餐厨垃圾理化性质及其厌氧发酵产气潜力分析易龙生

第43卷第4期中南大学学报(自然科学版)Vol.43No.42012年4月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Apr.2012餐厨垃圾理化性质及其厌氧发酵产气潜力分析易龙生，饶玲华，王鑫，王浩(中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙，410083)摘要：以某学校餐厨垃圾为原料，分别从物理组成、含水率、挥发性固体含量以及营养元素等方面对餐厨垃圾的理化性质进行分析，并进一步对餐厨垃圾及其组分进行厌氧发酵产沼气能力研究。研究结果表明，餐厨垃圾以米饭为主，具有高含水率和高有机物含量的特性，且营养组成完全满足厌氧发酵工艺的要求。混合餐厨垃圾、米饭、蔬菜和肉类的沼气产率分别为：508.3，478.2，433.3和206.8mL/g(按挥发性固体计)，混合餐厨垃圾的沼气产率比米饭、蔬菜、肉类分别高6.3%，17.3%和145.8%，各组分间营养物质的良性互补可能是导致混合餐厨垃圾产量更高的原因。关键词：餐厨垃圾；厌氧发酵；产沼气潜力中图分类号：X705文献标志码：A文章编号：1672−7207(2012)04−1584−05PhysicochemicalpropertiesandbiogasproductionpotentialofkitchenwasteYILong-sheng,RAOLing-hua,WANGXin,WANGHao(SchoolofMineralProcessingandBioengineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Thecharacteristics(physicalcomponents,moisturecontent(MC),volatilesolids(VS),elementalcomposition,biogasproductionpotential)ofkitchenwastefromcampuswereinvestigated.Theresultsshowthatkitchenwastewithhighmoisturecontentandhighorganicmattercontentismainlymadeupofrice.Theelementalcompositionofthekitchenwastesatisfiedtherequirementsofanaerobicdigestion.Theaccumulativebiogasyieldsofthemixturekitchenwasterice,vegetable,meatare508.3,478.2,433.3and206.8mL/g(inVScalculation),respectively.Thebiogasyieldsofmixturekitchenwasteare6.3%,17.3%and145.8%higherthanthatofrice,vegetableandmeat,respectively,whichprobablyresultsfromthegoodcomplementarityamongdifferentcomponents．Keywords:kitchenwaste;anaerobicdigestion;biogaspotential餐厨垃圾是人们日常生活及食品加工过程中产生的食品废料，其成分主要为米饭、蔬菜、肉类、骨头等。餐厨垃圾富含有机物，含水率高，易腐烂变质，其在运输与处理的过程中不仅产生大量毒素，散发恶臭气体，而且污染水体和大气。长期以来，我国的餐厨垃圾都是以饲养牲畜为主，部分被不法商贩用于提炼潲水油，还有一部分与其他生活垃圾混在一起处理。在经济和生产力的制约下，餐厨垃圾的产量相对较少，对环境尚未构成严重的危害。