餐厨垃圾与牛粪混合厌氧发酵产沼气研究

朱洪艳 王粟 裴占江 等

摘要：为了解决餐厨垃圾单独发酵时容易发生酸化等问题，以餐厨垃圾和牛粪为原料，在35 ℃下，采用批式厌氧发酵方法，研究了不同餐厨垃圾和牛粪配比对混合厌氧发酵效率的影响。结果表明，餐厨垃圾和牛粪比例为3∶1时反应效果最好，累积产气量为3 750.5 mL，是餐厨垃圾单独厌氧发酵（T6）产气量的3倍，气体甲烷含量可达52.1%。反应后期消化液的pH保持在7.3～7.5，没有发生酸化现象；氨氮浓度保持在2 000～2 200 mg/L；辅酶F420最大值为0.72。而餐厨垃圾单独厌氧发酵时发生酸化效应，反应运行失败。由以上结果可知，混合发酵有利于厌氧发酵的进行，用混合发酵方法处理餐厨垃圾可以提高餐厨垃圾厌氧发酵效率。

关键词：餐厨垃圾；牛粪；混合厌氧发酵；反应配比

中图分类号：S216.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）20-5145-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.055

Study on Biogas Production from Anaerobic Co-digestion of Food Waste and Cow Manure

ZHU Hong-yan1，WANG Su2，PEI Zhang-jiang2，GAO Ya-bing2，WANG Xiang-he1，YAN Hong1，LIU Jie2

（1. College of Chemical and Environmental Engineering，Harbin University of Science and Technology/Key Laboratory of Green Chemical Engineering and Technology of College of Heilongjiang Province，Harbin 150040，China；2. Rural Energy Insititute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin 150086，China）

Abstract： Food waste anaerobic digestes alone will easily acidificate. Anaerobic co-digestion method was adpot to solve this problem.Food waste（FW） and cow manure（CM） were used as raw material，at the temperature of 35 ℃，the impact of the different reaction ratio to the co-anaerobic digestion efficiency with food waste and cow manure was studied by sequencing batch. The results showed that the best FW and CW reaction rate was 3∶1，the total gas production was 3 750.5 mL，which was there times of the FW digestesd alone，and the methane volume fraction was 58.7%，pH kept at 7.3～7.5，and the system didnt acidificate.The concentration of ammonia nitrogen kept at 2 000～2 200 mg/L. The highest absorbance value of coenzyme F420 was 0.72. Food waste anaerobic digested alone acidificated， the reaction failed to run. From the above results，we can know that co-digestion is benefit for anaerobic digestion，it could improve the efficiency of the anaerobic fermentation of food waste.

Key words： food waste；cow manure；anaerobic co-digestion；reaction ratio

餐厨垃圾是中国城市生活垃圾的主要组成部分，具有显著的危害和资源二重性，它的主要特点是盐分、有机物含量高，并富含氮、磷、钾及各种微量元素[1]。由于餐厨垃圾中存在病原微生物，易导致腐烂、变质、发臭、滋生蚊虫等情况发生[2]。随着中国经济的发展及人口的增加，餐厨垃圾的排放量也与日俱增，如何妥善地处理餐厨垃圾，消除其带来的危害，实现其资源化利用是目前中国面临的严峻问题之一。

厌氧发酵技术是一种科学的处理有机垃圾的生态方法，也是处理餐厨垃圾的一种有效的途径[3，4]，这不仅可以减少污染物的排放、消除环境污染，还可以获得清洁能源。混合厌氧发酵将是厌氧发酵技术的重要研究方向[5]。研究表明，混合发酵远远优于单独发酵，餐厨垃圾单独进行厌氧发酵时，由于其有机物含量高，碳氮比较高，体系不稳定，发酵时极易酸化，导致发酵失败[6]。楚莉莉等[7]以猪粪、麦秆为原料，研究了不同比例混合对厌氧发酵产沼气的影响，结果表明，猪粪与麦秆配比（干物质量比）1∶1时，产气量是麦秆单独发酵产气量的1.6倍。丁琨等[8]研究了猪粪和玉米秸秆混合厌氧发酵产沼气效果，结果表明，粪秸比为30%时发酵产气效果最好。Zarkadas等[9]将DWE（洗涤废水）与牛粪、猪粪混合发酵，产气率提高了50%。目前，针对餐厨垃圾和牛粪混合厌氧发酵的研究较少。牛粪的碳氮与餐厨垃圾相比较低[10]，将牛粪和餐厨垃圾混合发酵，可以达到厌氧发酵的合适碳氮比，而且牛粪有较强的缓冲能力，可以使厌氧发酵体系稳定[11]。畜禽粪便是农村环境污染的主要来源[12]，随意堆放畜禽粪便导致的环境问题，影响了新农村的面貌，对农民的生活环境和健康也造成了直接威胁。将餐厨垃圾和牛粪混合发酵，既可以提高餐厨垃圾厌氧发酵效率，又可以解决城市和农村的环境污染问题。

