餐厨垃圾厌氧发酵制氢残留物连续沼气发酵研究

张国华;张志红;黄江丽;王东升;丁建南

【摘 要】餐厨垃圾中有机物含量高,利用餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后残留物中含有丰富的低级脂肪酸、醇类等. 从接种产甲烷菌和pH调节角度,利用餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后的残留物研究连续沼气发酵,提高餐厨垃圾资源利用率. 结果表明,在接种产甲烷菌和调节发酵体系pH>7的条件下,餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后的残留物能够连续沼气发酵. 接种以新鲜沼渣为产甲烷菌来源的沼气发酵比以厌氧活性污泥为产甲烷菌种来源的沼气发酵产气效果好.%Kitchen waste contents high organic matter, and abundant of low-level fatty acids, alco-hols,etc. exist in the residues after using kitchen waste preparation for hydrogen by anaerobic fer-mentation. This paper studied the feasibility of continue to produce methane by anaerobic fermenta-tion of hydrogen production residues from inoculate methane bacteria and pH,which hope to improve the utilization of kitchen waste resources. The results show that, under the conditions of pH>7 and inoculated methane bacteria in the anaerobic fermentation system,it can continue to produce methane use the

hydrogen production residues by anaerobic fermentation,and it is better of produce biogas by inoculated with fresh biogas residues as methane bacteria in anaerobic fermentation than inoculated with anaerobic activated sludge as methane bacteria. 【期刊名称】《江西科学》 【年(卷),期】2015(033)005

【总页数】4页(P721-724)

【关键词】餐厨垃圾;厌氧发酵;制氢残留物;沼气 【作 者】张国华;张志红;黄江丽;王东升;丁建南

【作者单位】江西省科学院生物资源研究所,330029,南昌;江西省科学院生物资源研究所,330029,南昌;江西省科学院生物资源研究所,330029,南昌;江西省科学院生物资源研究所,330029,南昌;江西省科学院生物资源研究所,330029,南昌 【正文语种】中 文 【中图分类】X705

当前，能源问题已成为世界性的难题。废弃物生物质能开发及利用是再生能源的重要组成部分，成为我国能源安全保障的有益补充[1-2]。厌氧生物技术是有机物能源的转化的主要技术之一。氢气与沼气作为能源与环保优势，使其成为未来极具潜力的替代能源，有机废弃物厌氧生物制备氢气与沼气研究成为世界各国普遍重视的研究领域[3-5]。国内对厌氧发酵制氢的研究起步较晚，还处在初级阶段，目前主要集中在单一组分的基质产氢研究，而厌氧发酵制沼气技术已日趋广泛成熟。餐厨垃圾因其富含有机质和水分，是厌氧发酵能源转化的理想底物[6-7]。目前，国内外已有利用餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气、沼气的相关研究。沼气发酵后的残留物综合利用较为成熟，但是对于餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后的残留物综合利用的技术鲜有报道。餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后的残留物pH较低、高水分、易、成分复杂，如果处理不当会对环境造成二次污染。报道的厌氧发酵制备氢气后的残留物处理方式有卫生填埋、热解、焚烧和堆肥处理等方法，但都存在着一定的弊端。由于餐厨垃圾厌氧发酵制氢后发酵残留物中残存着大量的脂肪酸，是沼气发酵的有利底物，但厌氧发酵制氢过程累计了大量的氢离子，发酵残留物pH较低，不利于

底物厌氧生物甲烷化[8-9]。因此，本文从pH和接种产甲烷菌种角度，研究了餐厨垃圾厌氧发酵制氢残留物厌氧发酵制备沼气的可行性，为餐厨垃圾厌氧发酵制氢产甲烷一体化研究，提高餐厨垃圾资源化利用率提供参考。 1.1 试验材料

餐厨垃圾：收集于本院职工食堂。

产甲烷菌种来源：分别取自于农户老沼气池中的新鲜沼渣和污水处理厂厌氧消化污泥。

沼气发酵底物：餐厨垃圾厌氧发酵制氢结束后的残留物。

经分拣粉碎后餐厨垃圾与沼渣、厌氧消化活性污泥，测得含水率、总固体物质含量(TS)、总挥发性物质(VS)、灰分，pH等参数见表1。 1.2 试验装置

试验装置由1 000 mL广口消化瓶、1 000 mL集气瓶和1 000 mL集水瓶组成，并由硅胶管进行密封连接。试验装置置于(35±1)℃恒温培养箱中，每天定时量取集水瓶中排水体积[10]。 1.3 试验操作

取5组1 000 mL广口消化瓶，分别编号为①、②、③、④、⑤，分别在①、②号消化瓶中加入600 g新鲜餐厨垃圾厌氧发酵制氢结束后的残留物，并在①号消化瓶中接种300 g新鲜沼渣，混匀后调节体系初始pH值为7.5左右；在②号消化瓶中接种300 g新鲜厌氧消化污泥，混匀后调节体系初始pH值为7.5左右；在③号消化瓶中加入900 g新鲜餐厨垃圾厌氧发酵制氢结束后的残留物，调节体系初始pH值为7.5左右；在④号消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐厨垃圾，加入300 g新鲜沼渣，加入300 g蒸馏水调节体系含水率为90%左右，混匀后调节体系初始pH值为7.5左右；在⑤号消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐厨垃圾，加入300 g新鲜的厌氧消化污泥，加入300 g蒸馏水调节体系含水率为90%左右，

