不同物料厌氧消化最佳酸化时间的研究

闫 强, 陈 灏，赵玉柱

(1.中科院生态环境研究中心鄂尔多斯固体废弃物资源化工程技术研究所， 内蒙古 鄂尔多斯 017000； 2.鄂尔多斯市城市矿产研究开发有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

不同物料厌氧消化最佳酸化时间的研究

闫 强1, 2, 陈 灏1, 2，赵玉柱1, 2

(1.中科院生态环境研究中心鄂尔多斯固体废弃物资源化工程技术研究所， 内蒙古 鄂尔多斯 017000； 2.鄂尔多斯市城市矿产研究开发有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

该试验以生活垃圾、餐厨垃圾、粪便、污泥以及它们的混合物料(生活垃圾∶粪便∶污泥∶餐厨垃圾 =10∶5∶1∶1，以TS计)作为发酵原料，主要研究在常温(20℃±1℃)和中温(35℃±1℃)的条件下，不同物料达到pH值稳定状态的最佳酸化时间以及在酸化过程中TS，VS，pH值，COD理化性质的变化。最终研究结果表明：在常温条件下, 生活垃圾、餐厨垃圾、粪便、污泥以及它们的混合物料(生活垃圾∶粪便∶污泥∶餐厨垃圾 =10∶5∶1∶1，以TS计)的最佳酸化时间分别是5天, 4天, 7天，7天和4天； 在中温条件下, 生活垃圾、餐厨垃圾、粪便、污泥以及它们的混合物料(生活垃圾∶粪便∶污泥∶餐厨垃圾 =10∶5∶1∶1，以TS计)的最佳酸化时间，分别是4天，3天，6天，5天和3天。据实验数据可知，中温条件酸化效果比常温条件酸化效果好。

厌氧发酵； 酸化时间； 温度

近年来，我国经济仍能保持快速稳定的发展，城市现代化建设也随之加快步伐，人民的生活水平大幅度提高，随之产生的各类生活垃圾也是与日俱增。目前，我国每年产生的城市生活垃圾近10亿吨之多，而且城市生活垃圾仍以每年10%左右的速率增长，这对环境保护产生了日趋严重的影响，并大大阻碍着我国生态文明建设的进程。根据生活垃圾具有含水率高、可降解有机物含量高、成分复杂[1]的特点，可知传统的填埋处理不仅不能达到有效的垃圾处理效果，反而会造成巨大的资源浪费； 若对其直接进行焚烧，生活垃圾高含水率的特点将会导致生活垃圾整体的热值降低，因此在焚烧过程中必需添加辅助燃料，否则可能会导致二噁英类等有毒物质地产生，使得焚烧处理成本增加[2]； 若直接进行堆肥处理，则存在占地面积大、堆肥时间长、卫生条件差等问题[3]。

与上述传统的垃圾处理方式相比，厌氧发酵技术在处理有机固体废弃物的过程中，能达到能耗低、效率高的效果，不仅可以实现垃圾减量化、资源化和无害化的有效处理，同时能生产出新能源。因此，厌氧发酵技术被认为是最可持续发展的垃圾处理技术之一，其资源化利用日益受到国内外研究者的关注[4-5]。目前，大部分的相关研究主要集中在单相厌氧发酵，曾有研究表明，根据微生物所需生长环境的差异，将单相厌氧发酵工艺改进为两相厌氧发酵工艺，可以使厌氧微生物菌群发挥各自最佳活性，能够提高厌氧消化效率[6-9]。与之不同，文章主要是为通过大量实验，研究两相厌氧发酵的具体数据，希冀能为今后厌氧发酵技术更深层次地研究提供一些重要的基础数据，从而有助于厌氧发酵技术全面地深入研究。

文章主要研究了在常温(20℃±1℃)和中温(35℃±1℃)两种条件下，生活垃圾(S)、餐厨垃圾(C)、污泥(W)、粪便(F)以及它们的混合物料(H)(生活垃圾∶粪便∶污泥∶餐厨垃圾 =10∶5∶1∶1，以TS计))经过酸化过程，pH值达到稳定状态所需的最佳酸化时间，以期为两相厌氧发酵酸化阶段提供理论依据，以便于更好的将产酸相与产甲烷相分离，实现高效两相厌氧发酵，竭诚为厌氧发酵、为沼气工程生产实践提供技术支撑。

