三种预处理方式对餐厨垃圾液相厌氧发酵的影响

曹辉++浦鹏　蒋弟勇　李叶青　周红军

摘要：指出了预处理可以改变餐厨垃圾的性状，提高厌氧发酵性能，采用了3种物理处理方式考察了其对餐厨垃圾性质变化和厌氧发酵性能的影响。结果表明：经过破碎预处理后的餐厨垃圾液相中的VS和COD都高于经过过滤和挤压的餐厨垃圾液相。餐厨垃圾液相产气潜力从大到小分别为破碎>挤压>过滤，经过破碎预处理后的样品累计产气分别比过滤和挤压高出了145.9%和82.83%，产气的甲烷含量也明显高于其他两种处理方式。

关键词：餐厨垃圾；预处理；厌氧发酵；产气潜力

中图分类号：X799.3

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12000103

1引言

餐厨垃圾被称为“放错地方的资源”，从来源上主要分为餐饮垃圾和厨余垃圾两大类[1]。从目前情况看，在城市生活垃圾中餐厨垃圾所占比重很大[2]。中国每年产生的餐厨垃圾高达6000万t，个别大城市如北京、重庆和广州等十分惊人[3]。因为餐厨垃圾的特点是含水率高，油脂含量高[4]，NaCl含量高[5]；有機物和各种微量元素含量高；易腐烂发臭，污染环境[6]，而随着餐厨垃圾产量的逐年上涨，所带来的卫生安全隐患也在增加，所以处理餐厨垃圾势在必行。

由于餐厨垃圾的组分复杂，特性也不同于污水等生物质废物，所以也导致其厌氧发酵过程十分复杂，而现有的餐厨垃圾厌氧发酵技术存在甲烷转换效率低和发酵周期长等对工业化不利的弊端，所以探索高效的预处理技术是十分必要的。

目前餐厨垃圾预处理的主要方式分为物理预处理、化学预处理和生化预处理三大类。从工业化的角度来看，物理预处理比其他两种方式更容易操作也更稳定。物理预处理的主要方式是减小颗粒物尺寸，增大颗粒物比表面积，Weemaes[7]、Clarkson[8]等发现经过粉碎后的餐厨垃圾可以提高10%～20%的产气量。

2材料与方法

2.1实验材料

实验所用餐厨垃圾取自中国石油大学第一食堂餐厨垃圾收集桶，经手工分拣出其中的筷子、勺子和瓷片等杂物，分别经过滤、挤压和破碎预处理，取经过3种预处理后所得的液相组分作为发酵底物备用，厌氧发酵接种物取自实验室稳定运行的CSTR反应器。

2.2实验方法

2.2.1预处理实验

对目前国内外工艺中采用较为广泛的3种固液分离的机械预处理方式：过滤，挤压和破碎进行对比。

（1）过滤预处理。取经过分检后的餐厨垃圾，置入装有滤网的筛桶中，过滤出餐厨垃圾中的液相部分，收集至烧杯，为后续的餐厨垃圾批式产气潜力实验做准备。过滤预处理后检测物料的pH值、TS、VS、COD等参数。

（2）挤压预处理。取经过分检后的餐厨垃圾，置入手动挤压机中，经手动挤压后，在挤压机出口收集经过挤压分离的餐厨垃圾中的液相部分，为后续的餐厨垃圾批式产气潜力实验做准备。挤压预处理后检测物料的pH值、TS、VS、COD等参数。

（3）破碎预处理。取经过分检后的餐厨垃圾，置入小型破碎机中，经破碎后，将浆状的餐厨垃圾放入手动挤压机中挤压，在挤压机出口收集经过挤压分离的餐厨垃圾中的液相部分，为后续的餐厨垃圾批式产气潜力实验做准备。挤压预处理后检测物料的pH值、TS、VS、COD等参数。经过3种预处理后的餐厨垃圾液相部分性质见表1。

2.2.2批式产气潜力实验

取经过3种预处理后的餐厨垃圾液相部分各16 mL分别与184 mL接种物混合，置入250 mL发酵瓶，用氮气排出瓶内空气。每种预处理方式设置两个平行实验，并加设两个发酵瓶，其中只加入184 mL接种物作为空白组，共计11发酵瓶，发酵21 d。恒温摇床的温度设定在37℃，120 r/min。实验过程中的分析项目主要包括通过ANKOM微生物发酵产气测量系统记录日产气量和用气相色谱监测沼气成分，待每天产气量低于累积产气量的1%时，即可停止实验。

