甘蔗物料与餐厨垃圾协同厌氧发酵及工程参数分析

田启欢， 姚建刚， 谭 婧， 陈 尧

(1.杭州能源环境工程有限公司， 浙江 杭州 310020； 2.浙江省生物燃料利用技术研究重点实验室， 浙江 杭州 310014； 3.广西维尔利环保技术开发有限公司， 广西 南宁 530112)

随着经济的快速发展和人民生活水平日益提高，能源短缺问题不断显现，生物质能因其清洁安全、资源丰富、环境友好等优点被视为最有潜力的可再生能源之一[1]。南方地区甘蔗的年产量达7000万t，基于甘蔗渣的综合利用，符合国家倡导的可再生能源发展规划的生物燃料基础原料[2]。餐厨垃圾是指居民生活、食品加工、饮食服务等活动中产生的食物废料，是第二大城市生活垃圾产生源[3]。将餐厨垃圾进行厌氧发酵进行资源和能源化，由于高油脂、高盐分、高蛋白、高 COD含量、低 pH 值等特点，容易导致发酵体系酸化，单纯餐厨垃圾厌氧发酵的问题有较多研究和工程案例[4-5]。采取有效措施处理甘蔗渣和餐厨垃圾是实现有机废弃物资源化利用，推进城市绿色可持续发展的关键。沼气生产的农业废弃物主要是秸秆和动物粪便，对单一形式的原料已不能满足迅速发展的沼气工程建设，因此需要探索多种原料混合发酵协同生产生物沼气的技术工艺[6]。由于甘蔗渣等农林废弃物 C/N 较高，而餐厨垃圾通常具有高盐、高油、高蛋白的特性，将两者进行共发酵能够有效地相互促进，在发酵底物中形成最佳的营养供给，从而充分地保证了微生物的活性，促进微生物的生长，调节发酵系统的缓冲能力，使厌氧发酵高效稳定运行，提高沼气产量[7]。混合发酵同时预处理发酵原料，同时也有效提高发酵原料的生物质能转化率。与餐厨垃圾相比甘蔗渣酸化时间相对较长，将两者进行混合发酵可以缓解餐厨垃圾的酸化程度，避免厌氧细菌生长被抑制，提高厌氧发酵系统的稳定性。通过餐厨垃圾与甘蔗渣、牛粪等的共发酵可以更好地提高厌氧发酵系统的稳定性，改善营养平衡和有机负荷，降低化合物的毒性[8-9]。

本试验以实现废弃物的资源化利用为宗旨，着重关注于甘蔗物料和餐厨垃圾混合发酵生产生物质绿色能源沼气。试验过程分别以餐厨垃圾、甘蔗物料作为单一物料进行厌氧发酵，同时以混合物料厌氧发酵，通过对比产甲烷效果，验证混合原料协同厌氧发酵生产生物沼气的良好性能。并通过混合物料的工程运行的过程参数分析，为甘蔗物料和餐厨垃圾的资源化利用问题提供一定的技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验餐厨垃圾来自广西南宁市武鸣区各高校及饭店，经过人工将塑料袋、瓶盖、筷子等杂质筛分，破碎挤压后得到的浆料。甘蔗物料取自武鸣区甘蔗种植地甘蔗秸秆及废弃尾叶等，经过破碎机破碎后，人工剪至粒径小于2 cm。接种物取自广西维尔利环保技术开发有限公司正常运行的生物天然气项目的厌氧消化沼液池。

本试验餐厨垃圾、甘蔗物料和接种物，具体成分见表1。

表1 原料理化特性 (%)

1.2 试验装置

本试验采用1000 mL的广口瓶作为厌氧发酵瓶，集气瓶1000 mL和排水量筒1000 mL组合。发酵瓶置于恒温水浴锅中，温度控制在为35℃±1℃。广口瓶用橡胶塞密封，塞上插入不锈钢管导气，发酵装置和集气装置用乳胶管连接。采用排水集气法收集沼气。

