徐 明, 畢 捷, 季 祥, 成 杰, 曹菊梅, 蔡 祿
(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生物質(zhì)能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 內(nèi)蒙古 包頭 014010; 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)生命 科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010; 3.包頭市排水產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)
項(xiàng)目來(lái)源: 內(nèi)蒙古自治區(qū)重大基礎(chǔ)研究開(kāi)放課題資助項(xiàng)目(201503001-4-3); 包頭市應(yīng)用研發(fā)資金科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015Z2010-3); 內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(S20151012709)
餐廚垃圾與堆肥預(yù)處理的玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵
徐 明1,2, 畢 捷1,2, 季 祥1,2, 成 杰1,2, 曹菊梅3, 蔡 祿1,2
(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生物質(zhì)能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 內(nèi)蒙古 包頭 014010; 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)生命 科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010; 3.包頭市排水產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)
試驗(yàn)采用經(jīng)堆肥處理過(guò)的玉米秸稈與餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵來(lái)提升厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明:經(jīng)Modified Gompertz模型擬合,餐廚垃圾與堆肥預(yù)處理的玉米秸稈以8∶2配比有最高的甲烷產(chǎn)氣速率49 mL·g-1VSd-1(甲烷積累量543 mL·g-1VS)。對(duì)發(fā)酵結(jié)束時(shí)氨氮和游離氨氮濃度的分析結(jié)果顯示,餐廚垃圾與玉米秸稈或經(jīng)過(guò)堆肥預(yù)處理的玉米秸稈混合發(fā)酵均能降低發(fā)酵體系中的氨氮和游離氨氮濃度。對(duì)發(fā)酵過(guò)程中pH值和CO2/CH4進(jìn)行分析顯示,玉米秸稈經(jīng)堆肥預(yù)處理可以使厭氧發(fā)酵系統(tǒng)更穩(wěn)定。
餐廚垃圾; 厭氧消化; 玉米秸稈; 堆肥預(yù)處理
現(xiàn)今城市有機(jī)廢棄物成為了城市垃圾處理的重要問(wèn)題,其處理不當(dāng)會(huì)污染環(huán)境。餐廚垃圾作為城市有機(jī)廢棄物的主要成分,目前最有效的處理手段是厭氧發(fā)酵技術(shù)。厭氧發(fā)酵技術(shù)能夠高效地處理餐廚垃圾,而產(chǎn)生的沼氣也可以作為清潔的能源加以利用[1]。
餐廚垃圾在厭氧發(fā)酵過(guò)程中快速降解所產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)會(huì)抑制厭氧發(fā)酵體系中的甲烷菌,同時(shí)游離氨氮也會(huì)伴隨著揮發(fā)性脂肪酸的積累而產(chǎn)生,到達(dá)一定濃度時(shí)抑制甲烷菌的活性,為了避免酸化和游離氨氮的產(chǎn)生[2],餐廚垃圾往往和其它有機(jī)廢棄物混合發(fā)酵:餐廚垃圾與牛糞混合發(fā)酵時(shí),厭氧發(fā)酵全程不用調(diào)節(jié)pH值,并提高41.1%產(chǎn)氣量[3];餐廚垃圾與玉米秸稈混合發(fā)酵,既可以提高COD去除率,還可以減少游離氨氮的產(chǎn)生[4]。內(nèi)蒙古地區(qū)有大面積的鹽堿化土地,其農(nóng)田的主要作物是耐鹽堿和干旱的玉米,但玉米秸稈利用率極低,主要用于焚燒,因此對(duì)周邊地區(qū)的環(huán)境造成污染,本實(shí)驗(yàn)使用玉米秸稈與餐廚垃圾作為原料,研究其混合厭氧發(fā)酵過(guò)程,以期達(dá)到將農(nóng)業(yè)廢棄物和城市垃圾進(jìn)行綜合能源化利用的目的。
