果蔬垃圾厌氧消化产气分析

管志云 饶玲华 李平

摘 要：果蔬是我国的第二大农作物，每年产生大量的果蔬垃圾，厌氧消化是其最合适的处理方式，果蔬厌氧消化过程中产气不稳定，针对这一问题，本文分析得出甲烷的理论产气量与含碳量和含氢量有关，动力学模型主要以ADM1为主，果蔬垃圾负荷高会导致大量的脂肪酸产生抑制甲烷生产，其单相厌氧易导致酸化，最佳的发酵温度为35℃。

关键词：果蔬垃圾;厌氧消化;负荷;温度;pH

中图分类号：S-3文献标识码：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20191030017

前言

蔬菜是生活中必不可少的食品，是我国的第2大农作物。每年的产量已达7.69亿t，种植面积已超过0.22亿hm2，可以满足全球2倍人口的日常生活需求，产能严重过剩，虽然每年的蔬菜产量多，但由于蔬菜的易腐烂性使其在收取、储存、加工和运输过程中，会造成很大损耗，损耗的废弃物蔬菜如果不采用合适的手段处理，会产生硫化氢、有机酸等恶臭气体，对环境造成严重污染[1]。

蔬菜废弃物总固体含量在6%～10%之间，水分高，热值低，总固体（TS）中主要物质是糖类，约占70%，纤维素及木质素占10%左右，TS中VS含量高，但蔬菜结构强度低，且水分主要在细胞中，不易脱水。从蔬菜的生物可降解性和结构强度特征（含水率、流动性、可压缩性）考虑其处理方式，厌氧发酵技术最适合，其可以充分利用蔬菜的可降解性进行无害化与资源化利用。

厌氧发酵是厌氧及兼性厌氧菌在无氧或缺氧条件下，将生物质中的有机质转化成甲烷、二氧化碳及少量的硫化氢等气体的过程，其过程根据最新理论具体可描述为4个阶段：水解、酸化、产氧产乙酸、甲院化阶段。

产气量是厌氧发酵研究的核心内容，目前，果蔬垃圾由于其酸化速度快，产气量难以稳定控制，如何使果蔬垃圾厌氧发酵过程中稳定产气是当下的研究重点。

本论文分析了果蔬垃圾厌氧发酵理论产气量的模型，过程中物料成分、负荷、pH及温度对产气率的影响。

1 产气影响因素

果蔬垃圾的含水率大多在90%以上，最合适的厌氧发酵为湿式发酵，将果蔬经过破碎筛分后在进行湿法发酵，极易水解酸化降解，一般停留时间在10～15d左右，远低于粪污、秸秆等有机物的停留时间，由碳、氢、氧、氮等元素构成的有机化合物，通过巴斯维尔公式理论上能够计算出CH4与CO2的量[2]。公式计算过程如下：

CmHnOb+m-a4-b2H2O→m2-a8+b4CO2+（m2+a8-b/4）CH4

有机物在厌氧消化过程中，需要降解成葡萄糖等单糖才能进一步被产甲烷菌消化利用，以葡萄糖为例来计算理论产气量。葡萄糖主要生物代谢反应[1]如下：

C6H12O6→3CH4+3CO2

由上式可知，甲烷的产量与含碳量和含氢量有关，且厌氧反应的主要产物为甲烷和二氧化碳。表1为典型有机化合物的理论产沼气组成。脂类化合物的沼气中甲烷纯度最高，甲烷浓度达到72%，然而实际厌氧发酵中脂类化合物的分子较大，完全分解的时间长，造成厌氧停留时间长。碳水化合物与蛋白质，虽然沼气中甲烷含量低于低脂类，但其降解速度快，厌氧停留时间短，可以降低投资与运行底物累积的风险，所以在有机物进行厌氧发酵前需要进行脱脂或者预处理来提高其降解的能力[3]。

现阶段厌氧发酵过程的动力学模型主要采用ADM1，ADM1是一个对厌氧发酵中的生化和物化过程进行了详细描述与分析的结构化模型，物理化学过程是厌氧反应器中普遍存在的非生物媒介的反应过程，其可细分为液-液（离子结合/分离）、液-气（液/气交换）和液-固（沉淀/溶解）3个过程。ADM1清楚划分了模型组分并建立了相应的反应动力学方程，使厌氧消化可计量性 [4]。

