湿垃圾与猪粪混合厌氧发酵初步研究

李 玲， 宗文明， 朱洪光， 成潇伟, 徐宇鹏， 彭胜男

(1.安徽农业大学 工学院， 安徽 合肥 230036； 2.同济大学 新农村发展研究院生物质能源研究中心， 上海 201804)

湿垃圾与猪粪混合厌氧发酵初步研究

李 玲1， 宗文明1， 朱洪光2， 成潇伟2, 徐宇鹏2， 彭胜男2

(1.安徽农业大学 工学院， 安徽 合肥 230036； 2.同济大学 新农村发展研究院生物质能源研究中心， 上海 201804)

湿垃圾主要是纤维、竹木、厨房菜渣等含有机物成分的废弃物，城市生活垃圾中50%以上为湿垃圾，且逐年增长，湿垃圾的处理问题刻不容缓。文章提出将湿垃圾与猪粪进行混合厌氧发酵，旨在为湿垃圾的循环利用提供新途径。将菜叶、剩饭、果皮、烂水果收集粉碎搅匀后，与猪粪按照不同比例混合于55℃下发酵，通过分析配比率对沼气产量、甲烷含量、沼液SCOD和碱度的影响，探究该处理方法的可行性以及混合发酵和单一发酵间的差别，优化发酵的条件。结果表明：原料配比率对产气有显著影响，合适的配比率不仅能提高总产气量还能提高甲烷含量，湿垃圾的添加比例过高时则会对发酵产生抑制作用。具体表现为猪粪和湿垃圾的配比率为4∶3时最适宜，相对猪粪单一发酵，总产气量可以提高79%，SCOD去除率可以提高12%，仅需3天便可成功启动，随后甲烷含量稳定维持在60%左右直到产气结束。

厌氧发酵; 猪粪; 湿垃圾; 混合发酵; 沼气工程

在过去的10年里，随着农业产业结构的调整和农村经济的发展，以及群众对肉类食品消费需求的不断提高，各省市相继出台了相关政策，鼓励和扶持畜禽养殖业，使其走上快速发展的道路。据统计，2015年，全国生猪出栏量达到70825 万头，猪肉产量达5487万吨。2015年，全年生猪的平均价格为每千克15.4元，比2014年上涨了13.5%，全国猪肉平均价格每千克24.7元，比上年上涨9.8%。[1]。我国畜禽养殖行业发展迅速，由于集中养殖能够节约土地，降低管理运营成本，规模化养殖比例持续升高，同时产生大量的畜禽粪便，其集中处理也成为一大难题。2010年我国畜禽养殖业主要水污染排放中COD和氨氮排放量分别达到1148万t，65万t[2],占农业源排放总量的比例分别为95%和78%。随着我国畜禽养殖业的进一步发展，预计到2020年，我国畜禽养殖业的COD和氨氮的年排放量将分别达到1480万t，97万t，将比2010年分别增加29%和49%，畜禽养殖污染已经成为农业污染源之首。高度集约化的养殖产生大量集中的畜禽废弃物，种养平衡关系失调，养殖废弃物由农业利用的资源转变为破坏环境的污染物和困扰养殖者的最棘手问题。大量的畜禽污染物直接进入养殖场的地下水体，在局部地区，畜禽养殖污染相当严重，甚至威胁饮用水的安全；养殖场散发的臭气日益成为周边居民投诉和引发纠纷的原因；没有及时规范安全处理病死畜禽尸体的现象也频频曝光。如果不能探索一条经济上合理、技术上可行的污染综合防治模式，必然会影响我国养殖业健康良性发展。

近年来，沼气发酵技术发展迅速，已经成为提高农村畜禽粪便和农作物秸秆资源化利用的有效途径[3-5]。单一原料发酵已得到深入细致的研究，并形成了较成熟的技术体系而应用于实际生产生活中[6-9]。人畜粪便、有机垃圾单独发酵时，粪便的发酵效果明显优于有机垃圾的发酵效果，但人畜粪便是碱性物质，是有机垃圾较好的混合物，而利用两种或多种有机废弃物混合发酵，通过调节进料配比，可以使有机质的C/N处于适宜的范围，提高厌氧发酵效率[10]。微生物生长和产沼气的过程需要多种营养元素，营养元素的平衡也是微生物生长必须的[10]，而多种多样的有机垃圾恰巧可以提供多种营养元素。厌氧消化技术是最重要的生物质能利用技术之一，它使固体有机物变为溶解性有机物，再将蕴藏在废弃物中的能量转化为沼气，以实现资源和能源的回收；厌氧消化后残渣少，性质稳定；反应设备密闭，可控制恶臭的散发。厌氧消化极大地改善了有机废弃物处理过程的能量利用率，在经济和环境上均有较大的优势[11]。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所用猪粪为上海市崇明县花园村的新鲜猪粪，接种物为取自富民农场以猪粪为发酵原料正常发酵的沼气工程所产生的沼渣，湿垃圾由剩米饭、菜叶和果皮按照质量比为1∶1∶1的比例混合，剩米饭取自同济大学食堂，菜叶和果皮取自同济大学对面的菜市场。接种物是在实验室中高温(55℃±1℃)驯化成功的污泥。在试验前测定了3 者的理化性质，如表 1 所示。

