三种预处理方式对餐厨垃圾液相厌氧发酵的影响

２０１７年６月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｒｅｅｎ　Ｓｃ绦色科技　ｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　第１２期　三种预处理方式对餐厨垃圾液相厌氧发酵的影响　曹辉　，浦鹏　，蒋弟勇。，李叶青　，周红军　（１．中国石油大学生物燃气高值利用北京市重点实验室，北京１０２２４９；　２．中海油炼油化工科学研究院有限公司，北京１０２２０９；　３．泸天化集团有限责任公司技术中心，四川泸州６４６０００）　摘要：指出了预处理可以改变餐厨垃圾的性状，提高厌氧发酵性能，采用了３种物理处理方式考察了其对　餐厨垃圾性质变化和厌氧发酵性能的影响。结果表明：经过破碎预处理后的餐厨垃圾液相中的Ｖｓ和　Ｃ０Ｄ都高于经过过滤和挤压的餐厨垃圾液相。餐厨垃圾液相产气潜力从大到小分别为破碎＞挤压＞过　滤，缝过破碎预处理后的样品累计产气分别比过滤和挤压高出了１４５．９　和８２．８３　，产气的甲烷舍量也明　显高于其他两种处理方式。　关键词：餐厨垃圾；预处理；厌氧发酵；产气潜力　中图分类号：ｘ７９９．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—９９４４（２０１７）１２—０００１—０３　２．２实验方法　１　引言　２．２．１　预处理实验　餐厨垃圾被称为“放错地方的资源”，从来源上主要　对目前国内外工艺中采用较为广泛的３种固液分　分为餐饮垃圾和厨余垃圾两大类口］。从目前情况看，在　离的机械预处理方式，过滤，挤压和破碎进行对比。　城市生活垃圾中餐厨垃圾所占比重很大　］。中国每年　（１）过滤预处理。取经过分检后的餐厨垃圾，置入　产生的餐厨垃圾高达６０００万ｔ，个别大城市如北京、重　装有滤网的筛桶中，过滤出餐厨垃圾中的液相部分，收　庆和广州等十分惊人＿３］。因为餐厨垃圾的特点是含水　集至烧杯　为后续的餐厨垃圾批式产气潜力实验做准　率高｝油脂含量高　，ＮａＣ１含量高　；有机物和各种微　备。过滤预处理后检测物料的ｐＨ值、ＴＳ、ＶＳ、ＣＯＤ等　量元素含量高；易腐烂发臭，污染环境　］，而随着餐厨垃　参数。　圾产量的逐年上涨，所带来的卫生安全隐患也在增加，　（２）挤压预处理。取经过分检后的餐厨垃圾，置人　所以处理餐厨垃圾势在必行。　手动挤压机中，经手动挤压后，在挤压机出口收集经过　由于餐厨垃圾的组分复杂，特性也不同于污水等生　挤压分离的餐厨垃圾中的液相部分　为后续的餐厨垃圾　物质废物，所以也导致其厌氧发酵过程十分复杂，而现　批式产气潜力实验做准备。挤压预处理后检测物料的　有的餐厨垃圾庆氧发酵技术存在甲烷转换效率低和发　ｐＨ值、ＴＳ　ＶＳ、Ｃ０Ｄ等参数。　酵周期长等对工业化不利的弊端，所以探索高效的预处　（３）破碎预处理。取经过分检后的餐厨垃圾，置人　理技术是十分必要的。　小型破碎机中，经破碎后，将浆状的餐厨垃圾放人手动　目前餐厨垃圾预处理的主要方式分为物理预处理、　挤压机中挤压，在挤压机出口收集经过挤压分离的餐厨　化学预处理和生化预处理三大类。从工业化的角度来　垃圾中的液相部分，为后续的餐厨垃圾批式产气潜力实　看，物理预处理比其他两种方式更容易操作也更稳定。　验做准备。挤压预处理后检测物料的ｐＨ值、ＴＳ、ＶＳ、　物理预处理的主要方式是减小颗粒物尺寸，增大颗粒物　ＣＯＤ等参数。经过３种预处理后的餐厨垃圾液相部分　比表面积，Ｗｅｅｍａｅｓ＿７］、Ｃｌａｒｋｓｏｎ＿８　等发现经过粉碎后的　性质见表１。　