农村生活垃圾厌氧发酵产沼气潜力研究

奚永兰，刘 洋，高 娣，曹风雷，杜 静，孔祥平,2，叶小梅,

农村生活垃圾厌氧发酵产沼气潜力研究

奚永兰1,2,3，刘 洋3，高 娣1，曹风雷4，杜 静1,2,3，孔祥平1,2，叶小梅1,3※

（1. 江苏省农业科学院，南京 210014；2. 农业农村部农村可再生能源华东科学观测实验站，南京 210014；3.江苏大学农业装备工程学院，镇江 212013；4. 江苏省徐州市沛县大屯街道环卫办公室，徐州 221611）

旨在对农村有机生活垃圾厌氧发酵产沼气的潜力进行研究。对江苏省徐州市沛县大屯街道王庄村生活垃圾分类处置中心每月1次采集样品，并对一周年十二个月份的生活垃圾样品进行批式中温厌氧发酵产气潜力研究，考察农村生活垃圾作为发酵原料周年沼气产量和甲烷产量的变化，各月份试验组的累积沼气产气量范围为447～1 398 mL、累积甲烷产气量范围为215～865 mL。并用SPSS数据分析发现农村生活垃圾含水率、总磷TP、总钾TK、总氮TN、有机质、C/N、半纤维素、纤维素、木质素的含量均对产沼气潜力有影响，其中纤维素含量会对产沼气潜力有显著的正向影响关系，而TP会对产气潜力产生显著的负向影响关系，最后，该研究根据生活垃圾理化性质数据基础上建立了多元线性逐步回归最优方程，可根据农村有机生活垃圾的含水率、纤维素和木质素的含量预测其厌氧发酵产沼气潜力。

农村；垃圾；厌氧发酵；理化性质；产沼气潜力

0 引 言

随着生活水平的提高，农村的垃圾产生量也迅速增加，仅2014年就达到了1.4亿t[1-4]。近年来，随着中国农村经济发展和新农村建设逐步推进，中国农村生活垃圾基本形成了“组保洁-村收集-镇转运-县处理”的集中处理模式[5-8]。而填埋技术是解决生活垃圾的主要方法[9-10]，对自然环境产生很大的污染，因此有效处置农村生活垃圾对改善农村生活环境、打造绿色宜居村镇有十分重要的意义。相比较城市处理生活垃圾的焚烧、填埋等技术手段，厌氧发酵技术可以有效的转化生活垃圾，并产出沼气清洁能源[11-13]，沼渣和沼液也可以还田利用，最终达到处理垃圾和废弃能源化利用的目的[14-17]。中国农村生活垃圾因为地域、生活习惯、经济水平等因素有变化，各地的生活垃圾的组成也有差异[18-21]。当前，农村生活垃弃物等。其中包括大量的剩饭、菜叶、果皮圾主要来源于饮食、生活用品废弃、农业废等有机垃圾，其他的废弃物多通过废品回收处理掉[22-23]。因此农村生活垃圾具备作为厌氧发酵原料的潜力。

2017年6月，江苏省徐州市沛县被住建部确定为全国农村垃圾分类和资源化利用示范县，大屯街道成为江苏省农村生活垃圾分类试点镇。沛县创新性地采用“两分法”的分类方式，将生活垃圾分为“可堆肥垃圾”和“其他垃圾”，每天定时收集垃圾，将“其他垃圾”经中转站压缩后送到垃圾焚烧厂，对“可堆肥垃圾”进行资源化处理。由于沛县有机垃圾的前段分拣较为细致且大屯街道各个垃圾处理站点都采用同样的垃圾分类模式收集，因此本研究选取大屯街道王庄村的生活垃圾分类处置中心为取样点。目前已有一些对有机垃圾产沼气的研究报道，如金鹏康等通过中温厌氧发酵，发现生活垃圾的餐厨垃圾和纸类垃圾的比例为35：65时，系统运行效率最高[1]。文国来等[24]的堆肥装置通过12d高温发酵，24d编织袋2次发酵的处理方式，发酵后出仓减容40%左右，在发酵过程未产生二次污染。证明该设备可以有效消化生活垃圾，且实现资源再利用。但是针对农村有机生活垃圾的产气潜力研究鲜有报道。

