含油率对餐厨垃圾干式厌氧发酵的影响.pdf

1、第 卷 第 期 年 月 环 境 科 学 学 报 ， ， 基 金 项 目 ： “ 十 二 五 ” 国 家 科 技 支 撑 计 划 （ ） ； 学 位 与 研 究 生 教 育 重 点 学 科 环 境 工 程 项 目 （ ） ； 青 年 教 师 创 新 团 队 项 目 （ ） ； 北 京 工 商 大 学 研 究 生 科 研 学 术 创 新 基 金 （ ） ， （ ） ， （ ） ， 作 者 简 介 ： 任 连 海 （ ） ， 男 ， 副 教 授 （ 博 士 ） ， ： ； 通 讯 作 者 （ 责 任 作 者 ） ： （ ） ， ， （ ） ， ： ； ： 任 连 海 ， 黄 燕 冰 ， 王 攀 ，

2、等 含 油 率 对 餐 厨 垃 圾 干 式 厌 氧 发 酵 的 影 响 环 境 科 学 学 报 ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： 含 油 率 对 餐 厨 垃 圾 干 式 厌 氧 发 酵 的 影 响 任 连 海 ， 黄 燕 冰 ， 王 攀 ， 张 明 露 北 京 工 商 大 学 食 品 学 院 ， 北 京 收 稿 日 期 ： 修 回 日 期 ： 录 用 日 期 ： 摘 要 ： 餐 厨 垃 圾 含 油 率 高 ， 且 随 着 地 域 的 变 化 有 显 著 差 别 ， 含 油 率 的 高 低 对 餐 厨 垃 圾 厌 氧 消 化 产 气 有 一 定 影 响 在 中 温 （ ） 和 高 温

3、（ ） 条 件 下 ， 研 究 了 不 同 含 油 率 （ 、 、 、 、 、 ） 对 餐 厨 垃 圾 干 式 厌 氧 发 酵 过 程 中 日 产 气 量 、 累 计 产 气 量 、 总 固 体 （ ） 、 挥 发 性 固 体 （ ） 及 甲 烷 产 量 的 影 响 结 果 表 明 ： 在 中 温 和 高 温 条 件 下 ， 当 含 油 率 为 时 ， 餐 厨 垃 圾 的 累 计 产 气 量 达 最 大 值 ， 分 别 为 和 此 时 ， 和 的 去 除 率 也 最 高 ， 中 温 时 去 除 率 分 别 为 （ ） 和 （ ） ， 高 温 时 去 除 率 分 别 为 （ ） 和 （ ） 在

4、餐 厨 垃 圾 干 式 厌 氧 发 酵 过 程 中 ， 甲 烷 的 产 量 占 可 燃 气 的 体 积 分 数 逐 渐 升 高 在 中 温 厌 氧 发 酵 条 件 下 ， 含 油 率 为 的 餐 厨 垃 圾 发 酵 进 行 到 时 ， 甲 烷 的 体 积 分 数 最 高 ， 为 在 高 温 干 式 厌 氧 发 酵 条 件 下 ， 含 油 率 为 的 餐 厨 垃 圾 发 酵 进 行 到 时 ， 甲 烷 的 体 积 分 数 最 高 ， 为 关 键 词 ： 餐 厨 垃 圾 ； 含 油 率 ； 干 式 厌 氧 发 酵 文 章 编 号 ： （ ） 中 图 分 类 号 ： 文 献 标 识 码 ： ， ，

5、， ， ， ； ； ： （ ） ， （ ， ， ， ， ， ） ， ， （ ） ， （ ） ， ， ， ， ， ： ； ； 引 言 （ ） 餐 厨 垃 圾 是 指 餐 饮 单 位 和 家 庭 在 日 常 生 活 过 程 中 所 产 生 的 食 品 垃 圾 ， 是 城 市 生 活 垃 圾 的 重 要 组 成 部 分 餐 厨 垃 圾 以 淀 粉 、 食 物 纤 维 类 、 蛋 白 质 、 油 脂 等 为 主 要 成 分 ， 极 易 腐 败 、 霉 变 ， 需 要 单 独 处 理 和 处 置 餐 厨 垃 圾 具 有 高 生 物 质 组 分 、 微 量 元 素 丰 富 （ 杜 欣 等 ， ） 的 特