餐厨垃圾可以提高１Ｏ　～２０　的产气量。　表１　预处理后的餐厨垃圾和接种物的基本性质　２材料与方法　２．１　实验材料　实验所用餐厨垃圾取自中国石油大学第一食堂餐　厨垃圾收集桶，经手工分拣出其中的筷子、勺子和瓷片　等杂物，分别经过滤、挤压和破碎预处理，取经过３种预　处理后所得的液相组分作为发酵底物备用，厌氧发酵接　２．２．２　批式产气潜力实验　种物取自实验室稳定运行的ＣＳＴＲ反应器。　取经过３种预处理后的餐厨垃圾液相部分各１６　收稿日期：２０１７－０４—１９　基金项目：北京市科技计划（编号：Ｄ１４１１００００２８１４００１）｝中国石油大学（北京）科研启动基金（编号：２４６２０１４ＹＪＲＣ０３４）　作者简介：曹辉（１９９１一），男，硕士，主要从事能源与环境方面的研究工作。　通讯作者：李叶青（１９８７一），男，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事有机固废资源化利用方面的研究工作。　１　曹　辉，等：三种预处理方式对餐厨垃圾液相厌氧发酵的影响　环境与安全　ｍＬ分别与１８４　ｍＬ接种物混合，置人２５０　ｍＬ发酵瓶，　用氮气排出瓶内空气。每种预处理方式设置两个平行　实验，并加设两个发酵瓶，其中只加入１８４　ｍＬ接种物　作为空白组，共计１１发酵瓶，发酵２１　ｄ。恒温摇床的温　度设定在３７　ｏＣ，１２０　ｒ／ｒａｉｎ。实验过程中的分析项目主　要包括通过ＡＮＫ０Ｍ微生物发酵产气测量系统记录日　产气量和用气相色谱监测沼气成分，待每天产气量低于　累积产气量的１　时，即可停止实验。　３结果与讨论　３．１预处理效果　３．１。１　Ｃ０Ｄ的变化　经过３种不同方式的预处理后餐厨垃圾液相组分　的Ｃ０Ｄ如图１所示。从图１可以看出经过过滤预处理　的餐厨垃圾液相ＣＯＤ与经过挤压预处理差距不大，而　经过破碎预处理的餐厨垃圾液相ＣＯＤ明显更高，说明　餐厨垃圾溶液中有机物质含量更高。　２０　１１是渊　¨　ｍ　：　过滤　挤压　破碎　颈处理方式　图１　餐厨垃圾液相ｃ（）Ｄ　３．１．２　ＶＳ的变化　ｍ　经过３种不同方式的预处理后餐厨垃圾液相组分　的ＶＳ如图２所示。从图２可以看出经过过滤预处理　的餐厨垃圾液相ＶＳ最低，经过破碎预处理的餐厨垃圾　液相ＶＳ最高，匿　经过挤压预处理的餐厨垃圾液相ＶＳ介　于两者之间。　２　Ｊ　答１　＿　＿　过滤　按压　破碎　预处　疗式　图２餐厨垃圾液相ＶＳ　３．２批式产气潜力　３．２．１　产气潜力　图３显示了批式发酵日产气实验结果。图３说明，　经过２１　ｄ的发酵，经过破碎预处理的餐厨垃圾液相的　产气量普遍高于另外两种预处理方式，从结果可知，产　气速率在发酵初始５　ｄ内迅速上升，从第１０　ｄ开始迅速　下降，在最开始的３　ｄ，经过破碎预处理的餐厨垃圾液相　２　的产气量并不是最高，这是因为其负荷最高，导致其启　动偏慢，而另外两种预处理方式的负荷较低，经过过滤　和挤压预处理的样品分别在第９　ｄ和第１３　ｄ停止产气。　发酵天数　图３　日产气量　图４显示了批式发酵累计产气实验结果，图４说　明，经过２１　ｄ的发酵，餐厨垃圾液相累计产气量从多到　少预处理方式分别为破碎、挤压和过滤，从结果可以看　出，经过过滤预处理的样品的最终累计产气为１０７８　ｍＬ，经过挤压预处理的样品的最终累计产气为１４５０　ｍＬ，经过破碎预处理的样品的最终累计产气为２６５ｌ　ｍＬ，经过破碎预处理的样品的累计产气分别比过滤和　挤压高出了１４５．９　和８２．８３　。　３　０。。　