餐厨垃圾与污泥高固体联合厌氧产沼气的特性

2结果与讨论
2.1原料比例对沼气日产率及甲烷体积分数的影响
餐厨垃圾与污泥联合厌氧发酵TS质量分数为12%时，原料比例对沼气日产率和甲烷含量随时间变化的影响如图1所示。由图可见，原料比例不同，沼气日产率的变化在整个发酵期间亦呈现明显的差异。当底物中餐厨垃圾含量较高时，沼气日产率呈现先快速上升，而后迅速下降，最后随着发酵时间的延长逐渐下降的过程。产气高峰皆发生于发酵前5d，最高的沼气日产率分别为34mL/（gVS•d）（K）、48mL/（gVS•d）（A）和51mL/（gVS•d）（B）。当污泥含量占较高比例时，沼气日产率在发酵前25d多为上下起伏波浪状变化，之后逐渐下降直至发酵结束，产气的高峰期多出现在第10～25d。整个发酵过程中最高的沼气日产率分别为50mL/（gVS•d）（C）、32mL/（gVS•d）（D）、33mL/（gVS•d）（E）和26mL/（gVS•d）（K′）。原料比例对沼气日产率变化的影响可能是由餐厨垃圾与污泥中有机质生物降解性的差异所引起的。餐厨垃圾富含的有机质成分多易降解[4]；而在污泥中的大多数大分子有机质较难降解，其逐级降解为小分子物质的过程为整个厌氧发酵产甲烷代谢过程的限速步骤[7，19]，当大分子有机质水解、产酸的速率与产甲烷速率不能保持平衡时，则造成沼气日产率呈现上下起伏状的变化。同时，原料比例的不同，餐厨垃圾与污泥高固体浓度联合厌氧发酵时间也有所不同。污泥所占比例不低于50%（C、D、E和K′）的混合底物厌氧发酵时间相比于以餐厨垃圾为主（K、A和B）的底物延长了10d，它们分别约为35d和25d。这可能是由于污泥中难降解有机质成分含量较高，主要为胞内大分子物质等[19]，而细胞壁天然屏障的作用造成胞内大分子的消耗速率较其他的有机质更为缓慢[20]，从而导致发酵周期延长。但与污泥单独厌氧发酵相比较，餐厨垃圾和污泥联合厌氧发酵从产气开始至结束这一过程更为短暂，说明污泥中添加餐厨垃圾进行高固体浓度联合厌氧发酵可缩短发酵时间。
甲烷含量在原料比例不同时也出现明显差异。以餐厨垃圾为主时，甲烷含量在发酵前10d逐渐上升，稳定至发酵第15天后开始逐渐下降。最高甲烷体积分数分别为42.6%（K）、56.0%（A）和57.6%（B）。而污泥含量占较高比例时，甲烷含量在发酵前5d迅速上升，达50%后缓慢提高，最终稳定在70%左右。最高甲烷体积分数分别为70.1%（C）、72.3%（D）、79.8%（E）和78.7%（K′）。甲烷含量随着污泥比例的增加而增加，这是因为污泥中有机质以蛋白质为主，与碳水化合物和脂肪相比，蛋白质降解产生的沼气中甲烷含量最高[21]。这与Heo等[11]以餐厨垃圾与污泥液态联合厌氧发酵研究结果相似。

图1不同原料比例下沼气日产率及甲烷体积分数随发酵时间的变化