农村生活垃圾厌氧发酵产沼气性能研究

魏珞宇， 罗臣乾， 张 敏， 申禄坤， 王 星， 张国治

(农业部沼气科学研究所， 成都 610041)

农村生活垃圾厌氧发酵产沼气性能研究

魏珞宇， 罗臣乾， 张 敏， 申禄坤， 王 星， 张国治

(农业部沼气科学研究所， 成都 610041)

文章研究了在TS为8%和5%，中温(35℃)与常温，粉碎程度为粗粒与细粒的条件下，不同组合的农村生活垃圾厌氧发酵的产气效果。结果表明，当TS为8%，中温粗粒条件下的累计产气量和TS甲烷产率达到最高，分别达8035 mL和0.2704 m3·kg-1，而TS为5%，常温粗粒条件下，农村生活垃圾的累计产气量最低，仅为2453 mL。发酵过程中pH值维持在6.0～7.5之间，厌氧发酵产气效果较好，而pH值低于6时，厌氧发酵受到明显抑制。此外，厌氧发酵对农村生活垃圾的重金属含量有明显去除作用。

农村生活垃圾； 厌氧发酵； 沼气

近年来，随着经济的发展，农民的生活水平得到了很大的改善，农村的建设面貌也焕然一新。但是，随之产生的问题是随着人们生活水平不断提高，生活垃圾日益增多，农村生活废弃物的产量和种类也逐年增加，对环境造成极大的破坏。据统计，我国农村生活废弃物(以餐厨垃圾和果蔬废弃物为主)年产量超过20亿t[1]，这些废弃物不妥善处理不仅污染环境还会影响人们的健康。目前只有少量的农村生活垃圾得到有效处理，且处理方式也大多为填埋，转运[2]。因此，如何合理高效的处理农村生活垃圾已成为当前迫切需要解决的问题。

厌氧发酵是处理有机废弃物的理想方法，在消除污染的同时可以产生清洁能源—沼气，且发酵后的沼渣、沼液可用作有机肥[3]。国内也对通过厌氧消化来处理农村生活垃圾做了大量研究[4-5]。笔者主要探索在不同发酵条件组合下，农村生活垃圾厌氧发酵的产气性能研究，以期找出最优组合，为有效利用农村生活垃圾发酵技术处理农村有机生活废弃物的实际应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试生活垃圾均取自成都市周边农村。

图1 发酵装置示意图

1.2 试验装置

试验采用批式厌氧消化法，1 L广口瓶作发酵罐，800 mL的有效反应体积，恒温水浴锅控制温度进行连续培养，排水集气法收集沼气。

1.3 试验方法

发酵条件设定为中温35℃和常温、粉碎程度为粗粒(3 cm)与细粒(1 cm)4个条件，发酵浓度TS设为 5%和8%，交叉组合共8个处理(见表1)，每个处理3次重复。对照为中温条件污泥TS 为5%和8%与常温条件污泥TS的 5%和8%。接种量均为20%。堆沤1个星期,然后调节pH值至8，装瓶进行厌氧发酵，并添加适量微量元素。每日记录各实验装置产气量，并不定期测试各实验组气质含量和pH值，直至实验结束。

表1 农村生活垃圾厌氧发酵实验设置对照表

1.4 测定项目及方法

总固体(TS)含量：烘干法测定；

产气量：排水集气法测定；

气体成分：沼气气体成分分析仪测定；

pH值：智能pH计测定。

微量元素：原子吸收法测定

2 结果与分析

2.1 农村生活垃圾厌氧发酵的产气状况

2.1.1 日产气量和累计产气量

不同条件下各处理厌氧发酵的启动速度和日产气量在发酵期间差异很大(见图2)。在中温条件下，处理D和处理E在发酵第13天左右就到达产气高峰，处理E的日产气量达到1000 mL以上，但D不到600 mL；随后产气量迅速下降，在发酵第22天左右就基本不产气，而处理B和处理H启动时间相对较慢，产气高峰分别出现在第22和16天左右，最高产气量也分别达到1000 mL，600 mL以上，后面虽然也迅速下降，但发酵时间也分别持续到第40，30天左右。在常温条件下，常温处理的启动时间明显较长，处理A和处理F的产气高峰在第30天左右，最高日产气量分别在800 mL，600 mL左右，处理C和处理G产气高峰出现在第25天左右，最高日产气量只有400 mL左右。从图中还可以看出，在相同浓度相同粒径条件下，中温处理的发酵日产气量明显高于常温处理，而在相同温度相同浓度条件下，细粒处理的日产气量量也要高于粗粒处理，此外，日产气量TS为8%的又明显高于TS为5%，综上所述，高浓度中温细粒条件下，农村生活垃圾厌氧发酵的日产气量达到最好。

