验证嗜热厌氧消化中食材废物固体含量对沼气发生性能的影响

王颢頔 陆健刚

摘      要： 厌氧消化是将废物再利用的主要途径，也是制得沼气的主要途径之一。以番茄茎叶和土豆为原材料探究了该两者混合时厌氧产气量及累计产甲烷量，先按2∶1、1∶1、1∶2及1∶3共进行了4组试验，随后为探究不同pH下食物发酵的性能，继续设计了4组试验，分别用泵导入调节好pH的纯净水（pH分别为3、5、7、9）。结果表明：当番茄茎叶∶土豆为1∶3时日产气量及累计产甲烷量均好于其他配合比;在4组pH试验中，当pH为7时，装置内日产气量最多;pH为5时，累计产甲烷量最大。

关  键  词：厌氧发酵;pH;产气量;甲烷

中图分类号：S216.4         文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）04-0537-04

Abstract： Anaerobic digestion is the main way to recycle waste， and it is also one of the main ways to produce biogas. In this paper， tomato stems and leaves and potatoes were used as raw materials to explore the anaerobic gas production and cumulative methanogenesis of the two foods. Four groups of experiments were carried out according to 2∶1， 1∶1， 1∶2 and 1∶3. When the tomato stems and leaves∶potatoes was 1∶3， the daily gas production and cumulative methanogenesis were better than other mixture ratios. Subsequently， in order to explore the performance of food fermentation under different pH， four sets of experiments were designed by using pumps to introduce pH-adjusting purified water （pH=3， 5， 7， 9 respectively）. The results showed that，when the pH was 7， the daily gas production in the device was the most; when the pH was 5， the cumulative total methane production was the most.

Key words： Anaerobic fermentation; pH; Gas production; Methane

随着世界全球化以及我国人口数量的快速增长，能源问题一直是制约我国经济快速增长的主要因素之一。我国目前主要能源有煤炭、石油、天然气等，据报道，70%以上的能源供应主要来自煤炭，然而煤炭是不可再生能源，随着煤炭的逐步开采，其总量也在逐步减小，而石油亦是如此。且燃煤以及石油均会排放大量烟气造成空气污染，开采过程中也会污染地下水造成水环境的污染，因此寻求更高效清洁的能源显得尤为迫切。可再生能源具有易得、清洁、污染小、种类丰富多样等特点而具有较大的挖掘潜力及价值，随着我国新农村建设的逐步推进，很多地方陆续使用上了沼气，沼气是可再生能源中的一种，沼气是生物转化过程中最容易得的气体之一，并且自然界中所有可发酵的物质均可作为原料生产沼气，一方面实现了资源的再利用减小了环境污染，另一方面又制得了清洁的能源，因此沼气的制作一直是研究的热点。

沼气是利用厌氧发酵原理，通过微生物对原料进行分解从而转化为甲烷等可燃气体。沼气的发酵中水解产酸是本质，而水解产酸阶段的反应状况又关系到产生的沼气量的多少，因此该阶段对反应条件要求较多，如pH、温度、原料种类等。目前有关水解产酸机理方面研究较多，且很多学者研究了各种原材料制作沼气时的影响因素及产气量。如陈广银等[1]采用秸秆为原材料，分析了厌氧发酵阶段pH值对沼气量的影响，并认为当调节pH为8时对厌氧水解反应具有促进作用;李桃等[2]以香蕉秸秆为研究对象，分析了在厌氧发酵阶段添加NaOH与未添加对产生的沼气量的影响，并认为添加NaOH能明显加速厌氧反应的进程，能有利于沼气产量的提高;赵振兴等[3]通过自制序批式反应器研究了波斯菊发酵沼气所需的时间、单位产气量、波斯菊总固体含量以及挥发性固体含量的产气性能;邢向欣等[4]分析了不同长度稻草秸秆对沼气发酵量的影响，并认为长度在1～3cm时长度越长发酵性能越好;郁达伟等[5]分析了三种厌氧反应器（厌氧膜生物反应器、内循环生物反应器及升流式反应器）装置内酸碱缓冲体系对沼气量的影响;曾锦等[6]认为猕猴桃皮是沼气发酵的好原料，并认为以猕猴桃皮为原材料的发酵速度远高于稻草秸秆;刘继红等[7]详细的分析了四季青作为沼气发酵原料时的发酵周期、总固体含量及挥发性固体含量的产气率;崔维栋[8]从产气量、发酵速率等方面对比分析了多种食物废料混合和单个食物作为原理时发酵差別;贺江[9]从厌氧发酵产沼气的机理、pH对沼气量产生的影响等方面进行了分析。

