蔬菜廢物兩步批次厭氧消化產(chǎn)氣實驗研究
摘要：采用兩步批式的厭氧消化方式，先將蔬菜廢物加水在反應(yīng)器中酸化處理若干天，達(dá)到穩(wěn)定后再將酸液分離出來，在厭氧消化體系穩(wěn)定運(yùn)行之后再將酸液分次加入反應(yīng)器中，實現(xiàn)了易酸化廢物單相厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。油菜和油麥菜在60和80 g/L有機(jī)負(fù)荷率下的日平均產(chǎn)氣量分別提高至0.24L/ (d·L)、0.23 L/ (d·L)、0.21 L/ (d·L)、和0.28 L/ (d·L)。其中以油菜的厭氧消化性能提高最為顯著，厭氧消化體系運(yùn)行時間由常規(guī)批式的10d左右延長到了58d，在60和80 g/L的有機(jī)負(fù)荷率下的總產(chǎn)氣量分別達(dá)到了20.86L和20.42L，約為對照的9倍；單位總固體（TS）產(chǎn)氣量也由23.1 mL/g上升至231.7和226.8 mL/g；最高甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)70.7%和83.9%
關(guān)鍵詞：蔬菜廢物；兩步批式厭氧消化；沼氣
引言
在蔬菜生產(chǎn)、儲存、集散、運(yùn)輸和加工過程中產(chǎn)生大量的蔬菜廢棄物。蔬菜廢物在我國城市垃圾中占有較大的比重，因有機(jī)成分含量高，其堆放或填埋會產(chǎn)生大量的滲濾液，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。由于蔬菜廢物高含水率的特點(diǎn)非常符合一般厭氧處理固體含量（10%左右）要求，且厭氧消化可以不經(jīng)預(yù)處理就能實現(xiàn)比較完全的廢物穩(wěn)定化和能源回收利用，厭氧消化可能成為處理蔬菜廢物的理想途徑[2-3]。
蔬菜廢物極易酸化水解的特性使其在進(jìn)行單相厭氧消化時很容易導(dǎo)致pH降低，發(fā)生酸中毒的現(xiàn)象，造成產(chǎn)甲烷菌的失活，抑制生物產(chǎn)氣過程[4]。因此pH值是厭氧消化過程中一個重要的控制參數(shù)，pH值的大小及其穩(wěn)定性對產(chǎn)氣效果有很大影響[5]。因此控制蔬菜廢物的酸化過程是關(guān)鍵。本研究采用兩步厭氧消化技術(shù)，先酸化，然后批次投加酸化液，進(jìn)行甲烷化，解決了pH值降低對生物產(chǎn)氣過程的抑制問題，實現(xiàn)對單相厭氧消化體系pH的調(diào)控，促使蔬菜廢物單相厭氧消化系統(tǒng)正常運(yùn)行。
1實驗部分
1.1 實驗原料
油菜、油麥菜均取自北京市某菜市場，其總固體（TS），揮發(fā)性固體（VS），總碳（TC），總凱氏氮（TKN）質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。蔬菜廢物剪成2cm左右長度，在70℃下烘至將干，使其體積大大減小后，按設(shè)定負(fù)荷投加到反應(yīng)器中。接種物為北京市高碑店污水處理廠的厭氧消化污泥，其TS、VS及混合液懸浮固體（MLSS）分別為30.6，16.8，29.7 g/L，含水率為96.4%。
 |
1.2 實驗裝置
厭氧消化試驗裝置由2L 錐形瓶、1L 廣口瓶和1L燒杯組成。錐形瓶作為發(fā)酵罐，采用集氣排水法收集沼氣，廣口瓶計量沼氣體積，燒杯收集從廣口瓶排出的水。試驗采用中溫厭氧消化，振蕩箱的溫度為（35±1）℃，轉(zhuǎn)速為120r/min [6]。各個反應(yīng)器的污泥接種量相同，其MLSS為15 000 mg/L [7]。
1.3 實驗方法
首先進(jìn)行加入接種泥之前油菜和油麥菜的酸化特性實驗，以確定酸化處理時間。將處理過的油菜和油麥菜皆按80 g/L（反應(yīng)器工作體積為1.5L）負(fù)荷率分別添加到厭氧消化反應(yīng)器中，加水至反應(yīng)器工作體積，保持溫度為（35±1）℃，轉(zhuǎn)速為120 r/min進(jìn)行酸化處理，在此過程中不定時監(jiān)測pH的變化，待pH下降至基本穩(wěn)定。酸化時間確定后按60和80 g/L的負(fù)荷率進(jìn)行兩步批式厭氧消化實驗，首先進(jìn)行酸化處理，待到實驗確定的酸化時間后取出反應(yīng)器，濾出酸液，冷藏于冰箱內(nèi)待用，剩余固態(tài)物料接種后置于恒溫振蕩箱中正常運(yùn)行，運(yùn)行條件與酸化實驗一致。根據(jù)日產(chǎn)氣量和消化液的pH值的變化情況，在日產(chǎn)氣量下降至較低水平時將倒出的酸液分2-3次加入到對應(yīng)的反應(yīng)器中，每次大約300-400mL，添加酸液時充入氮?dú)獗３謪捬醐h(huán)境。為了便于對比，另設(shè)置了60 g/L兩種蔬菜常規(guī)批式厭氧消化的對照實驗。
1.4 分析方法