本研究通过对沛县生活垃圾理化性质分析后可知，分类后沛县大屯街道有机生活垃圾含水率为75%～80%；有机质占比约为40%；氮含量丰富，为20～25 g/kg；碳氮比（C/N）为17～23；木质素质量分数为5%～10%，初步判断分类后农村有机生活垃圾较适合作为厌氧消化产沼气的原料[25-28]。所以本研究主要针对徐州沛县大屯街道一年十二个月份的有机生活垃圾进行批式中温厌氧发酵[29-30]，考察农村有机生活垃圾作为发酵原料的周年产气潜力变化规律，并运用SPSS分析软件对沛县厌氧发酵产沼气潜力进行分析，建立多元线性逐步回归最优方程，为农村生活垃圾的无害化处理和资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

农村生活垃圾采自江苏省徐州市沛县大屯街道王庄村生活垃圾分类处置中心，对该处置中心的生活垃圾原料堆垛进行为期1 a的多点采样，各点取2 kg样品后混合，取2 kg混合样品，采样频率为每月1次，然后粉碎至粒径<4 mm，其理化指标如表1所示。接种物取自江苏省常州市金坛区永康农牧科技公司养殖场的厌氧活性污泥。

表1 试验材料主要理化指标

1.2 理化性质测定方法

1.2.1 含水率的测定

总固体含量（Total Solid，TS）是将样品放在105 ℃的烘干箱中烘干至恒质量时的质量占比，挥发性固体含量（Volatile Solid，VS）是将105 ℃烘干的原料置于550 ℃下灼烧4 h挥发掉的固体成分占比，剩余的物质是样品的灰分。具体计算如式（1）～式（3）所示：

TS=1/0×100%（1）

VS=(1−3)/0×100%（2）

含水率=(0−1)×100%（3）

式中1为样品中干物质的质量，g；0为样品的总质量，g；3为样品中的灰分，g。

1.2.2 有机碳的测定

样品有机碳的测定采用稀释热法[31]。利用浓硫酸和重铬酸钾迅速混合时所产生的热量来氧化有机质，剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁来滴定，根据所消耗的重铬酸钾的量来计算有机碳的含量，具体计算如式（4）所示：

有机碳(%)=[(1−2)××0.003×1.33]/×100%（4）

式中1为滴定空白样所用FeSO4溶液体积，mL；2为滴定样品所用FeSO4溶液体积，mL；为所用FeSO4溶液的当量浓度，N；0.003为1 mg当量碳的质量，g；1.33为氧化矫正系数；1.724为有机碳转化为有机质的平均换算系数；为样品干质量，g。

1.2.3 全氮的测定

样品全氮的测定采用凯氏定氮法[31]。样品烘干至恒质量后，粉碎机粉碎再过0.42 mm（60目筛），取0.1～0.2 g样品进行消煮，消煮液冷却、定容后取过滤液进行蒸馏，然后采用酸式滴定方法进行测定。具体计算如式（5）所示：

全氮=(−0)·×14×/1（5）

式中为滴定样品所用酸标准溶液的体积，mL；0为滴定空白时所用的酸标准溶液体积，mL；为所用的酸标准溶液的浓度，mol/L；14为氮原子的摩尔质量，g/mol；1为烘干样品的质量，g；为消煮溶液定容体积所取体积，L。

1.3 试验设计

农村有机生活垃圾厌氧发酵产沼气试验均采用有效容积为108 mL的血清瓶模拟厌氧发酵装置。进料TS浓度为4%，并添加厌氧活性污泥与生活垃圾原料混匀调至有效容积108 mL，混匀调节pH值至7.5，之后密封置于37 ℃的恒温水浴锅里进行发酵，发酵周期为25 d。共设计12个试验组，每组设置3个平行。每天定时记录发酵装置产气量以及测定气体里的甲烷含量。