表1 原料的基本性质

1 材料与方法

1.1 材料及性质

实验生活垃圾、粪便、餐厨垃圾来自鄂尔多斯市东胜区传祥垃圾处理厂； 污泥来自东胜区北郊水质净化厂。

1.2 实验方法

1.2.1 厌氧发酵酸化实验

实验采用生活垃圾、餐厨垃圾、污泥、粪便等单一物料和混合物料为实验原料，在常温和中温条件下进行酸化，共设置10个实验组：生活垃圾常温发酵(S常温)、生活垃圾中温发酵(S中温)； 餐厨垃圾常温发酵(C常温)、餐厨垃圾中温发酵(C中温)； 粪便常温发酵(F常温)、粪便中温发酵(F中温)； 污泥常温发酵(W常温)、污泥中温发酵(W中温)； 混合物料常温发酵(H常温)、混合物料中温发酵(H中温)。每组设置2个平行，分别量取餐厨垃圾、混合物料、生活垃圾、污泥和粪便1 kg于1000 mL的广口瓶中，实验在室内和数显恒温水浴箱中进行，温度分别为20℃(室内温度)和35℃±1℃(水浴锅设置温度)，每天测定pH值，搅拌两次，每次5 min，每天量取产气体积，取样测定发酵液和产生气体指标。实验以pH值达到稳定状态时结束。

1.2.2 实验装置

实验装置由实验室自制，主要由发酵瓶、集气瓶和储水瓶组成。发酵瓶由1 L广口瓶制成，用合适的橡胶塞密封，橡胶塞上有排气口和取样口。装置示意图见图1。

图1 实验装置

1.2.3 分析方法

实验过程中主要分析项目如下：pH值，pH测定仪测定； TS(固含率)，烘干法，105℃～110℃烘干24 h至恒重后测定； VS(挥发性固体)，灼烧法550℃灼烧4 h，前后质量差值即为VS； COD，重铬酸钾法进行测定； 氨氮，纳氏试剂法； 总氮，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法； 总磷，钼酸铵分光光度法； VFA，比色法测定； 产气量，采用排水集气法收集； 气体成分，气相色谱法测定。

2 结果与讨论

2.1 酸化过程中pH值的变化

图2和图3为不同物料在中温和常温条件下，pH值随时间的变化情况。生活垃圾起始pH值为5，中温和常温条件下经过4天和5天的酸化，pH值基本稳定在3.75； 餐厨垃圾起始pH值为4，中温和常温条件下分别经过3天和4天的酸化，pH值基本稳定在3.5； 混合物料垃圾起始pH值为4.4，中温和常温条件下分别经过3天和4天的酸化，pH值基本稳定在3.95； 粪便起始pH值为7.25，中温和常温条件下pH值都是先升高后降低，经过6天和7天的酸化，pH值基本稳定在7； 污泥起始pH值为7.8，中温和常温条件下pH值都是先降低后升高，中温和常温条件下分别经过5天和7天的酸化，pH值基本稳定在7。

图2 不同物料在常温条件下酸化过程中pH值的变化

图3 不同物料在中温条件下酸化过程中pH值的变化

pH值是影响厌氧发酵系统的重要因素[10]，在酸化阶段pH值下降的原因可能是：原料中的有机物为产酸菌提供了生长繁殖的良好条件，产酸菌将有机物迅速转化为挥发性脂肪酸(VFA)，致使VFA累积起来，导致酸化液pH值下降[11]。温度是影响厌氧微生物生命活动过程的重要因素，它的影响主要表现对厌氧微生物细胞内某些酶的活性的影响，进而影响微生物的生长速率和微生物对基质的代谢速率； 还可以通过影响有机物在生化反应中的流向和某些中间产物的形成以及各种物质在水中的溶解度，进而影响到酸化的速度。温度越高，产酸菌生长速度越快，pH值下降越快，VFA增长速率也就越快。生活垃圾、餐厨垃圾、混合物料起始pH值都相对较低，酸化以后pH值基本都稳定在3.7左右； 污泥和粪便起始pH值相对较高，酸化以后pH值基本都稳定在7左右。根据发酵微生物需要的pH值，今后我们可以根据不同物料的pH值进行混合物料的配比研究。