記錄所有厭氧消化反應(yīng)器的日產(chǎn)氣量，計算相應(yīng)的總產(chǎn)氣量、日平均產(chǎn)氣量和單位TS產(chǎn)氣量，并分析厭氧消化前后物料的TS、VS 變化等？偖a(chǎn)氣量為整個厭氧消化過程中日產(chǎn)氣量的加和；日平均產(chǎn)氣量為總產(chǎn)氣量與厭氧消化過程結(jié)束時間的比值；單位TS產(chǎn)氣量為平均每投加1gTS所產(chǎn)生的生物氣體積；消化單位TS產(chǎn)氣量為平均每消化1gTS所產(chǎn)生的生物氣體積。大約每三天測定一次甲烷氣成分，采用北京北分瑞利儀器公司生產(chǎn)的SP-2100氣相色譜分析儀，熱導(dǎo)檢測器，載氣為氫氣，檢測器、進(jìn)樣器和柱溫分別為150℃、150℃和120℃？偟客ㄟ^凱氏定氮儀（KDN-2C，上海嘉定纖檢儀器廠）測定，TS、VS、灰分、pH值均按照標(biāo)準(zhǔn)方法[8]測定。
2結(jié)果與討論
2.1 酸化特性
 |
圖1為油菜和油麥菜酸化過程中的pH變化規(guī)律。由圖1可知在酸化處理30h左右，油菜和油麥菜的pH均降到最低，之后曲線基本趨于平緩，至60h時仍沒有明顯變化，為了保證徹底酸化，確定60h為后續(xù)實驗的酸化時間。
2.2日產(chǎn)氣量
 |
圖2表示油菜和油麥菜日產(chǎn)氣量的變化。由圖2可見，對照油菜和油麥菜僅在接種的第一、二天有一定的產(chǎn)氣量，之后厭氧消化過程基本處于停滯狀態(tài)，系統(tǒng)pH值由進(jìn)料時的6.67迅速下降，導(dǎo)致厭氧消化過程被中斷，整個產(chǎn)氣的過程僅持續(xù)了10d左右。在采用兩步批式厭氧消化后，油菜和油麥菜的產(chǎn)氣情況都得到極顯著的改善，厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性得到極大提高，產(chǎn)氣量較為穩(wěn)定，產(chǎn)氣周期分別延長至58和30d。在油菜和油麥菜的兩種負(fù)荷率下的產(chǎn)氣過程中均出現(xiàn)了2-3個產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣高峰的出現(xiàn)時間與酸液的加入有很好的對應(yīng)關(guān)系，一般在加入酸液2d后出現(xiàn)一個產(chǎn)氣高峰，兩種蔬菜的最高日產(chǎn)氣量分別達(dá)到了1730mL和1590mL。油菜在60和80 g/L的有機(jī)負(fù)荷率下日平均產(chǎn)氣量分別為360mL/d和352mL/d，相當(dāng)于0.24L/ (d·L)、0.23 L/ (d·L)，油麥菜分別為314mL/d和417mL/d，相當(dāng)于0.21 L/ (d·L)、和0.28 L/ (d·L)。這是因為在分離了酸液后，厭氧菌能很好地維持其自身生長的條件，酸液的不斷加入又為其提供了良好的生長基質(zhì)，形成穩(wěn)定產(chǎn)氣的結(jié)果。油菜和油麥菜的消化時間和產(chǎn)氣量不同主要是由于二者的成分不同，且油菜的葉柄含量較大，纖維素等相對難消化的成分含量高，與菜葉相比消化時間要長，而油麥菜的菜葉含量較大，易消化，消化時間短。同種蔬菜的兩種負(fù)荷率下日產(chǎn)氣量的變化規(guī)律相似。
2.3 甲烷體積分?jǐn)?shù)變化
厭氧發(fā)酵過程主要可分為產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段，因此在實驗開始的幾日，主要起作用的是產(chǎn)酸菌群。這一時期主要是生成產(chǎn)甲烷菌易于利用的乙酸和二氧化碳等物質(zhì)，所以此階段生物氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)很低，而相應(yīng)的N2 、CO2 體積分?jǐn)?shù)很高。圖3為生物氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化圖，由此圖可知，接種開始時期，生物氣中的CH4體積分?jǐn)?shù)很低，不到10％，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行及酸液的加入，CH4體積分?jǐn)?shù)逐漸上升，在第19天時油菜60、80 g/LCH4體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了70.7%和83.9%。隨后日產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)又逐漸下降到一個低谷，這是由于下一批加入的酸液造成系統(tǒng)pH降低，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，但是加入的酸液量較小，且系統(tǒng)經(jīng)過長時間的運(yùn)行已具備了較強(qiáng)的抗沖擊能力，所以產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)又迅速回升。如何控制酸液添加量及添加時間，從而得到穩(wěn)定的甲烷含量需要進(jìn)一步的試驗研究。同種蔬菜的兩種負(fù)荷率下甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律相似。對照組的兩種蔬菜，由于厭氧消化系統(tǒng)并未達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，產(chǎn)氣時間短，除了在接種的第一、二天生物氣中有很高的CO2含量外，幾乎檢測不出甲烷成分。