3结果与讨论

3.1预处理效果

3.1.1COD的变化

经过3种不同方式的预处理后餐厨垃圾液相组分的COD如图1所示。从图1可以看出经过过滤预处理的餐厨垃圾液相COD与经过挤压预处理差距不大，而经过破碎预处理的餐厨垃圾液相COD明显更高，说明餐厨垃圾溶液中有机物质含量更高。

3.1.2VS的变化

经过3种不同方式的预处理后餐厨垃圾液相组分的VS如图2所示。从图2可以看出经过过滤预处理的餐厨垃圾液相VS最低，经过破碎预处理的餐厨垃圾液相VS最高，经过挤压预处理的餐厨垃圾液相VS介于两者之间。

3.2批式产气潜力

3.2.1产气潜力

图3显示了批式发酵日产气实验结果。图3说明，经过21 d的发酵，经过破碎预处理的餐厨垃圾液相的产气量普遍高于另外两种预处理方式，从结果可知，产气速率在发酵初始5 d内迅速上升，从第10 d开始迅速下降，在最开始的3 d，经过破碎预处理的餐厨垃圾液相的产气量并不是最高，这是因为其负荷最高，导致其启动偏慢，而另外两种预处理方式的负荷较低，经过过滤和挤压预处理的样品分别在第9 d和第13 d停止产气。

图4显示了批式发酵累计产气实验结果，图4说明，经过21 d的发酵，餐厨垃圾液相累计产气量从多到少预处理方式分别为破碎、挤压和过滤，从结果可以看出，经过过滤预处理的样品的最终累计产气为1078 mL，经过挤压预处理的样品的最终累计产气为1450 mL，经过破碎预处理的样品的最终累计产气为2651 mL，经过破碎预处理的样品的累计产气分别比过滤和挤压高出了145.9%和82.83%。

3.2.2产气组成

在发酵的前3 d，经过破碎预处理的样品的沼气中甲烷含量很低，在这之后的日产沼气的甲烷含量均保持较高水平，这是因为经过破碎预处理的样品负荷最高，导致其启动偏慢，但因为其有机质含量高，所以产气甲烷含量也高。

4结论

对餐厨垃圾进行过滤、挤压和破碎3种物理预处理研究，以pH值、VS和COD三项指标做对比确定最好的物理预处理是破碎，经过破碎预处理的餐厨垃圾的VS相较于前两种方式分别提高了125.0%和73.15%，COD相较于前两种方式分别提高了22.14%和19.24%。经过过滤、挤压和破碎三种物理预处理后的餐厨垃圾液相发酵的产气潜力是破碎>挤压>过滤。经过破碎预处理的样品产气启动较慢，但累计产气分别比过滤和挤压高出了145.9%和82.83%，产气的甲烷含量也明显高于其他两种处理方式。

参考文献：

[1]

汪群慧，马鸿志，王旭明，等. 厨余垃圾的资源化技术[J]. 现代化工，2004，24（7）：56～59.

[2]Zhang B， Zhang L L， Zhang S C， et al. The influence of pH on hydrolysis and acidogenesis of kitchen wastes in two-phase anaerobic digestion[J]. Environmental technology， 2005， 26（3）：329～340.

[3]曾彩明，李嫻，陈沛全，等. 餐厨垃圾管理和处理方法探析[J]. 环境科学与管理，2010，35（11）：31～35.

[4]梁政，杨勇华，樊洪，等. 餐厨垃圾处理技术及综合利用研究[J]. 中国资源综合利用，2004（8）：36～38.

[5]潘丽爱，张贵林，石晶，等. 餐厨垃圾特性的试验研究[J]. 粮油加工，2009（9）：154～156.

[6]曾彩明，李娴，陈沛全，等. 餐厨垃圾管理和处理方法探析[J]. 环境科学与管理，2010，35（11）：31～35.

[7]M Weemaes， H Grootaerd， F Simoens. Anaerobic digestion of ozonized biosolids[J]. Water Research， 2000， 34（8）： 2330～2336.

[8]W W Clarkson， W Xiao. Bench scale anaerobic bioconversion of news print and office paper[J]. Water Science and Technology， 2000， 43（3）：93～100.