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摘自《中國沼氣》2018第6期 劉德江 侯鳳蘭 李瑜 馬芳 陳宗軼

隨著我國餐飲業(yè)的快速發(fā)展和人們生活水平的  日益提高,餐廚垃圾的排放量急劇增長,目前,我國  每年產(chǎn)生城市餐廚垃圾約1億t,大量的餐廚垃圾不  僅帶來了一系列嚴重的環(huán)境污染問題,而且也造成了大量生物質(zhì)能源的浪費2。雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化技術(shù)是現(xiàn)階段比較適合于我國國情和餐廚垃圾性質(zhì)特點的處理技術(shù)之一,具有良好的發(fā)展?jié)摿ΑＬ妓衔?、蛋白質(zhì)和脂肪是食物中的3大有機成分,也是餐廚垃圾的主要組成成分。隨著人們生活水平的逐步提高和飲食結(jié)構(gòu)的改變,蔬菜在一日三餐中的比例越來越大。因此,蔬菜(葉菜類、茄果類)已成為餐廚垃  圾的第4種組分,蔬菜中的有機物主要為纖維素和

維生素。李榮平(3等人測定出了餐廚垃圾中這4  種有機組分所占的比例:碳水化合物為42.5%  55.2%,蛋白質(zhì)為15.0%~16.9%,脂肪為16%24%,蔬菜為14%~20%。在雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化過程中,由于脂肪的組成中含有較高的碳氫元素比例,它能比碳水化合物和蛋白質(zhì)產(chǎn)生更多的甲烷氣體。但是當(dāng)脂肪含量過高時,容易造成脂肪酸的積累,從而抑制產(chǎn)甲烷的過程。碳水化合物中含有較多的多糖,易水解成葡萄糖進而再變成乙酸,在產(chǎn)甲烷菌的作用下產(chǎn)生甲烷,因此易發(fā)生雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化作用。蛋白質(zhì)水解后生成多肽和氨基酸,在產(chǎn)酸菌的作用下生成丙酸,再產(chǎn)生甲烷。蔬菜中的纖維素和維生素則不易

水解、酸化生成乙酸等小分子有機物,因而產(chǎn)生甲烷的數(shù)量不會太多。近年來,國內(nèi)外學(xué)者研究餐廚垃圾雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化特性的文獻報道很多,但大多是混合組分的沼氣發(fā)酵。有關(guān)餐廚垃圾分類收集組分、并針對不同組分進行雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化方面的研究報道則很少見,類似的文獻也不多。本研究針對餐廚垃圾中的四種主要組成分的雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化特性開展研究,旨在探討不同組分的餐廚垃圾產(chǎn)甲烷的規(guī)律,為餐廚垃圾的能源化利用提供依據(jù)。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗所用的原料采自新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生食堂,采取分類收集的方式采集4種不同組分:1)純碳水化合物類(米飯、面條、饅頭等);2)純油脂類(動物脂肪及植物油等);3)純蛋白質(zhì)類(豆腐、雞蛋等);4)純蔬菜類(葉菜、茄果、食用菌等)。每種組分的總固體(TS)及揮發(fā)性固體(VS)含量詳見表1。4類樣品分別用餐廚垃圾粉碎機(MLC620)研磨至3~5mm大小,在雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化之前冷藏在-20℃冰箱內(nèi)。接種污泥(SS)取自新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)沼氣池底部的沼渣,其性能指標(biāo)詳見表2。試驗之前將接種污泥置于35℃,120rmin-的搖床內(nèi)搖動24h,以減少內(nèi)生甲烷氣體對結(jié)果的影響。

1.2試驗設(shè)計

本試驗共設(shè)置4種發(fā)酵原料:處理1:純碳水化合物類;處理2:純油脂類;處理3:純蛋白質(zhì)類;處理4:純蔬菜類。發(fā)酵瓶的有效容積為5L,發(fā)酵液的濃度(TS)均設(shè)定為60gL-,則4個處理所投入的原料量為:處理1:300g/35%=857g;處理2:300g/28%=1072g;處理3:300g/25%=1200g;處理4:300g/12%=2500g。