6、点 ， 是 一 种 很 好 的 干 式 厌 氧 发 酵 产 沼 气 的 基 质 （ 李 俊 涛 等 ， ； 姜 虎 等 ， ） 干 式 厌 氧 发 酵 是 指 以 总 固 体 （ ） 含 量 在 期 任 连 海 等 ： 含 油 率 对 餐 厨 垃 圾 干 式 厌 氧 发 酵 的 影 响 的 固 体 有 机 废 弃 物 为 原 料 进 行 厌 氧 发 酵 的 一 种 工 艺 （ 方 少 辉 ， ） 干 式 厌 氧 发 酵 技 术 因 其 基 建 成 本 低 、 需 水 量 小 ， 节 约 能 源 和 降 低 成 本 ， 产 生 的 沼 渣 、 滤 液 可 作 为 土 壤 的 改 良 剂 或 肥

7、料 等 优 势 ， 正 受 到 广 泛 的 关 注 ， 逐 渐 成 为 中 国 处 理 有 机 固 体 废 弃 物 及 生 产 新 能 源 的 重 要 选 择 （ 马 磊 等 ， ； 郑 晓 伟 等 ， ） 餐 厨 垃 圾 还 有 较 高 的 含 油 率 （ 赵 杰 红 等 ， ） ， 且 含 油 率 随 着 地 域 饮 食 习 惯 的 不 同 而 有 显 著 差 异 餐 厨 垃 圾 中 的 油 脂 以 多 种 形 式 存 在 ， 主 要 可 分 为 可 浮 油 、 分 散 油 、 乳 化 油 、 溶 解 油 、 固 相 内 部 油 脂 等 （ 王 巧 玲 等 ， ） 含 油 率 的 高 低

8、对 餐 厨 垃 圾 厌 氧 消 化 产 气 有 一 定 影 响 任 南 琪 等 （ ） 参 照 有 机 物 厌 氧 消 化 转 化 为 沼 气 的 理 论 计 算 方 法 ， 计 算 得 油 脂 发 酵 产 生 的 沼 气 成 分 中 占 ， 明 显 高 于 糖 和 蛋 白 质 （ 约 为 ） ， 并 且 油 脂 转 化 为 沼 气 （ 甲 烷 ） 的 效 率 较 高 ， 理 论 为 （ 以 计 ） （ 标 准 大 气 压 ， ） ， 糖 和 蛋 白 质 分 别 为 和 （ 以 计 ） 因 此 ， 适 宜 的 含 油 率 能 促 进 餐 厨 垃 圾 厌 氧 发 酵 产 沼 气 但 油 脂 在

9、厌 氧 消 化 过 程 中 的 分 解 产 物 极 易 使 系 统 过 度 酸 化 ， 除 了 长 链 脂 肪 酸 （ ） 的 积 累 外 ， 常 常 也 表 现 为 挥 发 性 脂 肪 酸 （ ） 的 积 累 ， 尤 其 是 中 间 产 物 乙 酸 的 积 累 （ ， ） ， 从 而 打 破 了 原 有 的 代 谢 平 衡 ， 导 致 厌 氧 系 统 失 去 稳 定 性 有 研 究 表 明 ， 油 脂 对 厌 氧 发 酵 的 抑 制 机 制 是 高 浓 度 的 吸 附 在 细 胞 膜 表 面 阻 止 了 物 质 的 传 递 ， 未 降 解 的 油 脂 凝 聚 包 裹 着 微 生 物 ， 从

10、而 抑 制 了 产 酸 和 产 甲 烷 菌 的 活 性 （ 周 洪 波 等 ， ） 还 有 研 究 发 现 ， 虽 然 对 产 甲 烷 微 生 物 的 抑 制 作 用 远 高 于 对 产 酸 微 生 物 的 影 响 （ ， ； ， ； ， ） ， 但 对 甲 烷 微 生 物 和 产 酸 微 生 物 的 抑 制 作 用 都 是 可 逆 的 ， 甲 烷 微 生 物 和 产 酸 微 生 物 的 活 性 在 受 到 抑 制 后 并 未 出 现 破 坏 性 死 亡 ， 厌 氧 系 统 可 以 在 较 短 的 时 间 恢 复 产 甲 烷 （ ， ） 目 前 对 餐 厨 垃 圾 进 行 中 温 （ ） 厌