随着经济的不断发展，城镇人口的增加，餐厨垃圾的产量急剧增长，传统的处置方式(如填埋)已不能满足环境和卫生安全的要求。餐厨垃圾是资源型废弃物，利用厌氧发酵法将其资源化处理逐渐成为人们关注的焦点。厌氧发酵处理技术，不仅可以处理大量餐厨垃圾，且发酵周期短，产生大量清洁能源——沼气，沼液和沼渣可转化为农业有机肥。据对餐厨垃圾厌氧发酵的研究表明，餐厨收稿日期：2011−05−08；修回日期：2011−08−18基金项目：国家自然科学基金资助项目(50874117)通信作者：易龙生(1964−)，男，江西萍乡人，教授，从事固体废弃物处理及资源化利用研究；电话：[phone]；E-mail：[e-mail]第4期易龙生，等：餐厨垃圾理化性质及其厌氧发酵产气潜力分析1585垃圾的产沼气率大于435mL/g[1−3]，即1t餐厨垃圾(湿基)厌氧发酵可产87m3沼气。而1m3沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7kg无烟煤或0.7kg汽油或0.8kg煤油完全燃烧所产生的热量[4]。因此，以餐厨垃圾为资源，变废为宝，势必将成为未来大规模处理餐厨垃圾的主要途径。餐厨垃圾中不同物理组分的产沼气能力不同，因而组成不同的餐厨垃圾的产沼气能力也不同[5−7]。本文作者以某学生食堂的餐厨垃圾为原料，分别从物理组成和含水率、挥发性固体含量以及营养元素等角度来表征餐厨垃圾的理化性质，并对混合餐厨垃圾及单一组分的产沼气能力进行实验研究，以考察餐厨垃圾厌氧发酵处理的可行性，为餐厨垃圾资源化处理提供依据。1实验部分1.1实验材料餐厨垃圾样品的收集与制备：为全面考察餐厨垃圾情况，每月15号对餐厨垃圾进行采样，样品取自于某学生食堂。取样时，采用人工分拣的方式去除其中少量的杂质如塑料、木棒、纸巾后，将垃圾桶内的餐厨垃圾充分搅拌混匀后，取10kg的餐厨垃圾。餐厨垃圾取回后，采用四分法，选取餐厨垃圾样品。采用绞肉机将餐厨垃圾破碎使其呈粒度均匀的浆状，颗粒粒径为1~5mm，于5℃冰箱中保存备用。接种物的收集与储存：接种物取自于长沙某污水处理厂厌氧段的污泥，为黑色絮状物。取回后，用塑料瓶密封静置1d，分层后，取下层污泥作为接种物。1.2实验装置实验装置见图1。装置由1L的厌氧发酵瓶，1L的集气瓶和500mL量筒3部分组成。发酵瓶分别置于高温(55±2)℃的水浴器中。发酵瓶中产生的气体沿着玻璃导管进入集气瓶，集气瓶中装有3%(质量分数)的NaOH溶液，吸收气体中的酸性组分后，等体积的图1实验装置图Fig.1SchematicdiagramofexperimentalsystemNaOH溶液被压入到右边的量筒中，量筒的读数即为所产甲烷的体积。发酵瓶与集气瓶之间的阀门为气体采样点。每次调节pH后均向发酵瓶中通入N2以维持发酵瓶内的厌氧环境。每天手动搅拌2次，每次5min，使发酵液均匀混合。1.3指标测定方法采用烘干法[8]测定总固体(TS)、挥发性固体(VS)；采用玻璃电极法测定pH；碳元素(C)和氮元素(N)的测定采用元素分析仪(VarioELⅢ，德国)；钾(K)、钠(Na)、钙(Ca)等常规营养元素采用ICP-AES(PS-6真空型，美国Baird公司)[9−11]测定；沼气产量采用排3%NaOH溶液法测定。2结果与分析2.1餐厨垃圾的理化特性分析2.1.1物理组成分析餐厨垃圾成分复杂，饮食习惯、季节变化及生活水平等均会影响其组成。剔除塑料、木棒、纸巾等杂质后，每月餐厨垃圾的物理组成见图2。从图2可以看出：餐厨垃圾的成分主要为米饭、蔬菜、肉类和骨头。其中米饭为餐厨垃圾主要部分，其变化范围为38.3%~55.4%(湿基)，夏秋2季蔬菜含量较春冬2季的略高0.3%，相反，春冬季节肉类的含量比春冬2季的高2.7%。对厌氧发酵工艺而言，骨头为餐厨垃圾中较为稳定的杂质来源，其平均含量为8.9%。