1.3試驗方法

將4種發(fā)酵原料分別置入4個容量瓶中,加入等量的接種物,攪拌搖勻后靜置3d,以馴化沼氣微生物。然后分別加水至5L容積,充人氮氣以保持發(fā)酵瓶內(nèi)的雙膜氣柜沼氣工程厭氧環(huán)境,立即密封發(fā)酵瓶口,連接好導(dǎo)氣裝置,開始進行雙膜氣柜沼氣工程厭氧發(fā)酵。發(fā)酵溫度為35℃恒溫,將發(fā)酵瓶放入水浴鍋中。

1.4分析指標(biāo)與方法

總固體(TS):重量法,CS101-3電熱鼓風(fēng)干燥器;pH值:玻璃電極法,pHS-3C型pH計;VS:600℃下灼燒減重,馬弗爐;產(chǎn)氣量:濕式流量計測定法,LML-3型濕式氣體流量計;氣體成分:紅外測定法,GAS BOARD2000。

2試驗結(jié)果與分析

2.1不同組分雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化的日產(chǎn)氣量

每天觀測記錄每升發(fā)酵液的產(chǎn)氣量,45d的產(chǎn)氣量如圖1所示。

由圖1可知,在45d的雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化周期內(nèi),4種不  同組分的發(fā)酵原料均出現(xiàn)了兩次產(chǎn)氣高峰,第1次  約出現(xiàn)在第15天,第2次出現(xiàn)在第35天。餐廚垃  圾的組分不同,其日產(chǎn)沼氣量也有差異,油脂類和蛋  白質(zhì)類餐廚的產(chǎn)氣量大小很接近,碳水化合物類與  蔬菜類餐廚的產(chǎn)氣量也很接近。在45d的雙膜氣柜沼氣工程厭氧消  化期內(nèi),累計產(chǎn)氣量的大小次序為:油脂類餐廚>蛋  白質(zhì)類餐廚>碳水化合物類餐廚>蔬菜類餐廚。油  脂類和蛋白質(zhì)類餐廚的產(chǎn)氣量遠大于蔬菜類及碳水  化合物類餐廚。在第1次產(chǎn)氣高峰時,油脂類餐廚  和蛋白質(zhì)類餐廚的日產(chǎn)氣量分別達到了630mL·L-d-和60mL·Ld-1,產(chǎn)氣量最小的是蔬菜

類餐廚,只有430mLLd-。這與李榮平和覃亞宏(4等人的試驗結(jié)果是基本上一致的。再次表明了油脂類及蛋白質(zhì)類餐廚具有較高的產(chǎn)氣潛能,而蔬菜類餐廚的產(chǎn)氣量較低,分析其原因:一是油脂和蛋白質(zhì)中含有較高的碳氫元素比例,它能比碳水化合物產(chǎn)生更多的甲烷氣體,而蔬菜中的纖維素和維生素則不易水解酸化生成乙酸等小分子有機物,因而產(chǎn)生甲烷的數(shù)量就不會太多;二是蔬菜中的干物質(zhì)含量較低、含水量較大,揮發(fā)性固體的含量僅是油脂、蛋白質(zhì)和碳水化合物的1/3~1/2,所以,蔬菜類餐廚產(chǎn)甲烷的潛力就較小。

2.2不同組分雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化的產(chǎn)氣率  在雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化結(jié)束時,分別計算出4種不同餐廚組  分揮發(fā)性有機固體(VS)的產(chǎn)氣率( mLg VSd-1),其結(jié)果詳見圖2。

從圖2中可以看出:4種不同餐廚組分在45d的雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化期間,產(chǎn)氣率變化規(guī)律大致相同,第1天-30天逐漸增加并達到最大的產(chǎn)氣率,之后相對穩(wěn)定,第40天后又逐漸降低。單位質(zhì)量的揮發(fā)性固體所產(chǎn)沼氣的數(shù)量,即累計產(chǎn)氣率(mL·g-1Vs),4種餐廚垃圾的累計產(chǎn)氣率差異不太大,在消化結(jié)束時,處理1~處理4單位VS累計產(chǎn)氣量分別為227mL,454mL,410mL和215mL。單位VS累計產(chǎn)氣量( mLg VS)較高的兩類餐廚依然是油脂類和蛋白質(zhì)類;較低的是蔬菜類。這與 Ruihong zhang等在中溫條件下,獲得的餐廚垃圾(每克VS)累積甲烷產(chǎn)量472mL·g-1,以及Cho,Pak和Heo6等所報道的489mL·gVs,相差不大。而與徐衣顯等采用連續(xù)半干式餐廚垃圾高溫(55℃)雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化,所獲得的累計產(chǎn)氣率973.2mL·g-Vs相比,偏低了近2

