閆 強, 陳 灝，趙玉柱

(1.中科院生態(tài)環(huán)境研究中心鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究所， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

不同物料厭氧消化最佳酸化時間的研究

閆 強1, 2, 陳 灝1, 2，趙玉柱1, 2

(1.中科院生態(tài)環(huán)境研究中心鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究所， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

該試驗以生活垃圾、餐廚垃圾、糞便、污泥以及它們的混合物料(生活垃圾∶糞便∶污泥∶餐廚垃圾 =10∶5∶1∶1，以TS計)作為發(fā)酵原料，主要研究在常溫(20℃±1℃)和中溫(35℃±1℃)的條件下，不同物料達到pH值穩(wěn)定狀態(tài)的最佳酸化時間以及在酸化過程中TS，VS，pH值，COD理化性質(zhì)的變化。最終研究結(jié)果表明：在常溫條件下, 生活垃圾、餐廚垃圾、糞便、污泥以及它們的混合物料(生活垃圾∶糞便∶污泥∶餐廚垃圾 =10∶5∶1∶1，以TS計)的最佳酸化時間分別是5天, 4天, 7天，7天和4天； 在中溫條件下, 生活垃圾、餐廚垃圾、糞便、污泥以及它們的混合物料(生活垃圾∶糞便∶污泥∶餐廚垃圾 =10∶5∶1∶1，以TS計)的最佳酸化時間，分別是4天，3天，6天，5天和3天。據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，中溫條件酸化效果比常溫條件酸化效果好。

厭氧發(fā)酵； 酸化時間； 溫度

近年來，我國經(jīng)濟仍能保持快速穩(wěn)定的發(fā)展，城市現(xiàn)代化建設也隨之加快步伐，人民的生活水平大幅度提高，隨之產(chǎn)生的各類生活垃圾也是與日俱增。目前，我國每年產(chǎn)生的城市生活垃圾近10億噸之多，而且城市生活垃圾仍以每年10%左右的速率增長，這對環(huán)境保護產(chǎn)生了日趨嚴重的影響，并大大阻礙著我國生態(tài)文明建設的進程。根據(jù)生活垃圾具有含水率高、可降解有機物含量高、成分復雜[1]的特點，可知傳統(tǒng)的填埋處理不僅不能達到有效的垃圾處理效果，反而會造成巨大的資源浪費； 若對其直接進行焚燒，生活垃圾高含水率的特點將會導致生活垃圾整體的熱值降低，因此在焚燒過程中必需添加輔助燃料，否則可能會導致二噁英類等有毒物質(zhì)地產(chǎn)生，使得焚燒處理成本增加[2]； 若直接進行堆肥處理，則存在占地面積大、堆肥時間長、衛(wèi)生條件差等問題[3]。

與上述傳統(tǒng)的垃圾處理方式相比，厭氧發(fā)酵技術(shù)在處理有機固體廢棄物的過程中，能達到能耗低、效率高的效果，不僅可以實現(xiàn)垃圾減量化、資源化和無害化的有效處理，同時能生產(chǎn)出新能源。因此，厭氧發(fā)酵技術(shù)被認為是最可持續(xù)發(fā)展的垃圾處理技術(shù)之一，其資源化利用日益受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注[4-5]。目前，大部分的相關(guān)研究主要集中在單相厭氧發(fā)酵，曾有研究表明，根據(jù)微生物所需生長環(huán)境的差異，將單相厭氧發(fā)酵工藝改進為兩相厭氧發(fā)酵工藝，可以使厭氧微生物菌群發(fā)揮各自最佳活性，能夠提高厭氧消化效率[6-9]。與之不同，文章主要是為通過大量實驗，研究兩相厭氧發(fā)酵的具體數(shù)據(jù)，希冀能為今后厭氧發(fā)酵技術(shù)更深層次地研究提供一些重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而有助于厭氧發(fā)酵技術(shù)全面地深入研究。

