餐厨垃圾厌氧发酵特性研究

1餐厨垃圾厌氧发酵特性研究摘要：为了实现餐厨垃圾的资源化利用，解决日益严重的餐厨垃圾处理问题，我们以南阳师范学院食堂餐厨垃圾为原料，通过检测分析pH、VFA、产气量等指标，讨论酸化过程及各指标对系统厌氧发酵产沼气性能的影响，得出餐厨垃圾厌氧发酵最佳工艺条件，从而更好的对餐厨垃圾进行厌氧发酵的处理，达到使垃圾减量,环境污染减少的目的。关键词：餐厨垃圾;厌氧发酵;沼气;影响因素;资源化OFEATHUTCHGARBAGEANAEROBICFERMENTATIONCHARACTERISTICSRESEARCHAbstract:inordertoachievetheeathutchgarbagerecyclinguse,thegrowingproblemofeathutchgarbagedisposal,andweareinthediningroomtoeathutchgarbageinnanyangnormaluniversityasarawmaterial,throughtheanalysisofthetestindicessuchaspH,VFA,gasproduction,acidificationprocessarediscussedandtheindexesofanaerobicfermentationbio-gasproductionperformanceofthesystem,theoptimumtechnologicalconditionsofeathutchwasteanaerobicfermentation,therebybettertoeathutchwasteanaerobicfermentationprocessing,tomakewastereduction,reduceenvironmentalpollution.Keywords:eathutchgarbage;Anaerobicfermentation.Bio-gas;Influencingfactors;Resourcerecovery1餐厨垃圾概述1.1餐厨垃圾来源餐厨垃圾又称泔脚,是家庭、饮食单位抛弃的剩饭剩菜以及厨房余物的统称,也是城市生活垃圾的重要组成部分[1]。餐厨垃圾是食物垃圾中最主要的一种，其成分复杂，主要是油、水、果皮、蔬菜、米面、鱼、肉、骨头以及废餐具、塑料、纸巾等多种物质的混合物。我国餐厨垃圾数量十分巨大，并呈快速上升趋势。1.2餐厨垃圾的特性1.2.1危害性极易变质、腐烂、发酵，滋生蚊蝇，产生大量毒素及散发恶臭气体，污染水体和大气，直接排入下水道还会引起下水道堵塞；来源复杂，含有各种细菌和病原菌，可能因食物链危害人体健康；派生的“潲水油”极易产生致癌物质—黄曲霉素，对人体健康造成严重危害。21.2.2资源性与其他垃圾相比，有含水率、有机物含量、盐分及油脂含量高，营养元素丰富等特点，具有很大的回收利用价值[2]。目前我国仅泔脚产生量就超过20000t/d,上海市的泔脚产生量已达1300t/d。如果能得到有效处理和合理利用，其将是一批可观的资源。1.3餐厨垃圾厌氧发酵技术研究1.3.1厌氧发酵的原理厌氧发酵是废物在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被稳定化，同时伴有甲烷和CO2产生。人们把厌氧发酵过程简单的分为酸性发酵阶段和碱性发酵阶段。其中酸性发酵阶段是指发酵细菌将大分子有机物降解为脂肪酸、醇类、氢气等产物；碱性发酵阶段是指发酵细菌将上一阶段产生的脂肪酸、醇类、氢气等底物转化成甲烷和二氧化碳[3]。1.3.2厌氧发酵处理的意义餐厨垃圾含水率高、成分复杂、高温条件下易腐,且容易产生蚊蝇等,而目前国外的处理方式依然是以填埋或焚烧为主,对环境造成了极大的污染,而国内餐馆的餐厨垃圾则大多数被直接用作动物饲料,造成病菌传播。如果各大餐馆和食堂能将餐厨垃圾就地进行能源化处理,既可以为餐馆、食堂提供大量的能源,变废为宝，同时也可以使垃圾大大减量,减少对环境的污染。如果能很好地处理餐厨垃圾，必将带来良好的经济效益和社会效益。