城市有机垃圾与羊粪联合厌氧消化产沼气研究

韩文彪, 徐 霞， 赵玉柱， 夏晓华， 吴振宇

(1.中科院生态环境研究中心 鄂尔多斯固体废弃物资源化工程技术研究所， 内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.鄂尔多斯市城市矿产研究开发有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000)



城市有机垃圾与羊粪联合厌氧消化产沼气研究

韩文彪1,2, 徐 霞1,2， 赵玉柱1,2， 夏晓华1,2， 吴振宇1,2

(1.中科院生态环境研究中心 鄂尔多斯固体废弃物资源化工程技术研究所， 内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.鄂尔多斯市城市矿产研究开发有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

文章以城市有机垃圾和羊粪为发酵原料，研究了在中温(35℃)条件下不同原料配比对厌氧消化过程及消化效率的影响。结果表明，城市有机垃圾和羊粪进行联合厌氧发酵可以提高原料的消化效率。当城市有机垃圾和羊粪TS比为1∶2时厌氧消化效果最好，COD去除率达52.73%，TS去除率达47.39%，VS去除率达54.93%，累计产气量最大且甲烷含量较高。

城市有机垃圾；羊粪；厌氧消化

伴随我国城市化进程的加快，城市规模也在不断的扩大，城市生活垃圾的产生量也与日俱增。据统计，我国城市生活垃圾储存量已经达到60亿t,并以年均10% 左右的速度持续增长，并且城市生活垃圾中的有机物含量也在逐年增加[1]。城市生活垃圾是城市发展的必然产物，其特点是含水量大、有机质含量高、成分复杂等[2]，传统的填埋处理会造成巨大的资源浪费，而采用厌氧发酵工艺进行处理，不仅可以实现垃圾处理的减量化、资源化和无害化，而且也可进行能源回收[3]。畜禽粪便作为一种生物质能源,经厌氧消化产沼气的转化率为20%～40%，我国从上世纪80年代开始大规模建设沼气工程，采用厌氧发酵工艺处理畜禽粪便[4]。但是，采用单一原料进行厌氧发酵，消化效率会受到很大限制[5-7]。因此，如何提高厌氧消化效率是厌氧发酵工艺首要解决的问题。有研究表明，采用两种或多种进行原料联合发酵能够提高厌氧消化效率[8-11]。

实验以城市有机垃圾和羊粪为发酵原料，研究了不同原料配比对厌氧消化效果的影响，以期为城市生活垃圾和羊粪联合厌氧发酵的工程化应用提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验所用生活垃圾原料来自鄂尔多斯市东胜区垃圾处理厂，生活垃圾经粗略分选后，分拣有机成分进行粗破碎，粒径均匀小于2 cm，然后用胶体磨进行研磨、匀浆，粒径约4～5 mm。

羊粪来自于准格尔旗沙圪堵镇养殖场，厌氧消化菌种取自本实验室联合厌氧消化后的沼液经35℃中温驯化后作为接种物。

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置

试验装置由实验室自制，主要由发酵瓶与集气瓶组成。发酵瓶由1 L圆底烧瓶制成，集气瓶为1 L细口瓶，分别用大小合适的橡胶塞密封，橡胶塞上有排气口和取样口。发酵瓶置于35℃恒温水浴箱内保温，装置示意图见图1[12]。

1.恒温水浴箱；2.取样口；3.发酵瓶；4.储气瓶；5.橡胶塞；6.导管；7.储水瓶图1 厌氧消化实验装置

1.2.2 测定方法

实验过程中主要分析项目如下[13]：pH值，5-3C型pH测定仪测定；COD，重铬酸钾法进行测定；TS，105℃～110℃烘干24 h至恒重后测定；VS，550℃灼烧1 h，前后质量差值即为VS；气体体积，排水法；气体成分，气相色谱法(GC112A气象色谱仪)。

1.2.3 试验设计

实验以城市生活垃圾、羊粪和二者5组不同TS配比的混合原料为发酵底物，设7个实验组和1个空白参比组(只有菌种)，每组设两个重复，按30%的接种量进行接种，反应液TS为6%，起始pH值调为7.0，总体积1 L，发酵周期约45 d(不产气为止)，在35℃进行厌氧消化，每天定时搅拌两次(8:00和18:00)，每次约10 min。每天量取产气体积，每隔四天取样分析发酵液。原料配比及发酵液特性见表1。

表1 原料配比及原料初始指标

2 结果与讨论

2.1 不同原料配比对pH值的影响

pH值是影响厌氧发酵系统的重要因素，pH值变化直接影响着微生物的活性，进而会影响产气效率以及消化效果[14-15]。图2描述了各组实验中pH值随发酵时间的变化关系。从图中可以看出,不同原料配比在其消化过程中，pH值变化趋势相似，都呈先下降后上升的趋势。反应第4 d时，各组实验pH值降到最低，其中，纯生活垃圾，S∶Y为3∶1，2∶1和1∶1的处理组pH值迅速下降到5.5左右，而随着羊粪含量的增加pH值变化逐渐变小，S∶Y为1∶2，1∶3的处理组pH值在第8 d后逐渐上升到6.5以上，并能较长时间保持在6.5～7.5之间，符合产气要求的pH值环境，有利沼气的产生。因此，通过衡量发酵效率和系统稳定性，S∶Y为1∶2(C/N=29∶1)的实验组效果最好。

