牛粪添加量对餐厨垃圾厌氧消化的影响

王彦杰， 毕少杰， 洪秀杰， 韩晓亮， 高亚梅， 晏 磊， 王伟东

(1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院， 黑龙江 大庆 163319； 2. 大庆市农业委员会， 黑龙江 大庆 163411)

牛粪添加量对餐厨垃圾厌氧消化的影响

王彦杰1， 毕少杰1， 洪秀杰2， 韩晓亮2， 高亚梅1， 晏 磊1， 王伟东1

(1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院， 黑龙江 大庆 163319； 2. 大庆市农业委员会， 黑龙江 大庆 163411)

文章以餐厨垃圾和牛粪为原料，在餐厨垃圾16 gVS·L-1的条件下，添加牛粪调节原料中餐厨垃圾与牛粪VS质量比为3∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶3进行混合发酵，研究牛粪添加量对餐厨垃圾厌氧消化过程和产气效果的影响。结果表明，单独厌氧消化时，餐厨垃圾沼气产率和甲烷产率均显著高于牛粪。混合发酵时，消化过程中pH值先下降后上升，随着牛粪添加比例的提高，pH值下降程度变小，恢复上升速度加快； 甲烷产量显著上升，但甲烷产率显著下降。餐厨垃圾和牛粪混合消化的甲烷产量均高于对应质量餐厨垃圾和牛粪单独厌氧消化产量之和，当牛粪的添加比例为2∶1时，甲烷产量提高效果最显著，提高率达到52.4%。可见，添加牛粪与餐厨垃圾进行混合厌氧消化可以增强消化体系的稳定性，提高厌氧消化效率。

餐厨垃圾； 牛粪； 混合厌氧发酵； 沼气

随着城镇人口的增长和人们生活水平的提高，城市生活垃圾的产量逐年增加，2013年我国城市垃圾总量超过了1.6×108t[1]，其中37%～62%的城市生活垃圾为餐厨垃圾[2]。餐厨垃圾是饭店、餐馆和机关、院校、企事业单位在食品加工、餐饮服务、单位供餐等活动过程中产生的废弃物的统称，有机质含量丰富，含水率高，易腐败，容易产生臭气和污水，处置不当，将严重影响周围的环境。城市生活垃圾一般采用卫生填埋的方法进行处理，但是卫生填埋占用土地量大，易污染地下水，产生甲烷等温室气体，资源回收利用率低，采用填埋法处理餐厨垃圾受到限制[3]。

餐厨垃圾的有机质含量丰富，采用厌氧消化的方式处理可生产甲烷含量较高的沼气[4]。然而，餐厨垃圾中易降解成分含量高，单独进行厌氧消化时易酸化[5]； 营养元素不均衡，一般认为厌氧消化适宜的C/N为20～30[6]，而餐厨垃圾的C/N并不在此范围[7]。研究发现，混合厌氧消化可以稀释餐厨垃圾中的高盐分、高油脂，调节C/N，丰富营养物质，稳定消化体系，增强产沼气能力[8]。

牛粪是厌氧消化最常用原料之一。牛粪的缓冲能力强，营养成分丰富，但多为难降解物质，单独厌氧消化时启动慢、处理周期长、沼气产率较低[9]。将餐厨垃圾与牛粪进行混合厌氧消化，可以充分利用各自的厌氧消化特性和产气潜能，提高发酵效率[10]。研究者多在恒定的底物浓度的条件下，研究牛粪与餐厨垃圾不同混合比例对产甲烷的影响，得到混合发酵时产气量高于单独厌氧发酵的结果[11-12]； 但李荣平[13]等研究表明，牛粪与餐厨垃圾混合厌氧消化产气量显著低于餐厨垃圾单独厌氧消化的产气量，随着混合原料中餐厨垃圾所占比例的提高，产气量逐渐升高，以产气量为标准无法得出最佳的混合比例。可见，原料的来源与性质的差异可导致不同的产气效果。本实验室研究表明餐厨垃圾的沼气产率显著高于混合消化[14]，与李荣平等的研究结果一致。为了明确不同比例餐厨垃圾与牛粪混合厌氧消化的效果，将混合原料单独厌氧消化的累加产气效果与混合消化相比较，探究牛粪的添加比例对餐厨垃圾厌氧消化的影响。

