含油率对餐厨垃圾干式厌氧发酵的影响

第３５卷第８期２０１５年８月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３５，Ｎｏ．８Ａｕｇ．，２０１５基金项目：“十二五”国家科技支撑计划（Ｎｏ．２０１２ＢＡＣ２５Ｂ０１）；学位与研究生教育⁃重点学科⁃环境工程项目（Ｎｏ．ＰＸＭ２０１４＿０１４２１３＿００００３７）；青年教师创新团队项目（Ｎｏ．ＰＸＭ２０１３＿０１４２１３＿０００１０６）；北京工商大学研究生科研学术创新基金ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲ＆ＤＰｒｏｇｒａｍ（Ｎｏ．２０１２ＢＡＣ２５Ｂ０１），ｔｈｅＤｅｇｒｅｅａｎｄＰｏｓｔ⁃ＧｒａｄｕａｔｅＥｄｕｃａｔｉｏｎ⁃ＫｅｙＤｉｓｃｉｐｌｉｎｅｓ⁃ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｏｇｒａｍ（Ｎｏ．ＰＸＭ２０１４＿０１４２１３＿００００３７），ｔｈｅＹｏｕｎｇＴｅａｃｈｉｎｇＴｅａｍＰｒｏｊｅｃｔ（Ｎｏ．ＰＸＭ２０１３＿０１４２１３＿０００１０６）ａｎｄｔｈｅＰｏｓｔ⁃ｇｒａｄｕａｔｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｏｆＡｃａｄｅｍｉｃＲｅｓｅａｒｃｈ，ＢｅｉｊｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＢｕｓｉｎｅｓｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ作者简介：任连海（１９７１—），男，副教授（博士），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者）Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＲＥＮＬｉａｎｈａｉ（１９７１—），ｍａｌｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ（Ｐｈ．Ｄ．），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒＤＯＩ：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１５．０１２５任连海，黄燕冰，王攀，等．２０１５．含油率对餐厨垃圾干式厌氧发酵的影响［Ｊ］．环境科学学报，３５（８）：２５３４⁃２５３９ＲｅｎＬＨ，ＨｕａｎｇＹＢ，ＷａｎｇＰ，ｅｔａｌ．２０１５．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｏｉｌｃｏｎｔｅｎｔｓｏｎｄｒｙａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎｏｆｒｅｓｔａｕｒａｎｔｇａｒｂａｇｅ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３５（８）：２５３４⁃２５３９含油率对餐厨垃圾干式厌氧发酵的影响任连海∗，黄燕冰，王攀，张明露北京工商大学食品学院，北京１０００４８收稿日期：２０１５⁃０１⁃２０　　　修回日期：２０１５⁃０３⁃１９　　　录用日期：２０１５⁃０３⁃３０摘要：餐厨垃圾含油率高，且随着地域的变化有显著差别，含油率的高低对餐厨垃圾厌氧消化产气有一定影响．在中温（３５℃）和高温（５５℃）条件下，研究了不同含油率（０、２％、４％、６％、８％、１０％）对餐厨垃圾干式厌氧发酵过程中日产气量、累计产气量、总固体（ＴＳ）、挥发性固体（ＶＳ）及甲烷产量的影响．结果表明：在中温和高温条件下，当含油率为６％时，２００ｇ餐厨垃圾的累计产气量达最大值，分别为１３９１．６ｍＬ和２１６５．９ｍＬ．此时，ＴＳ和ＶＳ的去除率也最高，中温时去除率分别为２９．４％（ＴＳ）和３３．９％（ＶＳ），高温时去除率分别为３３．２％（ＴＳ）和３８．０％（ＶＳ）．在餐厨垃圾干式厌氧发酵过程中，甲烷的产量占可燃气的体积分数逐渐升高．在中温厌氧发酵条件下，含油率为１０％的餐厨垃圾发酵进行到２６ｄ时，甲烷的体积分数最高，为８０．５％．在高温干式厌氧发酵条件下，含油率为１０％的餐厨垃圾发酵进行到２３ｄ时，甲烷的体积分数最高，为８４．２％．关键词：餐厨垃圾；含油率；干式厌氧发酵文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１５）０８⁃２５３４⁃０６　　　中图分类号：Ｘ７０５　　　