餐厨垃圾中的不同组分厌氧消化特性研究

刘德江， 侯凤兰， 李 瑜， 马 芳， 陈宗轶

(新疆农业职业技术学院， 新疆 昌吉 831100)

随着我国餐饮业的快速发展和人们生活水平的日益提高，餐厨垃圾的排放量急剧增长，目前，我国每年产生城市餐厨垃圾约1亿t，大量的餐厨垃圾不仅带来了一系列严重的环境污染问题，而且也造成了大量生物质能源的浪费[1-2]。厌氧消化技术是现阶段比较适合于我国国情和餐厨垃圾性质特点的处理技术之一，具有良好的发展潜力。 碳水化合物、蛋白质和脂肪是食物中的3大有机成分，也是餐厨垃圾的主要组成成分。随着人们生活水平的逐步提高和饮食结构的改变，蔬菜在一日三餐中的比例越来越大。因此，蔬菜(叶菜类、茄果类)已成为餐厨垃圾的第4种组分，蔬菜中的有机物主要为纤维素和维生素。李荣平[3]等人测定出了餐厨垃圾中这4种有机组分所占的比例：碳水化合物为42.5%～55.2%，蛋白质为15.0%～16.9%，脂肪为16%～24%，蔬菜为14%～20%。在厌氧消化过程中，由于脂肪的组成中含有较高的碳氢元素比例，它能比碳水化合物和蛋白质产生更多的甲烷气体。但是当脂肪含量过高时，容易造成脂肪酸的积累，从而抑制产甲烷的过程。碳水化合物中含有较多的多糖，易水解成葡萄糖进而再变成乙酸，在产甲烷菌的作用下产生甲烷，因此易发生厌氧消化作用。蛋白质水解后生成多肽和氨基酸，在产酸菌的作用下生成丙酸，再产生甲烷。蔬菜中的纤维素和维生素则不易水解、酸化生成乙酸等小分子有机物，因而产生甲烷的数量不会太多。近年来，国内外学者研究餐厨垃圾厌氧消化特性的文献报道很多，但大多是混合组分的沼气发酵。有关餐厨垃圾分类收集组分、并针对不同组分进行厌氧消化方面的研究报道则很少见，类似的文献也不多。本研究针对餐厨垃圾中的四种主要组成分的厌氧消化特性开展研究，旨在探讨不同组分的餐厨垃圾产甲烷的规律，为餐厨垃圾的能源化利用提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的原料采自新疆农业职业技术学院学生食堂，采取分类收集的方式采集4种不同组分：1)纯碳水化合物类(米饭、面条、馒头等)； 2)纯油脂类(动物脂肪及植物油等)； 3)纯蛋白质类(豆腐、鸡蛋等)； 4)纯蔬菜类(叶菜、茄果、食用菌等)。每种组分的总固体(TS)及挥发性固体(VS)含量详见表1。4类样品分别用餐厨垃圾粉碎机(ML-C620)研磨至3～5 mm大小，在厌氧消化之前冷藏在-20℃冰箱内。接种污泥(SS)取自新疆农业职业技术学院校内沼气池底部的沼渣，其性能指标详见表2。试验之前将接种污泥置于35℃，120 r·min-1的摇床内摇动24 h，以减少内生甲烷气体对结果的影响。

表1 餐厨垃圾不同组分的TS及VS含量 (%)

表2 接种污泥(SS)的性能指标

1.2 试验设计

本试验共设置4种发酵原料：处理1：纯碳水化合物类； 处理2：纯油脂类； 处理3：纯蛋白质类；处理4：纯蔬菜类。发酵瓶的有效容积为5 L，发酵液的浓度(TS)均设定为60 g·L-1，则4个处理所投入的原料量为： 处理1:300 g/35% =857 g； 处理2:300 g/28%=1072 g； 处理3：300 g/25%=1200 g； 处理4:300 g/12%=2500 g。

1.3 试验方法

将4种发酵原料分别置入4个容量瓶中，加入等量的接种物，搅拌摇匀后静置3 d，以驯化沼气微生物。然后分别加水至5 L容积，充入氮气以保持发酵瓶内的厌氧环境，立即密封发酵瓶口，连接好导气装置，开始进行厌氧发酵。发酵温度为35℃恒温，将发酵瓶放入水浴锅中。

1.4 分析指标与方法

总固体(TS):重量法，CS101-3 电热鼓风干燥器；pH值:玻璃电极法，pHS-3C型pH计；VS:600℃下灼烧减重，马弗炉；产气量:湿式流量计测定法，LML-3型湿式气体流量计；气体成分:红外测定法，GAS BOARD 2000。

