吉喜燕， 肖志海， 林衛(wèi)東， 張無(wú)敵，尹芳， 趙興玲， 王昌梅， 柳靜， 楊紅， 劉士清

(1.云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500；2.紅河農(nóng)業(yè)環(huán)保工作站，云南 蒙自 6661199)

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廢棄大白菜厭氧消化產(chǎn)甲烷的實(shí)驗(yàn)研究

吉喜燕1， 肖志海2， 林衛(wèi)東1， 張無(wú)敵1，尹芳1， 趙興玲1， 王昌梅1， 柳靜1， 楊紅1， 劉士清1

(1.云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500；2.紅河農(nóng)業(yè)環(huán)保工作站，云南 蒙自 6661199)

以廢棄大白菜為原料，使用全自動(dòng)厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力測(cè)量?jī)x測(cè)定了其在30 ℃條件下的甲烷產(chǎn)量.厭氧消化反應(yīng)系統(tǒng)為30 g新鮮大白菜漿和170 g接種污泥.結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)40 d的發(fā)酵周期，大白菜的TS產(chǎn)甲烷潛力為291 NmL/g TS，VS產(chǎn)甲烷潛力為331 NmL/g VS.分析厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)甲烷的規(guī)律，證明厭氧消化可以有效處理廢棄大白菜，使其轉(zhuǎn)化為甲烷.

廢棄大白菜；厭氧消化；產(chǎn)甲烷潛力

1 引 言

有資料顯示，我國(guó)蔬菜的種植面積和其所占總農(nóng)作物面積的比例正呈線(xiàn)性增加，在我國(guó)云南省滇池地區(qū)附近，大多數(shù)菜農(nóng)將蔬菜廢棄物堆棄在河溝渠塘之中，加重了水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的滇池的污染程度[1].蔬菜廢棄物占到我國(guó)城市生活垃圾總量的20%～50%，每年大約有1億噸的廢棄蔬菜產(chǎn)生[2].對(duì)于這些給環(huán)境帶來(lái)巨大污染的廢棄蔬菜，學(xué)者們作了不同研究.楊鵬提出，將廢棄蔬菜與糞便混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理將會(huì)是處理果蔬廢棄物的一種發(fā)展方向[3].張無(wú)敵對(duì)菠菜葉稈進(jìn)行了厭氧消化產(chǎn)沼氣的研究[4].

經(jīng)測(cè)定分析，大白菜的TS含量為15.2%，VS含量為87.9%[5].有文獻(xiàn)指出各種糖類(lèi)在大部分廢棄蔬菜中的總含量達(dá)70%以上，這表明廢棄蔬菜具備厭氧消化處理的條件.目前針對(duì)廢棄大白菜的厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力的研究還未見(jiàn)報(bào)道，本文探究了大白菜廢棄物的產(chǎn)甲烷潛力，為大白菜廢棄物的生物處理和沼氣能源轉(zhuǎn)換打下理論基礎(chǔ).

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的廢棄大白菜來(lái)自昆明市呈貢區(qū)云南師范大學(xué)附近柏枝營(yíng)社區(qū)菜市場(chǎng)，收集后將其用清水洗凈，MDJ-A01Y1型粉碎機(jī)打成漿態(tài).接種污泥來(lái)自實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行良好的厭氧反應(yīng)器中，馴化良好.實(shí)驗(yàn)之前將接種污泥以及大白菜漿進(jìn)行TS、VS含量的測(cè)定，結(jié)果顯示，接種物TS：3.63%，VS：22%；大白菜漿TS：10.3%，VS：87.9%.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行30 ℃中溫厭氧消化實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

(A.自動(dòng)控溫水浴箱 B.NaOH吸收瓶 C.氣體計(jì)量裝置 D.計(jì)算機(jī))