试验以餐厨垃圾的量为定值，改变牛粪的量实现混合比例的变化，35℃条件下采用批式厌氧消化方式研究牛粪添加量对餐厨垃圾厌氧消化产沼气的影响，探讨两种物料在厌氧消化过程中的相互作用效果，为提高餐厨垃圾和牛粪的厌氧消化效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试餐厨垃圾取自黑龙江八一农垦大学校内学生食堂。将供试餐厨垃圾用JJ-2B粉碎机(金坛市盛威试验仪器厂)机械打浆成颗粒(粒径为1～5 mm)。牛粪取自黑龙江省肇东市宋站镇奶牛养殖场新鲜牛粪。原料收集后均在-20℃条件下保存，使用前在4℃条件下解冻24 h。实验室采用半连续发酵的方式通过添加餐厨垃圾驯化牛粪料液，将产气与pH值稳定的料液经自然沉降的上清液作为接种物[14]。餐厨垃圾和牛粪的主要特性见表1。

表1 餐厨垃圾和牛粪的特性 (%)

注：数据为平均值±标准差，下同。

1.2 试验装置

试验采用的消化装置为1 L的螺口瓶，用硅胶塞密封，料液的装量0.8 L。瓶塞上设有取样口和集气口，用 1 L的铝箔集气袋收集产生的沼气。消化装置的示意图见图1。

图1 消化装置示意图

1.3 试验设计

实验设计如表2所示，在消化装置(见图1)中加入餐厨垃圾16 gVS，添加不同质量(5.32，8，16，32和48 gVS)的牛粪，调节餐厨垃圾和牛粪VS质量比分别为3∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶3(A1～A5)进行混合厌氧消化； 同时设置与混合消化料液中对应浓度的牛粪(B1～B5)与餐厨垃圾(C)进行单独厌氧消化。原料添加到消化瓶后，添加接种物240 mL，补水至800 mL，充分混匀后，通过取样口通入氮气5 min (300 mL·min-1)，使消化瓶中形成厌氧环境。将消化瓶放置于恒温培养箱中，35℃条件下厌氧消化30 d。试验过程中，每天从取样口取出1 mL料液用于pH值的测定，将集气袋中的气体排出用于沼气产量和甲烷含量的测定。每个处理3次重复。

1.4 测定方法

TS和VS采用标准方法测定[15]。pH值采用pH计(HORIBA，Model B-712)测定。餐厨垃圾和牛粪的总氮和总碳采用multi N/C 3100总有机碳/总氮分析仪(Analytik Jena公司)测定，通过计算总碳与总氮的比值求得C/N。将集气袋中的气体采用排水法测定产气量，采用GA2000便携式沼气分析仪(Geotech公司)测定甲烷含量。

表2 试验设计

注：A1～A5：餐厨垃圾和牛粪混合厌氧消化； B1～B5：牛粪单独厌氧消化； C：餐厨垃圾单独厌氧消化

1.5 甲烷产量提高率的计算方法

将餐厨垃圾和牛粪混合消化的甲烷产量与对应质量餐厨垃圾和牛粪单独厌氧消化产甲烷量之和相比较，计算甲烷产量提高率，计算方法为：甲烷产量提高率=(混合消化甲烷产量-混合料液单独消化产量之和)/混合料液单独消化产量之和×100%。

1.6 统计分析

采用软件Origin8.0中描述性统计分析(descriptive statistics)的方法对平行试验的数据进行处理。采用单因素方差分析 (One way ANOVA，Turkey法，P=0.05)的方法对不同处理之间的差异进行分析。

2 结果与分析

2.1 餐厨垃圾与牛粪混合消化过程中pH值的变化

在30 d的批式厌氧消化中，pH值的变化见表3。随着消化的进行，不同处理消化过程中pH值均先下降后上升，然后稳定在7.3左右。在厌氧消化的初始阶段，由于产酸菌快速繁殖生长和代谢，将易降解的有机物转化为挥发性脂肪酸，但产甲烷古菌生长和代谢缓慢，不能及时将产酸菌产生的挥发性脂肪酸利用，容易造成脂肪酸的积累，导致消化体系pH值下降。随着产甲烷菌的生长繁殖和对消化环境的适应，脂肪酸的利用逐渐加快。另外含氮有机物的降解可产生胺盐，使消化体系的pH值上升[16]。消化体系可自行调节pH值至产甲烷适宜的范围，反应器运行正常。餐厨垃圾单独消化的pH值下降速度最快，下降程度最大，前3 d迅速降至5.5，恢复速度最慢，直到第10 d才趋于平缓，最终pH值保持在7.2左右。牛粪单独消化的pH值下降速度最小，恢复速度最快，在第3 d降至7.0，第5 d已恢复至7.3左右。餐厨垃圾和牛粪混合厌氧消化时，牛粪添加比例越高，pH值下降的速度越慢、下降程度越小，恢复速度越快。张存胜[17]研究厨余沼气发酵时，考察了餐厨垃圾与秸秆、牛粪的混合发酵，发现与牛粪的混合后的体系更稳定，确定了餐厨垃圾的最佳混合物为牛粪。陈广银[18]等对牛粪与互花米草混合厌氧消化产沼气的效果进行了研究，发现牛粪的比例越高，系统的缓冲能力越强。牛粪具有较强的缓冲pH值的能力，添加牛粪提高了厌氧消化体系的稳定性。