表1 试验材料的理化性质 (%)

1.2 试验装置

试验所采用的厌氧发酵装置由以下4 个部分组成( 见图 1)：恒温水浴振荡箱、蓝盖玻璃瓶、导气管、采气袋。其中蓝盖玻璃瓶容积为250 mL，采气袋为 1 L 的铝箔采气袋。

1.恒温水浴振荡箱； 2.蓝盖玻璃瓶； 3.导气管； 4.铝箔采气袋图1 试验装置图

试验工作过程为:按一定接种率向混合发酵原料里添加接种物，搅拌均匀后加入到厌氧发酵瓶中盖上瓶盖并用蜡密封好，将蓝盖玻璃瓶置于恒温水浴振荡箱中，发酵产生的沼气通过导气管输入到铝箔采气袋中，每日更换采气袋，并用100 mL注射器抽出其中的气体，测出其体积得到日产气量，在测定气体成分时，用10 mL注射器抽取5 mL气体注入气相色谱仪中进行气体成分分析。

1.3 试验方法

将不同比例(7∶0，6∶1，5∶2，4∶3，3∶4，2∶5，1∶6，0∶7)混合的生活垃圾和猪粪，混合均匀后作为发酵原料分为A～H组，采用一次投料的方式，在接种率为30%，进料浓度为5%的情况下加入相应质量的接种物和水，最终调节发酵总重为200 g，同时设置仅有接种物的对照组，以此来排除接种物对实验产气的影响。将厌氧发酵瓶密封后置于 2 台恒温水浴振荡器中，设置温度为55℃，同时设置振荡频率为 100 r·min-1。启动试验后每天测定产气量，每两天测定一次气体成分，以一周内无气体产生判断为反应结束。

1.4 分析方法

总固体含量( TS) ： 烘干法( 恒温鼓风干燥箱中，温度为105℃ 下烘至恒重) ；挥发性固体含量( VS) ：烘干法( 马弗炉中温度为600℃烘干 2 h) ；含水率、灰分烘干法；pH 值: 精密 pH 计( PHS-25) 测定; 总有机碳( TOC) ：大约为有机质的 47%[12]，TOC = 0． 47 × VS；总氮( TN) : H2SO4-H2O2消煮滴定法( NY525-2012) ； 产气量：注射器抽取测定；气体成分：气相色谱分析仪测定( GC122，TCD 检测器，氢气载气，上海精科) 。物料的产气潜力用 TS 产气量表示，物料有机质转化潜力用 VS 产气量表示[13]，计算公式如下：

TS产气量=总产气量-空白组总产气量总固体含量

(1)

VS产气量=总产气量-空白组总产气量挥发性固体含量

(2)

2 结果

2.1 日产气量

图2为不同试验组的日产气量变化情况。由图可以看出，各实验组的产气情况在试验的前12 d有较大的区别，当试验进行到12 d之后8个试验组的日产气量走势十分接近，也就是说这几组不同配比的试验组之间最大的区别是在前11 d。随着湿垃圾的比例增加试验周期变短，日产气峰值出现的越早。A(纯猪粪)，B(猪粪∶垃圾=6∶1)，D(猪粪∶垃圾=4∶3)均在第2天达到第一个峰值，日产气分别为77 mL，152 mL，329 mL，第3天产气量均出现骤减，整体开始呈现一个振荡下降的趋势，并在第13天左右降到最低值，日产气量仅在10 mL左右，随即3组的日产气量又开始逐渐上升，并在20天左右达到第2个峰值，此后3组的日产气量开始迅速减少，反应趋向于停止。C(猪粪∶垃圾=5∶2)，D(猪粪：垃圾=4∶3)，F(猪粪∶垃圾=2∶5)，G(猪粪∶垃圾=1∶6)，H(单一湿垃圾)组在试验进行第1天达到第1个峰值，分别为396 mL，568 mL，414 mL，506 mL，558 mL，随后日产气开始迅速下降。H组(单一湿垃圾)在试验进行到第5天发酵停止。