整套實(shí)驗(yàn)裝置分為厭氧消化單元、吸附單元和氣體計(jì)量單元，各個(gè)單元之間用防腐蝕膠管連接.在厭氧消化單元中，裝有反應(yīng)底物的玻璃反應(yīng)瓶容量為500 mL，帶有機(jī)械攪拌裝置.吸附單元裝有80 mL的3 mol/L的NaOH溶液用以吸附厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的CO2和H2S等酸性氣體，并加百里酚酞作為指示劑.在氣體計(jì)量單元中，微量流量計(jì)浸于去離子水中，每當(dāng)甲烷氣體達(dá)到5 mL，便計(jì)量一次存儲(chǔ)于儀器內(nèi)部.實(shí)驗(yàn)結(jié)束，從連接的計(jì)算機(jī)中導(dǎo)出所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行對(duì)照組和3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)組.對(duì)照組只裝入170 g的接種物，加蒸餾水至200 g.實(shí)驗(yàn)組接種物和大白菜漿的VS比為0.25.實(shí)驗(yàn)組每個(gè)大白菜漿與接種污泥的總質(zhì)量為200 g.將計(jì)算稱(chēng)量好的鮮制大白菜漿和接種污泥在容器中混合均勻后加入發(fā)酵瓶中.將每一組發(fā)酵瓶中充入氮?dú)猓敝僚趴瞻l(fā)酵瓶中剩余空氣.從與設(shè)備連接的電腦進(jìn)入控制系統(tǒng)，設(shè)置厭氧消化的溫度為30 ℃，在消化過(guò)程中每?jī)煞昼姅嚢枰淮?，每次攪拌時(shí)間為15 s，攪拌的轉(zhuǎn)速設(shè)定為80 rpm.實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的氣體由發(fā)酵瓶經(jīng)由連接導(dǎo)管進(jìn)入吸附液瓶，CO2和酸性氣體被吸收凈化，剩余的甲烷氣體進(jìn)入計(jì)量單元.所得氣體99.8%為甲烷.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 TS和VS產(chǎn)氣潛力分析

在30 ℃自動(dòng)恒溫條件下，對(duì)廢棄大白菜漿進(jìn)行完整的厭氧消化產(chǎn)甲烷測(cè)定實(shí)驗(yàn)，從厭氧消化系統(tǒng)啟動(dòng)即開(kāi)始對(duì)甲烷產(chǎn)氣量進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)量，直到消化反應(yīng)的甲烷產(chǎn)氣量小于5 mL的天數(shù)作為消化反應(yīng)的終點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行40 d，將40 d作為消化底物的反應(yīng)周期，在此周期內(nèi)，每天的產(chǎn)甲烷量記為日產(chǎn)氣量，周期內(nèi)所產(chǎn)的總甲烷量為累積產(chǎn)氣量.根據(jù)自動(dòng)收集記錄裝置所收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制得到廢棄大白菜的累積產(chǎn)氣量變化曲線(xiàn)(圖2)、日產(chǎn)甲烷量變化曲線(xiàn)(圖3)以及產(chǎn)甲烷速率變化曲線(xiàn)來(lái)分析廢棄大白菜的厭氧消化產(chǎn)甲烷規(guī)律及其產(chǎn)期潛力.

圖2 廢棄大白菜漿累積產(chǎn)甲烷量曲線(xiàn)

從圖2可看出，A區(qū)域的曲線(xiàn)斜率最大，說(shuō)明第1天至第8天大白菜漿產(chǎn)甲烷速率最快.平均日產(chǎn)甲烷速率為71.1 NmL/d.大白菜被機(jī)械粉碎后在厭氧微生物的作用下，糖分和有機(jī)物質(zhì)被充分分解利用，且有機(jī)物質(zhì)的量在此段時(shí)間較為充分，所以累積產(chǎn)甲烷量在A段時(shí)期增長(zhǎng)較為迅速.在日產(chǎn)甲烷量變化曲線(xiàn)圖中，通過(guò)繪圖軟件中的“揀峰”操作，找到了日產(chǎn)氣量的最高峰恰為發(fā)酵周期的第8天，即88.4 NmL.從第9天至第33天，日產(chǎn)氣量明顯逐漸下降，日平均產(chǎn)甲烷速率變?yōu)?1.7 NmL/d.這是由于隨著廢棄大白菜漿中有機(jī)物質(zhì)的快速消耗，纖維素以及半纖維素在微生物的作用下逐漸水解成為單糖，發(fā)酵產(chǎn)生乙醇進(jìn)而被產(chǎn)甲烷菌利用[6].從第34天至第40天，隨著反應(yīng)底物的消耗殆盡，甲烷日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量基本不再變化.

圖3 廢棄大白菜漿日產(chǎn)甲烷量變化曲線(xiàn)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在發(fā)酵周期的第14天，累積產(chǎn)甲烷量達(dá)到了總累積產(chǎn)氣量的80%，表明廢棄大白菜漿厭氧消化的水利滯留時(shí)間(HRT)為14 d，如圖4所示.

