魏珞宇， 羅臣乾， 張 敏， 申祿坤， 王 星， 張國治

(農業(yè)部沼氣科學研究所， 成都 610041)

農村生活垃圾厭氧發(fā)酵產沼氣性能研究

魏珞宇， 羅臣乾， 張 敏， 申祿坤， 王 星， 張國治

(農業(yè)部沼氣科學研究所， 成都 610041)

文章研究了在TS為8%和5%，中溫(35℃)與常溫，粉碎程度為粗粒與細粒的條件下，不同組合的農村生活垃圾厭氧發(fā)酵的產氣效果。結果表明，當TS為8%，中溫粗粒條件下的累計產氣量和TS甲烷產率達到最高，分別達8035 mL和0.2704 m3·kg-1，而TS為5%，常溫粗粒條件下，農村生活垃圾的累計產氣量最低，僅為2453 mL。發(fā)酵過程中pH值維持在6.0～7.5之間，厭氧發(fā)酵產氣效果較好，而pH值低于6時，厭氧發(fā)酵受到明顯抑制。此外，厭氧發(fā)酵對農村生活垃圾的重金屬含量有明顯去除作用。

農村生活垃圾； 厭氧發(fā)酵； 沼氣

近年來，隨著經濟的發(fā)展，農民的生活水平得到了很大的改善，農村的建設面貌也煥然一新。但是，隨之產生的問題是隨著人們生活水平不斷提高，生活垃圾日益增多，農村生活廢棄物的產量和種類也逐年增加，對環(huán)境造成極大的破壞。據統(tǒng)計，我國農村生活廢棄物(以餐廚垃圾和果蔬廢棄物為主)年產量超過20億t[1]，這些廢棄物不妥善處理不僅污染環(huán)境還會影響人們的健康。目前只有少量的農村生活垃圾得到有效處理，且處理方式也大多為填埋，轉運[2]。因此，如何合理高效的處理農村生活垃圾已成為當前迫切需要解決的問題。

厭氧發(fā)酵是處理有機廢棄物的理想方法，在消除污染的同時可以產生清潔能源—沼氣，且發(fā)酵后的沼渣、沼液可用作有機肥[3]。國內也對通過厭氧消化來處理農村生活垃圾做了大量研究[4-5]。筆者主要探索在不同發(fā)酵條件組合下，農村生活垃圾厭氧發(fā)酵的產氣性能研究，以期找出最優(yōu)組合，為有效利用農村生活垃圾發(fā)酵技術處理農村有機生活廢棄物的實際應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生活垃圾均取自成都市周邊農村。

圖1 發(fā)酵裝置示意圖

1.2 試驗裝置

試驗采用批式厭氧消化法，1 L廣口瓶作發(fā)酵罐，800 mL的有效反應體積，恒溫水浴鍋控制溫度進行連續(xù)培養(yǎng)，排水集氣法收集沼氣。

1.3 試驗方法

發(fā)酵條件設定為中溫35℃和常溫、粉碎程度為粗粒(3 cm)與細粒(1 cm)4個條件，發(fā)酵濃度TS設為 5%和8%，交叉組合共8個處理(見表1)，每個處理3次重復。對照為中溫條件污泥TS 為5%和8%與常溫條件污泥TS的 5%和8%。接種量均為20%。堆漚1個星期,然后調節(jié)pH值至8，裝瓶進行厭氧發(fā)酵，并添加適量微量元素。每日記錄各實驗裝置產氣量，并不定期測試各實驗組氣質含量和pH值，直至實驗結束。