研究了餐厨垃圾和牛粪按不同配比混合厌氧发酵的产气情况，以产气量、产甲烷量、pH、辅酶F420活性、氨氮浓度等作为指标，对混合发酵产气规律进行了分析，以期得到最佳原料配比。

1 材料与方法

1.1 材料

餐厨垃圾（FW）取自黑龙江省农业科学院职工食堂，挑出骨头、塑料等不易发酵杂质，经粉碎后，收集于20 L的透明聚乙烯袋里，于-4 ℃保存备用。牛粪（CM）取自黑龙江省农业科学院畜牧研究所奶牛养殖场，取鲜样后于-4 ℃保存备用。接种污泥（SS）取自黑龙江省农业科学院农村能源研究所沼气发酵罐。

1.2 装置

采用批式厌氧发酵方法，以1 L广口瓶为反应容器，采用700 mL反应体系，试验时干物质量的TS含量为6.8%，在恒温培养箱内培养，反应温度（35±1） ℃，采用排水法收集沼气，直至不再产气为止[13]。

1.3 方法

1.3.1 原料处理 试验前，采用烘干法测定餐厨垃圾（FW）和牛粪（CM）的干物质质量分数TS（%）及挥发性固体质量分数VS（%），并将接种污泥（SS）置于35 ℃、2 Hz摇床上摇24 h，以减少内生甲烷气体对试验结果的影响[14]。

1.3.2 分组设计 根据FW∶CM比例不同设6个处理，分别为T1（0∶1）、T2（1∶1）、T3（2∶1）、T4（3∶1）、T5（4∶1）、T6（1∶0），每个处理3次重复。将原料充分混合后，装入反应器，按1∶1接种沼液，接种时厌氧瓶内充入500 mL/min氮气流，保持6 min以上，使反应系统处于严格的厌氧环境。记录每天产气体积，每3 d测定气体中甲烷含量，每3 d取消化液样品1次，每次取样4 mL，并补充反应液。

1.3.3 指标测定 采用排水法测定产气量；反应器内料液的pH采用pHS-2C型数显pH计进行测定；甲烷含量采用安捷伦7890A测定（HP-PLOT molesieve色谱柱，柱箱温度40 ℃恒温，以氮气为载气，TCD检测器，检测器温度250 ℃）；氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法测定[15]；辅酶F420活性采用紫外分光光度法测定[16]。

2 结果与分析

2.1 原料性质

各原料基本性质如表1所示。

2.2 不同反应物配比对产气量的影响

由图1可知，各处理在发酵反应第1 天均有气体产生，牛粪单独发酵（T1）时，在反应第8天达到最大产气量，T2～T5处理在反应第5天达到最大产气量；餐厨垃圾单独发酵（T6）时，在反应第3天达到最大产气量。即产气量随时间的变化呈先上升再下降的趋势，该趋势与前人研究的厨垃圾与牛粪混合厌氧发酵最佳配比[17]时得出的结论一致，最大产气量T4>T3>T5>T2>T1>T6。由图2可知，发酵反应结束后，各处理的累积产气量不同，T1～T6处理的累积产气量分别为1 589、2 065、2 442、3 750、2 111、1 267 mL，T4累积产气量最多。由此可知，牛粪具有缓冲作用，加入牛粪可以减慢厌氧发酵反应，提高餐厨垃圾厌氧发酵的产气量，有利于厌氧发酵反应的进行，但当牛粪超过或少于一定量时，产气量降低，抑制了餐厨垃圾的发酵反应。当餐厨垃圾和牛粪的配比为3∶1时，产气效果最好。