巴斯维尔公式是描述有机物理论产甲烷量，ADM1使用数学模型的方式描述了厌氧反应中的生化过程和物化学过程，但实际的厌氧反应中产气率受到反应温度、pH值、物料成分的多种因素影响。

2 果蔬废弃物产气影响因素分析

2.1 物料成分及负荷的影响

吕琛等对果蔬与餐厨废弃物的厌氧发酵过程进行了研究，在2%、4%、6%（TS）的进料负荷进行厌氧消化。发现果蔬与餐厨的湿比例为5∶8，进料含固率在2%时，产气量最多，TS的甲烷转化率达到 600mL/g[5]。Bouallagui H 等人对果蔬垃圾进行了2相厌氧发酵研究，发现当厌氧发酵的负荷为7.5g（COD）/L/d 时，系统的果蔬酸化率达到了81%，但能承受13.3g/L的最大负荷率，同时研究发现在厌氧发酵的负荷为10.1 g（COD）/L/d時，系统内有机酸就开始增加，甲烷产量开始降低，甲烷产率为320L/kgCOD，厌氧系统的COD去除率达到95%以上[6]。

2.2 pH值的影响

果蔬垃圾厌氧消化容易导致有机酸积累，pH过低，破坏系统缓冲能力，而使得甲烧菌的活性低，难以消化降解产生的有机酸。Bouallagui对果蔬垃圾进行了厌氧因素影响实验，发现当果蔬垃圾厌氧发酵的固体含量超过7%时会导致大量挥发性脂肪酸产生，pH值迅速下降，甲烷化缓慢，产气降低[6]。Mtz-Viturtia A认为果蔬垃圾两相厌氧由于极易酸化，导致产气率低于单相厌氧消化，若不能很好的控制酸化，两相厌氧消化不适合处理果蔬垃圾[7]。

2.3 温度的影响

厌氧发酵产气率在35～38℃有一个峰值，50～65℃有另一个峰值，通常厌氧发酵的温度控制在这2个温度范围内，以尽可能地获得高降解速度与高产气率。江志坚将餐厨和果蔬垃圾按照8：5进行混合后研究在不同负荷与温度下产气的规律，35℃、50gTS/L的酸化出料的甲烷产气规律与45℃、40gTS/L的趋势相近，35℃的产气率更高，同时研究35℃、45℃与55℃下的产气量，45℃产气量最小[1]。

3 结论

果蔬垃圾进行2相厌氧发酵时产气率低于单相厌氧发酵，且极易酸化，破坏产甲烷菌的活性，可以采用与其他有机物混合发酵的方式，单相厌氧发酵不适合果蔬垃圾。

果蔬垃圾适合与餐厨垃圾混合发酵，比例为5∶8时产气效果最佳。当果蔬垃圾含固率较高时，容易导致大量挥发性脂肪酸产生，对甲烷的产生有抑制作用。

果蔬垃圾的厌氧消化最佳温度在35℃与55℃左右。

参考文献

[1] 江志坚. 果蔬与餐厨垃圾混合两相厌氧消化性能的试验研究[D]. 北京：北京化工大学， 2013.

[2] 彭武厚， 陆鑫. 沼气发酵原理及其作用[C].江苏：江苏科学技术出版社， 2006：274-278.

[3] 陈云进. 研究探讨科学实施餐饮废油资源化的循环经济实践[C].北京：中国环境科学出版社，2010：18-22.

[4]周雪飞，张亚雷，顾国维.厌氧消化1号模型（ADM1）简介[J].中国给水排水，2003（02）：85-87.

[5]吕 琛， 袁海荣， 王奎升.果蔬垃圾与餐厨垃圾混合厌氧消化产气性能[J]. 农业工程学报， 2011， 27（13）：91-95.

[6] Bouallagui H，Torrijos M，Godonc J J，et al.Two-phases anaerobic digestion of fruit and vegetable wastes：bioreactors performance[J].Biochemical Engineering Journal，2004（21）：193-197.

[7]Mtz.-Viturtia A，Mata-Alvarez J，Cecchi F.Two-phase continuous anaerobic digestion of fruit and vegetable wastes[J].Resources Conservation and Recycling， 1995， 13（3-4）：257-267.

作者简介：

管志云（1992-），男，硕士研究生。研究方向：固废资源化。