表3 厌氧消化过程中pH值的变化

2.2 餐厨垃圾、牛粪及混合消化的产沼气效果

消化初始时，沼气日产率随着牛粪添加比例的增大而降低，这可能是由于餐厨垃圾的易降解物质含量高，产气过程主要集中在前10 d[19]，而牛粪中纤维素、半纤维素含量较高，厌氧消化启动慢造成的。牛粪单独消化的处理在28 d时停止产气，而混合消化体系在23 d时产气基本停止，混合消化缩短了牛粪的消化时间。经过30 d的厌氧消化，不同处理的沼气产率和产量如表4所示。可见，添加牛粪提高了餐厨垃圾厌氧消化的沼气产量。餐厨垃圾单独厌氧消化的沼气产率最高，达到596 mL·g-1VS； 牛粪单独厌氧消化的沼气产率最低，仅为231～279 mL·g-1VS； 混合原料的沼气产率居于餐厨垃圾和牛粪的沼气产率之间，随着牛粪添加量提高，混合原料沼气产率逐渐下降。

表4 各处理的沼气产率和沼气产量

2.3 餐厨垃圾、牛粪及混合消化的产甲烷效果

表5列出了餐厨垃圾和牛粪单独厌氧消化的甲烷产量、甲烷产率和甲烷含量。通过单因素方差分析 (One way ANOVA，Turkey法，P=0.05)可以看出，VS的变化对牛粪单独厌氧消化的甲烷产率和甲烷含量无显著影响，VS的提高可以显著提高甲烷产量； 餐厨垃圾单独厌氧消化的甲烷产量、甲烷产率和甲烷含量均显著高于牛粪。可见，在试验浓度范围内原料浓度对牛粪消化的甲烷产率的影响不显著。餐厨垃圾和牛粪单独厌氧消化的甲烷产率分别为358 mL·g-1VS和80～87 mL·g-1VS，餐厨垃圾的甲烷产率比牛粪的高3.5倍，与李荣平的研究结果相一致[17]。

表5 各处理厌氧消化的甲烷产量、甲烷产率和甲烷含量

注：各处理间差异采用ANOVA分析，每列中不同的字母表示处理之间有显著性差异(P<0.05)，下同。

餐厨垃圾和牛粪混合厌氧消化的甲烷产量、甲烷产率和甲烷含量见表6。从表5和表6可见，混合厌氧消化的甲烷产量、甲烷含量均显著高于餐厨垃圾和牛粪单独厌氧消化； 但混合厌氧消化的甲烷产率显著高于牛粪，低于餐厨垃圾，这主要是由于牛粪的甲烷产率远低于餐厨垃圾的引起的。混合消化时，随着牛粪添加比例的增加，甲烷产量逐步提高，甲烷产率逐渐下降。当牛粪的添加比例超过1时，甲烷含量有了显著提高，在添加比例比值为2时，甲烷含量达到最高值70.3%。

表6 各处理厌氧消化的累积产甲烷量、甲烷产率和甲烷含量

处 理甲烷产量甲烷产率甲烷含量mL(mL·g-1VS)%A16718±125d315±3a63．2±0．3bA27224±129c301±3b65．4±1．2bA39390±223b295±4bc69．7±1．8aA413776±148a287±3c70．3±0．6aA512760±153a215±5d69．2±0．3a

2.4 牛粪添加量对餐厨垃圾厌氧消化甲烷产量的影响

表7显示的是牛粪添加量对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响。餐厨垃圾和牛粪混合消化的甲烷产量均高于对应质量餐厨垃圾和牛粪单独厌氧消化产量之和，表明混合厌氧消化可以显著提甲烷产量，促进牛粪和餐厨垃圾的厌氧消化效率。当餐厨垃圾和牛粪的混合比例为1∶2，C/N为26.9时，厌氧消化的产甲烷量提高了4737 mL，提高率高达52.4%。