1.4 气体测定指标及方法

使用排水法收集和测量所产沼气。试验启动之后，每天定时记录各组产气量。甲烷含量采用型号为GC-9890B/T的气相色谱仪进行测定，该款气相色谱仪采用TCD热导检测器，载气为高纯的氢气，操作温度分别设置检测器温度85 ℃，进样器温度130 ℃，柱箱温度130 ℃。本试验采用南京任华色谱科技应用开发中心制备的标准混合气，其中氮气浓度为24.5%，甲烷浓度为44.5%，二氧化碳浓度为31.0%。采用外标法对样品的谱图进行分析计算得出其对应的氮气、甲烷及二氧化碳的浓度。pH值使用梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司的FE20型号pH计测定。

2 结果与分析

2.1 沼气产量分析

试验共运行25 d，各试验组的沼气日产气量和累积产气量变化曲线如图1所示。发酵试验启动迅速，第1天就开始产气，其中一月、三月、四月、五月份试验组的第1天产气量均达到40 mL以上。此后各组均呈快速上升的趋势，其中第3个月份和第12个月份试验组的沼气日产气量在第三天达到峰值，分别为98.7 mL和90.7 mL；第二和第四月份试验组在第5天达到峰值，分别为78.6 mL和110.7 mL；其余月份试验组在第7～10天里达到峰值。此后，沼气日产气量总体为下降趋势，在发酵试验结束时各试验组沼气日产气量都在4 mL以下。

图1 沼气日产气量和累积产气量变化

整个厌氧发酵过程沼气累积产气量曲线先快速上升后趋于平缓。在发酵的前15 d，各组累积产气量快速增长。第6个月份试验组的累积产气量明显高于其他组，达到了1 398.1 mL，快速增长后各组曲线趋向水平。在整个发酵周期中，各试验组发酵前15 d累积产气量均达到了总产气量的85%以上，第15 天之后，除第6个月份试验组在持续增加外，其余月份试验组累积产气量趋于稳定。这表明农村生活垃圾厌氧发酵产沼气主要集中在发酵周期的前15 d。第6月、8月份试验组的累积沼气产量均明显高于其他试验组，由表1可知这2个月的有机生活垃圾C/N在20～30之间，其余组均不在此范围内，并且已有文献表明厌氧发酵的最佳C/N比是20～30[6]，表明C/N对农村生活垃圾厌氧发酵产沼气的潜力具有重要影响。

2.2 甲烷含量分析

在试验进行过程中，每天测定各试验组沼气的甲烷含量，甲烷含量变化曲线如图2所示。发酵启动后第1天，各试验组的甲烷含量普遍较低，在2.19%～29%之间。这是由于厌氧发酵的初期是酸化和产酸的阶段，该阶段主要产生甲酸、乙酸等简单脂肪酸，产生的气体主要以N2、CO2为主，甲烷含量较低。各试验组的甲烷含量变化趋势相似，快速增加后在最高值附近浮动，直至产气结束。各试验组的甲烷含量峰值都达到了60%以上，说明厌氧消化过程运行良好。其中第二月、三月、四月和十二月份试验组在第3天就达到了60%附近；第一月、五月、六月份试验组的增速较为缓慢，直至发酵7 d时甲烷含量达到60%；第七月、八月、九月、十月、十一月份试验组的甲烷含量增速最慢，在发酵的第12天时才达到60%。结果表明农村有机生活垃圾周年产气潜力随月份差异较大，不同月份的农村生活垃圾因组分差异，难降解物质和易降解物质的含量不同，也导致产气量差异较大。

图2 甲烷含量变化

2.3 甲烷产量分析

各试验组甲烷日产气量和累积甲烷产量的变化曲线如图3所示。发酵试验启动后甲烷体积日产气量迅速达到产气高峰，其中第3、12月份试验组在发酵第3天达到产气高峰，峰值分别为64.0 mL和61.5 mL；第2和第4月份试验组甲烷日产气量在第5天达到峰值，分别为51.5和77.2 mL；其余月份试验组的产甲烷高峰在发酵的7～9 d出现，说明厌氧消化过程运行良好。各试验组累积甲烷产量在快速增长后趋于稳定，第6个月份试验组的甲烷产量一直在快速增长，累计产量达到865.3 mL，第11个月份试验组累积甲烷产气量最低，为215.6 mL。可知农村生活垃圾具有良好的厌氧发酵产沼气潜力，并且不同月份之间的产气潜力有较大差别。