11、氧 发 酵 的 研 究 较 多 ， 高 温 （ ） 发 酵 因 热 源 受 限 而 没 有 得 到 大 规 模 应 用 ， 但 高 温 发 酵 具 有 反 应 速 度 较 快 、 产 气 较 稳 定 、 有 机 物 降 解 彻 底 、 沼 渣 中 有 害 病 菌 含 量 较 低 等 特 点 （ 马 磊 等 ， ） 鉴 于 两 种 发 酵 工 艺 各 具 有 优 缺 点 ， 应 因 地 制 宜 选 取 相 应 的 发 酵 工 艺 因 此 ， 本 研 究 将 系 统 研 究 含 油 率 对 餐 厨 垃 圾 中 温 和 高 温 干 式 厌 氧 发 酵 的 影 响 ， 通 过 分 析 日 产 气 量

12、、 累 计 产 气 量 、 发 酵 前 后 总 固 体 （ ） 和 挥 发 性 固 体 （ ） 的 去 除 率 、 沼 气 成 分 的 变 化 ， 以 期 为 研 究 含 油 率 对 餐 厨 垃 圾 干 式 厌 氧 发 酵 的 影 响 提 供 数 据 参 考 实 验 材 料 和 方 法 （ ） 实 验 材 料 餐 厨 垃 圾 及 接 种 污 泥 餐 厨 垃 圾 取 自 北 京 工 商 大 学 东 区 食 堂 取 样 时 ， 先 将 食 堂 收 集 桶 内 的 餐 厨 垃 圾 充 分 搅 拌 混 匀 ， 再 取 出 约 ， 手 工 分 拣 去 除 其 中 的 杂 质 ， 如 骨 头 、 蛋 壳

13、等 然 后 用 搅 拌 机 将 餐 厨 垃 圾 破 碎 形 成 粒 度 细 的 匀 浆 （ 粒 径 小 于 ） ， 将 其 混 匀 于 冰 箱 中 保 存 备 用 接 种 污 泥 取 自 某 污 水 处 理 厂 剩 余 厌 氧 污 泥 ， 为 黑 色 泥 状 取 适 量 污 泥 置 于 玻 璃 瓶 密 封 静 置 ， 待 分 层 后 ， 取 下 层 污 泥 作 接 种 物 ， 并 对 接 种 物 进 行 驯 化 处 理 驯 化 时 ， 将 污 泥 放 入 培 养 瓶 水 封 ， 使 瓶 内 呈 厌 氧 状 态 ， 置 于 培 养 箱 培 养 ， 每 天 按 的 比 例 向 其 添 加 碳 源

14、（ 葡 萄 糖 ） 、 氮 源 （ 尿 素 ） 和 磷 源 （ 磷 酸 氢 二 钠 ） 驯 化 后 ， 污 泥 呈 黑 色 絮 凝 状 ， 于 培 养 箱 内 保 存 待 用 此 时 ， 接 种 污 泥 的 为 ， 为 ， 为 厌 氧 发 酵 装 置 厌 氧 发 酵 装 置 主 要 由 的 广 口 发 酵 瓶 、 集 气 瓶 和 量 筒 三 部 分 组 成 发 酵 瓶 置 于 、 的 恒 温 水 浴 中 ， 发 酵 过 程 产 生 的 气 体 经 聚 乙 烯 管 进 入 装 有 溶 液 的 集 气 瓶 ， 同 时 集 气 瓶 内 的 溶 液 被 压 入 到 集 水 瓶 ， 每 天 用 量 筒

15、读 取 集 水 瓶 内 碱 液 体 积 数 气 体 经 过 集 气 瓶 后 ， 其 中 的 、 等 酸 性 气 体 、 和 水 蒸 气 均 被 吸 收 ， 排 入 量 筒 的 液 体 体 积 即 可 视 为 发 酵 产 生 的 氢 气 、 甲 烷 体 积 （ 林 云 琴 等 ， ） 实 验 方 法 去 油 餐 厨 垃 圾 样 品 的 制 备 本 实 验 采 用 直 接 加 热 法 去 除 餐 厨 垃 圾 的 油 脂 ： 在 下 恒 温 加 热 餐 厨 垃 圾 ， 除 去 上 层 油 脂 撇 除 的 餐 厨 垃 圾 上 层 油 脂 经 高 速 离 心 机 离 心 分 离 后 得 到 的 油 脂