文章主要研究了在常溫(20℃±1℃)和中溫(35℃±1℃)兩種條件下，生活垃圾(S)、餐廚垃圾(C)、污泥(W)、糞便(F)以及它們的混合物料(H)(生活垃圾∶糞便∶污泥∶餐廚垃圾 =10∶5∶1∶1，以TS計))經(jīng)過酸化過程，pH值達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的最佳酸化時間，以期為兩相厭氧發(fā)酵酸化階段提供理論依據(jù)，以便于更好的將產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相分離，實現(xiàn)高效兩相厭氧發(fā)酵，竭誠為厭氧發(fā)酵、為沼氣工程生產(chǎn)實踐提供技術(shù)支撐。

表1 原料的基本性質(zhì)

1 材料與方法

1.1 材料及性質(zhì)

實驗生活垃圾、糞便、餐廚垃圾來自鄂爾多斯市東勝區(qū)傳祥垃圾處理廠； 污泥來自東勝區(qū)北郊水質(zhì)凈化廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 厭氧發(fā)酵酸化實驗

實驗采用生活垃圾、餐廚垃圾、污泥、糞便等單一物料和混合物料為實驗原料，在常溫和中溫條件下進行酸化，共設置10個實驗組：生活垃圾常溫發(fā)酵(S常溫)、生活垃圾中溫發(fā)酵(S中溫)； 餐廚垃圾常溫發(fā)酵(C常溫)、餐廚垃圾中溫發(fā)酵(C中溫)； 糞便常溫發(fā)酵(F常溫)、糞便中溫發(fā)酵(F中溫)； 污泥常溫發(fā)酵(W常溫)、污泥中溫發(fā)酵(W中溫)； 混合物料常溫發(fā)酵(H常溫)、混合物料中溫發(fā)酵(H中溫)。每組設置2個平行，分別量取餐廚垃圾、混合物料、生活垃圾、污泥和糞便1 kg于1000 mL的廣口瓶中，實驗在室內(nèi)和數(shù)顯恒溫水浴箱中進行，溫度分別為20℃(室內(nèi)溫度)和35℃±1℃(水浴鍋設置溫度)，每天測定pH值，攪拌兩次，每次5 min，每天量取產(chǎn)氣體積，取樣測定發(fā)酵液和產(chǎn)生氣體指標。實驗以pH值達到穩(wěn)定狀態(tài)時結(jié)束。

1.2.2 實驗裝置

實驗裝置由實驗室自制，主要由發(fā)酵瓶、集氣瓶和儲水瓶組成。發(fā)酵瓶由1 L廣口瓶制成，用合適的橡膠塞密封，橡膠塞上有排氣口和取樣口。裝置示意圖見圖1。

圖1 實驗裝置

1.2.3 分析方法

實驗過程中主要分析項目如下：pH值，pH測定儀測定； TS(固含率)，烘干法，105℃～110℃烘干24 h至恒重后測定； VS(揮發(fā)性固體)，灼燒法550℃灼燒4 h，前后質(zhì)量差值即為VS； COD，重鉻酸鉀法進行測定； 氨氮，納氏試劑法； 總氮，堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法； 總磷，鉬酸銨分光光度法； VFA，比色法測定； 產(chǎn)氣量，采用排水集氣法收集； 氣體成分，氣相色譜法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸化過程中pH值的變化

圖2和圖3為不同物料在中溫和常溫條件下，pH值隨時間的變化情況。生活垃圾起始pH值為5，中溫和常溫條件下經(jīng)過4天和5天的酸化，pH值基本穩(wěn)定在3.75； 餐廚垃圾起始pH值為4，中溫和常溫條件下分別經(jīng)過3天和4天的酸化，pH值基本穩(wěn)定在3.5； 混合物料垃圾起始pH值為4.4，中溫和常溫條件下分別經(jīng)過3天和4天的酸化，pH值基本穩(wěn)定在3.95； 糞便起始pH值為7.25，中溫和常溫條件下pH值都是先升高后降低，經(jīng)過6天和7天的酸化，pH值基本穩(wěn)定在7； 污泥起始pH值為7.8，中溫和常溫條件下pH值都是先降低后升高，中溫和常溫條件下分別經(jīng)過5天和7天的酸化，pH值基本穩(wěn)定在7。