2.2 酸化过程中TS与VS的变化

酸化过程中TS和VS都逐渐降低，如图4所示，生活垃圾、餐厨垃圾、混合物料、粪便和污泥中温和常温条件下TS去除率分别达35.85%，16.03%，10.40%，9.48%，25.74%，9.48%，9.50%，10.79%和9.80%、5.61%； VS去除率分别达32.15%，18.99%，9.15%、8.63%，29.22%，13.78%，34.79%，22.40%和9.16%，7.13%。

图4 不同物料酸化过程中TS和VS降解率

在厌氧发酵初期，营养丰富，微生物的活性强，发酵速度快，TS和VS下降较明显。在表示有机固体废物厌氧消化进程的两个指标TS，VS中，宜选择VS指标。因为TS中包含了一部分不能被厌氧消化的灰分(即TS与VS的差值)[12]。不同物料的TS去除率各不相同，餐厨垃圾中温和常温条件下TS去除率基本相同，其他物料TS去除率受温度影响都是中温高于常温。混合物料中温条件下TS去除率相对较高； 不同物料VS去除率也各不相同，餐厨垃圾VS降解率受温度影响较小，其他物料VS降解率中温条件下要比常温条件下都高。生活垃圾和混合物料VS降解率相对较高，所以混合物料两相厌氧发酵在今后的沼气工程实际运行中还是可行的。综上所述，不同物料酸化阶段，中温优于常温，建议生产中使用中温，常温效率较低。

2.3 酸化过程中氨氮的变化

在厌氧消化过程中，氨氮是微生物重要的氮源，但如果其浓度过高就会快速抑制甲烷菌的活性。实验在酸化过程中，不同物料氨氮的变化情况，如图5所示，酸化前后氨氮均有增高。

图5 不同物料酸化过程中氨氮变化

总的来看，酸化过程中氨氮都有所增加，主要原因是在酸化过程中，含氮大分子有机物逐渐被分解，从而导致酸化液中氨氮浓度增加[13]。粪便组初始氨氮较高，可能会造成氨抑制现象，所以一般不直接用粪便当做原料进行发酵，都是配合其他物料一起进行发酵，而其他物料起始氨氮都比较低，不会对酸化过程造成氨抑制现象。

2.4 酸化过程中COD的变化

如图6所示，生活垃圾、餐厨垃圾、混合物料、粪便、污泥，在中温和常温条件下，COD降解率分别达64.58%，63.27%，20.21%，7.07%，64.92%，61.69%，98.13%，94.38%和75.00%，64.38%。

图6 不同物料酸化过程中COD降解率

在酸化过程中，COD降低，所有物料都是在中温条件下COD去除率大于常温条件下COD去除率，其中餐厨物料COD去除率相对偏低。粪便组和污泥组已经进入产甲烷发酵阶段，有机物分解为CH4和CO2，所以其COD转化率相对较高。厌氧发酵的反应物由大分子构成(如糖类、脂类、蛋白质)，分子内部及分子间结合紧密，重铬酸钾不足于全部氧化这些大分子有机物，因此，测出的COD值只能部分反映有机物的含量(即反映被氧化部分的有机物)[14]。

2.5 酸化过程中气体产量及成分

由图7中可以看出，除污泥组以外，其他各组的日产气变化趋势大致相似，都是在第一天出现产气高峰，随后开始下降，而污泥组日产气变化趋势是先升高后降低。生活垃圾在中温和常温条件下酸化过程中，主要在前3天产气，气体主要成分为CO2； 餐厨垃圾在中温和常温条件下酸化过程中，主要在前3天产气，其中气体主要成分也是CO2，温度对餐厨垃圾酸化产气影响较小，中温和常温日产气量基本相同； 混合物料在中温和常温条件酸化过程中，主要在前3天产气，同样的，中温条件下气体成分主要为CO2，常温条件下气体成分为CO2； 粪便在中温和常温条件酸化过程中，主要在前5天产气，主要气体成分也是CO2。污泥在中温和常温酸化过程中，主要前7天产气，酸化阶段主要气体成分同样是CO2。

