菌剂添加比对厨余垃圾厌氧发酵的影响

2022-07-07李谟军

农业工程 2022年4期

李谟军，梅鑫，张玲

（北京金福腾科技有限公司，北京 100142）

0 引言

厨余垃圾是指日常生活中的餐厨垃圾，主要包括馒头、大米、面条、蔬菜、果皮、肉类等残羹剩饭。数据显示，目前我国厨余垃圾年产量接近2 亿t[1]。然而，以北京市为例，生活垃圾每天产生2.2 万t，其中的厨余垃圾大约1.1 万t，而分类收集合格的厨余垃圾仅有500～1 000 t[2]。随着我国餐饮业的发展和人民生活水平的提高，我国厨余垃圾量呈现快速增长的趋势。当前的厨余垃圾占城市生活垃圾总量的40%左右[3]。厨余垃圾含水量高、含盐量高、脂肪含量高，容易产生异味和致病菌。尤其是在高温下，厨余垃圾的降解速度非常快，会造成环境污染，甚至威胁人们的健康。厨余垃圾的传统处理方法有集中焚烧、饲料转化、直接填埋和好氧堆肥等[4]。当前的厨余垃圾处理的最新技术是厌氧发酵技术。厨余垃圾经厌氧发酵后产生可重复利用的生物菌肥，实现垃圾的再利用[5]。

厌氧发酵技术指的是采用厌氧微生物对厨余垃圾中的有机物进行降解并产生沼气的处理方法[6]。由于厨余垃圾本身含有较少的厌氧微生物，接种量对厌氧发酵反应非常重要。当接种量过小时，厌氧发酵反应系统中的微生物菌群数量不足，容易影响整个反应系统的正常运行。当菌剂接种量过大时，由于营养物质的缺乏，大量厌氧微生物的活性受到抑制，影响厌氧发酵的产气性能。

尚秀华等[7]研究了添加微生物菌剂对稻壳分解的促进作用。在稻壳分解过程中，添加不同含量的微生物菌剂对温度变化的影响不同。加入1%的干物质，更利于发酵分解。土壤有机质含量和碳氮比受各微生物菌剂含量的影响较小，变化趋势相似。由于微生物菌剂在堆肥发酵过程中可以繁殖，因此并不是菌剂添加量越大，效果就越好，综合考虑发酵效果和生产成本，可添加1%的干物质。根据前人大量的研究，本文讨论复合发酵菌剂的不同添加比对厨余垃圾厌氧发酵的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采用北京金福腾科技有限公司自主研发的厨余垃圾生物处理机，厨余垃圾原料来自北京金福腾科技有限公司员工食堂，包括菜帮菜叶及用餐后的剩饭剩菜，剔除骨头、一次性筷子、餐纸抹布等不宜放入设备内的垃圾，再用小型破碎机破碎，混合均匀，进行预处理，保证各个处理的差异性最小。

1.2 试验设计

每个处理机内部投放2 kg 经过预处理的厨余垃圾，将每个处理设置成相同的工作模式，并且将发酵温度控制在40 ℃左右（之前大量试验发现，温度设置在40 ℃时，发酵菌工作效率最适宜）。

试验共设置5 个处理，发酵菌剂与厨余垃圾质量比分别为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，用T1、T2、CK、T3、T4 表示，将添加比为1∶1 的处理作为试验对照，每个处理重复3 次，在试验过程中分别测定pH 值、挥发性脂肪酸（VFA）、沼气产量、甲烷含量、化学需氧量（COD）等数据。

1.3 测定方法

pH 值：PHS-3C 型pH 计；VFA 产量：气相色谱法；沼气产量：通过湿气流量计读取；甲烷含量：采用甲烷含量测定仪进行现场采样测定；COD 浓度：采用重铬酸钾氧化法测定COD 浓度。

2 结果与分析

2.1 菌剂添加量对pH 值的影响

如图1 所示，在整个发酵反应过程中，各个处理的pH 值变化呈现先下降后上升的趋势，这是因为在厌氧发酵过程中，会产生大量的脂肪酸，在反应后期的分解产物氨会增加。试验中，刚刚投入厨余垃圾初始pH 值为6.7 左右；反应进行到12 h 左右时，T4 处理的pH 值最高，为6.3，T3、CK、T1、T2 处理依次降低，pH 值分别为6.1、5.6、5.4、5.2；反应进行到24 h 左右时，各个处理呈现相同的趋势；当反应进行到36 h 左右时，厨余垃圾反应基本结束，此时CK、T2 处理的pH 值最高为6.2，T1、T3、T4 处理的pH 值依次降低，分别为5.9、5.8、5.7。综上，当菌剂的添加量占比为2:1 时，厨余垃圾厌氧发酵效率最高。

图1 菌剂添加量对pH 值的影响Fig. 1 Changes of pH on each treatment

2.2 菌剂添加量对VFA 产量的影响

如图2 所示，各个处理产生的VFA 含量呈现先上升后下降的趋势。反应在24 h 时达到顶峰，试验中，刚刚投入厨余垃圾时VFA 的产量基本为零；反应进行到12 h 左右，T2 处理下VFA 的产量最高，为9.26 g/L，然后T1、CK、T3、T4 依次降低，分别为7.61、4.62、4.35 和4.23 g/L；反应到24 h 和36 h 左右时，呈现相同的变化趋势，都是T2 处理下VFA 的含量最高。VFA 的含量整体变化趋势和pH 值变化呈现相反的趋势，符合厌氧发酵反应内部变化趋势。