圖2 不同物料在常溫條件下酸化過程中pH值的變化

圖3 不同物料在中溫條件下酸化過程中pH值的變化

pH值是影響厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的重要因素[10]，在酸化階段pH值下降的原因可能是：原料中的有機物為產(chǎn)酸菌提供了生長繁殖的良好條件，產(chǎn)酸菌將有機物迅速轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，致使VFA累積起來，導致酸化液pH值下降[11]。溫度是影響厭氧微生物生命活動過程的重要因素，它的影響主要表現(xiàn)對厭氧微生物細胞內(nèi)某些酶的活性的影響，進而影響微生物的生長速率和微生物對基質(zhì)的代謝速率； 還可以通過影響有機物在生化反應中的流向和某些中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在水中的溶解度，進而影響到酸化的速度。溫度越高，產(chǎn)酸菌生長速度越快，pH值下降越快，VFA增長速率也就越快。生活垃圾、餐廚垃圾、混合物料起始pH值都相對較低，酸化以后pH值基本都穩(wěn)定在3.7左右； 污泥和糞便起始pH值相對較高，酸化以后pH值基本都穩(wěn)定在7左右。根據(jù)發(fā)酵微生物需要的pH值，今后我們可以根據(jù)不同物料的pH值進行混合物料的配比研究。

2.2 酸化過程中TS與VS的變化

酸化過程中TS和VS都逐漸降低，如圖4所示，生活垃圾、餐廚垃圾、混合物料、糞便和污泥中溫和常溫條件下TS去除率分別達35.85%，16.03%，10.40%，9.48%，25.74%，9.48%，9.50%，10.79%和9.80%、5.61%； VS去除率分別達32.15%，18.99%，9.15%、8.63%，29.22%，13.78%，34.79%，22.40%和9.16%，7.13%。

圖4 不同物料酸化過程中TS和VS降解率

在厭氧發(fā)酵初期，營養(yǎng)豐富，微生物的活性強，發(fā)酵速度快，TS和VS下降較明顯。在表示有機固體廢物厭氧消化進程的兩個指標TS，VS中，宜選擇VS指標。因為TS中包含了一部分不能被厭氧消化的灰分(即TS與VS的差值)[12]。不同物料的TS去除率各不相同，餐廚垃圾中溫和常溫條件下TS去除率基本相同，其他物料TS去除率受溫度影響都是中溫高于常溫?；旌衔锪现袦貤l件下TS去除率相對較高； 不同物料VS去除率也各不相同，餐廚垃圾VS降解率受溫度影響較小，其他物料VS降解率中溫條件下要比常溫條件下都高。生活垃圾和混合物料VS降解率相對較高，所以混合物料兩相厭氧發(fā)酵在今后的沼氣工程實際運行中還是可行的。綜上所述，不同物料酸化階段，中溫優(yōu)于常溫，建議生產(chǎn)中使用中溫，常溫效率較低。

2.3 酸化過程中氨氮的變化

在厭氧消化過程中，氨氮是微生物重要的氮源，但如果其濃度過高就會快速抑制甲烷菌的活性。實驗在酸化過程中，不同物料氨氮的變化情況，如圖5所示，酸化前后氨氮均有增高。

圖5 不同物料酸化過程中氨氮變化

總的來看，酸化過程中氨氮都有所增加，主要原因是在酸化過程中，含氮大分子有機物逐漸被分解，從而導致酸化液中氨氮濃度增加[13]。糞便組初始氨氮較高，可能會造成氨抑制現(xiàn)象，所以一般不直接用糞便當做原料進行發(fā)酵，都是配合其他物料一起進行發(fā)酵，而其他物料起始氨氮都比較低，不會對酸化過程造成氨抑制現(xiàn)象。

2.4 酸化過程中COD的變化

如圖6所示，生活垃圾、餐廚垃圾、混合物料、糞便、污泥，在中溫和常溫條件下，COD降解率分別達64.58%，63.27%，20.21%，7.07%，64.92%，61.69%，98.13%，94.38%和75.00%，64.38%。