混匀后调节体系初始pH值为7.5左右。将5个消化瓶按照1.2中所述分别组装好厌氧发酵装置，并检查装置的气密性。将发酵装置置于(35±1)℃恒温培养箱中进行厌氧发酵培养，每间隔12 h检测发酵体系pH，测量集水瓶中排水体积，及测定集气瓶中气体甲烷浓度，并用氢氧化钠溶液调节发酵体系pH于7.0～7.5之间，后继续放置于(35±1)℃恒温培养箱培养。 1.4 分析方法

餐厨垃圾、沼渣及厌氧消化活性污泥中的含水率、总固体物质含量(TS)采用烘干法测定，总挥发性物质(VS)、灰分含量采用马弗炉灼烧法测定，pH值采用pHS-3C型精密pH计测定。

气体成分采用美捷司Micro-GC 3000A

便携式气相色谱仪测定。色谱条件：plot分子筛柱；柱温、气化室以及检测器(TCD)温度分别为110 ℃、100 ℃、110 ℃；氩气为载气[11-12]。 2.1 厌氧发酵体系pH值变化

厌氧发酵装置放置(35±1)℃恒温培养箱培养后，每间隔12 h检测发酵体系pH，试验结果显示④和⑤号消化瓶中发酵体系pH比较稳定，维持在7.0左右，波动变化不大，产气迅速。①、②、③号消化瓶中发酵体系pH在12 h内下降剧烈，体系pH值由7.5下降至6.5左右，产气较少，甲烷浓度较低。每次测量排水后，调节①、②、③号试验组pH值于7.0～7.5左右，后继续放置于(35±1)℃恒温培养箱培养，此后每间隔12 h检测发酵体系pH发现，③号试验组pH均低于7.0，不利于沼气发酵。①和②号试验组经过pH调节后，发酵体系的pH值逐渐上升，趋于7.0左右。

2.2 餐厨垃圾厌氧发酵制氢残留物沼气发酵产气情况

日产气量和产气速率方面，④和⑤号试验组产气较快，在50 h内达到产气高峰，而后日产气量逐渐下降。①、②、③号试验组产气较慢，①、②、③号试验组在

100 h左右达到产气最高峰。相对④和⑤号试验组①、②、③号试验组日产气量较少，如图2所示。

产气最高峰时气体中甲烷含量也到达最高值，测得④号试验组甲烷浓度最高值为45.3%，⑤号试验组甲烷浓度最高值为41.3%，①号试验组甲烷浓度最高值为40%，②号试验组甲烷浓度最高值为34.8%，③号试验组甲烷浓度最高值为28.1%，如表2所示。

累计产气量方面，如图3所示，④>⑤>①>②>③。④、⑤号试验组以餐厨垃圾直接为底物沼气发酵产气体量比①、②、③号试验组以餐厨垃圾厌氧发酵制氢后的残留物为底物沼气发酵产气体量较大。①、②、③、④号试验组接种产甲烷菌沼气发酵产气体量比⑤号试验组未接种产甲烷菌沼气发酵产气体量大。①、③号试验组接种以沼渣为产甲烷菌菌种来源的沼气发酵产气体量比②、④号试验组接种以脱水厌氧活性污泥为产甲烷菌菌种来源的沼气发酵产气体量大。

试验组①/②、④/⑤的实验结果说明接种以新鲜沼渣为产甲烷菌来源的沼气发酵比以厌氧活性污泥为产甲烷菌种来源的沼气发酵产气效果好。试验组①、②、③实验结果说明以餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后的残留物连续沼气发酵接种产甲烷菌比不接种产甲烷菌厌氧发酵产气效果好。试验组①、②、③实验结果说明调节发酵体系pH>7.0有利于沼气发酵，提高产气中甲烷含量。

沼气发酵经过水解、酸化、产酸和甲烷化4个阶段，利用餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后的残留物中富含低级脂肪酸、醇类、中性化合物等[13-14]。试验组①、②与试验组④、⑤的实验结果对比说明餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后的残留物可以作为沼气发酵的底物，连续厌氧发酵制备沼气，提高餐厨垃圾的资源化利用率。 试验结果表明甲烷菌种及pH是影响沼气发酵的2个重要因素[15-18]。餐厨垃圾厌氧发酵过程中，存在餐厨垃圾水解酸化过程，造成厌氧发酵体系pH值下降影响产气。通过调节pH营造厌氧发酵产沼气最佳pH环境，有利于提高沼气产气率和

浓度。餐厨垃圾厌氧发酵产氢残留物连续厌氧沼气发酵阶段，接种沼渣为菌种来源的厌氧发酵产沼气量及产生气体中甲烷浓度比接种厌氧硝化活性污泥为菌种来源的厌氧发酵产甲烷效果好。

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