2 试验结果与分析

2.1 不同组分厌氧消化的日产气量

每天观测记录每升发酵液的产气量，45 d的产气量如图1所示。

图1 4种组分厌氧消化的日产气量

由图1可知，在45 d的厌氧消化周期内，4种不同组分的发酵原料均出现了两次产气高峰，第1次约出现在第15天，第2次出现在第35天。餐厨垃圾的组分不同，其日产沼气量也有差异，油脂类和蛋白质类餐厨的产气量大小很接近，碳水化合物类与蔬菜类餐厨的产气量也很接近。在45 d的厌氧消化期内，累计产气量的大小次序为：油脂类餐厨>蛋白质类餐厨>碳水化合物类餐厨>蔬菜类餐厨。油脂类和蛋白质类餐厨的产气量远大于蔬菜类及碳水化合物类餐厨。在第1次产气高峰时，油脂类餐厨和蛋白质类餐厨的日产气量分别达到了630 mL·L-1d-1和60 mL·L-1d-1，产气量最小的是蔬菜类餐厨，只有430 mL·L-1d-1。这与李荣平[3]和覃亚宏[4]等人的试验结果是基本上一致的。再次表明了油脂类及蛋白质类餐厨具有较高的产气潜能，而蔬菜类餐厨的产气量较低，分析其原因：一是油脂和蛋白质中含有较高的碳氢元素比例，它能比碳水化合物产生更多的甲烷气体,而蔬菜中的纤维素和维生素则不易水解、酸化生成乙酸等小分子有机物，因而产生甲烷的数量就不会太多；二是蔬菜中的干物质含量较低、含水量较大，挥发性固体的含量仅是油脂、蛋白质和碳水化合物的1/3～1/2 ，所以，蔬菜类餐厨产甲烷的潜力就较小。

2.2 不同组分厌氧消化的产气率

在厌氧消化结束时，分别计算出4种不同餐厨组分挥发性有机固体(VS)的产气率(mL·g-1VS·d-1)，其结果详见图2。

图2 4种组分厌氧消化的日产气率

从图2中可以看出：4种不同餐厨组分在45 d的厌氧消化期间，产气率变化规律大致相同，第1天～30天逐渐增加并达到最大的产气率，之后相对稳定，第40天后又逐渐降低。单位质量的挥发性固体所产沼气的数量，即累计产气率(mL·g-1VS)，4种餐厨垃圾的累计产气率差异不太大，在消化结束时，处理1～处理4单位VS累计产气量分别为227 mL，454 mL，410 mL和215 mL。单位VS累计产气量(mL·g-1VS)较高的两类餐厨依然是油脂类和蛋白质类；较低的是蔬菜类。这与Ruihong Zhang[5]等在中温条件下，获得的餐厨垃圾(每克VS)累积甲烷产量472 mL·g-1，以及Cho，Park和Heo[6]等所报道的489 mL·g-1VS，相差不大。而与徐衣显[7]等采用连续半干式餐厨垃圾高温(55℃)厌氧消化，所获得的累计产气率973.2 mL·g-1VS相比，偏低了近2倍。再次表明，挥发性固体的累计产气率(mL·g-1VS)不仅与餐厨垃圾的来源和组成成分有关，而且还与发酵方式及温度的高低有关。

2.3 不同组分厌氧消化的甲烷含量

4个处理的甲烷含量详见图3所示。图3表明：在消化过程的前10天，甲烷含量持续增加，从10%迅速提高到40%以上。在第10天之后，4种发酵原料所产沼气中的甲烷含量变化在45%～65.1%之间，在第30天后，各处理的甲烷含量开始缓慢下降。从图3可看出：在45 d的发酵期内，日平均甲烷含量的大小顺序为：油脂类>蛋白质类>碳水化合物类>蔬菜类。油脂类与蛋白质类几乎相等，碳水化合物类与蔬菜类十分接近。分析其原因是：油脂类和蛋白质类化合物含有较多的C和H元素，易水解生成乙酸、丙酸和甘油等物质，在产甲烷菌的作用下能产生较多的甲烷；而碳水化合物及蔬菜类中含有较多的纤维素及木质素等物质，水解程度较困难。

图3 4种组分厌氧消化的甲烷含量

2.4 不同组分厌氧消化期周内pH值的变化

系统pH值对厌氧消化反应稳定性至关重要，其变化能够直观体现反应过程中产气环境的好坏，4种组分厌氧消化液的pH值变化曲线如图4所示。

从图4可以看出：在厌氧消化的前10天之内，4种组分发酵液的pH值均保持在7以下，表明在发酵初期(即酸化阶段)，消化液中含有较多的有机酸。第10天至第30天，pH值就从7缓慢提高到8，表明在产甲烷阶段，有机酸逐渐被微生物分解生成了甲烷，达到了稳定运行产气阶段。第30天以后，碳水化合物和蔬菜类的pH值稳定在7.5～7.9之间，而蛋白质和油脂类的pH值稳定在8～8.2之间。在整个厌氧消化期间，不同组分的消化液pH值并没有出现因水解酸化导致pH值急剧下降的情况，也没有出现因产甲烷导致pH值急剧升高的现象。证明反应器内微生物环境的缓冲能力较强，能够自行调节pH值。这与裴占江[9]和董滨[10]等人的试验结果基本一致。

图4 4种组分厌氧消化的pH值变化

3 结论

(1)餐厨垃圾的不同组分均可厌氧消化生产沼气，但所产生甲烷的数量是不一样的。在45 d的厌氧消化期内，单位质量的VS(即每克挥发性固体)累计产气量的大小次序为：油脂类>蛋白质类>碳水化合物类>蔬菜类。4类餐厨的数值差异较大，最高的为油脂类，达到了454 mL·g-1VS；最低的为蔬菜类，只有215 mL·g-1VS 。

(2)4种不同组分的餐厨垃圾所产沼气的气体组成差异不大，尤其是甲烷的含量相差不显著，均变化在45%～65%之间。但日平均甲烷含量的大小顺序为：油脂类>蛋白质类>碳水化合物类>蔬菜类。

(3)在整个厌氧消化期间，不同发酵组分的消化液pH值较稳定，没有出现因水解酸化导致急剧下降或因产甲烷导致pH值急剧升高的现象。

(4)综合比较4种餐厨组分的厌氧消化效率，以蛋白质类及油脂类的产气效率较高，其次为碳水化合物类，最差的是蔬菜类。此结论可为餐厨垃圾的处理提供依据。