預(yù)處理是厭氧發(fā)酵的重要環(huán)節(jié)之一。使用堆肥的方法預(yù)處理物料,相當(dāng)于提升了接種量:Neumann[5]等發(fā)現(xiàn)添加能源作物堆肥物的厭氧發(fā)酵體系,發(fā)酵初期甲烷八疊球菌的相對(duì)比例提升了14%,27天后氫營(yíng)養(yǎng)型古生菌相對(duì)比例提升了6%。而甲烷八疊球菌和氫營(yíng)養(yǎng)型古生菌是甲烷化過(guò)程中的主要功能菌群,它們?cè)诎l(fā)酵系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)并建立優(yōu)勢(shì)會(huì)減小VFAs積累所造成的影響,并使發(fā)酵系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運(yùn)行。堆肥不僅能夠馴化氫營(yíng)養(yǎng)型甲烷菌,同時(shí)也能向厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中引入一些可以增強(qiáng)纖維素和半纖維素分解的乙酸氧化菌。
評(píng)價(jià)單一批次厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性的參數(shù)通常由pH值,VFAs濃度,產(chǎn)氣速率,甲烷含量等判斷,其中Li[6]等研究pH值與VFAs的積累呈負(fù)相關(guān)變化,但在高濃度氨氮的條件下,pH值很難對(duì)VFAs的積累做出評(píng)價(jià),而Ghanimeh[2]等研究發(fā)現(xiàn)在氨氮濃度升高的條件下,CO2/CH4與VFAs的積累呈正相關(guān)變化,所以pH值和CO2/CH4相結(jié)合可以簡(jiǎn)單有效的評(píng)價(jià)發(fā)酵起始階段VFAs對(duì)系統(tǒng)的影響。同時(shí)Hansen[7]等的研究表明,pH值可以計(jì)算發(fā)酵結(jié)束時(shí)的游離氨氮并評(píng)價(jià)游離氨氮對(duì)體系的影響;Schnürer[8]等人發(fā)現(xiàn)CO2/CH4也能對(duì)甲烷類(lèi)菌群的營(yíng)養(yǎng)途徑偏向性做出初步的判斷,利用Modified Gompertz模型能夠準(zhǔn)確的對(duì)甲烷類(lèi)菌群生長(zhǎng)狀況做出描述[9]。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),平行比較經(jīng)堆肥預(yù)處理的玉米秸稈和餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)組與玉米秸稈和餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)組之間的差別,來(lái)進(jìn)一步的評(píng)價(jià)堆肥物對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,并為餐廚垃圾厭氧共消化工藝的優(yōu)化提供一定的理論基礎(chǔ)。
玉米秸稈取自包頭市周邊農(nóng)戶,粉碎篩分20目以下粒徑備用。餐廚垃圾取自內(nèi)蒙古科技大學(xué)食堂,高溫蒸煮除油后打漿密封-4℃冰柜保存,油脂作為生物柴油材料。接種物為污水處理廠AOA池污水,參考Xiang[10]等方法污水經(jīng)3000轉(zhuǎn)離心10 min后棄去上清液,污泥密封備用。原料基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 原料基本性質(zhì) (%)
注: TS:總固體; VS:揮發(fā)性固體; TOC:有機(jī)碳; TKN:凱氏氮; C/N:碳氮比。
實(shí)驗(yàn)裝置參照劉丹[11]等如圖1:發(fā)酵裝置采用500 mL三角瓶,使用橡膠塞密封,與玻璃管和乳膠管(直徑5 mm)相連接,集氣裝置為1 L鋁箔氣體采樣袋。溫控裝置由恒溫水浴鍋控制,發(fā)酵溫度為37 ℃中溫發(fā)酵。玉米秸稈的堆肥方法參照高白茹等[12],并添加堆肥專(zhuān)用的EM菌劑,經(jīng)5天左右。在300 mL單一批次全混式發(fā)酵體系中:餐廚垃圾由NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值約為7,進(jìn)料量為1.311 gVS(濕重10.00 g;有機(jī)負(fù)荷4.37 gVS·L-1),接種物與底物揮發(fā)性固體量之比約為73∶27(離心后接種物為50.00 g)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。
圖1 小試批式實(shí)驗(yàn)厭氧消化裝置
序 號(hào)進(jìn)料量/gVS餐廚垃圾秸稈堆肥預(yù)處理的玉米秸稈VS比FW1.3110010∶0FCS8∶21.0490.26208∶2FCS6∶40.7870.52406∶4FCS4∶60.5240.78704∶6FCS2∶80.2621.04902∶8FCC8∶21.04900.2628∶2FCC6∶40.78700.5246∶4FCC4∶60.52400.7874∶6FCC2∶80.26201.0492∶8CS01.31100∶10CCS001.3110∶10
注:FW:餐廚垃圾(food waste); FCS:餐廚垃圾和玉米秸稈(food waste and corn stalk); FCC:餐廚垃圾和堆肥預(yù)處理的玉米秸稈(food waste and corn stalk compost); CS:玉米秸稈(corn stalk); CCS:堆肥預(yù)處理的玉米秸稈(corn stalk compost)。