2.3 不同反应物配比对甲烷含量的影响

由图3可知，在整个厌氧发酵过程中，甲烷含量呈上升趋势，在发酵反应第15天时甲烷含量达到最大值，并保持稳定。各处理的最大甲烷含量大小为T4>T3>T2>T5>T1>T6，与累积产气量变化基本一致。由此可知，适当加入牛粪可以提高餐厨垃圾产甲烷量，当餐厨垃圾和牛粪的配比为3∶1时，最高甲烷含量可达52.1%，产气效果最好。

2.4 不同反应物配比对反应液pH的影响

由图4可知，各处理组的pH呈先下降后上升的趋势，在发酵反应初期（0～9 d），不溶性的大分子有机物分解为可溶性小分子有机酸，有机酸逐渐积累，pH下降。随着发酵发应的进行，有机酸被产甲烷菌利用，含氮有机物分解产生的氨使pH上升。发酵反应进行到20 d左右时，T4处理的pH保持在7.3～7.5，而其他处理的pH一般保持在6.3左右，T6处理pH低于6.3。产甲烷菌的活性要求pH在6.8～7.2之间，pH小于6.3时，甲烷菌活性降低，甚至失活，产甲烷活性大小与产气量的多少呈正相关[18]。从图1也可以得出，发酵反应进行到20 d时，除T4处理外，其他各处理产气量降低，直至不再产气。由此可知，当餐厨垃圾和牛粪的配比为3∶1时，反应液的pH可以保持在厌氧发酵反应所需范围内。

2.5 不同反应物配比对氨氮浓度的影响

由图5可知，氨氮浓度的变化呈先上升后下降的趋势，在厌氧发酵初期（0～13 d），餐厨垃圾和牛粪中的蛋白质和氨基酸的发酵及其他含氮有机物的降解产生氨氮，使氨氮浓度升高。随着厌氧发酵反应的进行，产甲烷菌大量繁殖需要消耗氮源作为营养元素，氨氮的浓度又逐渐下降。除T4处理外，T1～T6处理的最大氨氮含量在2 300 mg/L左右，通常认为氨氮浓度在2 000 mg/L时就会产生明显的抑制效果[19]，T4处理的氨氮含量2 000 mg/L以下，保证了发酵反应的稳定进行。由此可知，当餐厨垃圾和牛粪的配比为3∶1时，消化液不会发生氨氮抑制现象。

2.6 不同反应物配比对辅酶F420活性的影响

辅酶F420是产甲烷菌特有的物质，是产甲烷菌代谢途径中重要的辅酶之一，其作为电子载体，在产甲烷的电子传递链中起着非常重要的作用[20]。辅酶F420可以用来反映厌氧发酵产甲烷过程中产甲烷菌的数量或者产甲烷菌活性。通过辅酶F420在420 nm处的吸光度来反映辅酶F420的活性，进而评价产甲烷菌的活性大小。由图6可知，辅酶F420的活性呈先下降后上升的趋势，反应初期（0～9 d）辅酶F420活性上升，反应进行到12 d时又逐渐下降。其原因是在产气初始阶段，发酵产生的酸使甲烷菌生长受到抑制，而随着酸的利用，产甲烷菌快速增长而活性增大。当产气量达到最大峰值时，产甲烷菌活性大小为T4>T2>T5>T3>T1>T6。由此可知，当餐厨垃圾和牛粪的配比为3∶1时，辅酶F420活性最高，其吸光度可达到0.72。

3 小结

餐厨垃圾单独厌氧发酵时出现酸化现象，导致厌氧发酵反应运行失败。餐厨垃圾与牛粪混合厌氧发酵可以提高餐厨垃圾厌氧发酵效率，FW∶CM为3∶1时，累积产气量和甲烷含量最高，分别为3 750 mL和52.1%，反应后期消化液pH保持在7.3～7.5，没有发生酸化现象；氨氮浓度为2 000～2 200 mg/L，没有发生氨氮抑制现象；产甲烷菌的吸光度为0.72，产甲烷菌活性较高。不同处理的累积产气量与甲烷含量的大小为T1>T4>T3>T2>T5>T6，即加入适量的牛粪，有利于餐厨垃圾进行厌氧发酵反应。

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