国餐厨垃圾处理中的应用［J］.环境卫生工程，2011，19（6）：52-54.

［6］王妮娜，郑立柱.餐厨垃圾资源化处理技术［J］.广州环境科学，2011，26（3）：20-22.

［7］陈锷，顾向阳.餐厨垃圾处理与资源化技术进展［J］.环境研究与监测，2012，3：57+61.

新疆农业职业技术学院科研项目（XJNZYKJ2016024）。

刘德江（1966—），男，教授，硕士，主要从事沼气技术领域的研究工作。