TS,VS由重量法測(cè)定; TKN由凱式定氮法測(cè)定;氨氮(TAN)使用KDN-102C定氮儀測(cè)定;TOC采用重鉻酸鉀氧化—分光光度法;產(chǎn)氣量使用150 mL注射器計(jì)數(shù);pH值采用pHS-2C型pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定;CH4和CO2濃度使用Gasboard-3200P紅外氣體分析儀(武漢)測(cè)定;游離氨濃度由Hansen等[7]方法計(jì)算,如公式(1):
NH3/TAN={1+10^(-pH)/10^[-(0.09018+
2729.92/T(K)]}^-1
(1)
利用Modified Gompertz模型擬合甲烷積累量與時(shí)間變化,從而得到最大積累產(chǎn)氣量、最大產(chǎn)氣速率和滯留時(shí)間3個(gè)模型參數(shù),由此推算VS產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率[13]。如公式(2):
y(t)=Hm×exp{-exp[(Rm×e)/Hm×(λ-t)+
1]}
(2)
式中:y(t)為時(shí)間t時(shí)的積累產(chǎn)氣量,mL;Hm為最大積累產(chǎn)氣量;Rm為最大產(chǎn)氣速率;λ為滯留時(shí)間;exp為exp(1)=2.7128。
甲烷積累產(chǎn)氣量如圖2和圖3,餐廚垃圾與玉米秸稈或玉米秸稈堆肥物不同混合比下厭氧發(fā)酵27 d,在高接種比、玉米秸稈顆粒直徑小于2.00 mm及餐廚垃圾除油后初始pH值調(diào)節(jié)至7.0的條件下,使發(fā)酵相對(duì)的較早結(jié)束[4,14-16]。FW實(shí)驗(yàn)組有最多的甲烷積累量579±32 mL·g-1VS與其它研究的甲烷積累量范圍570~622 mL·g-1VS相似[3,15],CS實(shí)驗(yàn)組與CCS實(shí)驗(yàn)組有最低的甲烷積累量(369±54 mL·g-1VS,415±36 mL·g-1VS)。隨著玉米秸稈或玉米秸稈堆肥物在發(fā)酵體系中增加,甲烷積累量逐漸下降,說(shuō)明餐廚垃圾有著更高的生物可降解性,其主要原因是餐廚垃圾的主要成分為淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等,而秸稈主要由難以降解的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等組成[15]。
雖然玉米秸稈生物可降解性較低,但添加其與餐廚垃圾混合發(fā)酵可以平衡C/N,避免酸化,減少游離氨氮的產(chǎn)生,同時(shí)各種分解類(lèi)酶(木質(zhì)素酶等)也會(huì)增多,進(jìn)一步的提高難降解物質(zhì)的降解率[17]。筆者實(shí)驗(yàn)中餐廚垃圾與玉米秸稈混合發(fā)酵的4個(gè)實(shí)驗(yàn)組相對(duì)于餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物混合發(fā)酵的4個(gè)實(shí)驗(yàn)組的平均甲烷積累產(chǎn)氣量下降比例為1.69%,經(jīng)5 d左右堆肥的玉米秸稈并未消耗過(guò)多的有機(jī)物(VS/TS下降0.02),而堆肥中的一些微生物也會(huì)保留在厭氧發(fā)酵體系中增強(qiáng)木質(zhì)素等分解[18],從而提升甲烷產(chǎn)氣量。
圖2 餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物不同混合比下厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)氣量
圖3 餐廚垃圾與與玉米秸稈不同混合比下厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)氣量
采用Modified Gompertz模型對(duì)甲烷積累量隨時(shí)間變化進(jìn)行擬合如表3。相關(guān)系數(shù)r反應(yīng)了Modified Gompertz模型可以較好的擬合所有實(shí)驗(yàn)組的甲烷積累量與時(shí)間變化的情況。隨著玉米秸稈或堆肥預(yù)處理的玉米秸稈的添加甲烷積累產(chǎn)氣量逐漸下降,發(fā)酵周期與滯留時(shí)間逐漸縮短,與蔣滔[4]等結(jié)論相同。
餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物混合發(fā)酵4個(gè)實(shí)驗(yàn)組平均滯留時(shí)間相對(duì)于餐廚垃圾與玉米秸稈的4個(gè)實(shí)驗(yàn)組縮短了0.3 d。堆肥物致使滯留時(shí)間進(jìn)一步縮短。其原因可能是堆肥物刺激發(fā)酵起始的甲烷八疊菌增多[5],同時(shí)還有一些其它類(lèi)型的微生物留在了厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中,增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性,使發(fā)酵體系偏向于乙酸的產(chǎn)生,而非丙酸的產(chǎn)生[17],進(jìn)而導(dǎo)致了更短的滯留時(shí)間。