2.4 产气潜力分析

本研究以沼气挥发性固体（VS）产气率为判断农村有机生活垃圾厌氧发酵产气潜力的指标。在对沛县的十二个月份的农村有机生活垃圾进行发酵试验后，计算各个月份试验组的沼气VS产气率，各月份产气情况如表2所示。

由表2可知，第六月份试验组的挥发性固体（VS）产气率是最高的为633.2 mL/g，最低为第十二月份试验组的181.6 mL/g)，相差约4倍，夏季试验组挥发性固体（VS）产气率最大，约为冬季的1.5倍。农村有机生活垃圾厌氧发酵有较大的潜力，且季节性差异明显。

图3 甲烷日产气量和累积产气量变化

表2 各月份产气情况

2.5 生活垃圾与产气潜力相关性分析

农村有机生活垃圾的理化性质与其产气潜力间的相关性分析如表3所示，从表中可以看出总磷（TP）、C/N、半纤维素与产气潜力具有相关性。总磷（TP）和有机垃圾挥发性固体（VS）产气率之间的相关系数值为−0.687，并且呈现出0.01水平的显著性，说明产气潜力和总磷（TP）之间有着显著的负相关关系；碳氮比和有机垃圾挥发性固体（VS）产气率之间的相关系数值为0.680，并且呈现出0.01水平的显著性，说明产气潜力和碳氮比之间有着显著的正相关关系；半纤维素与有机垃圾挥发性固体（VS）产气率相关系数值为0.487，并且呈现出0.05水平的显著性，说明产气潜力和半纤维素之间有着显著的正相关关系，生活垃圾的其他理化性质和产气潜力的显著性水平均高于0.05，不具有相关性。

通过相关性分析，可以得出影响农村有机生活垃圾厌氧发酵产气潜力的因素，可为有机生活垃圾处理的相关研究提供科学依据。

2.6 多元线性回归分析

多元线性回归分析是确定2种或2种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计方法，在厌氧发酵产气预测中应用十分广泛[32]。

本研究以农村有机生活垃圾的含水率、总氮（TN）、总磷（TP）、有机质、总钾（TK）、C/N、纤维素、半纤维素、木质素作为自变量，以挥发性固体（VS）所示。经过模型自动识别，剩下含水率、总磷（TP）、纤维素和木质素共4项自变量在模型中，2为0.727，说明这4项指标与挥发性固体（VS）产气率之间的显著相关性较好，并且模型通过检验（=8.653，=0.001<0.05），说明模型有效，SPSS软件中可直接得出此结果。得出了置信度较高、相关性较显著的模型，模型方程为=−51.424+3.733×含水率−19.806×TP+23.262×纤维素+6.513×木质素。由表4可知含水率的回归系数值为3.733（=1.193，=0.254>0.05）、木质素的回归系数值为6.513（=1.099，=0.292>0.05），说明含水率、木质素对农村有机生活垃圾厌氧发酵产气潜力无影响；总磷（TP）的回归系数值为−19.806（=−2.779，=0.016<0.05），说明总磷（TP）会对产气潜力产生显著的负向影响关系；纤维素的回归系数值为23.262（=3.472，=0.004<0.01），说明纤维素对产气潜力产生显著的正向影响关系。因此，利用该回归方程可根据农村有机生活垃圾的含水率、纤维素和木质素的含量预测其厌氧发酵产沼气潜力。

表4 多元线性回归分析

3 结 论

本研究以农村有机生活垃圾为研究对象，对十二个月份的有机生活垃圾进行中温厌氧发酵，对发酵结果运用SPASS软件进行相关性分析和多元线性回归分析得出如下结论。

1）农村有机生活垃圾具有良好的厌氧发酵产沼气潜力，由于各个月份试验组农村有机生活垃圾的组分不同，各月份和季节的产气潜力不同。夏季试验组的产气潜力最大，约为冬季的1.5倍，其中第6个月份试验组的挥发性固体（VS）产气率达到了633.2 mL/g。

2）通过相关性分析得出总磷（TP）、C/N、半纤维素与产气潜力具有相关性。半纤维素对产气潜力产生显著的正向影响关系；总磷（TP）对产气潜力产生显著的负向影响关系；C/N对产气潜力具有显著的正相关关系。说明总磷（TP）、C/N和半纤维素是影响农村有机生活垃圾厌氧发酵产气潜力的主要因素。