图2 不同试验组日产气量变化图

2.2 总产气量

图3为不同试验组总产气量的变化情况，图4为各组的总产气量。由两图可知，在试验的前5 d，D，F，G组的产气量十分相似除空白组外的各试验组产气量几乎一致，第6天开始，D组的总产气量明显高于F组和G组，可能由于D组的猪粪和有机垃圾的混合比例相当，使其pH值接近弱碱性，有利于厌氧发酵的进行，使其总产气量呈稳定上升趋势，而F和G组由于有机垃圾的比例较大，使其pH值低于D组。同样H组由于是湿垃圾的单一发酵，各种菜叶、果皮偏酸性，使其pH值较低不利于厌氧发酵的进行，从而导致H组在发酵进行的第5天停止产气。从试验的总产气量的柱状图来看的话，总产气量随着湿垃圾添加比例的增加，总产气量呈现先增加后减少的趋势，A，B，C，D，E，F，G，H组的总产气量分别为909 mL，975 mL，1337 mL，1798 mL，2523 mL，1216 mL，1625 mL，1316 mL，而造成这种结果也是由于猪粪与有机垃圾的比例不同，使每个试验组的pH不同才导致总产气量的不同。因为pH值对厌氧发酵能否顺利进行至关重要，因为pH值可以影响产甲烷菌的菌体及酶系统的生理功能及活性，影响发酵环境的氧化还原电位以及基质的可利用性[14]。

2.3 甲烷含量

图5为各试验组甲烷含量的变化情况，由图可知，A组，F组，G组的甲烷含量在厌氧发酵启动后的前5 d内较为相似，且一直处于一个较低的水平，仅在30%上下浮动，不同的是A组为纯猪粪组随着发酵的进行，甲烷含量虽增长缓慢，但一直稳定的增加，最后维持在一个稳定的水平。B组，C组，D组，E组随着发酵的进行，前6天左右甲烷含量都呈明显的上升趋势，随着就一直维持在一个稳定的水平，在60%～70%左右。可见猪粪与有机垃圾混合只要比例适当，使pH值维持在适合厌氧发酵的水平，就可以使甲烷含量迅速稳定在一个较高的范围，所以只要比例恰当这两种原料混合更适合厌氧发酵。

图3 不同试验组总产气量变化图

图4 不同试验组的总产气量图

图5 不同试验组的甲烷含量变化图

2.4 单位 TS 和 VS 产气量

根据各试验组所测得的产气量和投加物料的TS 值和 VS 值计算出各物料单位 TS 和 VS 产气量分别如图6和图7所示。高温发酵时，猪粪的单位TS 和 VS 产气量分别为 129.86 mL·g-1和 179.28 mL·g-1，E组(猪粪∶垃圾=3∶4)的混合物料单位 TS产气量、VS 产气量最高，分别为360.43 mL·g-1，342.84 mL·g-1。从A组到H组随着猪粪/垃圾比值的降低，TS产气量和VS 产气量的变化趋势都是先升高后降低的模式，而最佳混合比例的E组的TS的产气量要比单一猪粪组提高277%，比单一垃圾组提高192%；VS产气量要比单一猪粪组提高191%，比单一垃圾组提高236%。

图6 各物料TS产气量对比图

图7 各物料VS产气量对比图

2.5 高温组SCOD去除率

从A组～H组随着猪粪含量的逐次降低，SCOD去除率呈现先升高后降低的趋势，与产气总量的趋势十分吻合，这也说明当猪粪：垃圾的比值为4∶3时更加有利于两者混合发酵。D(猪粪：垃圾=4∶3)，E(猪粪：垃圾=3∶4)两组的SCOD去除率相近且较高。而F(猪粪：垃圾=2∶5)，G(猪粪：垃圾=1∶6)，H(单一垃圾)3组的去除率偏低在20%～30%以内，可能是由于厌氧发酵过早结束发酵。

图8 SCOD去除率

2.6 碱度

图9 各物料发酵结束碱度对比图

3 试验分析

3.1 一定比例的有机垃圾与猪粪混合有利产气

通过对各试验组日产气量、总产气量、甲烷含量的分析可知：纯猪粪A组需要发酵16天左右才可以使甲烷的含量超过50%，而当猪粪和有机垃圾混合时可以迅速缩短甲烷含量趋于稳定的时间且只要5天左右就可以使甲烷含量超过50%。两者以一定的比例混合可以明显提高产气总量和甲烷含量。东北农业大学的周领曾研究用碱性溶液对畜禽粪便进行预处理，发现用2.5%浓度的NaOH溶液处理牛粪反应效果较好[18]，但出于对实际工程应用成本的角度考虑本试验所用猪粪并没有用碱性溶液处理过。从产甲烷菌的角度出发两者混合也有利于丰富菌种所需的营养，因为有机垃圾中所含的维生素、微量元素、生物素、叶酸、泛酸等确实是产甲烷菌所需要的。