最大產(chǎn)氣速率如表3,相比FW實(shí)驗(yàn)組, FCS1,F(xiàn)CS2,F(xiàn)CC1,F(xiàn)CC2,F(xiàn)CC3有較高的產(chǎn)氣速率,而餐廚垃圾與堆肥玉米秸稈混合發(fā)酵有著相對(duì)較高的產(chǎn)氣速率,可能是發(fā)酵前期穩(wěn)定的發(fā)酵環(huán)境所致,此結(jié)論與周祺[14]等相似。
表3 各實(shí)驗(yàn)組Modified Gompertz模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)
圖4 餐廚垃圾和玉米秸稈堆肥物不同混合比厭氧發(fā)酵過(guò)程中pH值變化
pH值變化如圖4和圖5。在高接種比條件下,所有處理均未酸化,其中FW實(shí)驗(yàn)組第3 天的pH值最低(5.95±0.24)。CCS實(shí)驗(yàn)組的pH值波動(dòng)最小。餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物混合發(fā)酵pH值變化趨勢(shì)與CCS實(shí)驗(yàn)組相同,第3天分別至最低點(diǎn)。餐廚垃圾與玉米秸稈混合發(fā)酵pH值變化趨勢(shì)與CS實(shí)驗(yàn)組相同。餐廚垃圾和玉米秸稈堆肥物混合發(fā)酵相比餐廚垃圾和玉米秸稈混合發(fā)酵第3天的pH值更低,其原因可能是易分解的物質(zhì)前期被堆肥消耗,同時(shí)纖維素等結(jié)構(gòu)被破壞[13],在第3天時(shí)分解,致使pH值下降。
圖5 餐廚垃圾與玉米秸稈不同混合比厭氧發(fā)酵過(guò)程中pH值變化
所有處理組均隨發(fā)酵時(shí)間增加,CO2/CH4呈下降的趨勢(shì)(見(jiàn)圖6和圖7)。添加玉米秸稈的實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵起始有較高的CO2/CH4,第1天FCS2∶8實(shí)驗(yàn)組的CO2/CH4超過(guò)FW實(shí)驗(yàn)組(見(jiàn)圖8)。
CO2/CH4可以作為評(píng)價(jià)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標(biāo),在VFAs積累階段CO2/CH4與VFAs呈正向相關(guān)變化[2]。餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物的處理組第3天時(shí)的pH值達(dá)到最低點(diǎn),但CO2/CH4并未升高,餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物實(shí)驗(yàn)組第1天的CO2/CH4顯著低于餐廚垃圾與玉米秸稈實(shí)驗(yàn)組,證明了餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物混合發(fā)酵,使啟動(dòng)階段的發(fā)酵體系更穩(wěn)定。造成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組差異的可能原因如下:堆肥預(yù)處理使玉米秸稈中含有更少的易降解物,并促進(jìn)了分解;堆肥物的添加相當(dāng)于提升了接種量;外源微生物的添加改變了系統(tǒng)微生物多樣性使發(fā)酵更偏向于乙酸的產(chǎn)生。
圖6 餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物不同混合比厭氧發(fā)酵過(guò)程中CO2/CH4變化
圖7 餐廚垃圾與玉米秸稈不同混合比厭氧發(fā)酵過(guò)程中CO2/CH4變化
Neumann等人發(fā)現(xiàn)添加堆肥物的厭氧發(fā)酵體系,第27天氫營(yíng)養(yǎng)型古生菌相對(duì)提升了6%,而Schnürer等研究發(fā)現(xiàn)厭氧體系更偏向于互養(yǎng)途徑(氫營(yíng)養(yǎng)型甲烷菌的營(yíng)養(yǎng)途徑)時(shí),CO2/CH4會(huì)值上升[5,8]。兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)組(FCC和FCS)在發(fā)酵結(jié)束時(shí)CO2/CH4無(wú)顯著差異。可能原因是厭氧發(fā)酵體系菌群間形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的時(shí)間在90 d以上[19-20],本實(shí)驗(yàn)發(fā)酵時(shí)間(27 d)和堆肥時(shí)間較短(5.5 d),因此外源微生物的引入并沒(méi)有改變產(chǎn)氣組成。但CCS實(shí)驗(yàn)組比CS實(shí)驗(yàn)組在發(fā)酵后期有著更明顯更高的CO2/CH4,說(shuō)明與堆肥物混合厭氧發(fā)酵可能會(huì)使發(fā)酵體系更偏向于互養(yǎng)途徑。
注:圖中*表示相同混合比下不同實(shí)驗(yàn)處理間數(shù)值差異顯著 (p<0.05)。 圖8 發(fā)酵第1天餐廚垃圾與玉米秸稈或玉米秸稈堆肥物不同混合比的CO2/CH4