圖6 不同物料酸化過程中COD降解率

在酸化過程中，COD降低，所有物料都是在中溫條件下COD去除率大于常溫條件下COD去除率，其中餐廚物料COD去除率相對偏低。糞便組和污泥組已經(jīng)進入產(chǎn)甲烷發(fā)酵階段，有機物分解為CH4和CO2，所以其COD轉(zhuǎn)化率相對較高。厭氧發(fā)酵的反應物由大分子構(gòu)成(如糖類、脂類、蛋白質(zhì))，分子內(nèi)部及分子間結(jié)合緊密，重鉻酸鉀不足于全部氧化這些大分子有機物，因此，測出的COD值只能部分反映有機物的含量(即反映被氧化部分的有機物)[14]。

2.5 酸化過程中氣體產(chǎn)量及成分

由圖7中可以看出，除污泥組以外，其他各組的日產(chǎn)氣變化趨勢大致相似，都是在第一天出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，隨后開始下降，而污泥組日產(chǎn)氣變化趨勢是先升高后降低。生活垃圾在中溫和常溫條件下酸化過程中，主要在前3天產(chǎn)氣，氣體主要成分為CO2； 餐廚垃圾在中溫和常溫條件下酸化過程中，主要在前3天產(chǎn)氣，其中氣體主要成分也是CO2，溫度對餐廚垃圾酸化產(chǎn)氣影響較小，中溫和常溫日產(chǎn)氣量基本相同； 混合物料在中溫和常溫條件酸化過程中，主要在前3天產(chǎn)氣，同樣的，中溫條件下氣體成分主要為CO2，常溫條件下氣體成分為CO2； 糞便在中溫和常溫條件酸化過程中，主要在前5天產(chǎn)氣，主要氣體成分也是CO2。污泥在中溫和常溫酸化過程中，主要前7天產(chǎn)氣，酸化階段主要氣體成分同樣是CO2。

圖7 不同物料酸化過程中日產(chǎn)氣量的變化

除污泥以外，實驗在啟動第2天日產(chǎn)氣量都減少了，可能是因為部分酸化微生物適應厭氧環(huán)境而被淘汰所致，而污泥組實驗前3天日產(chǎn)氣量一直增加，從第4天開始日產(chǎn)氣量逐漸降低，可能是因為污泥中的酸化菌比較活躍。

如表2所示，污泥組產(chǎn)氣量最多，其他實驗組產(chǎn)氣量都相對較少，主要是因為污泥中酸化菌較多。各種物料中溫條件下產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率都高于常溫條件，主要是因為溫度越高，酸化菌活性越強，有機物消耗越快，產(chǎn)生氣體越多，產(chǎn)氣率也越高。

表2 酸化過程中總氣產(chǎn)量和產(chǎn)氣率

注：產(chǎn)氣率以TS計。

3 結(jié)論

實驗研究在常溫和中溫條件下，生活垃圾、餐廚垃圾、糞便、污泥以及它們的混合物料(生活垃圾∶糞便∶污泥∶餐廚垃圾=10∶5∶1∶1，以TS計)經(jīng)過酸化過程，pH值達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的最佳酸化時間。在實驗過程中，測定了各種物料在酸化過程中TS和VS降解率,COD去除率,氣體產(chǎn)量及成分等各項指標。最終得出不同物料所用的最佳酸化時間：在常溫條件下, 生活垃圾、餐廚垃圾、糞便、污泥、以及它們的混合物料的最佳酸化時間，分別是5天, 4天, 7天，7天和4天； 在中溫條件下, 生活垃圾、餐廚垃圾、糞便、污泥以及它們的混合物料的最佳酸化時間，分別是4天，3天，6天，5天和3天。結(jié)論表明在中溫條件下，各類物料pH值達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的酸化時間比在常溫條件下的時間短。無論是從COD和VS降解率方面進行考察，還是從產(chǎn)氣量上來驗證，在中溫條件下，厭氧酸化效果都是優(yōu)于常溫條件下的。因此，建議實際生產(chǎn)過程中使用中溫條件，因為常溫條件會致使效率較低。

綜上，實驗中所采用的物料，其中生活垃圾的厭氧酸化效果最好，其次是混合物料，而混合物料發(fā)酵可以節(jié)省設備投入，可以同時處理多種有機固體廢棄物，還能高效回收能源。據(jù)實驗結(jié)果可知，只要將混合物料的最佳發(fā)酵條件控制好，在工程上用混合物料進行兩相厭氧發(fā)酵是相當可行的。

[1] 林 麗. 中國國情下厭氧消化技術(shù)處理城市混合收集生活垃圾可行性研究[D].成都:西南交通大學, 2009, 12-14.