倍。再次表明,揮發(fā)性固體的累計產(chǎn)氣率(mLg-vs不僅與餐廚垃圾的來源和組成成分有關(guān),而且還與發(fā)酵方式及溫度的高低有關(guān)。

2.3不同組分雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化的甲烷含量

4個處理的甲烷含量詳見圖3所示。圖3表明:在消化過程的前10天,甲烷含量持續(xù)增加,從10%迅速提高到40%以上。在第10天之后,4種發(fā)酵原料所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量變化在45%65.1%之間,在第30天后,各處理的甲烷含量開始緩慢下降。從圖3可看出:在45d的發(fā)酵期內(nèi),日平均甲烷含量的大小順序為:油脂類>蛋白質(zhì)類>碳水化合物類>蔬菜類。油脂類與蛋白質(zhì)類幾乎相等,碳水化合物類與蔬菜類十分接近。分析其原因是:油脂類和蛋白質(zhì)類化合物含有較多的C和H元素,易水解生成乙酸、丙酸和甘油等物質(zhì),在產(chǎn)甲烷菌的作用下能產(chǎn)生較多的甲烷;而碳水化合物及蔬菜類中含有較多的纖維素及木質(zhì)素等物質(zhì),水解程度較困難。

2.4不同組分雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化期周內(nèi)pH值的變化

系統(tǒng)pH值對雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化反應(yīng)穩(wěn)定性至關(guān)重要,其變化能夠直觀體現(xiàn)反應(yīng)過程中產(chǎn)氣環(huán)境的好壞,4種組分雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化液的pH值變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出:在雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化的前10天之內(nèi),4種組分發(fā)酵液的pH值均保持在7以下,表明在發(fā)酵初期(即酸化階段),消化液中含有較多的有機酸。第10天至第30天,pH值就從7緩慢提高到8,表明在產(chǎn)甲烷階段,有機酸逐漸被微生物分解生成了甲烷,達到了穩(wěn)定運行產(chǎn)氣階段。第30天以后,碳水化合物和蔬菜類的pH值穩(wěn)定在7.5~7.9之間,而蛋白質(zhì)和油脂類的pH值穩(wěn)定在8~8.2之

間。在整個雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化期間,不同組分的消化液pH值并沒有出現(xiàn)因水解酸化導(dǎo)致pH值急劇下降的情況,也沒有出現(xiàn)因產(chǎn)甲烷導(dǎo)致pH值急劇升高的現(xiàn)象。證明反應(yīng)器內(nèi)微生物環(huán)境的緩沖能力較強,能夠自行調(diào)節(jié)pH值。這與裴占江和董濱0等人的試驗結(jié)果基本一致。

3結(jié)論

(1)餐廚垃圾的不同組分均可雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化生產(chǎn)沼氣,但所產(chǎn)生甲烷的數(shù)量是不一樣的。在45d的雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化期內(nèi),單位質(zhì)量的VS(即每克揮發(fā)性固體)累計產(chǎn)氣量的大小次序為:油脂類>蛋白質(zhì)類>碳水化合物類>蔬菜類。4類餐廚的數(shù)值差異較大,最高的為油脂類,達到了454mL·gVs;最低的為蔬菜類,只有215mL·gVs。

(2)4種不同組分的餐廚垃圾所產(chǎn)沼氣的氣體組成差異不大,尤其是甲烷的含量相差不顯著,均變化在45%~65%之間。但日平均甲烷含量的大小順序為:油脂類>蛋白質(zhì)類>碳水化合物類>蔬菜類