1.3 实验方法

发酵潜力试验设置餐厨垃圾、甘蔗物料两种单一物料，混合物料为模拟工程运行的配比物料(按鲜重比甘蔗物料∶餐厨垃圾=10∶1)。为了防止试验中受到酸抑制和保证较好的物质扩散，基于VS底物/VS菌种≤0.5，分别取30 g、25 g、45 g置于发酵瓶中，接种率按德国VDI能源手册，加入接种物600 g,充分混合均匀后密封，置于温度为35℃±1℃的恒温水浴锅中。每日早晚手动摇晃发酵瓶1次，定时测量产气量，同时测量CH4含量。每组试验均设置3组平行组。

混合物料沼气工程项目利用甘蔗物料和餐厨垃圾混合，采用CSTR全混式厌氧发酵罐经中温厌氧发酵产沼气，利用膜分离沼气提纯净化工艺，去除其中的H2S、CO2等主要杂质，再经脱水压缩成为高压生物天然气。

1.4 检测方法

原料的总固体(Total solid，TS)与挥发性固体(Volatile solid，VS)的测定采用重量法；采用沼气分析仪(ADOS-Biogas 401，ADOS，德国)测试沼气成分；批式试验沼气流量采用排水法测量，沼气工程采用热质式流量计(Proline t-mass 65，Endress+Hauser，德国)测量沼气流量；采用便携式pH计(PHS-2C，雷磁)测定pH值。其他指标外送正规机构检测。

2 结果与讨论

2.1 不同物料产气特性

2.1.1 不同物料日产气量特性

不同物料厌氧发酵日产气量情况如图1所示。餐厨垃圾日产气规律不同于其他两种物料，是由于其蛋白质、油脂等有机物含量高，在微生物作用下易被分解。发酵过程初期产酸菌群利用物料中的可溶性有机物，产生挥发性脂肪酸累积，造成体系pH值下降，导致产甲烷菌活性受到抑制[10-11]，产气量会在一段时间内有较大的波动，出现多个产气峰值。混合物料的产气较餐厨垃圾波动小，秸秆的纤维结构提高了物料的孔隙率，增强了餐厨物料对微生物环境的缓冲能力，更加适宜产甲烷微生物的生存[12]。餐厨垃圾的日产气峰值出现在第8天和第13天，分别为434.0 mL和370.0 mL。混合物料产气峰值较餐厨垃圾提前，为4 d和13 d，产气量分别为392.0 mL和418.0 mL。甘蔗物料日产气量呈现先增加后减少的规律，产气峰值出现在第5天，为256.5 mL。

图1 不同物料日产沼气量

2.1.2 不同物料产气率特性

图2为不同物料厌氧发酵产气率情况。一般认为物料反应初期气体成分主要是CO2和H2等，随着反应时间的进行，产气率逐渐趋于平缓。餐厨垃圾物料产气率最高，为167.32 mL·g-1，混合物料产气率为140.34 mL·g-1，单一甘蔗物料则为90.18 mL·g-1。依据本研究可知，甘蔗秸秆中混入9.09%的餐厨垃圾，整体的物料产气率较单一的甘蔗物料提高55.63%。混合物料累积产气速率较其他两种物料平缓，是由于甘蔗物料与餐厨垃圾进行协调共发酵有利于维持发酵系统的稳定性[13]，随着甘蔗物料产气性能减弱，产气性能与餐厨垃圾保持一致。

图2 不同物料产沼气率

2.1.3 不同物料TS、VS及甲烷产气特性

物料TS和VS/TS是厌氧发酵的重要参数，由表1数据可知，餐厨垃圾和甘蔗物料的有机含量均较高，VS/TS高达90%[14]。从表2可以看出，混合物料的TS产气率为774.52 mL·g-1TS，较甘蔗物料提高103.34%。同时对比产气时间T50和T70，混合物料较餐厨垃圾均提前，由于产气周期的增加，较甘蔗物料分别退后4 d和5 d。甲烷含量及甲烷产气率方面，餐厨垃圾的添加可明显提升甘蔗物料的甲烷含量和甲烷产率。将餐厨垃圾与甘蔗物料进行混合发酵，不仅有效处理餐厨垃圾，还有效促进甘蔗物料的产气效率，与餐厨垃圾和甘蔗物料单独厌氧发酵相比，混合物料厌氧消化的产甲烷效率提高，厌氧发酵装置产气效率也有提高。

