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摘自《中國(guó)沼氣》2018第6期 劉德江 侯鳳蘭 李瑜 馬芳 陳宗軼

隨著我國(guó)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(zhǎng),目前,我國(guó)  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(lái)了一系列嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題,而且也造成了大量生物質(zhì)能源的浪費(fèi)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(guó)國(guó)情和餐廚垃圾性質(zhì)特點(diǎn)的處理技術(shù)之一,具有良好的發(fā)展?jié)摿ΑＬ妓衔铩⒌鞍踪|(zhì)和脂肪是食物中的3大有機(jī)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(lái)越大。因此,蔬菜(葉菜類(lèi)、茄果類(lèi))已成為餐廚垃  圾的第4種組分,蔬菜中的有機(jī)物主要為纖維素和

維生素。李榮平(3等人測(cè)定出了餐廚垃圾中這4  種有機(jī)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(guò)程中,由于脂肪的組成中含有較高的碳?xì)湓乇壤?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(guò)高時(shí),容易造成脂肪酸的積累,從而抑制產(chǎn)甲烷的過(guò)程。碳水化合物中含有較多的多糖,易水解成葡萄糖進(jìn)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(jī)物,因而產(chǎn)生甲烷的數(shù)量不會(huì)太多。近年來(lái),國(guó)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(xiàn)報(bào)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(lèi)收集組分、并針對(duì)不同組分進(jìn)行雙膜氣柜沼氣工程厭氧消化方面的研究報(bào)道則很少見(jiàn),類(lèi)似的文獻(xiàn)也不多。本研究針對(duì)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(kāi)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(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(lèi)收集的方式采集4種不同組分:1)純碳水化合物類(lèi)(米飯、面條、饅頭等);2)純油脂類(lèi)(動(dòng)物脂肪及植物油等);3)純蛋白質(zhì)類(lèi)(豆腐、雞蛋等);4)純蔬菜類(lèi)(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(jiàn)表1。4類(lèi)樣品分別用餐廚垃圾粉碎機(jī)(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(jiàn)表2。試驗(yàn)之前將接種污泥置于35℃,120rmin-的搖床內(nèi)搖動(dòng)24h,以減少內(nèi)生甲烷氣體對(duì)結(jié)果的影響。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)置4種發(fā)酵原料:處理1:純碳水化合物類(lèi);處理2:純油脂類(lèi);處理3:純蛋白質(zhì)類(lèi);處理4:純蔬菜類(lèi)。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(gè)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(yàn)方法

將4種發(fā)酵原料分別置入4個(gè)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?dú)庖员３职l(fā)酵瓶?jī)?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(kāi)始進(jìn)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(jì);VS:600℃下灼燒減重,馬弗爐;產(chǎn)氣量:濕式流量計(jì)測(cè)定法,LML-3型濕式氣體流量計(jì);氣體成分:紅外測(cè)定法,GAS BOARD2000。

2試驗(yàn)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(cè)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(lèi)和蛋  白質(zhì)類(lèi)餐廚的產(chǎn)氣量大小很接近,碳水化合物類(lèi)與  蔬菜類(lèi)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(jì)產(chǎn)氣量的大小次序?yàn)?油脂類(lèi)餐廚>蛋  白質(zhì)類(lèi)餐廚>碳水化合物類(lèi)餐廚>蔬菜類(lèi)餐廚。油  脂類(lèi)和蛋白質(zhì)類(lèi)餐廚的產(chǎn)氣量遠(yuǎn)大于蔬菜類(lèi)及碳水  化合物類(lèi)餐廚。在第1次產(chǎn)氣高峰時(shí),油脂類(lèi)餐廚  和蛋白質(zhì)類(lèi)餐廚的日產(chǎn)氣量分別達(dá)到了630mL·L-d-和60mL·Ld-1,產(chǎn)氣量最小的是蔬菜

類(lèi)餐廚,只有430mLLd-。這與李榮平和覃亞宏(4等人的試驗(yàn)結(jié)果是基本上一致的。再次表明了油脂類(lèi)及蛋白質(zhì)類(lèi)餐廚具有較高的產(chǎn)氣潛能,而蔬菜類(lèi)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?xì)湓乇壤?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(jī)物,因而產(chǎn)生甲烷的數(shù)量就不會(huì)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?jī)H是油脂、蛋白質(zhì)和碳水化合物的1/3~1/2,所以,蔬菜類(lèi)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(shí),分別計(jì)算出4種不同餐廚組  分揮發(fā)性有機(jī)固體(VS)的產(chǎn)氣率( mLg VSd-1),其結(jié)果詳見(jiàn)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(dá)到最大的產(chǎn)氣率,之后相對(duì)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(jì)產(chǎn)氣率(mL·g-1Vs),4種餐廚垃圾的累計(jì)產(chǎn)氣率差異不太大,在消化結(jié)束時(shí),處理1~處理4單位VS累計(jì)產(chǎn)氣量分別為227mL,454mL,410mL和215mL。單位VS累計(jì)產(chǎn)氣量( mLg VS)較高的兩類(lèi)餐廚依然是油脂類(lèi)和蛋白質(zhì)類(lèi);較低的是蔬菜類(lèi)。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(bào)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(jì)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(jì)產(chǎn)氣率(mLg-vs不僅與餐廚垃圾的來(lái)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(gè)處理的甲烷含量詳見(jiàn)圖3所示。圖3表明:在消化過(guò)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(kāi)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?yàn)?油脂類(lèi)>蛋白質(zhì)類(lèi)>碳水化合物類(lèi)>蔬菜類(lèi)。油脂類(lèi)與蛋白質(zhì)類(lèi)幾乎相等,碳水化合物類(lèi)與蔬菜類(lèi)十分接近。分析其原因是:油脂類(lèi)和蛋白質(zhì)類(lèi)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(lèi)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(duì)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(guò)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(jī)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(jī)酸逐漸被微生物分解生成了甲烷,達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)氣階段。第30天以后,碳水化合物和蔬菜類(lèi)的pH值穩(wěn)定在7.5~7.9之間,而蛋白質(zhì)和油脂類(lèi)的pH值穩(wěn)定在8~8.2之

間。在整個(gè)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(méi)有出現(xiàn)因水解酸化導(dǎo)致pH值急劇下降的情況,也沒(méi)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(qiáng),能夠自行調(diào)節(jié)pH值。這與裴占江和董濱0等人的試驗(yàn)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(jì)產(chǎn)氣量的大小次序?yàn)?油脂類(lèi)>蛋白質(zhì)類(lèi)>碳水化合物類(lèi)>蔬菜類(lèi)。4類(lèi)餐廚的數(shù)值差異較大,最高的為油脂類(lèi),達(dá)到了454mL·gVs;最低的為蔬菜類(lèi),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?yàn)?油脂類(lèi)>蛋白質(zhì)類(lèi)>碳水化合物類(lèi)>蔬菜類(lèi)