而对于累计产气量，各处理农村生活垃圾厌氧发酵的累计产气量大小顺序为：B > E > A > F > H >D >C >G (见图3)，各处理最终累计产气量依次为8035 mL，7577 mL，5520 mL，5139 mL，3590 mL，3446 mL，2521 mL，2453 mL。可以看出，中温优于常温，高浓度优于低浓度，粗粒优于细粒。这与日产气量细粒优于粗粒结果相违背，主要是因为，细粒处理虽然在短时间能很快达到产气高峰且日产气量高，但由于粉碎程度细，厌氧消化快，原料很快发酵完成，从而时间短，造成累计产气量反而较低。综上可以看出，高浓度中温粗粒条件下，农村生活垃圾的累计产气量达到最大。

图2 农村生活垃圾厌氧发酵日产气量的变化

图3 农村生活垃圾厌氧发酵累积产气量的变化

2.2 不同处理的TS产气潜力

由表2可以看出，高浓度总体TS去除率高于低浓度。图4表明，高浓度下细粒常温以及粗粒中温发酵的TS产气量最高，达到0.4 m3·kg-1，明显高于其它处理；然而原料甲烷产率粗粒中温更高，这与前面累计产气量结论相符合。总体高浓度中温条件的原料产气率高于其他处理，表明在适当条件下农村生活垃圾厌氧发酵对农村生活废弃物的资源化利用具有实际应用前景。

表2 农村生活垃圾厌氧发酵TS去除率 (%)

图4 农村生活垃圾厌氧发酵TS产气潜力

2.3 pH值对发酵试验的影响

有机废弃物厌氧发酵过程是经各种大小分子有机物、短链脂肪酸转化成 CH4和CO2的过程[6]，虽然过程复杂，但仍会表现出规律性的消化系统酸碱性变化。因此，pH值的变化趋势被用来反映消化过程的进行情况[7]。

由图5可以看出，随着发酵过程的推移，不同处理的发酵过程中pH值均表现出先降低后增加，然后趋于稳定的变化趋势。其中处理A，B，F的pH值均在第7天下降，出现酸化情况，抑制了发酵的进行。再对比日常气量图，也看出各处理在第6天左右表现出产气量下降甚至不产气的情况。随后，在反应进行第9天，对pH值降到6.5以下的再次添加氧化钙进行调节。调节后pH值明显上升并逐渐稳定。且从图2也可以看出日产气量数据明显上升。这充分表明适宜的酸碱度是农村生活垃圾厌氧发酵的必要条件[8]，当pH值在6.0～7.5之间时厌氧发酵能正常进行，pH值低于6.0时厌氧发酵会明显受到抑制，这与付善飞[9]等的研究结果相似。这是因为pH值会显著影响厌氧发酵过程中微生物的生命活动和物质代谢[10]。

图5 农村生活垃圾厌氧发酵的pH值变化

2.4 微量元素分析

对农村生活垃圾的原料组份进行分析发现，其大致组成为50%菜叶，25%果皮，20%餐厨及5%废纸等其他不同原料。因此对原料进行分选后，分析测定其主要成分的微量元素含量。厌氧发酵完成后分析，同时分析产气最高的两个处理的元素含量。从表3可以看出，发酵后沼液中的重金属含量总体低于发酵前原料中的含量，其中Cu和Hg含量的降低最为显著，其他元素的含量从发酵前到发酵后均有不同程度的减少。由此可以说明，农村生活垃圾厌氧发酵对重金属的去除有明显作用。

表3 农村生活垃圾各组分及发酵后沼液的元素含量

图6 农村生活垃圾各组分的纤维素含量

3 结论

(1) 浓度、温度、粒度条件的变化直接影响农村生活垃圾厌氧发酵的产气量和产气潜力，是影响厌氧发酵产气效果的重要因素。当TS浓度为8%，中温粗粒的条件下农村生活垃圾厌氧发酵的累计产气量和原料甲烷产率达到最高，分别达8035 mL和0.2704 m3·kg-1。

(2) 不同粉碎程度以及不同温度条件影响发酵产气速率，从而影响发酵完成时间。原料粉碎程度越细，产气进程越快；发酵温度越高，产气高峰出现得越早，反之，产气高峰出现得越晚。

(3) 适宜的酸碱度是厌氧发酵进行的重要影响因素，当发酵液pH值维持在6.0～7.5之间，厌氧发酵累计产气量较高；当发酵液pH值低于6时，厌氧发酵明显受到抑制，甚至出现不产气的情况。

(4)厌氧发酵对农村生活垃圾的重金属含量有明显降低的作用。

[1] 岳 波，张志彬，孙英杰，等. 我国农村生活垃圾的产生特征研究[J]. 环境科学与技术， 2014(06): 129-134.