 |
2.4 總產(chǎn)氣量與單位產(chǎn)氣量
 |
厭氧消化前后TS的去除率及單位TS的產(chǎn)氣量見表2。在總產(chǎn)氣量、TS去除率、單位TS產(chǎn)氣率和消化單位TS產(chǎn)氣量，油菜和油麥菜在60和80 g/L的有機(jī)負(fù)荷率下都較對照有明顯的提高，其中以油菜產(chǎn)氣量的提高最為顯著，總產(chǎn)氣量都較對照提高了9倍左右，TS減少量由9.4%提高到了57.8%和65.8%。油麥菜的產(chǎn)氣狀況不如油菜的好，可能與其成分有關(guān)，但是其單位TS產(chǎn)氣率仍然達(dá)到了104.7和138.9mL/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于對照實驗。
3 結(jié)論
（1）經(jīng)過兩步批次處理，油菜和油麥菜的產(chǎn)氣性能與對照比較都得到極大提高，油菜在60和80 g/L的有機(jī)負(fù)荷率下日平均產(chǎn)氣量分別為360mL/d和352mL/d，即0.24L/ (d·L)和0.23 L/ (d·L)；油麥菜分別為314mL/d和417mL/d，即0.21 L/ (d·L) 和0.28 L/ (d·L)。
（2）油菜產(chǎn)氣量的提高最為顯著，消化時間由常規(guī)批式厭氧消化的10d左右延長到了58d，在60和80 g/L的有機(jī)負(fù)荷率下的總產(chǎn)氣量分別達(dá)到了20.86L和20.42L，約為對照的9倍；單位TS產(chǎn)氣量也由23.1 mL/g上升至231.7和226.8 mL/g；最高甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)70.7%和83.9%。
參考文獻(xiàn)
[1] 付勝濤,于水利. 厭氧消化工藝處理水果蔬菜廢棄物的研究進(jìn)展[J]. 中國沼氣, 2005, 23(4): 18- 21.
[2] 黃鼎曦, 陸文靜, 王洪濤. 農(nóng)業(yè)蔬菜廢物處理方法研究進(jìn)展和探討[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備, 2002, 3(11): 38- 42.
[3] 邱凌, 盧旭珍, 王蘭英, 等. 日光溫室生產(chǎn)廢棄物厭氧發(fā)酵特性初探[J]. 中國沼氣, 2005, 23(2): 30- 32.
[4] HAN S K，SHIN H S，SONG Y C，et al. Novel anaerobic process for the recovery of methane and compost from food waste [J]. Water Science Technology, 2002, 5: 313-319.
[5]苑宏英, 張華星, 陳銀廣, 等. pH對剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的COD、磷及氨氮的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2006, 27(7): 1358-1361.
[6] LUO Qingming, LI Xiujin, ZHU Baoning, et al. Anaerobic biogasification of NaOH-treated corn stalk[J]. Transactions of the CSAE, 2005, 21(2): 111-115.
[7] ZHANG Ruihong, ZHANG Zhiqin. Biogasification of rice straw with an anaerobic-phased solids digester system [J]. Bioresource Technology, 1999, 68(3): 235-245.
[8] APHA. Standard methods for the examination of water and wastewater [S], 20th ed., Washington DC, USA: American Public Health Association, 1998.
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