表1 農村生活垃圾厭氧發(fā)酵實驗設置對照表

1.4 測定項目及方法

總固體(TS)含量：烘干法測定；

產氣量：排水集氣法測定；

氣體成分：沼氣氣體成分分析儀測定；

pH值：智能pH計測定。

微量元素：原子吸收法測定

2 結果與分析

2.1 農村生活垃圾厭氧發(fā)酵的產氣狀況

2.1.1 日產氣量和累計產氣量

不同條件下各處理厭氧發(fā)酵的啟動速度和日產氣量在發(fā)酵期間差異很大(見圖2)。在中溫條件下，處理D和處理E在發(fā)酵第13天左右就到達產氣高峰，處理E的日產氣量達到1000 mL以上，但D不到600 mL；隨后產氣量迅速下降，在發(fā)酵第22天左右就基本不產氣，而處理B和處理H啟動時間相對較慢，產氣高峰分別出現(xiàn)在第22和16天左右，最高產氣量也分別達到1000 mL，600 mL以上，后面雖然也迅速下降，但發(fā)酵時間也分別持續(xù)到第40，30天左右。在常溫條件下，常溫處理的啟動時間明顯較長，處理A和處理F的產氣高峰在第30天左右，最高日產氣量分別在800 mL，600 mL左右，處理C和處理G產氣高峰出現(xiàn)在第25天左右，最高日產氣量只有400 mL左右。從圖中還可以看出，在相同濃度相同粒徑條件下，中溫處理的發(fā)酵日產氣量明顯高于常溫處理，而在相同溫度相同濃度條件下，細粒處理的日產氣量量也要高于粗粒處理，此外，日產氣量TS為8%的又明顯高于TS為5%，綜上所述，高濃度中溫細粒條件下，農村生活垃圾厭氧發(fā)酵的日產氣量達到最好。

而對于累計產氣量，各處理農村生活垃圾厭氧發(fā)酵的累計產氣量大小順序為：B > E > A > F > H >D >C >G (見圖3)，各處理最終累計產氣量依次為8035 mL，7577 mL，5520 mL，5139 mL，3590 mL，3446 mL，2521 mL，2453 mL。可以看出，中溫優(yōu)于常溫，高濃度優(yōu)于低濃度，粗粒優(yōu)于細粒。這與日產氣量細粒優(yōu)于粗粒結果相違背，主要是因為，細粒處理雖然在短時間能很快達到產氣高峰且日產氣量高，但由于粉碎程度細，厭氧消化快，原料很快發(fā)酵完成，從而時間短，造成累計產氣量反而較低。綜上可以看出，高濃度中溫粗粒條件下，農村生活垃圾的累計產氣量達到最大。

圖2 農村生活垃圾厭氧發(fā)酵日產氣量的變化

圖3 農村生活垃圾厭氧發(fā)酵累積產氣量的變化

2.2 不同處理的TS產氣潛力

由表2可以看出，高濃度總體TS去除率高于低濃度。圖4表明，高濃度下細粒常溫以及粗粒中溫發(fā)酵的TS產氣量最高，達到0.4 m3·kg-1，明顯高于其它處理；然而原料甲烷產率粗粒中溫更高，這與前面累計產氣量結論相符合?？傮w高濃度中溫條件的原料產氣率高于其他處理，表明在適當條件下農村生活垃圾厭氧發(fā)酵對農村生活廢棄物的資源化利用具有實際應用前景。

表2 農村生活垃圾厭氧發(fā)酵TS去除率 (%)

圖4 農村生活垃圾厭氧發(fā)酵TS產氣潛力

2.3 pH值對發(fā)酵試驗的影響

有機廢棄物厭氧發(fā)酵過程是經各種大小分子有機物、短鏈脂肪酸轉化成 CH4和CO2的過程[6]，雖然過程復雜，但仍會表現(xiàn)出規(guī)律性的消化系統(tǒng)酸堿性變化。因此，pH值的變化趨勢被用來反映消化過程的進行情況[7]。

由圖5可以看出，隨著發(fā)酵過程的推移，不同處理的發(fā)酵過程中pH值均表現(xiàn)出先降低后增加，然后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。其中處理A，B，F(xiàn)的pH值均在第7天下降，出現(xiàn)酸化情況，抑制了發(fā)酵的進行。再對比日常氣量圖，也看出各處理在第6天左右表現(xiàn)出產氣量下降甚至不產氣的情況。隨后，在反應進行第9天，對pH值降到6.5以下的再次添加氧化鈣進行調節(jié)。調節(jié)后pH值明顯上升并逐漸穩(wěn)定。且從圖2也可以看出日產氣量數(shù)據明顯上升。這充分表明適宜的酸堿度是農村生活垃圾厭氧發(fā)酵的必要條件[8]，當pH值在6.0～7.5之間時厭氧發(fā)酵能正常進行，pH值低于6.0時厭氧發(fā)酵會明顯受到抑制，這與付善飛[9]等的研究結果相似。這是因為pH值會顯著影響厭氧發(fā)酵過程中微生物的生命活動和物質代謝[10]。