图2 厌氧消化过程中pH值的变化

2.2 不同原料配比对产气量的影响

由图3中可以看出，各组的产气变化趋势大致相似,都是在第一天出现产气高峰，产气量最大的是纯生活垃圾，其次是S∶Y为3∶1的处理，而纯羊粪的产气量最小；随着发酵时间的延长，纯羊粪在发酵第3d开始出现产气高峰，而且持续时间较长，在发酵第11d和第16d分别出现了产气高峰，分别为510 mL和775 mL，随后产气逐渐降低；S∶Y为1∶2的处理组在发酵前期产期较少，从第18d产气逐渐增多，到第31 d出现产气高峰，产气量达到1310 mL，产气持续至发酵结束，而其他处理均未出现明显的产气高峰。

图3 厌氧消化过程中日产气量的变化

从图4可以看出，各处理的累积产气量有明显的差异，累积产气量最大的处理是S∶Y为1∶2的处理，产气量为12863 mL，其次是纯羊粪，产气量为10879 mL，最后是1∶1，2∶1，3∶1，生活垃圾的处理组，分别为9670 mL，9121 mL，8952 mL和8707 mL。由此可见，混合原料中组分不同对产气量的影响很大，合适的原料配比(主要为C/N)，不仅可以缩短发酵周期，提前产气高峰的发酵时间，还明显提高产气量。

图4 厌氧消化过程中累积产气量的变化

2.3 不同原料配比对甲烷含量的影响

不同原料配比与甲烷含量的关系如图5所示，发酵起始阶段主要为水解酸化阶段，沼气甲烷含量较低，因此，未进行甲烷含量测定，从第12 d开始测定。由图可知，不同原料配比对厌氧发酵甲烷含量影响比较明显，各试验组甲烷含量呈现相似特征，发酵前期主要为上升阶段，随着反应的进行甲烷含量逐渐稳定。同时随着羊粪含量的增加，甲烷含量也相对增高。其中，S∶Y为1∶2，1∶3，纯羊粪3组的甲烷含量基本接近，稳定后可达80%左右，S∶Y为1∶2的处理组，甲烷含量最高时可达80.16%，而其余3个试验组甲烷含量相对较低，基本维持在65%左右，以纯生活垃圾为原料的发酵组甲烷含量最低，最高时只有50.65%。

图5 厌氧消化过程中甲烷含量的变化

2.4 不同原料配比对发酵液COD的影响

在厌氧消化过程中，不同原料配比的COD的变化如图6所示。可以看出,由于发酵原料配比不同，各组进料的初始COD值依次减小,但在发酵过程中，各处理的COD曲线随着发酵时间的变化而上下波动，发酵结束后，除了菌种的COD变化不大外，其他实验组的COD曲线均呈现下降趋势。

如图7所示，各处理组发酵前后COD的去除率，从发酵前后各处理的COD去除率上看，S∶Y为1∶2时的COD去除率最高，为52.73%，比纯生活垃圾COD去除率提高了45%，比纯羊粪实验组COD去除率提高了91.2%；其次是S∶Y为1∶1时，COD去除率为50.6%，而除菌中外，纯羊粪的实验组COD去除率最小，只有27.5%，由此可以看出，S∶Y为1∶2时，COD去除效果最好，厌氧消化效果最好。

图6 厌氧消化过程中COD的变化

图7 厌氧消化COD的降解率

2.5 不同原料配比对TS和VS的影响

如图8所示，不同原料配比的TS与VS去除率，各实验组的TS和VS去除率均有较大变化，其中，生活垃圾和羊粪单一发酵原料的TS去除率分别为30.24%和37.06%，VS的去除率分别为28.75%和47.18%，而 S∶Y为1∶2的TS和VS去除率是各发酵组中最大的，分别为47.39%和54.93%。相比生活垃圾实验组分别提高了56.4%和94.5%；相比羊粪实验组分别提高了27.3%和18.6%。因此，S∶Y为1∶2时，TS和VS的降解率都最大，最有利于生活垃圾和羊粪的混合厌氧发酵。

图8 厌氧消化TS和VS的降解率

3 结论

试验研究了有机生活垃圾和羊粪不同配比对厌氧发酵产沼气的影响，结果表明：当S∶Y为1∶2时，累计产气量最大(为12863 mL)且甲烷含量相对较高(约80%)，厌氧消化前后COD去除率最高，为52.73%，TS去除率为47.39%，VS去除率为54.93%，比其他处理组的去除率均高。由此可见，当S∶Y为1∶2时，有利于生活垃圾和羊粪联合厌氧消化。

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Anaerobic Co-digestion of Municipal Organic Garbage and Sheep Manure and Its Biogas Production

HAN Wen-biao1,2, XU Xia1,2, ZHAO Yu-zhu1,2, XIA Xiao-hua1,2, WU Zhen-yu1,2

(1. Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Ordos 017000,China; 2. Ordos Urban Mining Research and Development Co Ltd, Ordos 017000,China)

Anaerobic fermentation of municipal organic garbage mixed with sheep manure was studied under condition of different mixing ratio and temperature of 35 ℃. The results showed that the co-digestion of municipal organic garbage and sheep manure could improve the efficiency of garbage digestion, the TS mixing ratio of municipal organic garbage and sheep manure of 1∶2 obtained the best result,with the COD degradation rate reached 52.73%, TS degradation rate 47.39%, and VS degradation rate 54.93%. The accumulative biogas production obtained the maxium of 12863 mL, and the methane content was high.

municipal organic garbage; sheep manure; anaerobic digestion

2014-12-17

2014-12-29

项目来源： “十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAC25B03)

韩文彪(1986-)，男，汉族，内蒙古乌兰察布市人，工程师，研究方向为城市有机废弃物处置与利用，E-mail:13664875366@163.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)01-0025-04