图7 不同物料酸化过程中日产气量的变化

除污泥以外，实验在启动第2天日产气量都减少了，可能是因为部分酸化微生物适应厌氧环境而被淘汰所致，而污泥组实验前3天日产气量一直增加，从第4天开始日产气量逐渐降低，可能是因为污泥中的酸化菌比较活跃。

如表2所示，污泥组产气量最多，其他实验组产气量都相对较少，主要是因为污泥中酸化菌较多。各种物料中温条件下产气量和产气率都高于常温条件，主要是因为温度越高，酸化菌活性越强，有机物消耗越快，产生气体越多，产气率也越高。

表2 酸化过程中总气产量和产气率

注：产气率以TS计。

3 结论

实验研究在常温和中温条件下，生活垃圾、餐厨垃圾、粪便、污泥以及它们的混合物料(生活垃圾∶粪便∶污泥∶餐厨垃圾=10∶5∶1∶1，以TS计)经过酸化过程，pH值达到稳定状态所需的最佳酸化时间。在实验过程中，测定了各种物料在酸化过程中TS和VS降解率,COD去除率,气体产量及成分等各项指标。最终得出不同物料所用的最佳酸化时间：在常温条件下, 生活垃圾、餐厨垃圾、粪便、污泥、以及它们的混合物料的最佳酸化时间，分别是5天, 4天, 7天，7天和4天； 在中温条件下, 生活垃圾、餐厨垃圾、粪便、污泥以及它们的混合物料的最佳酸化时间，分别是4天，3天，6天，5天和3天。结论表明在中温条件下，各类物料pH值达到稳定状态所需的酸化时间比在常温条件下的时间短。无论是从COD和VS降解率方面进行考察，还是从产气量上来验证，在中温条件下，厌氧酸化效果都是优于常温条件下的。因此，建议实际生产过程中使用中温条件，因为常温条件会致使效率较低。

综上，实验中所采用的物料，其中生活垃圾的厌氧酸化效果最好，其次是混合物料，而混合物料发酵可以节省设备投入，可以同时处理多种有机固体废弃物，还能高效回收能源。据实验结果可知，只要将混合物料的最佳发酵条件控制好，在工程上用混合物料进行两相厌氧发酵是相当可行的。

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The Optimal Acidification Time of Different Material Anaerobic Fermentation /

YAN Qiang1, 2，CHEN Hao1, 2，ZHAO Yu-zhu1, 2/

(1. Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Ordos 017000, China; 2. Ordos Urban Mining Research and Development Co Ltd, Ordos 017000, China)

With municipal solid waste, kitchen waste, feces，excess sludge，and their mixture (municipal solid waste∶feces∶excess sludge∶kitchen waste=10∶5∶1∶1) as fermentation material，under the room temperature (20 ℃±1 ℃) and mesophilic temperature (35 ℃±1 ℃), the optimal acidification time for different material reaching the steady pH was investigated, and the variation of TS , VS , pH , COD during the acidification was detected. The results showed that, under the room temperature, the optimal acidification time for reaching the steady pH was 5 d for municipal solid waste, 4 d for kitchen waste , 7 d for feces, 7 d for excess sludge, and 4 d for their mixed mixture, and that were 4 d，3 d，6 d，5 d and 3 d respectively under the mesophilic temperature. According to the experiment data, acidification effect under mesophilic condition was better than that under room temperature.

anaerobic fermentation； acidification time； temperature

2015-11-09

2016-04-21

项目来源： “十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAC25B03)

闫强(1988-)，男，汉族，内蒙古呼和浩特人，工程师，主要研究方向为城市有机废弃物处置与利用，E-mail:15849170511@163.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)06-0033-05