餐厨垃圾厌氧发酵连续产氢产甲烷的试验研究

张国华, 张志红, 黄江丽, 王东升, 丁建南

(江西省科学院生物资源研究所， 江西 南昌 330029)



餐厨垃圾厌氧发酵连续产氢产甲烷的试验研究

张国华, 张志红, 黄江丽, 王东升, 丁建南

(江西省科学院生物资源研究所， 江西 南昌 330029)

餐厨垃圾中有机物含量高，是理想的厌氧发酵底物。文章从接种菌来源和pH值角度，研究餐厨垃圾厌氧发酵连续产氢产甲烷的可行性，以期提高餐厨垃圾资源化利用率。结果表明，餐厨垃圾产氢阶段100℃处理30 min以沼渣和厌氧消化污泥为来源的接种菌，有利于氢气产生和提高产生气体中氢气浓度，且沼渣比污泥产气效果好，调节发酵pH值于4.5～5.5有利于氢气发酵。产氢残留物厌氧发酵产甲烷阶段，调节发酵pH值于7.0～7.5有利于沼气发酵。产氢阶段以沼渣为菌源的连续产甲烷阶段产生气体量及产生气体中甲烷浓度比以污泥为菌源的厌氧发酵效果好。

餐厨垃圾; 厌氧发酵; 氢气; 沼气

1 材料与方法

1.1 试验材料

餐厨垃圾：收集于江西省科学院职工食堂，将餐厨垃圾中的骨头、纸巾、筷子、牙签等杂物分拣出。

接种用厌氧发酵菌种来源：分别取自于农户老沼气池中的新鲜沼渣和污水处理厂脱水厌氧消化污泥。

1.2 接种用厌氧发酵菌前处理

分别取部分新鲜沼渣和消化污泥于100℃压力灭菌锅中打开放气阀蒸煮处理30 min，其目的是为了抑制无芽孢的产甲烷菌等耗氢微生物，抑制甲烷产生，提高产氢率[10-12]。

1.3 餐厨垃圾性质测定

分拣后的餐厨垃圾、沼渣及厌氧活性污泥进行含水率、总固体物质含量(TS)、总挥发性物质(VS)、灰分、含油率等参数的测定[13-14]。

加快水利信息化建设。按照《水利信息化建设顶层设计》提出的“五个统一”的要求，统筹推进流域防汛抗旱指挥系统二期、水资源管理信息系统、水利数据中心、信息共享平台等项目建设；推进水利信息系统应用，健全完善系统功能，提高工作效率。完善数据更新机制，加强数据共享；加强科技创新。继续推进流域科技创新中心建设，创新科研机制，完成科研管理办法制定。抓好公益性行业科研专项的项目管理，不断提高管理的科学化、规范化和制度化。加强重大水利问题研究和成果推广应用，注重在科研项目中锻炼队伍。

1.4 试验装置

试验装置由2.5 L广口玻璃瓶，2.5 L集气瓶和2.5 L集水瓶组成，并由硅胶管进行密封连接。试验装置置于35℃±1℃恒温培养箱中，每天定时检测集气瓶气体成分中氢气和甲烷含量，并准确量取集水瓶中排水体积。

1.5 试验方法

(1) 餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气阶段。

取6只2.5 L广口玻璃瓶并分别标号Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，按表1分别在6只广口瓶中加入发酵反应物[15-17]。

表1 试验组设置

将Ⅰ～Ⅵ反应瓶分别与6只集气瓶(集气瓶中装满水)、6只集水瓶组装成厌氧发酵装置。将Ⅰ～Ⅵ反应装置放入35℃±1 ℃恒温培养箱进行发酵培养。定时测定产生气体中氢气和甲烷含量、排水体积、反应体系pH值，当发酵体系pH值下降过低，用碱调节发酵体系pH值于5.0 ～ 6.0，直至发酵体系不再产气，视为餐厨垃圾厌氧发酵产氢阶段完成。

试验组Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ对比比较在相同条件下接种以厌氧活性污泥和沼渣为发酵菌产气的区别。试验组Ⅰ，Ⅱ和试验组Ⅴ，Ⅵ对比比较接种经100℃热处理后的厌氧活性污泥和沼渣为发酵菌，以及未经热处理的厌氧活性污泥和沼渣为发酵菌产气的区别。试验组Ⅰ，Ⅱ和试验组Ⅲ，Ⅳ对比比较添加餐厨垃圾底物产气与未添加餐厨垃圾底物产气的区别。