在高接種比條件下,厭氧體系可以快速啟動(dòng),減少游離態(tài)氨氮的生成[10]。氨氮可以提升發(fā)酵效率,低濃度的氨氮含量會(huì)降低甲烷菌的活性和甲烷的產(chǎn)量,相反高濃度的氨氮會(huì)因VFAs積累而部分轉(zhuǎn)化為游離的氨氮,而游離氨氮的產(chǎn)生量常作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標(biāo)[7,9]。實(shí)驗(yàn)第28天TAN與NH3濃度如圖9,隨著玉米秸稈堆肥物或玉米秸稈比例增多,TAN和NH3逐漸減小。FW實(shí)驗(yàn)組相比其它實(shí)驗(yàn)組有更高的TAN和NH3含量,且其pH值波動(dòng)較大,證實(shí)了混合發(fā)酵的系統(tǒng)穩(wěn)定性要強(qiáng)于餐廚垃圾的單一發(fā)酵。
圖9 餐廚垃圾與秸稈或秸稈堆肥物不同混合比發(fā)酵結(jié)束時(shí)TAN和NH3
在中溫37 ℃、接種比(ISRvs)73∶27和相同揮發(fā)性固體有機(jī)負(fù)荷(4.37 gVS·L-1)條件下,餐廚垃圾與玉米秸稈或玉米秸稈堆肥物混合厭氧發(fā)酵。單一發(fā)酵餐廚垃圾有最高的甲烷積累量579±32 mL·g-1VS。Modified Gompertz模型擬合顯示餐廚垃圾與玉米秸稈堆肥物混合比8∶2條件下有最高的甲烷產(chǎn)氣速率49 mL·g-1VSd-1(甲烷積累量543±35 mL·g-1VS)。隨著玉米秸稈堆肥物或玉米秸稈比例的上升,發(fā)酵體系的滯留時(shí)間逐漸縮短,TAN和NH3逐漸減小,積累甲烷產(chǎn)氣量逐漸下降。
玉米秸稈堆肥物進(jìn)一步的提升了餐廚垃圾混合發(fā)酵體系甲烷產(chǎn)氣速率,并縮短了滯留時(shí)間,使發(fā)酵過(guò)程中pH值變化更小,并且在發(fā)酵第1 天中有顯著較低的CO2/CH4,證明了玉米秸稈堆肥物可以加速餐廚垃圾厭氧發(fā)酵。
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TheAnaerobicCo-digestionofFoodWasteandCornStalkCompost/
XUMing1,2,BIJie1,2,JIXiang1,2,CHENGJie1,2,CAOJu-mei3,CAILu1,2/
(1.InnerMongoliaKeylaboratoryofBiomass-energy,Baotou014010,China; 2.Schooloflifescienceandtechnology,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China; 3.BaotouDrainageIndustryCoLtd,Baotou014010,China)
The corn stalk compost was used to promote the anaerobic digestion of food waste at the thermophilic condition. Food waste were mixed with corn stalk compost or corn stalk with different volatile solids ratios (0∶10, 2∶8, 4∶6, 6∶8, 8∶2, 10∶0). The results showed that all treatment groups were well fitted the Modified Gompertz model. With the corn stalk compost,the ratio of 8∶2 achieved the highest methane production rate of 49 mL·g-1VSd-1( methane production potential 543 mL·g-1VS). Both corn stalk and corn stalk compost could reduce the build-up of ammonium nitrogen (TAN) and free ammonia ([NH3]) in the sludge, thus subdued the subsequent inhibition for the anaerobic digestion. The values of pH and CO2/CH4implied that the stability of anaerobic digestion of food waste system could be improved by adding corn stalk compost.
food waste; anaerobic co-digestion; corn stalk; compost
2016-06-24
2017-05-02
徐 明(1987- ),男,漢族,內(nèi)蒙古包頭人,在讀碩士,研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源化利用,E-mail:605593608@qq.com
蔡 祿, E-mail: nmcailu@163.com
S216.4; X705
A
1000-1166(2017)04-0027-06