3 讨论和结论

餐厨垃圾的主要成分为淀粉、脂肪、蛋白质等易降解物质，这些成分的快速降解容易导致消化液中的有机酸积累，使厌氧消化发生酸败[20]。牛粪中的营养成分丰富，缓冲pH值的能力强，有助于提高厌氧消化体系的稳定。研究人员将餐厨垃圾与牛粪进行混合厌氧消化，混合消化系统的缓冲能力得到增强，稳定性得到提高，取得了良好的厌氧消化效果[7, 11～12, 14]。笔者研究表明，将牛粪添加到餐厨垃圾中进行混合发酵，提高了餐厨垃圾的缓冲能力。同时，与牛粪和餐厨垃圾单独厌氧消化的累加效果相比，混合消化的甲烷产量有所提高。

适宜厌氧微生物生长的C/N在25左右[21]，但餐厨垃圾的C/N低于此范围。较低的C/N会使氨氮积累，抑制产甲烷菌的活性。因此，餐厨垃圾单独进行厌氧消化时，虽然能够在较低负荷下持续的运行，但消化性能不稳定，效率低。为调节餐厨垃圾的C/N，平衡原料中的营养成分，使厌氧消化体系稳定进行，许多研究人员将餐厨垃圾与印染废水、果蔬废弃物等进行混合，混合后的原料C/N更加适宜微生物的生长，促进了厌氧消化的效率的提高[7]。冯磊[12]等研究了厨余和牛粪混合厌发氧消化的产气性能，发现当厨余与牛粪的总固体质量比为2∶1时的产沼气潜能最大，可达610 mL·g-1VS，此时原料的C/N为23。牛粪含有较高的C/N，往往高于适宜厌氧微生物生长的最佳范围[22]。将餐厨垃圾与牛粪进行混合后，原料的C/N处于厌氧微生物生长的适宜范围。笔者研究表明，当餐厨垃圾与牛粪的VS质量比为2，C/N为26.9时，混合厌氧消化的甲烷产量增强率最高。

表7 牛粪添加量对混合厌氧消化甲烷产量的影响

添加牛粪到餐厨垃圾中进行混合厌氧消化增强了餐厨垃圾消化体系的缓冲能力，调节了C/N，提高了甲烷产量和沼气中的甲烷含量，对提高餐厨垃圾和牛粪的厌氧消化效率有现实指导意义，但牛粪添加对混合消化影响的机理尚不明确，需进一步研究。

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Effect of Cow Dung Added Amount on Kitchen Waste Anaerobic Digestion /

WANG Yan-jie1, BI Shao-jie1, HONG Xiu-jie2, HAN Xiao-liang2, GAO Ya-mei1, YAN Lei1, WANG Wei-dong1/

(1.College of Life Science and Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2. Commission of Agriculture of Daqing City, Daqing 163000, China)

Under the kitchen waste loading of 16 gVS·L-1, different amount of cow dung were added(kitchen waste ：cow dung were 3∶1，2∶1，1∶1，1∶2, 1∶3, based on VS), the effect of cow dung quantity on the kitchen waste fermentation were investigated. The result showed that, the sole kitchen waste fermentation had higher biogas production than the sole cow dung fermentation. The pH firstly went down and then up. With the increasing of cow dung quantity, the going down level of pH tended to smaller, and its recover speed tend to faster, the total methane production increased significantly but methane production rate based on VS decreased. The co-digestion of kitchen waste and cow dung had higher methane production than their sole digestion. The kitchen waste and cow dung proportion of 2∶1 had the best methane production with methane production increasing of 52.4%. So, the addition of cow dung to kitchen waste could stabilize the digestion.

kitchen waste; manure; anaerobic co-digestion; biogas

2015-12-11

2016-01-31

项目来源： 国家科技支撑计划课题(2013BAD21B01;2012BAD12B05-3)； 黑龙江省高校科技创新团队计划项目(2012TD006)； 黑龙江省科技攻关项目(GZ11B108;GC12B306)； 黑龙江八一农垦大学研究生创新项目(YJSCX2015-Y55)； 黑龙江八一农垦大学学成、引进人才科研启动计划(XDB2015-26)

王彦杰(1972- )，男，山东单县人，教授，主要从事农业废弃物资源化利用研究工作，E-mail:wangyanjie1972@163.com

王伟东，E-mail:wwdcyy@126.com

S216.4; X713

A

1000-1166(2016)06-0027-06