同时，由于餐厨垃圾具有很高的产沼气能力,厌氧处理可产生大量沼气，沼气是一种清洁的可再生能源，可用于发电和做燃，并且系统全封闭而无异味，利用厌氧发酵法将其资源化是一种最环保、又能创造效益的方法。1.3.3餐厨垃圾厌氧发酵处理的技术研究现状由于餐厨垃圾传统处理方法的技术缺陷，造成了环境的二次污染，且浪费了大量的资源。随着环保法律法规的修改，各国纷纷调整了传统的餐厨垃圾的处理处置方法，很多学者将餐厨垃圾处理的研究重点转向了对环境污染少、资源化的厌氧发酵产沼气的技术上来。大量研究主要集中在餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的可行性、通过原料的预处理提高转化效率以及发酵反应工艺条件的优化三个方面[4]。32餐厨垃圾厌氧发酵实验设计2.1实验材料餐厨垃圾：采自南阳师范学院中餐厅和西餐厅，搅拌均匀后，用搅碎机搅碎至颗粒粒径小于5mm的糊状物，并于-5℃下保存待实验。接种物：南阳市污水处理厂厌氧段的污泥，为黑色絮状物。取回后，用塑料瓶密封静置1d，分层后，取下层污泥作为接种物，见表1。餐厨垃圾与污泥的性质表1TS（%）VS（%TS）灰分（%TS）C/N（%）PH中餐厅16.0592.297.822.355.7西餐厅15.4588.9911.0220.105.7接种污泥13.9151.1748.8112.146.52.2实验装置实验装置包括1L的厌氧发酵罐、1L的集气瓶以及500mL的量筒三个部分。（见下图）1、采用三组恒温水浴器，温度分别控制在低温（20±1）℃，中温（35±1）℃，高温（55±1）℃。2、发酵罐内放置餐厨垃圾和接种污泥，罐口用带有出气孔的橡胶塞密封，每次调节pH值后通过出气孔向发酵瓶中通入N2以维持发酵瓶内的厌氧环境。发酵罐中产生的气体经玻璃导管排入集气瓶。3、发酵瓶与集气瓶之间的止水夹（待发酵产生的气体到常温后再打开），发酵瓶与集气瓶之间的阀门为气体采样点，定时测量系统产气量、pH值和VFA值。4、集气瓶中盛有浓度为3%的NaOH溶液，其作用是吸收气体中的酸性组分（CO2和H2S），实验采用液体排气法测量产气量，量筒的读数即为产生的甲烷体积。5、每天手动搅拌两次，每次5min，使发酵液的均匀混合。4实验装置图2.3实验方法实验采用手工分选，将南阳师范学院中餐厅和西餐厅搜集来的餐厨垃圾跳出骨头、勺子、筷子、纸巾等杂物，再采用绞肉机绞碎至1~5mm，以增大样品表面积。取处理后的餐厨垃圾样品200g（湿基）于反应器中，后加入相应质量的接种物和水，以调节合适的接种率和含固率。反应器置于恒温水浴锅中，反应过程中每隔一天，测定发酵液的pH并作相应的调节。（1）正交试验。实验采用L9（34）正交表，选定温度、含固率、接种率和pH为考察因子，进行4因素3水平正交试验。实验以沼气的产量为评价指标，且不考虑因子间的交互作用，实验因素水平设置，见表2。正交试验因素水平表表2水平因素温度（A）/℃含固率/%接种率/%PH1低温2081062中温35122073高温5516308实验中接种率采用固体比：污泥干重/（污泥干重+餐厨垃圾干重），各组实验均采用200g餐厨垃圾，根据接种率和含固率的不同调节水分和接种物质量。为保证实验的顺利进行，向发酵液中添加恰当的Ca(OH)2。（2）温度的影响实验本实验以温度为变量，选取15℃，25℃，35℃，45℃和55℃，在五个实验装置中同时进行。各个实验装置均按照餐厨垃圾200g，含固率8%，接种率30%的配制，进行为期30天的厌氧发酵反应。实验的前五天，每天调节pH至7，第6d至第15d两天调节一次，第16d至第30d每4d调节一次。以沼气产量为考察指标，分析温度对沼气产量的影响。（3）pH的影响实验本实验以pH为变量，选取5,6,7,8,9，在五个实验装置中同时进行。各实验装置均按照餐厨垃圾200g，含固率8%，接种率30%的配制，在高温55℃下进行为期30天的厌氧发酵反应。每天通过添加碱、酸等物质调节发酵液pH至实验值。以沼气产量为考察指标，分析pH对沼气产量的影响。（4）接种率的影响实验本实验以接种率为变量，沼气产量为考虑指标，考察接种率对沼气产量的影响。