图2 菌剂添加量对VFA 含量的影响Fig. 2 Effect of bacterial agent addition on VFA content

2.3 菌剂添加量对沼气累积产量的影响

如图3 所示，各个处理过程中沼气产量随着发酵时间的增加呈现上升的趋势。反应进行到12 h 左右时，T2 处理的沼气产量最高，为12.45 L，T1、CK、T3、T4 处理依次降低，分别为11.54、10.44、9.57 和7.55 L；反应进行到24 h 和36 h 左右时，T2 处理沼气的产量依然最高，分别为26.70 和48.74 L，T4 处理的产量最低分别为21.84 和28.59 L。综上，菌剂添加量占比为2:1 时，厌氧发酵效率最高。

图3 菌剂添加量对沼气产量的影响Fig. 3 Effect of bacterial agent addition on biogas yield

2.4 菌剂添加量对甲烷含量的影响

在厌氧发酵过程中，沼气是一种由甲烷、二氧化碳、氮、硫化氢、一氧化碳等组成的混合气体。其中，甲烷为主要成分，二氧化碳为次要成分，此外，氮、硫化氢、一氧化碳等含量极少[8]。因此，沼气中的甲烷含量是衡量发酵系统稳定性的重要指标。

如图4 所示，在整个反应过程中，各个处理中甲烷的含量呈现上升的趋势。反应进行到12 h 左右时，此时的甲烷含量均偏低，其中T2 处理甲烷含量最高，为10.89%；反应进行到2 4 h 左右时，甲烷的含量明显上升，其中T2 处理最高，为60.54%，T1、CK、T3、T4处理依次降低，分别为52.59%、46.58%、45.26%、41.47%；反应进行到36 h 左右时，此时的整个厌氧发酵基本进行完毕，甲烷的含量也都达到最高，变化趋势和24 h 基本一致，也是T2 处理下甲烷含量最高，为70.25%，T4 处理的含量最低，为52.55%。

图4 菌剂添加量对甲烷含量的影响Fig. 4 Effect of bacterial agent addition on methane content

2.5 菌剂添加量对COD 含量的影响

如图5 所示，COD 含量的变化趋势与沼气产量呈现相反的趋势，正好符合厨余垃圾的厌氧反应变化，各个处理整体变化趋势呈现下降的趋势。反应进行到12 h 左右时，此时T2 处理的COD 含量最低，为865 mg/L，T1、CK、T3、T4 处理依次升高，分别为956、987、1 002 和1 105 mg/L；反应进行到24 h 和36 h 左右时，呈现相同的变化趋势，其中T2 处理下，在12～24 h 范围内COD 含量的下降趋势较快，在24～36 h 时间范围内下降趋势明显变缓。在整个反应过程中，T2 处理下在各个时间段中，COD 的含量始终最低，表明COD 的去除率最高。

图5 菌剂添加量对COD 含量的影响Fig. 5 Effect of bacterial agent addition on COD content

3 讨论

ZHOU Y 等[9]研究了菌剂接种量对豆腐渣厌氧发酵的影响。研究结果表明，当接种率为0.6～0.9 时，反应过程中产气量达到最大值，当接种率＞1.0 时，产气量开始迅速下降。马杰[10]通过改变复合微生物发酵菌剂的添加量，来确定厨余垃圾厌氧发酵菌剂最佳占比，设置复合菌剂与厨余垃圾进料质量比分别为3∶1、2∶1、1∶1、2∶3、1∶2，结果表明，随着复合菌剂和厨余垃圾进料质量比例的增加，各处理条件下厨余垃圾降解率也逐渐增大。可见复合微生物菌剂对于厨余垃圾降解具有一定促进作用。胡红伟等[11]研究结果表明，发酵菌剂的加入可以提高堆肥过程中有关酶的活性，物料高温保持时间长，发酵过程加速，物料氮素的挥发损失降低，使堆肥中GI 值及总N、P、K 和速效P、K含量均有所增加。在此试验中，当菌剂添加量为0.35%时为适宜。

张蓓[12]研究表明，发酵菌剂的加入有助于玉米秸秆中大分子纤维等有机物的降解，可以提前消除玉米秸秆的药害。通过不同剂量处理的比较，发现分解菌对秸秆发酵的促进作用随着浓度的增加而增强。在一定的添加量范围内，腐熟菌剂的促熟作用随添加量的增加而增强，但过量添加会减弱促熟作用，延长腐熟时间。在该试验中，堆肥剂用量为秸秆质量的0.3%时，促进效果最好；添加0.1%和0.5%的添加剂处理效果次之；无菌处理发酵时间最长，物质变化范围小，降解程度最低。发酵过程中氮素损失显著高于细菌处理，种子发芽指数也显著低于细菌处理。

也有一些研究表明，增加菌剂的添加量可以抑制发酵的反应速率。为了研究发酵菌剂不同添加比例对发酵的影响，ESKICIOGLU C 等[13]以玉米渣为发酵原料，菌剂的添加比设置在0.46～3.67 gVS/g VS，结果表明，增加菌剂的添加比例不能改变原料的生物降解性，但随着添加菌剂比例的降低，基质的降解速度越来越快，菌剂的添加比例越大，底物降解速率越慢。这个和本试验研究结果正好相反，可能是和设定菌剂添加量的范围有关，推测出在一定范围内适当减少菌剂添加量反而会促进发酵速率，这个猜想还有待于试验证实。