餐厨垃圾与污泥高固体联合厌氧产沼气的特性

摘要：该文在12%高固体质量分数和中温（35±1）℃条件下，开展了餐厨垃圾与污泥不同比例联合厌氧发酵对产气性能及发酵过程限速步骤影响的研究。结果表明，当餐厨垃圾与污泥二者比例为30∶30时，累积沼气产率、累积甲烷产率、生物转化产甲烷效率和VS（挥发性固体）去除率分别为612、327mL/g、76.9%和63.6%，皆高于其他原料比例。混合底物中餐厨垃圾为主时，发酵前5d为产气高峰阶段，甲烷含量在整个发酵期间低于60%，挥发性脂肪酸（VFAs）抑制显著；而混合底物中污泥所占比例较高时，产气的高峰期多出现在第10～25d，甲烷含量于发酵前5d迅速上升至50%后，缓慢提高并最终稳定在70%左右。混合底物中污泥所占比例的增加可提升沼气中甲烷含量，亦可明显缓解VFAs抑制作用。累积沼气产率随污泥比例的提高呈先上升后下降的变化。
关键词：沼气，发酵，甲烷，高固体浓度，餐厨垃圾，污泥
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.10.045
中图分类号：X705文献标志码：A文章编号：1002-6819（2011）-10-0255-06
0引言
餐厨垃圾和污水厂的污泥作为固体有机废弃物的重要组成部分，其资源化利用日益受到国内外研究者的关注[1-2]。厌氧发酵由于其能产生生物质能源以及避免对环境造成二次污染等，正成为处理固体有机废弃物的有效方法之一[3]。因此，采用厌氧发酵工艺将餐厨垃圾和污泥中富含的有机物质转化为沼气，不仅可以实现固体废弃物的资源化，缓解日益紧张的能源供需矛盾，而且可以有效解决有机废弃物造成的环境污染等问题。
餐厨垃圾中富含80%～97%（干基）易降解的有机质，其水解过程较为迅速[4]。由于产甲烷菌生长过程较为缓慢，从而可能引起挥发性短链脂肪酸（VFAs）等中间代谢产物的毒性抑制[5]，并最终可能导致厌氧发酵过程失败。污泥中蛋白质含量相对较高，在降解过程中易造成氨氮的积累[6]，抑制厌氧发酵的进程。同时蛋白质相对于碳水化合物而言，降解速率较慢[7]。将餐厨垃圾和污泥进行联合厌氧发酵可以：1）调节发酵底物中的有机营养成分[3]；2）产生的VFAs与氨氮等中间代谢产物可进行部分中和反应，以维持过程中pH值的稳定，促使厌氧发酵顺利进行[8]；3）提高污泥的降解速率，以缩短整个发酵时间。目前，围绕餐厨垃圾与污泥联合厌氧发酵产沼气研究多基于液态厌氧发酵工艺，如考察温度、水力停留时间、有机负荷、预处理方式、pH值以及餐厨垃圾的种类等主要因素或条件对低固体浓度混合发酵底物（TS<10%）厌氧产沼气性能的影响[9-15]。对于高固体浓度（TS>10%）条件下，餐厨垃圾和污泥联合厌氧发酵原料比例的研究鲜有报道。本试验采用总固体（TS）质量分数为12%的厌氧发酵工艺进行餐厨垃圾与污泥高固体浓度联合产沼气研究，并探讨原料比例对厌氧发酵产气性能、有机质等去除效率、挥发性短链脂肪酸的产生以及发酵过程限速步骤的影响，以期为餐厨垃圾与污泥的资源化和减量化提供一条途径。
1材料与方法
1.1底物性质
餐厨垃圾取自清华大学教工食堂，主要成分为米饭、馒头、蔬菜、肉类等。将其自然晾干后，用食物粉碎机粉碎至1～2mm。污泥取自北京市高碑店污水处理厂经脱水工艺处理后外运处置的污泥饼。2种底物存贮于-18℃冰柜中备用。接种污泥取自无锡某啤酒厂厌氧反应器，经过一个月驯化后用于本试验。餐厨垃圾、污泥和接种污泥主要性质如表1所示。
表1餐厨垃圾、污泥及接种污泥的主要性质

1.2试验方案
试验在1L的厌氧反应装置中进行，发酵底物的TS为12%，温度为（35±1）℃，接种污泥与发酵底物的TS比值为4:1。混合底物中餐厨垃圾与污泥的TS比分别为60:0（K）、50:10（A）、45:15（B）、30:30（C）、15:45（D）、10:50（E）和0:60（K′），主要性质见表2所示。同时以接种污泥做空白对照，每个试验重复2次，取平均值。所有数据扣除空白对照样后进行后续的处理与分析。
1.3分析方法
TS与VS含量采用重量法测定；pH测定采用Mettler-ToledoDelta320型pH计测定；SCOD、TCOD测定采用5B-1（C）型COD快速测定仪，其中SCOD经15000r/min离心15min后取上清液测定。沼气采用酸化至pH值为2的饱和NaCl溶液体积置换法测定[16]。碳水化合物含量采用甲醛离心法[17]提取后，再用苯酚-硫酸法测定，以葡萄糖作为标准物。蛋白质含量通过测定凯氏氮再乘以6.25计算得到[7]。脂肪含量采用Bligh-Dyer方法[18]提取后，在80℃下干燥后采用重量法测定。
VFAs的质量浓度采用气相色谱法测定。色谱条件如下：FID检测器；CP-WAX57CB毛细管柱（30m×0.25mm×0.25µm，美国Varian公司）；采用一阶程序升温，初温80℃，保持3min，后以15℃/min的速率升至210℃，保持2min；进样室和检测器的温度都设为250℃。总酸的质量浓度为各单酸的质量浓度之和。CH4含量采用气相色谱法测定。色谱条件如下：填充柱：ProParkQ，0.3cm×200cm，50～80目；柱温：50℃；检测器：TCD；检测器温度：90℃；进样口温度：40℃；载气：氦气；电流：70mA。
表2餐厨垃圾与污泥混合原料的主要性质