16、产 物 ， 用 作 调 节 含 油 率 的 原 料 去 油 后 餐 厨 垃 圾 的 为 ， 为 ， 为 ， 溶 解 性 化 学 需 氧 量 （ ） 为 厌 氧 发 酵 实 验 取 两 组 （ 每 组 个 ） 发 酵 瓶 ， 分 别 添 加 含 油 率 为 、 、 、 、 、 的 餐 厨 垃 圾 （ 添 加 的 油 脂 为 节 中 餐 厨 垃 圾 的 油 脂 经 离 心 分 离 后 的 油 脂 产 物 ， 含 油 率 为 质 量 比 ） ， 环 境 科 学 学 报 卷 按 的 接 种 率 （ 接 种 率 为 湿 基 质 质 量 比 ） 接 种 污 泥 后 ， 采 用 人 工 搅 拌 的 方 式

17、， 使 接 种 污 泥 与 餐 厨 垃 圾 混 合 均 匀 接 种 后 反 应 瓶 中 物 料 为 固 液 混 合 态 物 质 ， 其 含 固 率 （ ） 为 将 一 组 置 于 中 温 的 水 浴 锅 中 ， 另 一 组 置 于 高 温 的 水 浴 锅 中 ， 进 行 为 期 的 厌 氧 发 酵 实 验 在 发 酵 过 程 中 每 天 用 碱 液 调 节 至 ， 调 节 的 同 时 也 对 发 酵 液 进 行 人 工 搅 动 ， 以 混 匀 接 种 液 ， 使 排 气 均 匀 ； 每 天 记 录 排 出 液 体 的 体 积 ， 并 在 阀 门 处 抽 取 气 体 进 行 沼 气 成 分 分

18、析 ； 每 次 调 节 后 均 向 发 酵 瓶 中 通 入 以 维 持 发 酵 瓶 内 的 厌 氧 环 境 结 束 时 测 定 体 系 剩 余 、 每 组 实 验 重 复 次 分 析 方 法 采 用 重 量 法 测 定 ； 采 用 马 弗 炉 灼 烧 法 测 定 ； 取 在 高 速 冷 冻 离 心 机 （ ， 科 大 创 新 股 份 有 限 公 司 中 佳 分 公 司 ） 以 的 转 速 离 心 的 餐 厨 垃 圾 的 上 清 液 ， 经 滤 膜 过 滤 后 ， 测 定 和 ， 其 中 ， 采 用 连 华 科 技 公 司 型 快 速 分 析 仪 （ 重 铬 酸 钾 法 ） 测 定 ， 采 用

19、精 密 计 测 定 ； 沼 气 体 积 由 排 水 量 得 出 沼 气 成 分 由 上 海 精 科 气 相 色 谱 仪 测 出 ， 色 谱 柱 为 不 锈 钢 色 谱 柱 甲 烷 检 测 条 件 ： 氮 气 分 压 为 ， 流 速 为 ， 进 样 口 温 度 、 柱 温 及 检 测 器 （ ） 温 度 分 别 为 、 、 ， 进 样 量 为 氢 气 检 测 条 件 ： 以 氮 气 为 载 气 ， 流 速 为 ， 进 样 口 温 度 、 柱 温 及 检 测 器 （ ） 温 度 分 别 为 、 、 ， 进 样 量 结 果 与 讨 论 （ ） 含 油 率 对 餐 厨 垃 圾 中 温 干 式 厌 氧

20、发 酵 的 影 响 不 同 含 油 率 的 餐 厨 垃 圾 中 温 干 式 厌 氧 发 酵 的 日 产 气 情 况 见 图 除 含 油 率 为 的 餐 厨 垃 圾 ， 其 他 各 组 均 有 个 产 气 高 峰 餐 厨 垃 圾 含 油 率 为 时 ， 在 第 达 到 第 一 个 产 气 峰 值 ， 随 后 便 开 始 下 降 ， 在 第 出 现 第 个 产 气 高 峰 餐 厨 垃 圾 含 油 率 为 时 ， 也 在 第 到 达 产 气 高 峰 为 ， 随 后 迅 速 下 降 ， 在 第 出 现 第 个 产 气 高 峰 为 餐 厨 垃 圾 含 油 率 为 时 ， 在 第 出 现 产 气 高 峰

21、为 ， 在 第 出 现 第 个 产 气 高 峰 为 含 油 率 为 时 ， 在 第 达 产 气 高 峰 为 ， 在 第 出 现 第 个 较 高 产 气 量 为 含 油 率 为 时 ， 在 第 和 第 分 别 达 产 气 高 峰 和 ， 产 气 高 峰 值 较 低 且 滞 后 图 含 油 率 对 餐 厨 垃 圾 中 温 干 式 厌 氧 发 酵 日 产 气 量 的 影 响 图 含 油 率 对 餐 厨 垃 圾 中 温 干 式 厌 氧 发 酵 累 计 产 气 量 的 影 响 不 同 含 油 率 的 餐 厨 垃 圾 中 温 干 式 厌 氧 发 酵 的 累 计 产 气 量 情 况 见 图 由 图 可 知