文献标识码：ＡＥｆｆｅｃｔｏｆｏｉｌｃｏｎｔｅｎｔｓｏｎｄｒｙａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎｏｆｒｅｓｔａｕｒａｎｔｇａｒｂａｇｅＲＥＮＬｉａｎｈａｉ∗，ＨＵＡＮＧＹａｎｂｉｎｇ，ＷＡＮＧＰａｎ，ＺＨＡＮＧＭｉｎｇｌｕＳｃｈｏｏｌｏｆＦｏｏｄａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＢｕｓｉｎｅｓｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４８Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２０Ｊａｎｕａｒｙ２０１５；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ１９Ｍａｒｃｈ２０１５；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ３０Ｍａｒｃｈ２０１５Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｔａｕｒａｎｔｇａｒｂａｇｅｉｓａｋｉｎｄｏｆｏｒｇａｎｉｃｗａｓｔｅｗｉｔｈｈｉｇｈｏｉｌｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｉｔｓｈｏｗｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｒｅｇｉｏｎａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ．Ｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｏｉｌｃｏｎｔｅｎｔｈａｓａｎｅｆｆｅｃｔｏｎｂｉｏｇａｓｙｉｅｌｄｆｒｏｍｄｒｙａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎ．Ａｔｍｅｓｏｔｈｅｒｍａｌａｎｄｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ（３５℃ａｎｄ５５℃），ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｉｌｃｏｎｔｅｎｔｓ（０，２％，４％，６％，８％，１０％）ｏｎｄａｉｌｙｂｉｏｇａｓｙｉｅｌｄ，ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｂｉｏｇａｓｙｉｅｌｄｓ，ｔｏｔａｌｓｏｌｉｄｓ（ＴＳ），ｖｏｌａｔｉｌｅｓｏｌｉｄｓ（ＶＳ）ａｎｄＣＨ４ｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｇａｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｂｉｏｇａｓｙｉｅｌｄｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄａｔｏｉｌｃｏｎｔｅｎｔｏｆ６％ｗｉｔｈ２００ｇｏｆｒｅｓｔａｕｒａｎｔｇａｒｂａｇｅｂｏｔｈｕｎｄｅｒ３５℃ａｎｄ５５℃．Ｔｈｅｂｉｏｇａｓｙｉｅｌｄｓｗｅｒｅ１３９１．６ｍＬａｎｄ２１６５．９ｍＬ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅｍａｘｉｍｕｍｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＴＳａｎｄＶＳｗｅｒｅａｌｓｏｏｂｔａｉｎｅｄｕｎｄｅｒｔｈｉｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．ＴｈｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｏｆＴＳａｎｄＶＳｗｅｒｅ２９．４％ａｎｄ３３．９％ａｔ３５℃，３３．２％ａｎｄ３８．０％ａｔ５５℃，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｖｏｌｕｍｅｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｏｆｍｅｔｈａｎｅｉｎｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｇａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｒｙａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎ．Ａｔｍｅｓｏｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｘｉｍａｌｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔｗａｓ８０．５％ｕｎｄｅｒｔｈｅｏｉｌｃｏｎｔｅｎｔｏｆ１０％ａｔｄａｙ２６．Ａｔｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｘｉｍａｌｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔｗａｓ８４．２％ｕｎｄｅｒｔｈｅｏｉｌｃｏｎｔｅｎｔｏｆ１０％ａｔｄａｙ２３．