(2) 餐厨垃圾厌氧发酵产氢残渣连续沼气发酵阶段。

餐厨垃圾厌氧发酵产氢阶段完成后调节Ⅰ ～ Ⅵ发酵体系pH值于7.0～7.5，将Ⅰ ～ Ⅵ反应装置放入35 ℃±1 ℃恒温培养箱进行发酵培养。定时测定产生气体中氢气和甲烷含量、排水体积、反应体系pH值，当发酵体系pH值低于7.0时，调节pH值于7.0～7.5。

1.6 分析方法

餐厨垃圾、沼渣及厌氧活性污泥中的含水率、总固体物质含量(TS)采用烘干法测定；总挥发性物质(VS)、灰分含量采用马弗炉灼烧法测定；含油率采用酸水解法测定；pH值采用pHS-3C型精密pH计测定。

气体成分采用美国安捷伦公司Micro-GC 3000A便携式气相色谱仪测定。色谱条件：plot分子筛柱；柱温、气化室以及检测器(TCD)温度分别为110℃，100℃，110℃；氩气为载气[18-19]。

2 结果与分析

2.1 餐厨垃圾、沼渣及厌氧消化污泥特征

经分拣后餐厨垃圾与沼渣、厌氧消化活性污泥测得含水率、总固体物质含量(TS)、总挥发性物质(VS)、灰分，粗脂肪和pH值等参数见表2。

表2 餐厨垃圾、沼渣与活性污泥参数测定

2.2 餐厨垃圾厌氧发酵产氢特征

Ⅰ～Ⅵ号试验组放置35℃±1℃恒温培养箱后，6月3日测定Ⅰ～Ⅵ号试验组，pH值均剧烈下降。如图1所示，Ⅰ，Ⅴ号试验组pH值降至3.5左右，产气排水量不佳，产生气体中氢气浓度较低；Ⅱ，Ⅲ，Ⅵ号试验组pH值降至4.5左右；Ⅱ，Ⅵ号产气排水量较好，产生气体中氢气浓度相对较高；Ⅴ号试验组pH值降至5.5左右，产气排水量不佳，产生气体中氢气浓度较低。经过不断调节发酵体系pH值于5.0～6.0，产氢发酵后期Ⅰ～Ⅵ号试验组pH值均趋于5.0～5.5之间。如图2和表3所示，Ⅱ，Ⅵ号试验组产气速率相对较快，在6月3日～6月6日达到产气高峰，产气高峰期Ⅱ号产生气体中氢气浓度达到最高峰43%，未检测到甲烷成分，Ⅵ号产生气体中氢气浓度达到最高峰20%，检测到甲烷成分；Ⅰ号试验组在6月7日～6月8日达到产气高峰，产气高峰期Ⅱ号产生气体中氢气浓度达到最高峰36%，未检测到甲烷成分；Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ号试验组产气效果不佳，Ⅴ号产生气体中检测到甲烷成分。如图3所示，累计排水气量Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ。

图1 餐厨垃圾厌氧发酵制氢pH值变化

图2 餐厨垃圾厌氧发酵制氢日排水量

日 期试验组ⅠⅡⅢⅣⅤⅥH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4h%t%t%t%t%t%t6月3日1202004．304．804．81．2123．16月4日7．803402．205．00——152．56月5日——4303．803．201．60．8201．86月6日2003103．202．801．30．8111．36月7日3602402．801．602．00．84．50．86月8日3301302．32．81．502．51．51．50．66月9日8．105．601．51．20．50——0．50．56月10日————————————