各实验装置均按照餐厨垃圾200g，含固率8%，以接种率为5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%的比例分别配制，在7个实验装置中同时进行。在高温55℃下进行为期30天的厌氧发酵反应。实验的前五天，每天调节pH至7，第6d至第15d两天调节一次，第16d第30d每4d调节一次。52.4指标测定（1）沼气产量：采用排NaOH溶液法记录各工艺条件下的沼气产量。（2）pH值：采用pH计，每两天测定一次。（3）TS：烘干法3餐厨垃圾厌氧发酵实验结果与分析3.1正交试验研究3.1.1正交实验结果不同条件下的总累计产气量表３注：K1，K2及K3均为平均值，R为极差分析正交试验，得出以下结论：（1）由表3中极差的大小可以直观判断出各因素对沼气产量影响的主次顺序为：温度（A）＞pH（D）＞接种率（C）＞含固率（B）。（2）餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的因素最佳组合为：（温度55℃)+(接种率30%)+(含固率8%)+(pH=7)（即A3B1C3D2）。实验号温度（A）含固率(Ｂ)接种率(Ｃ)pH（Ｄ）产沼气量/℃/%/%（mL·g-1）120810658.02201220775.13201630852.7435820873.753512306104.3635161071187558307633.885512108185.095516206216.9K161.9255.2120.3126.4K298.7121.5121.9275.6K3345.2129.2263.6103.8R283.3133.7143.3171.863.1.2方差分析鉴于本正交试验设计的正交表未设置空列，故根据指标的不同，选择四因素中偏差平方和最小者为误差列。由方差分析表表4可知，含固率一项的偏差平方和明显偏小，所以选用含固率的偏差平方和作为误差平方和，含固率的偏差平方和对应的自由度为误差平方和的自由度。由方差分析结果可知，4种因素对沼气产量的影响不十分显著，但是，温度与另外3种相比，其影响的显著性较为突出。积累产气量的方差分析表表4方差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值显著温度142403.32377.41.8NS含固率33803.12183.9NS接种率40606.72201.50.5NSPH52308.02228.70.7NS误差33803.12183.93.2温度对厌氧发酵的影响本文研究了该范围内不同温度（15℃，25℃，35℃，45℃和55℃）对沼气产量的影响。15℃和25℃时实验组的沼气产量较低，随着温度的升高，沼气产量增长；当反应温度由25℃变化到35℃的时侯，沼气的产量提高了126.1%；当反应温度由35℃变化到45℃的时候，沼气产量提高了15.4%，而当反应温度由45℃变化到55℃的时候，沼气产量则提高了47.1%。随着温度的升高，反应速度加快，发酵细菌的活性增强，厌氧发酵处理效率相应提高。另外温度的升高不仅可以杀灭寄生虫和大肠杆菌等，而且进一步增强了产甲烷菌等有益微生物的活性与降解有机物的能力[5]。此外也有研究表明，在温度为30℃左右时，其优势菌群为中温菌，而当温度升高至50℃左右时，则主要为高温菌，即发酵罐内微生物群落结构发生了变化。综合考虑处理效率和能耗问题，工业化厌氧处理有机物通常采用中温（35℃）和高温（55℃）发酵，以利于提高反应进程，缩短发酵周期。但相比之下，高温发酵具有处理负荷高，消化时间短，反应器容积小的优势，经高温处理后能有效杀死病原体，为沼渣的无害化处理提供保障。因此，本实验认为温度对沼气产量影响较明显，在15～55℃范围内，反应温度取值55℃最为恰当。3.3pH对厌氧发酵的影响pH直接影响厌氧微生物的活性，只有在特定的pH范围内，微生物才能表现出最佳活性。为探讨pH对餐厨垃圾厌氧发酵沼气产量的影响，本实验研究了不同pH值（5、6、7、8、9）对沼气