圖5 農村生活垃圾厭氧發(fā)酵的pH值變化

2.4 微量元素分析

對農村生活垃圾的原料組份進行分析發(fā)現(xiàn)，其大致組成為50%菜葉，25%果皮，20%餐廚及5%廢紙等其他不同原料。因此對原料進行分選后，分析測定其主要成分的微量元素含量。厭氧發(fā)酵完成后分析，同時分析產氣最高的兩個處理的元素含量。從表3可以看出，發(fā)酵后沼液中的重金屬含量總體低于發(fā)酵前原料中的含量，其中Cu和Hg含量的降低最為顯著，其他元素的含量從發(fā)酵前到發(fā)酵后均有不同程度的減少。由此可以說明，農村生活垃圾厭氧發(fā)酵對重金屬的去除有明顯作用。

表3 農村生活垃圾各組分及發(fā)酵后沼液的元素含量

圖6 農村生活垃圾各組分的纖維素含量

3 結論

(1) 濃度、溫度、粒度條件的變化直接影響農村生活垃圾厭氧發(fā)酵的產氣量和產氣潛力，是影響厭氧發(fā)酵產氣效果的重要因素。當TS濃度為8%，中溫粗粒的條件下農村生活垃圾厭氧發(fā)酵的累計產氣量和原料甲烷產率達到最高，分別達8035 mL和0.2704 m3·kg-1。

(2) 不同粉碎程度以及不同溫度條件影響發(fā)酵產氣速率，從而影響發(fā)酵完成時間。原料粉碎程度越細，產氣進程越快；發(fā)酵溫度越高，產氣高峰出現(xiàn)得越早，反之，產氣高峰出現(xiàn)得越晚。

(3) 適宜的酸堿度是厭氧發(fā)酵進行的重要影響因素，當發(fā)酵液pH值維持在6.0～7.5之間，厭氧發(fā)酵累計產氣量較高；當發(fā)酵液pH值低于6時，厭氧發(fā)酵明顯受到抑制，甚至出現(xiàn)不產氣的情況。

(4)厭氧發(fā)酵對農村生活垃圾的重金屬含量有明顯降低的作用。

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Biogas Production Potential of Rural Domestic Waste /

WEI Luo-yu, LUO Cheng-qian, ZAHNG Min, SHEN Lu-kun, WANG Xing, ZHANG Guo-zhi /

(Biogas Institute of Ministry of Agricultural, Chengdu 610041,China)

An anaerobic digestion experiment was conducted to study the biogas production potential of rural domestic waste under different condition combination of 35 ℃ or room temperature, the TS content of 8% or 5%, the grinding degree of coarse or fine. The results show that, with TS of 8%, temperature of 35℃, and grinding degree of coarse fragment, the fermentation obtained the highest cumulative biogas production of 8035 mL and highest methane yield of 0.2704 m3·kg-1. And under TS of 5%, ambient temperature, and grinding degree of coarse fragment, the fermentation of rural domestic waste obtained lowest accumulative biogas production of only 2453 mL. The pH maintained between 6.0～7.5 were better than pH below 6 under which the fermentation was inhibited obviously. In addition, the content of heavy metals in rural domestic waste could be significantly removed by anaerobic fermentation.

rural domestic waste; anaerobic fermentation; biogas

2016-08-23

項目來源： 中國農科院創(chuàng)新工程

魏珞宇(1988-)，四川成都人，碩士，助理研究員，主要從事農村生活垃圾厭氧發(fā)酵相關研究工作，E-mail:weiluoyu1128@163.com通信作者： 張國治,E-mail:13308189417@163.com

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)06-0042-04