[2] 王艳芹，付龙云，杨 光，等. 农村有机生活垃圾等混合物料厌氧发酵产沼气性能[J]. 农业环境科学学报，2016(6): 1173-1179.

[3] 闫 骏，王则武，周雨珺，等. 我国农村生活垃圾的产生现状及处理模式[J]. 中国环保产业，2014(12): 49-53.

[4] 许 智, 叶小梅, 常志州, 等. 稻秸餐厨垃圾及人粪尿混合厌氧发酵[J]. 环境工程学报, 2012, 6(7): 2447-2453.

[5] Sebastian S, Alexandra K, Mandy G, et al. Anaerobic co-digestion of the marine microalgaNannochloropsissalinawith energy crops [J]. Bioresource Technology, 2013, 148(5): 428-435.

[6] 刘荣厚, 王远远, 孙 辰, 等. 蔬菜废弃物厌氧发酵制取沼气的试验研究[J]. 农业工程学报, 2008, 24(4): 209-213.

[7] Zhu B, Gikas P, Zhang R, et al. Characteristics and biogas production potential of municipal solid wastes pretreated with a rotary drum reactor[J]. Bioresource Technology， 2009, 100(3): 1122-1129.

[8] 李传运，邵 军，刘 强. 厌氧发酵技术在生活垃圾资源化处理中的应用[J]. 环境卫生工程，2005(05): 51-53

[9] 付善飞, 许晓晖, 师晓爽, 等. 酒糟沼气化利用的基础研发[J]. 化工学报, 2014, 65(5): 1913-1919.

[10] 刘 和, 刘晓玲, 张晶晶, 等. 酸碱调控污泥厌氧发酵实现乙酸累积及微生物种群变化[J]. 微生物学报, 2009, 49(12): 1643-1649.

[11] 孙永明, 李国学, 张夫道, 等. 中国农业废弃物资源化现状与发展战略[J]. 农业工程学报, 2005, 21(8): 169-173.

[12] Fernández J, Pérez M, Romero L I. Kinetics of mesophilic anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste: Influence of initial total solid concentration[J]. Bioresource Technology，2010, 101(16): 6322-6328.

[13] Chae K J, Jang A, Yim S K, et al. The effects of digestion temperature and temperature shock on the biogas yields from the mesophilic anaerobic digestion of swine manure[J]. Bioresource Technology，2008, 99(1): 1-6.

[14] Zhiyong Han, Haining Ma, Guozhong Shi, et al. A review of groundwater contamination near municipal solid waste landfill sites in China [J]. Science of the Total Envionment，2016，569-570,:1255-1264.

Biogas Production Potential of Rural Domestic Waste /

WEI Luo-yu, LUO Cheng-qian, ZAHNG Min, SHEN Lu-kun, WANG Xing, ZHANG Guo-zhi /

(Biogas Institute of Ministry of Agricultural, Chengdu 610041,China)

An anaerobic digestion experiment was conducted to study the biogas production potential of rural domestic waste under different condition combination of 35 ℃ or room temperature, the TS content of 8% or 5%, the grinding degree of coarse or fine. The results show that, with TS of 8%, temperature of 35℃, and grinding degree of coarse fragment, the fermentation obtained the highest cumulative biogas production of 8035 mL and highest methane yield of 0.2704 m3·kg-1. And under TS of 5%, ambient temperature, and grinding degree of coarse fragment, the fermentation of rural domestic waste obtained lowest accumulative biogas production of only 2453 mL. The pH maintained between 6.0～7.5 were better than pH below 6 under which the fermentation was inhibited obviously. In addition, the content of heavy metals in rural domestic waste could be significantly removed by anaerobic fermentation.

rural domestic waste; anaerobic fermentation; biogas

2016-08-23

项目来源： 中国农科院创新工程

魏珞宇(1988-)，四川成都人，硕士，助理研究员，主要从事农村生活垃圾厌氧发酵相关研究工作，E-mail:weiluoyu1128@163.com通信作者： 张国治,E-mail:13308189417@163.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)06-0042-04