22、， 各 组 产 气 量 都 呈 先 快 速 增 加 后 稳 定 的 趋 势 通 过 对 比 发 现 ， 当 垃 圾 中 含 油 率 为 时 ， 产 气 周 期 最 短 ， 累 计 产 气 量 最 小 ， 为 当 含 油 率 为 时 ， 产 气 量 有 所 增 长 ， 最 终 产 气 量 为 继 续 增 加 含 油 率 ， 当 增 加 到 时 ， 产 气 量 有 明 显 增 长 ， 最 终 产 气 量 为 当 含 油 率 增 加 到 时 ， 虽 然 第 个 产 气 高 峰 比 和 时 低 ， 但 第 个 产 气 高 峰 最 高 ， 且 产 气 总 量 较 高 ， 最 终 产 气 量 为 但 含

23、油 率 继 续 增 加 ， 产 气 总 量 呈 下 降 趋 势 当 含 油 率 为 和 时 ， 累 计 产 气 量 分 别 为 和 王 巧 玲 等 （ ） 研 究 表 明 ， 含 油 率 为 时 ， 含 油 率 越 大 ， 累 计 产 气 量 越 大 ， 但 发 酵 速 率 慢 ， 发 酵 周 期 长 本 研 究 得 到 “ 低 促 高 抑 ” 的 结 果 ， 这 其 中 的 原 因 是 脂 肪 的 水 解 产 期 任 连 海 等 ： 含 油 率 对 餐 厨 垃 圾 干 式 厌 氧 发 酵 的 影 响 物 会 吸 附 在 产 甲 烷 菌 的 细 胞 壁 或 细 胞 膜 上 ， 干 扰 其 运

24、输 或 防 御 功 能 ， 从 而 抑 制 细 胞 对 其 它 物 质 的 吸 引 和 消 化 ， 所 以 含 油 率 高 时 产 气 量 下 降 （ ， ； ， ） 如 图 所 示 ， 含 油 率 为 、 、 、 、 、 时 去 除 率 分 别 为 、 、 、 、 、 ， 相 应 的 去 除 率 分 别 为 、 、 、 、 、 含 油 率 为 时 、 的 去 除 率 最 高 ， 而 此 时 的 累 计 产 气 量 也 最 高 图 餐 厨 垃 圾 中 温 干 式 厌 氧 发 酵 、 的 去 除 率 含 油 率 对 餐 厨 垃 圾 高 温 干 式 厌 氧 发 酵 的 影 响 图 含 油 率 对

25、餐 厨 垃 圾 高 温 干 式 厌 氧 发 酵 日 产 气 量 的 影 响 图 显 示 了 不 同 含 油 率 餐 厨 垃 圾 高 温 干 式 厌 氧 发 酵 过 程 中 日 产 气 量 的 变 化 情 况 由 图 可 知 ， 餐 厨 垃 圾 含 油 率 为 时 ， 在 第 达 到 产 气 高 峰 ， 随 后 便 开 始 迅 速 下 降 ， 第 出 现 第 个 高 峰 为 ， 第 产 气 过 程 基 本 结 束 ， 产 气 周 期 较 短 含 油 率 为 时 在 第 达 到 产 气 高 峰 ， 随 后 开 始 迅 速 下 降 ， 直 至 第 达 第 个 产 气 高 峰 含 油 率 为 和 时 ， 均 在 第 到 达 产 气 高 峰 ， 分 别 为 和 ， 第 达 第 个 产 气 高 峰 和 含 油 率 为 时 在 第 达 产 气 高 峰 值 ， 在 第 达 第 个 产 气 高 峰 含 油 率 为 时 在 第 达 产 气 高 峰 ， 在 第 达 第 产 气 高 峰 不 同 含 油 率 餐 厨 垃 圾 高 温 干 式 厌 氧 发 酵 累 计 产 气 量 情 况 如 图 所 示 当 餐 厨 垃 圾 中 含 油 率 为 时 ， 最 终 产 气 量 为 ； 当 含 油 率 增 加 为