圖4 廢棄大白菜漿產(chǎn)甲烷速率變化圖

在實(shí)驗(yàn)條件(30 ℃)下，進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)甲烷的測(cè)定，從實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)直至甲烷日產(chǎn)氣量低于5 NmL，以此時(shí)段作為反應(yīng)底物的產(chǎn)甲烷周期，為40 d，周期內(nèi)累計(jì)產(chǎn)甲烷量900.5 NmL.廢棄大白菜漿的原料產(chǎn)氣率為30 NmL/g，TS產(chǎn)氣率為291 NmL/g TS，VS產(chǎn)氣率為331 NmL/g VS，見(jiàn)表1.

表1 廢棄大白菜漿產(chǎn)甲烷潛力Table 1 The methane production potential of wate cabbage pulp

3.2 廢棄大白菜與同類(lèi)消化底物產(chǎn)甲烷潛力對(duì)比

為全面說(shuō)明廢棄大白菜漿的厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力，將它與其他同類(lèi)消化底物進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示.

表2 廢棄大白菜漿與同類(lèi)果蔬原料產(chǎn)甲烷潛力對(duì)比Table 2 Methane production potential of waste cabbage and other similar fruits and vegetables

表2中所羅列的對(duì)比中，廢棄大白菜的VS產(chǎn)氣潛力參數(shù)為甲烷產(chǎn)氣率，而其他4組參數(shù)均為沼氣產(chǎn)氣率.顯然從表中可看出，廢棄大白菜漿厭氧消化產(chǎn)甲烷的VS產(chǎn)氣潛力和表中其他同類(lèi)廢棄蔬菜底物的沼氣VS產(chǎn)氣潛力幾乎相同，廢棄蔬菜混合物類(lèi)和果皮類(lèi)的產(chǎn)VS產(chǎn)沼氣潛力略高于其他單一型廢棄蔬菜，但其產(chǎn)甲烷的潛力仍然低于廢棄大白菜漿.由于甲烷只是沼氣的主要成分，所以，在同等消化溫度和環(huán)境下，廢棄大白菜漿的產(chǎn)甲烷潛力要明顯優(yōu)于同類(lèi)底物.

4 結(jié) 論

以廢棄大白菜漿為發(fā)酵底物，在30 ℃進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明：第1天即產(chǎn)甲烷46.5 mL，故發(fā)酵滯留時(shí)間較短，不足1 d.第34天到第40天間，甲烷產(chǎn)氣量不再發(fā)生變化，維持在900 mL，由此確定發(fā)酵時(shí)間為40 d.到第14天所產(chǎn)生的總甲烷量占累積產(chǎn)量的80%，得出工程設(shè)計(jì)的HRT為14 d.

廢棄大白菜漿的產(chǎn)甲烷潛力為T(mén)S產(chǎn)氣率291 NmL/g TS，VS產(chǎn)氣率331 NmL/g VS.與同類(lèi)消化底物相比，廢棄大白菜厭氧消化產(chǎn)沼氣的潛力較高，并且廢棄大白菜的厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力要明顯優(yōu)于厭氧消化同類(lèi)底物.所以如果將廢棄大白菜投入沼氣工程中進(jìn)行批量處理，將是一種高效優(yōu)良的消除廢棄蔬菜污染的好方法.

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Research on Methane Production of Anaerobic Digestion of Waste Cabbage

JI Xi-yan1, XIAO Zhi-hai2, LIN Wei-dong1, ZHANG Wu-di1, YIN Fang1, ZHAO Xing-ling1, WANG Chang-mei1, LIU Jing1, YANG Hong1, LIU Shi-qing1

(1.Yunnan Normal University,Kunming 650500,China；2.Honghe Agricultural Environmental Workstation,Mengzi 661100,China)

With waste Chinese cabbage as raw material,the amount of methane production at 30 ℃ constant temperature conditions was measured using the anaerobic digestion methanogenic potential automatic measuring instrument.Anaerobic digestion system was made up with 30 g fresh cabbage pulp and 170 g sludge inoculation.The results showed that after the fermentation period of 40 d,as calculated,TS methane production rate of cabbage was 291 NmL/g TS,VS methane production was 331 NmL/g VS.Analyzed the anaerobic digestion process,anaerobic digestion is proved as an effective disposal to deal with waste cabbage.So it can make the waste Chinese cabbage into useful methane resources.

Waste cabbage; Anaerobic digestion; Methane production potential

2015-03-28

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20135303110001)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51366015)；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2014FA030)；云南省科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)計(jì)劃(2013DH041)資助項(xiàng)目.

吉喜燕(1989- )，女，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)能與環(huán)境工程方面研究.

張無(wú)敵(1965- )，男，云南石屏人，研究員/博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)與利用方面研究.Email: wootichang@163.com.

S216.4

A

1007-9793(2015)03-0010-04