本文拟以食堂厨余垃圾为原材料，通过自制得厌氧发酵工艺，每天调节水解产酸反应器中液体pH，分析不同反应条件下水解发酵以及沼气发生器装置中的产气量，水解发酵装置内pH变化及COD浓度变化对食物发酵的影响，研究最适宜的反应条件，研究结论以期为进一步了解沼气发酵机理提供理论参考。

1  实验部分

1.1  试验材料

选取番茄茎叶和土豆两种原材料，为防止原材料被快速分解，食材垃圾收集后马上送至试验室并置于温度为4 ℃冰箱中冷藏，为利用食物废料的发酵，在添加发酵原料时引入污泥接种，接种污泥取自中国农业大学附近村庄一居民家的沼气装置内产生的发酵液，并添加少许牛粪驯化密封，食物投入沼气装置前先对这些原料中的化学成分进行检测，检测结果见表1。

1.2  試验装置

采用自制的水解发酵装置，试验装置见图1。

该装置主要由厌氧发酵装置以及产沼气收集器组成，厌氧发酵装置及沼气收集器均为体积为10 L的有机玻璃容器，该玻璃容器有效体积为8 L，高50 cm，内径20 cm，外径24 cm，通过水浴锅进行加热随时控制装置内温度。试验时先将预先调节好pH的纯净水用泵输入到水解发酵装置中，继而将水解发酵装置中产生的液体用泵导入到沼气发生器中。

1.3  试验设计

1.3.1  各种物料混合比产沼气性能

分别将番茄茎叶和土豆按2∶1、1∶1、1∶2、1∶3四种配合比分别投入水解发酵装置中，分别标记序号对应为S1、S2、S3、S4，四组分别接种污泥（污泥质量为混合原理的20%），随后添加纯净水，使混合料浓度为20%。随后启动试验，试验启动后每隔5 d从水解发酵装置内排出水解液约2 L，排出的水解液分10 d每隔2 d往产沼气装置内用泵导入400 mL，每天测量四个装置内产沼气的气体量及里面的甲烷比重。

1.3.2  不同pH下食物废料产沼气性能研究

根据上步求得最适宜的原料配合比，按照最佳的一组进行试验，为判别最佳的pH，笔者共设计了4组试验，试验中导入纯净水时先加酸或碱条件pH分别至3、5、7、9，试验步骤同上。

1.4  测试指标及方法

采用排气法每天测定产生气体含量，采用气相色谱法测定甲烷含量，采用H2SO4-H2O2预处理蒸馏消毒测定全氮含量。

2  结果与分析

2.1  不同配合比原料沼气产生变化

2.1.1  日产沼气量的变化

为判别不同配合比原料沼气产生量，按上文中配合比进行了四组试验，每隔5 d测定一次装置中气体含量，45 d为一个周期，结果如图2所示。

由图2分析可知：当番茄茎叶与土豆混合比为2∶1时，当天产生的沼气量在第5 d达到最大值4 857 mL、随后至第30 d产生的沼气量逐渐减小，第10、15、20、25、30d产生的沼气量分别为3 721、2 986、1 964和184、483 mL，然后至第40 d增加至926 mL，最后减小至541 mL;当番茄茎叶与土豆混合比为1∶1时，前15 d日产气量相差不大，稳定在3 300～3 700 mL范围内，随后逐渐减小直至第45 d的319 mL;当番茄茎叶与土豆混合比为1∶2时，日产气量从第1 d至第15 d逐渐增大、16 d至第30 d逐渐减小、第35 d略有增大趋势、随后减小至第45 d的439 mL，第15 d时日产气量达到最大值4 387 mL;当番茄茎叶与土豆混合比为1∶3时，日产气量变化幅度与前三者不太一致，日产气量从第1 d至第25 d逐渐增大，第25 d达到最大值3 527 mL、再逐渐减小至第45 d的512 mL。

从45 d的累计产气量统计发现，S1、S2、S3、S4装置45 d的累计产气量分别为17 571、17 592、12 319及20 137 mL，说明S4装置产沼气效果最好，即番茄茎叶与土豆的混合比为3∶1。