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｔａｕｒａｎｔｇａｒｂａｇｅ；ｏｉｌｃｏｎｔｅｎｔ；ｄｒｙａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）餐厨垃圾是指餐饮单位和家庭在日常生活过程中所产生的食品垃圾，是城市生活垃圾的重要组成部分．餐厨垃圾以淀粉、食物纤维类、蛋白质、油脂等为主要成分，极易腐败、霉变，需要单独处理和处置．餐厨垃圾具有高生物质组分、微量元素丰富（杜欣等，２０１０）的特点，是一种很好的干式厌氧发酵产沼气的基质（李俊涛等，２００３；姜虎等，２０１０）．干式厌氧发酵是指以总固体（ＴＳ）含量在２０％８期任连海等：含油率对餐厨垃圾干式厌氧发酵的影响～４０％的固体有机废弃物为原料进行厌氧发酵的一种工艺（方少辉，２０１２）．干式厌氧发酵技术因其基建成本低、需水量小，节约能源和降低成本，产生的沼渣、滤液可作为土壤的改良剂或肥料等优势，正受到广泛的关注，逐渐成为中国处理有机固体废弃物及生产新能源的重要选择（马磊等，２００７；郑晓伟等，２０１４）．餐厨垃圾还有较高的含油率（赵杰红等，２００６），且含油率随着地域饮食习惯的不同而有显著差异．餐厨垃圾中的油脂以多种形式存在，主要可分为可浮油、分散油、乳化油、溶解油、固相内部油脂等（王巧玲等，２０１２）．含油率的高低对餐厨垃圾厌氧消化产气有一定影响．任南琪等（２００４）参照有机物厌氧消化转化为沼气的理论计算方法，计算得油脂发酵产生的沼气成分中ＣＨ４占７２％，明显高于糖和蛋白质（约为５０％），并且油脂转化为沼气（甲烷）的效率较高，理论为１．４４Ｌ·ｇ－１（以ＶＳ计）（标准大气压，０℃），糖和蛋白质分别为０．７５和０．９８Ｌ·ｇ－１（以ＶＳ计）．因此，适宜的含油率能促进餐厨垃圾厌氧发酵产沼气．但油脂在厌氧消化过程中的分解产物极易使系统过度酸化，除了长链脂肪酸（ＬＣＦＡ）的积累外，常常也表现为挥发性脂肪酸（ＶＦＡ）的积累，尤其是中间产物乙酸的积累（Ｋｉｍｅｔａｌ．，２００４），从而打破了原有的代谢平衡，导致厌氧系统失去稳定性．有研究表明，油脂对厌氧发酵的抑制机制是高浓度的ＬＣＦＡ吸附在细胞膜表面阻止了物质的传递，未降解的油脂凝聚包裹着微生物，从而抑制了产酸和产甲烷菌的活性（周洪波等，２００１）．还有研究发现，虽然ＬＣＦＡ对产甲烷微生物的抑制作用远高于对产酸微生物的影响（Ｐｅｒｅｉｒａｅｔａｌ．，２００５；Ｍｙｋｈａｙｌｏｖｉｎｅｔａｌ．，２００５；Ｌａｌｍａｎｅｔａｌ．，２００２），但ＬＣＦＡ对甲烷微生物和产酸微生物的抑制作用都是可逆的，甲烷微生物和产酸微生物的活性在受到抑制后并未出现破坏性死亡，厌氧系统可以在较短的时间恢复产甲烷（Ｐｅｒｅｉｒａｅｔａｌ．，２００５）．目前对餐厨垃圾进行中温（３５℃）厌氧发酵的研究较多，高温（５５℃）发酵因热源受限而没有得到大规模应用，但高温发酵具有反应速度较快、产气较稳定、有机物降解彻底、沼渣中有害病菌含量较低等特点（马磊等，２００９）．鉴于两种发酵工艺各具有优缺点，应因地制宜选取相应的发酵工艺．因此，本研究将系统研究含油率对餐厨垃圾中温和高温干式厌氧发酵的影响，通过分析日产气量、累计产气量、发酵前后总固体（ＴＳ）和挥发性固体（ＶＳ）的去除率、沼气成分的变化，以期为研究含油率对餐厨垃圾干式厌氧发酵的影响提供数据参考．２　实验材料和方法（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　实验材料２．１．１　餐厨垃圾及接种污泥　餐厨垃圾取自北京工商大学东区食堂．取样时，先将食堂收集桶内的餐厨垃圾充分搅拌混匀，再取出约１０ｋｇ，手工分拣去除其中的杂质，如骨头、蛋壳等．然后用搅拌机将餐厨垃圾破碎形成粒度细的匀浆（粒径小于５ｍｍ），将其混匀于４℃冰箱中保存备用．接种污泥取自某污水处理厂剩余厌氧污泥，为黑色泥状．取适量污泥置于玻璃瓶密封静置，待分层后，取下层污泥作接种物，并对接种物进行驯化处理．驯化时，将污泥放入培养瓶水封，使瓶内呈厌氧状态，置于培养箱２５℃培养３～４ｄ，每天按Ｃ∶Ｎ∶Ｐ＝８００∶５∶１的比例向其添加碳源（葡萄糖）、氮源（尿素）和磷源（磷酸氢二钠）．驯化后，污泥呈黑色絮凝状，于培养箱内保存待用．此时，接种污泥的ｐＨ为７．３５，ＴＳ为１１．８９％，ＶＳ为６５．７３％．２．１．２　厌氧发酵装置　厌氧发酵装置主要由５００ｍＬ的广口发酵瓶、５００ｍＬ集气瓶和１Ｌ量筒三部分组成．发酵瓶置于３５、５５℃的恒温水浴中，发酵过程产生的气体经聚乙烯管进入装有３％ＮａＯＨ溶液的集气瓶，同时集气瓶内的３％ＮａＯＨ溶液被压入到集水瓶，每天用量筒读取集水瓶内碱液体积数．气体经过集气瓶后，其中的ＣＯ２、Ｈ２Ｓ等酸性气体、ＮＨ３和水蒸气均被吸收，排入量筒的液体体积即可视为发酵产生的氢气、甲烷体积（林云琴等，２０１２）．２．２　实验方法２．２．１　去油餐厨垃圾样品的制备　本实验采用直接加热法去除餐厨垃圾的油脂：在９０℃下恒温加热餐厨垃圾３０ｍｉｎ，除去上层油脂．撇除的餐厨垃圾上层油脂经高速离心机离心分离２０ｍｉｎ后得到的油脂产物，用作调节含油率的原料．去油后餐厨垃圾的ｐＨ为６．４７，ＴＳ为２５．１％，ＶＳ为９３．６％，溶解性化学需氧量（ＳＣＯＤ）为４０．５ｇ·Ｌ－１．２．２．２　厌氧发酵实验　取两组（每组６个）发酵瓶，分别添加２００ｇ含油率为０、２％、４％、６％、８％、１０％的餐