3）通过多元线性回归分析，得到最优方程可通过输入农村有机生活垃圾的含水率、纤维素和木质素的含量，有效预测农村有机生活垃圾厌氧发酵产沼气的挥发性固体（VS）产气率，为相关研究提供科学依据。

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Potential of biogas produced from anaerobic fermentation of rural household wastes

Xi Yonglan1,2,3, Liu Yang3, Gao Di1, Cao Fenglei4, Du Jing1,2,3, Kong Xiangping1,2, Ye Xiaomei1,3※

(1210014,; 2,,210014,; 3.,,212013,; 4.,,,,221600,)

In recent years, the improvement of the living standards of farmers has led to a sharp increase in the discharge of household waste in villages and towns. The focus on the work of ecological livability is the highlights of the treatment of household waste in villages and towns. Therefore, solving the problem of rural household waste has become the top priority of the rural revitalization strategy. The main components of rural organic household waste are leftover food and melon peel, which are rich in organic matter, high water content, and sufficient nutrients. Hence, rural organic household waste may be suitable for the raw material to use in anaerobic fermentation. The method of anaerobic fermentation can degrade organic household waste, produce biogas, and digested. The product of the fermentation can also be used as a slow-release fertilizer to improve the soil condition and fully realize the “reduction, recycling and harmlessness” of organic household waste in villages and towns. Peixian County in Xuzhou City is a national demonstration county for rural garbage classification and resource utilization, and Datun Subdistrict in Peixian County is a pilot town for rural household waste classification in Jiangsu Province. This paper aims to study the potential of biogas production by anaerobic fermentation of organic domestic waste in this rural areas. The site of collect samples was in Domestic Waste Classification and Disposal Center of Wangzhuang Village, Datun Street, Peixian county, Xuzhou city, Jiangsu Province. The frequency of collecting samples was once a month, and the cumulative one-year anniversary were 12 months. After classification, the moisture content of organic household garbage in Datun Street of Pei County is mostly between 75%-80%; organic matter accounts for about 40%; the nitrogen content is rich, between 20-25 g/kg; C/N is 15-35; Lignin content is about 8%. The results show that organic household waste in Datun Street of Peixian County is suitable as an anaerobic fermentation material. The experiment was carried out for batch anaerobic digestion with anaerobic sludge under 37℃ to evaluate the potential of biogas production. As the result, the accumulation of the experimental group in the biogas production rate was in the range of 447-1 398 mL, accumulated methane production rate was in the range of 215-865 mL. Using SPSS data analysis found that the moisture content of the rural living garbage, TP, TK, TN, organic matter, C/N, hemicellulose, cellulose and lignin content had the positive effect on methane production potential. Especially, the cellulose content to produce biogas potential is a significant positive influence on relationship, and TP could have a significant negative influence on gas potential relationship. And the optimal equation of multivariate linear stepwise regression between the physical and chemical properties of each experimental group and its gas production potential was abtained. Finally, this study had established the multivariate linear stepwise regression, the optimal equation, according to the moisture content of organic solid waste in rural areas, predicting the anaerobic digestion of cellulose and lignin content methane production potential.

rural; wastes; anaerobic digestion; physical and chemical characteristics; biogas potential

奚永兰，刘洋，高娣，等. 农村生活垃圾厌氧发酵产沼气潜力研究[J]. 农业工程学报，2020，36(23)：222-228.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.026 http://www.tcsae.org

Xi Yonglan, Liu Yang, Gao Di, et al. Potential of biogas produced from anaerobic fermentation of rural household wastes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 222-228. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.026 http://www.tcsae.org

2020-08-26

2020-10-15

国家重点研发计划项目（2018YFD1100600）；江苏省自然科学基金项目（BK20201242）

奚永兰，博士，研究方向为废弃物资源化利用。Email：yonglanxi@jaas.ac.cn

叶小梅，博士，研究员，研究方向为农业废弃物资源化和循环利用。Email：yexiaomei610@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.026

X799.3

A

1002-6819(2020)-23-0222-07