2.1.2  甲烷含量累计变化情况

实验过程中S1、S2、S3、S4装置内产甲烷气体累计含量变化见图3，分析可知：S1装置内甲烷累计含量先上升后下降最后保持平缓，先由第5 d的5%上升至第35 d的61%，后逐渐下降至第40 d的52%，第40和第45 d装置内甲烷含量变化不大;S2装置内甲烷含量由第5 d的20%逐渐上升至第45d的73%，在第5 d至第30 d几乎呈线性增长，第30d后甲烷含量保持稳定;S3装置内甲烷含量是先增大后减小，由第5d的36%增大至第30 d的69%，随后降低至第45 d的51%，第40 d及45 d甲烷含量变化不大;第5、10、15、20、25、30、35、40、45 d甲烷含量分别为36%、39%、47%、58%、59%、69%、68%、53%、51%，进一步分析可知，S3装置内甲烷含量在第20 d及25 d保持稳定，第30 d及35d甲烷含量也保持稳定，说明在第25 d及第30d装置内废物发酵达到最佳;S4装置内甲烷含量逐步上升，由第5 d的48%逐步上升至第45 d的89%，进一步分析可知第5 d甲烷含量在所有装置内最大，第45 d的也是最大，说明该装置内原料的配合比（番茄茎叶∶土豆=1∶3）发酵性能最好，产生的甲烷含量也最多。

2.2  不同pH下沼气产生变化

2.2.1  日产气量的变化

经上文分析，当番茄茎叶与土豆混合比为1∶3时食物发酵产气效果较好，笔者选取该配合比进行了4组试验（分别调节水解发酵装置内pH为3、5、7、9），测定出了装置内日产气量，结果如图4所示。

分析可知：当pH为3时，产气量在第5d达到最大为4 857 mL、随后逐渐降低至第30 d的438 mL，从第30 d至第40 d产气量略有增加，但增加幅度不大，最后减小至第45 d的541 mL;当pH为5时日产气量变化规律与pH为3时类似，只是累计产气量较pH为3时多;当pH为7时产气量由最初的

3 984 mL逐渐增大至第20 d的6 912 mL，随后降低至第45 d的1 379 mL;当pH为9时，产气量为所有试验装置内最少，产气最多的一天仅为3 527 mL。

综上所述，酸性条件下食物发酵性能优于碱性條件，当pH为7时食物发酵性能最好，日产气量最大。

2.2.2  甲烷含量累计变化情况

四个装置内甲烷累计含量变化情况如图5所示。

分析可知：pH=3时，甲烷含量由第5d的26%逐步上升至第30 d的61%，随后15 d保持在60%～70%范围内;当pH=5时，甲烷含量由第5 d的36%逐步上升至最后的89%;当pH=7时，甲烷含量先上升后保持平缓，由第5的21%上升至第30 d的50%，随后一直保持在50%左右，;当pH=9时，甲烷累计含量也是逐渐上升，第35 d甲烷含量达到最大值，为51.7%。综上分析说明当pH为5时甲烷产生量所占比重最大。

3  结论

为探讨番茄茎叶和土豆混合作为沼气发酵的最佳配合比及pH对气体量的影响，本文先将番茄茎叶及土豆按2∶1、1∶1、1∶2及1∶3共进行了4组试验，随后为探究不同pH下食物发酵的性能，本文继续设计了4组试验，分别用泵导入调节好pH的纯净水（pH分别为3、5、7、9），结果表明：（1）当番茄茎叶∶土豆为1∶3时日产沼气量及累计产甲烷量均好于其他配合比;（2）在4组pH试验中，当pH为7时，装置内日产沼气量最多;（3）pH为5时，累计产甲烷量最大。

参考文献：

[1] 陈广银 ，曹杰 ，叶小梅，等.pH值调控对秸秆两阶段厌氧发酵产沼气的影响[J].生态环境学报 2015， 24（2）： 336-342.

[2] 李桃，王纪坤，黄宇钊，等.NaOH 预处理对香蕉秸秆厌氧发酵产沼气的影响[J].环境工程，2019，37（4）：167-172.

[3] 赵振兴，王昌梅，张无敌，等.波斯菊秸秆发酵产气潜力研究[J].湖北农业科学，2019，58（8）：60-63.

[4] 邢向欣，孙京.不同预处理方式对东北地区沼气发酵的影响[J].农业与技术，2019，39（3）：14-15.

[5] 郁达伟， 孟晓山， 魏源送.2019.高负荷厌氧生物反应器的三元酸碱缓冲体系特征与调控[J] .环境科学学报， 39（ 2） ： 279-28.

[6] 曾锦，徐锐，张无敌，等.猕猴桃皮中温发酵产沼气潜力的实验研究[J].中国沼气，2019，37（2）：29-33.

[7] 刘继红，蔡正达，尹芳，等.四季青废料的产沼气潜力研究[J].云南师范大学学报（自然科学版）2017，37（6）：15-20.

[8] 崔维栋.混合物料协同厌氧消化产甲烷性能研究[D].兰州 兰州理工大学，2016.

[9] 贺江.酸性 pH 条件下氨基酸工艺冷凝水的厌氧降解特性研究[D].广州，华南理工大学，2016.