3.2 当猪粪中有机垃圾的比例添加过量时会抑制厌氧发酵

由上述结果可知，当猪粪和有机垃圾的比例为5∶2，6∶1，7∶0时试验组的pH值会偏低不利于厌氧发酵的进行，会使厌氧发酵提前终止。分析原因是有机垃圾本身的pH值较低，所以纯有机垃圾组无法进行厌氧发酵，而即使两者混合若猪粪的微碱环境没有中和有机垃圾中的酸性物质，使两者混合后的pH值适合厌氧发酵那么试验也不能很好的进行。试验所用的接种物的含固率很低，这样就使得30%的接种率需要加入相当大一部分体积的接种物，而接种物偏碱性，就使得按以上比例混合的发酵物一旦加入接种物之后，其pH值都是适合厌氧发酵的。开始我们认为这可能不是由于pH值得原因，后期我们又重复了一次试验，这次我们将猪粪和有机垃圾混合后(没有加入接种物前)的pH值测了一下，发现当仅仅只有猪粪和有机垃圾混合后的pH值适合厌氧发酵，那么后期试验不会过早结束，而二者混合的pH值不适合厌氧发酵的试验产气时间一般不会超过5 d。这就证明如果未加入接种物的发酵原料，只要pH值在厌氧发酵范围都可以进行厌氧发酵，若混合后pH值不在合适范围就不能很好的进行厌氧发酵。一定浓度的有机酸会打破细胞内的酸碱平衡，导致细胞失活，这样产甲烷菌的降解速率会降低，导致有机酸积累从而使得发酵料液酸化，最终使发酵趋于停止[18]。

4 结论

通过批式试验，首先验证了当原料为猪粪和湿垃圾时厌氧发酵是可行的，其次说明了向猪粪中添加一定比例的湿垃圾对最终的厌氧发酵非常有利：一个合适的猪粪与湿垃圾的添加比例能够同时提高总产气量和甲烷含量。但当有机垃圾的添加比例过高时会对厌氧发酵产生抑制作用从而影响沼气工程的正常运行。试验组中当猪粪∶有机垃圾=4∶3时最有利于厌氧发酵，且与单一猪粪组相比总产气量可以提高79%，SCOD去除率可以提高12%，甲烷含量第3天就可以提高到50%以上，且从第3天开始甲烷含量就一直稳定在60%左右直到产气结束。

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Preliminary Study on Wet Garbage and Pig Manure Mixed Anaerobic Digestion /

LI Ling1, ZONG Wen-ming1, ZHU Hong-guang2, CHENG Xiao-wei2, XU Yu-peng2, PENG Sheng-nan2/

(1.Anhui Agriculture University，College of engineering,Hefei 230036, China; 2.Bio-Energy Research Center, Institute of New Rural Development, Tongji University, Shanghai 201804, China)

More than 50% of the city waste were wet garbage containing organic matters as fiber, bamboo, kitchen vegetable wastes, etc.This approach was to mix the wet garbage with pig manure for anaerobic fermentation, so that to find a effective way for recycle use of wet garbage. Smashing and stirring the collected kitchen leftovers, leaves, peel rotten fruit and then mixed with pig manure in different ratio at 55℃, parameters of biogas yield, methane content, SCOD and alkalinity in biogas slurry, were measured and analyzed. The results showed that the mixing ratio had significant effect on gas production.A proper mixing ratio could not only increase the total gas production, but also increase the methane content. In this experiment, the optimum pig manure and wet garbage mixing ratio was 4∶3, which increased total gas production by 79% comparing with the sole pig manure fermentation, increased the SCOD removal rate by 12%, and only need 3 days for starting up successfully. The methane content was maintained at about 60% until the end of fermentation.

anaerobic fermentation； pig manure； organic waste； wet garbage; mixed fermentation； biogas engineering

2016-10-14

2016-12-13

项目来源： 安徽农业大学学科培育项目(2014XKPY-53)； 国家科技支撑计划项目(2015BAD21B04)； 安徽省自然科学基金面上项目(1308085MC30)； 安徽省高校省级科研重点项目(KJ2012A104)； 自然光植物工厂集成示范(2013AA103006)

李 玲(1990-)，女，硕士，主要研究方向为生物质能源工程，E-mail: 1239792568@qq.com

宗文明，E-mail:wmzong@ahau.edu.cn； 朱洪光，E-mail:zhuhg@tongji.edu.cn

S216.4； X705； X713

A

1000-1166(2017)02-0062-06