2.3 餐厨垃圾厌氧发酵产氢残渣连续沼气发酵特征

餐厨垃圾厌氧发酵产氢阶段结束后，6月13日调节Ⅰ～Ⅵ号试验组发酵体系pH值于7.5左右，由于产氢阶段酸累计效应，6月14日Ⅰ～Ⅵ号试验组pH值均出现下降现象，降至5.5左右。如图4所示，通过不断调节pH值，Ⅰ～Ⅵ号试验组pH值逐渐上升，发酵后期Ⅰ～Ⅵ号试验组pH值均趋于7.0左右。产气方面，如图5与表4所示，由于酸累计效应Ⅰ～Ⅵ号试验组于6月13日～6月17日产气不佳，产生气体中甲烷含量较低；Ⅰ,Ⅱ号在6月22日～6月25日达到产气高峰期，Ⅰ号产生气体中甲烷含量达到最高61%，Ⅱ号产生气体中甲烷含量达到最高62.2%；Ⅴ，Ⅵ号在6月19日～6月24日达到产气高峰期，Ⅴ号产生气体中甲烷含量达到最高52%，Ⅱ号产生气体中甲烷含量达到最高57%；Ⅲ号产生气体中甲烷含量最高为40.5%；Ⅳ号产生气体中甲烷含量最高为43.2%。如图6所示，累计排水量Ⅱ>Ⅵ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ。

图3 餐厨垃圾厌氧发酵制氢累计排水量

图4 制氢残渣沼气发酵pH值变化

图5 制氢残渣沼气发酵日排水量

日 期试验组ⅠⅡⅢⅣⅤⅥH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4hH2/CH4h%t%t%t%t%t%t6月15日05．3010．908．105．705．500．76月16日--013．1012．5011．508．3010．56月17日07．5014．4015．9022．6013．6017．36月18日010．0022．4018．5028．1015．60266月19日015．5037．8023．3031．3025．7033．36月20日021．3040028．1038．8037．8038．56月21日043052033．1043．2042．50426月22日053．2059．1040．5030．80480456月23日061061．5032．4023．3052050．46月24日060．3062．2028．8017．5042．4057．56月25日053060．4021．3011．20270396月26日038043．5011．207．2013020．46月27日018．1023．509．60706．7014．2

图6 制氢残渣沼气发酵累计排水量

3 讨论与结论

从试验结果可以得出，餐厨垃圾富含易降解有机物，是厌氧发酵的理想发酵底物，餐厨垃圾厌氧发酵可以连续产氢产甲烷，有利于提高餐厨垃圾资源化利用率。

餐厨垃圾厌氧发酵过程中，存在餐厨垃圾水解酸化过程，造成厌氧发酵体系pH值下降影响产气。通过调节pH值营造厌氧发酵产氢最佳pH环境和沼气发酵最佳pH环境，有利于提高氢气和沼气产气率和浓度。试验结果表明，厌氧发酵产氢阶段pH值为4.5～5.5，有利于氢气产生和产生气体中氢气浓度较高；沼气发酵阶段pH值为7.0～7.5,有利于甲烷产生和产生气体中甲烷浓度较高。

试验结果表明，在厌氧发酵产氢阶段接种沼渣和厌氧消化活性污泥为产氢菌种来源，经热处理后的沼渣和厌氧消化活性污泥比未经热处理的沼渣和厌氧消化活性污泥产气量大，产生气体中氢气浓度高，且未检测到甲烷气体成分。热处理以沼渣和厌氧消化活性污泥为来源的产氢菌有利于餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气。

试验结果还表明，餐厨垃圾厌氧发酵产氢阶段，接种沼渣为菌种来源的厌氧发酵产氢气量及产生气体中氢气浓度比接种厌氧消化活性污泥为菌种来源的厌氧发酵产氢效果好。厌氧发酵产氢残留物连续厌氧沼气发酵阶段，接种沼渣为菌种来源的厌氧发酵产沼气量及产生气体中甲烷浓度比接种厌氧消化活性污泥为菌种来源的厌氧发酵产甲烷效果好。

[1] 张庆芳, 杨林海, 周丹丹. 餐厨垃圾废弃物处理技术概述[J]. 中国沼气, 2012, 30(1): 22-26.

[2] 袁玉玉, 曹先艳, 牛冬杰, 等. 餐厨垃圾特性及处理技术[J]. 环境卫生工程, 2006, 14(6): 46-49.

[3] 徐晓军, 管锡君, 羊依金. 固体废弃物污染控制原理与资源化技术[M]. 北京:冶金工业出版社, 2007.

[4] Momirlan M, Veziroglu T. Recent directions of world hydrogen production [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 1999, 3(3): 219-231.