表2 原料产气率特性

2.2 混合物料沼气工程运行参数分析

2.2.1 日处理量及物料产气率参数变化

本项目日处理甘蔗物料100 t，餐厨废弃物10 t。取正常运行80 d的一个产气区间为对象，分析日处理量与物料产气率的关系，如图3所示。在运行区间内，由于原料和设备运行问题，甘蔗物料和餐厨垃圾进料量的变化，物料产气率出现上下波动，物料产气率整体在100～150 m3·t-1波动，与上文混合物料产气率相符。

图3 混合物料投入量与物料产气率的关系

2.2.2 pH值参数变化

混合物料厌氧发酵体系pH值变化如图4所示，可知厌氧罐内混合物料pH值始种处于一种相对稳定状态，pH值维持在7.9左右，该条件下厌氧发酵体系微生物活性好，产甲烷性能稳定[15]。二级厌氧罐物料pH值较一级厌氧罐稳定，CSTR全混式厌氧反应器可使物料保持流动的全混状态，保证发酵原料与微生物的接触，避免物料局部酸化等现象。

图4 混合物料厌氧发酵体系pH值

2.2.3 CH4含量参数变化及利用方式

图5为混合物料厌氧发酵系统在80 d区间内的CH4含量，可见发酵体系CH4含量较平稳，均值为59.63%±3.35%，呈现较高的甲烷含量。该项目为中央预算内规模化生物天然气工程试点项目，以设计日产沼气量4.11万Nm3(甲烷含量按60%计)，沼气经过脱硫、脱水、膜分离等工艺提纯后获得的生物燃气甲烷含量可达97%以上，经净化提纯后日产生物天然气2万Nm3，年产生物天然气730万Nm3。生物天然气热值完全满足GB18047—2000 车用压缩天然气要求，符合GB17820—1999天然气II类以上标准，可用作车用燃气或并入城镇天然气管网[16]。在项目调试运行中，1 m3沼气通过提纯净化后可转化天然气0.55 m3以上。

图5 混合物料厌氧发酵体系CH4含量

沼气一般可根据建设规模和用途，除提纯作天然气，还可用来发电并网、热电联产等。沼气具有较高的热值(20～23 MJ·m-3)，国产机组电效率在30%～35%，1 m3沼气(CH4含量55%～65%)可发电1.8 kW·h左右；国外机组电效率35%～42%，1 m3沼气则可发电2.0～2.2 kW·h。基于沼气热电联产是一种同时满足热(冷)、电等多种能量需求的能源供给方式，可选择“以电定热”、“以热定电”等多种模式。

3 结论

(1)餐厨垃圾的加入，提升了甘蔗物料的日产气量，协同作用下减缓了餐厨垃圾单一物料日产气量的波动。混合物料的产气峰值较餐厨垃圾提前，混合物料产气峰值为第4天，餐厨垃圾的日产气峰值出现在第8天。餐厨垃圾物料产气率最高，混合物料产气率为140.34 mL·g-1，单一甘蔗物料则为90.18 mL·g-1，混合物料产气率较单一的甘蔗物料提高55.63%。混合物料的TS产气率为774.52 mL·g-1TS，较甘蔗物料提高103.34%。餐厨垃圾的添加可明显提升甘蔗物料的甲烷含量和甲烷产率。将餐厨垃圾与甘蔗物料进行混合发酵，不仅有效处理餐厨垃圾，还有效促进甘蔗物料的产气效率，提高厌氧发酵装置的产气效率。

(2)基于日处理甘蔗废弃物100 t，餐厨废弃物10 t的沼气工程，混合物料产气率整体在100～150 m3·t-1，与上文混合物料产气率相符。CSTR全混式厌氧反应器可使物料保持流动的全混状态，pH值维持在7.9左右。混合物料厌氧发酵系统CH4含量均值在59.63%±3.35%，呈现较高的甲烷含量。在项目调试运行中，1 m3沼气通过提纯净化后可转化天然气0.55 m3以上,可依据工程规模和利用途径，用来发电并网、热电联产或提纯天然气等。