图2餐厨垃圾物理组成变化图Fig.2Physicalcomponentsofkitchenwaste2.1.2含水率(ηMC)及挥发性固体含量(ηVS)分析餐厨垃圾及其组分肉类、蔬菜、米饭的含水率(ηMC)、含固率(ηTS)、挥发性固体含量(ηVS)以及挥发性中南大学学报(自然科学版)第43卷1586固体占总固体含量(ηVS/ηTS)的平均值如图3所示。从图3可以看出：餐厨垃圾及其组分米饭、蔬菜、肉类的含水率分别为：79.8%，74.2%，85.4%和55.1%；以蔬菜的含水率最高，其次为混合餐厨垃圾，肉类最低。在对餐厨垃圾挥发性固体含量(即物料中有机物的量[8−11])的检测中发现，肉类的有机物含量最高为43.2%，其次为米饭23.9%，混合餐厨垃圾为20.0%，蔬菜含量最低为12.6%。各组分的ηVS/ηTS表明：除水分外，有机物的含量的变化范围在88.6%~96.6%。实验结果表明：餐厨垃圾具有高含水率和高有机物含量的特性。图3餐厨垃圾各组分的含水率(ηMC)、总固体(ηTS)、挥发性固体含量(ηVS)及挥发性固体占总固体(ηVS/ηTS)含量图Fig.3ValuesofηMC,ηTS,ηVSandηVS/ηTSineachcomponentofkitchenwaste2.1.3营养元素分析厌氧发酵过程中起主导作用的是产甲烷菌，其世代周期较长，且对环境条件较为敏感，产甲烷菌生长状态良好是厌氧发酵过程顺利进行的前提。餐厨垃圾营养元素分析和产甲烷菌的化学组成见表1和表2。通常认为，适宜的w(C)/w(N)比(有机物中碳总量与氮总量的质量分数之比)为15~30。w(C)/w(N)过高，含氮量不足，缓冲能力低，pH容易降低，反之若过低，则含氮量过高，微生物会将多余的氮代谢为氨(NH3)而释放出来，从而使构成发酵液碱度的物质碳酸氢铵(NH4HCO3)增加，虽可提高发酵液的缓冲能力，但铵盐容易积累而导致抑制发酵反应过程[12]。从表1可见，餐厨垃圾的w(C)/w(N)比为21.48，处于适宜的范围内，完全符合微生物对C和N元素的需求。此外，产甲烷菌所需的主要营养物质如氮、磷、钾、硫，以及金属元素铁，镍、钴、钼、锌、锰、铜等(见表2)在餐厨垃圾的营养元素分析中均可找到。综合表1和表2可知：餐厨垃圾中含有产甲烷细菌所需的均衡营养，完全满足厌氧发酵工艺的要求。表1餐厨垃圾营养元素分析Table1Elementalcompositionanalysisofkitchenwastemg/kgCNSPK48.53×1062.26×106580.369107.144642.86NaCaMgFeCu17857.1416562.50892.86170.9815.63ZnMnNiMo55.8019.643.131.34表2产甲烷菌的化学组成[13]Table2Elementalcompositionofmethane-producingbacteriag/kgNPKSCaMgFe65151010431.8NiCoMoZnMnCu0.100.0750.0600.0600.0200.0102.2餐厨垃圾厌氧发酵产能沼气潜能研究本研究以200g餐厨垃圾或其组分为原料，于高温(55±2)℃下，进行为期30d的厌氧发酵处理，在此期间各实验组的pH、日沼气产量和积累产沼气率的变化情况分别如图4~6所示。2.2.1餐厨垃圾在厌氧发酵过程中的pH变化pH是影响厌氧发酵至关重要的因素：厌氧发酵期间的pH变化如图4所示。从图4可以看出，在试验的第2天，各实验组均酸化。经Ca(OH)2溶液调节至7.0后，从第4天开始，除米饭外，其他组分都在开始逐步恢复，而米饭则继续酸化并于第4天达到了最低1—肉类；2—蔬菜；3—米饭；4—混合餐厨垃圾图4餐厨垃圾及其组分厌氧发酵的pH变化图Fig.4pHvariationinkitchenwasteandcomponents第4期易龙生，等：餐厨垃圾理化性质及其厌氧发酵产气潜力分析1587值4.4，其随后上升的过程也要明显落后于其他组分。米饭组的酸化最为显著，其主要成分为富含碳水化合物的淀粉，在淀粉酶的作用下，迅速降解而导致发酵液的持续酸化。酸化程度最低的为肉类，其最低pH为5.8，且迅速恢复。这是由于肉类