[5] Nandi R, Sengupta S. Microbial production of hydrogen: an overview [J]. Critical Reviews in Microbiology, 1998, 24(1): 61-84.

[6] Carnerio T F, Perez M, Romero L I. Influence of total solid and inoculum contents on performance of anaerobic reactors treating food waste [J]. Bioresource Technology, 2008, 99(15): 6994-7002．

[7] 杨占春, 陈晓晔, 朱建良. 利用餐厨垃圾循环连续厌氧发酵产氢研究[J].生物加工过程, 2005, 3(4): 62-65.

[8] 王勇会, 赵明星, 阮文全. 餐厨垃圾与剩余污泥混合消化产沼气协同效应[J]. 环境工程学报, 2014, 8(6): 2536-2542.

[9] Li R, Chen S, Li X. Anaerobic codigestion of kitchen waste with cattle manure for biogas production [J]. Energy & Fuels, 2009, 23(4): 2225-2228.

[10] Oh S E, Van Ginkel S, Logan B E. The relative effectiveness of pH control and heat treatment for enhancing biohydrogen gas production [J]. Environmental Science & Technology, 2003, 37(22): 5186-5190.

[11] 孙岩斌. 不同预处理对餐厨垃圾厌氧联产氢气和甲烷的影响及其机理研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2013.

[12] Ren N, Guo W, Wang X, et a1. Effects of different pretreatment methods on fermentation types and dominant bacteria for hydrogen production [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(16): 4318-4324.

[13] 李超伟, 康勇, 高 磊, 等. 高温厌氧消化处理餐厨垃圾试验研究[J]. 中国沼气, 2014, 32(3): 18-21.

[14] 袁玲莉, 孙岩斌, 文 雪, 等. 不同预处理对餐厨垃圾厌氧联产氢气和甲烷的影响[J]. 中国沼气, 2015, 33(2): 13-18.

[15] Kim D H, Kim S H, Jung K W, et al. Effect of initial pH independent of operational pH on hydrogen fermentation of food waste[J]. Bioresour Technol, 2011, 102(18): 8646-8652.

[16] 张玉静. 蒋建国. 王佳明. pH值对餐厨垃圾厌氧产酸的影响[J]. 中国给水排水, 2013, 29(1): 30-33.

[17] 蒲贵兵, 吕 波, 尹洪军. 餐厨垃圾发酵产氢中比产氢率与pH值的关系[J]. 重庆理工大学学报(自然科学), 2013, 27(6): 48-52.

[18] Li C L, Fang H. Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by mixed cultures [J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2007, 37(1): l-39.

[19] 李 明. 餐厨垃圾厌氧发酵制氢产甲烷一体化工艺及设备开发[D]. 上海: 同济大学环境与工程学院, 2008.

Experiment on Continuous Hydrogen and Methane Production in Food Waste Anaerobic Fermentation /

ZHANG Guo-hua, ZHANG Zhi-hong, HUANG Jiang-li, WANG Dong-sheng, DING Jian-nan /

(Institute of Biological Resources, Jiangxi Academy of Science, Nanchang 330096, China)

As high content of organic matter in food waste, it is an ideal substrate for anaerobic fermentation. This paper studied the feasibility of continuous production of hydrogen and methane in anaerobic fermentation of food waste from the point of view of inoculants source and pH value. The results showed that, treating of the food waste under 100℃ for 30 min and adopting anaerobic sludge and biogas residue as inoculants could improve the hydrogen production and hydrogen concentration in the hydrogen producing stage. The biogas residue as inoculants was better than the sludge. And pH of 4.5 ～ 5.5. was conducive to the hydrogen production fermentation. During the stage of methane fermentation with the residue of hydrogen production stage, the pH of 7.0 ～7.5 was in favor.And use of biogas residues as inoculants in hydrogen stage was better than the use of sludge as the inoculants in obtaining better biogas production and methane concentration for methane production stage.

food waste; anaerobic fermentation; hydrogen; methane

2015-08-26

2015-09-14

项目来源： 江西省科技计划项目(20111BBG70012-1)

张国华(1983-)，男，助理研究员，主要从事应用微生物及废弃资源再利用研究工作，E-mail: zhangguohua2050@163.com

丁建南，E-mail:jiannanding@aliyun.com

X705; S216.4

A

1000-1166(2016)04-0008-05