2.2原料比例对发酵过程产气性能的影响
餐厨垃圾与污泥高固体浓度联合厌氧发酵结束时,累积沼气产气率随原料比例的变化如图2a所示。餐厨垃圾与污泥比例由60∶0到30∶30时,累积沼气产率从174mL/gVS增加为612mL/gVS,但当污泥的含量继续提高时,累积沼气产率却逐渐下降,至比例为0:60时,累积沼气产率降为306mL/gVS。最高累积沼气产率出现在餐厨垃圾与污泥混合比例为30:30时,相较于餐厨垃圾与污泥单独厌氧发酵,分别提高了2.5倍和1倍。这与Heo等和El-Mashad等研究结果不一致,他们研究发现当以餐厨垃圾和污泥或餐厨垃圾和牛粪低固体浓度联合厌氧发酵产沼气时,最高的累积沼气产率却为以餐厨垃圾为主的混合发酵底物[11,22]。这主要是因为以餐厨垃圾为主的高固体浓度厌氧发酵相较于低固体浓度更易抑制产甲烷过程,见2.3分析。
在原料不同比例条件下,累积沼气产率在高固体浓度联合厌氧发酵过程中的变化亦出现差异,如图2b。当以餐厨垃圾为主时,累积沼气产率的快速增长分别出现在发酵前15、17和20d,之后变化趋于平缓。餐厨垃圾与污泥的TS比为30:30(C)时,累积沼气产率在发酵前28d始终处于直线上升的变化,之后保持相对稳定。而以污泥为主时,研究发现累积沼气产率在发酵前12d缓慢上升,但随后至第25天却快速提高,在发酵后期累积沼气产率的变化逐渐趋于平缓。这些结果表明,添加适量的餐厨垃圾可促进污泥中的有机质转化为沼气的速率。
原料中餐厨垃圾和污泥比例的不同,碳水化合物、蛋白质与脂肪等有机质含量也不同,从而影响混合发酵底物中总有机质的生物转化产甲烷效率(biodegradability,BDA)。BDA可以由公式(1)[23-24]计算获得:
式中,Ye表示实际甲烷产率(Experimental methane yield,Ye,mL/gVS),Yt表示理论甲烷产率(Theoretical methane yield,Yt,mL/gVS)。
图2不同原料比例下累积沼气产率的变化
若有机质以分子式CaHbOcNd表示,并假设它完全生物降解转换为CO2和CH4,则有机质完全降解过程可用方程式(2)[11]表示:
根据前人的研究结果,碳水化合物、蛋白质和脂肪分子式可分别表示为C6H10O5、C5H7O2N和C57H104O6[25],则他们的理论甲烷产率分别是415mL/gVS、496mL/gVS和1014mL/gVS。结合表2中混合底物的有机成分含量,计算获得不同比例条件下的生物转化产甲烷效率,如表3。
表3餐厨垃圾与污泥联合厌氧发酵产气性能比较