[2] 劉 嘉. 昆鋼生活垃圾處理現(xiàn)狀及綜合處理方案分析[J].環(huán)境工程, 2009, 27(1): 62-65.

[3] 紀 濤.城市生活垃圾堆肥處理現(xiàn)狀及應用前景[J].環(huán)保前線, 2008, 5:46-47.

[4] 趙云飛, 劉曉玲, 等.餐廚垃圾與污泥高固體聯(lián)合厭氧產(chǎn)沼氣的特性[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2011, 27(10): 255-260.

[5] 康 曉, 王世各.城市污水處理廠污泥沼氣資源化利用[J].中國沼氣, 2009, 27(2): 35-37.

[6] 王永成, 李 杰, 許宏偉.豬雞糞便及其不同混合比例厭的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報, 2008, 39(7): 79-83.

[7] 劉戰(zhàn)廣, 朱洪光, 王 彪，等.糞草比對干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2009, 25(4): 130-134.

[8] 劉一威.畜禽糞便、污泥、農(nóng)村垃圾中溫聯(lián)合厭氧消化技術(shù)研究[J].可再生能源, 2012, 30(6): 59-62.

[9] 張洪賓, 谷 潔, 孫 薇，等.不同原料配比對厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)氣量VFA和脫氫酶活性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2012, 31(2): 422-427.

[10] 邊炳鑫，等.農(nóng)業(yè)固體廢棄物的處理與綜合利用[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2005：174-188.

[11] 劉海慶, 李文哲, 王忠江.中、高溫酸化兩相厭氧發(fā)酵處理牛糞的試驗[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報, 2007, 38(6): 809-813.

[12] 周富春.完全混合式有機物固體廢棄物厭氧消化過程研究[D].重慶:重慶大學, 2006, 59-61.

[13] 韓文彪, 徐霞, 趙玉柱.接種量對城市有機垃圾和剩余污泥聯(lián)合厭氧消化的影響[J].中國沼氣, 2014, 32(5):12-16.

[14] 張 波, 徐劍波, 蔡偉民.有機廢物厭氧消化過程中氨氮的抑制影響[J].中國沼氣, 2003, 21(3):26-29.

The Optimal Acidification Time of Different Material Anaerobic Fermentation /

YAN Qiang1, 2，CHEN Hao1, 2，ZHAO Yu-zhu1, 2/

(1. Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Ordos 017000, China; 2. Ordos Urban Mining Research and Development Co Ltd, Ordos 017000, China)

With municipal solid waste, kitchen waste, feces，excess sludge，and their mixture (municipal solid waste∶feces∶excess sludge∶kitchen waste=10∶5∶1∶1) as fermentation material，under the room temperature (20 ℃±1 ℃) and mesophilic temperature (35 ℃±1 ℃), the optimal acidification time for different material reaching the steady pH was investigated, and the variation of TS , VS , pH , COD during the acidification was detected. The results showed that, under the room temperature, the optimal acidification time for reaching the steady pH was 5 d for municipal solid waste, 4 d for kitchen waste , 7 d for feces, 7 d for excess sludge, and 4 d for their mixed mixture, and that were 4 d，3 d，6 d，5 d and 3 d respectively under the mesophilic temperature. According to the experiment data, acidification effect under mesophilic condition was better than that under room temperature.

anaerobic fermentation； acidification time； temperature

2015-11-09

2016-04-21

項目來源： “十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAC25B03)

閆強(1988-)，男，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工程師，主要研究方向為城市有機廢棄物處置與利用，E-mail:15849170511@163.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)06-0033-05