２　５（１【）　２（）ｆ】（）　Ｊ　鑫ｔ　５００　￡㈤ｏｏ　５００　０　５　１０　ｌ５　２（１　发酵天数　图４累计产气量　３．２．２　产气组成　在发酵的前３　ｄ，经过破碎预处理的样品的沼气中　甲烷含量很低，在这之后的日产沼气的甲烷含量均保持　较高水平，这是因为经过破碎预处理的样品负荷最高，　导致其启动偏慢，但因为其有机质含量高，所以产气甲　烷含量也高。　４结论　对餐厨垃圾进行过滤、挤压和破碎３种物理预处理　研究，以ｐＨ值、ＶＳ和ＣＯＤ三项指标做对比确定最好　的物理预处理是破碎，经过破碎预处理的餐厨垃圾的　ＶＳ相较于前两种方式分别提高了１２５．０　和７３．１５　，　Ｃ０Ｄ相较于前两种方式分别提高了２２．１４　和　１９．２４　。经过过滤、挤压和破碎三种物理预处理后的　餐厨垃圾液相发酵的产气潜力是破碎＞挤压＞过滤。　经过破碎预处理的样品产气启动较慢，但累计产气分别　比过滤和挤压高出了１４５．９　和８２．８３　，产气的甲烷　含量也明显高于其他两种处理方式。　２０１７年６月　绦色科技　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｒｅｅｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　第１２期　调理剂对污泥堆肥中微生物影响的研究进展　曹文胜，万东锦，刘永德　（河南工业大学化学化工与环境学院，河南郑州４５０００１）　摘要：指出了随着污泥堆肥技术的发展，越来越多的调理剂应用于污泥堆肥中，通过添加调理剂可以调节　堆肥过程中各种参数变化，进而影响堆肥中微生物群落结构和数量的变化。探讨了调理剂对污泥堆肥中　微生物的影响，并对调理剂的发展趋势作了展望。　关键词：污泥堆肥；调理剂；微生物；展望　中图分类号：Ｘ７Ｏ３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—９９４４（２０１７）１２—０００３—０２　多数研究主要集中于调理剂对堆肥各种参数的影响，对　１　引言　随着社会经济的发展和城市人口的增加，工业废水　和城市生活污水的排放量日益增加，城市污水处理率逐　年升高。同时，污泥的排放量也随之增多，城市污泥的　微生物内在作用机制却鲜有报道。　２调理剂通过调节含水率和自由空域影　响堆体微生物　堆肥中的含水率和自由空域直接影响着微生物的　繁殖，是堆肥能否成功的关键因素。调理剂能够有效地　无害化处理迫在眉睫口］。污泥堆肥法处理成本低廉，能　够除臭和有效地杀灭病原菌，且腐熟的堆肥产品可以提　高作物的产量，改善农产品的品质。因此污泥堆肥已成　当前污泥无害化和资源化的重要途径之一　。而在堆　调节堆体的含水率和孔隙度，影响微生物的生长繁殖和　群落结构。微生物从胞外摄取营养物质和分泌代谢产　物都必须以液相水为介质　］。含水率越高和自由空域　越大，有机质的溶解和扩散越快，越有利于微生物的生　长繁殖。在污泥堆肥过程中，微生物新陈代谢和自身繁　肥过程中，调理剂作为加入堆肥物料中的有机物，因其　能增加物料中可降解的有机物数量，改善堆肥物料结　构，增加堆体自由空域，调节整个堆肥过程中碳氮比和　含水率，进而影响堆体ｐＨ值变化，增加微生物种类和　数量，促进微生物的新陈代谢和有机质的降解，加快堆　肥过程，提高堆肥效率，成为调节及影响污泥堆肥微生　物的主要因素之一Ｌ３“Ｊ。　殖的必要条件就是水分充足和适宜的自由空域　］。但　是，堆料含水率过高会造成孔隙率降低，堆体中Ｏ　难　以完全扩散至物料内部，使得部分区域的微生物处于缺　氧或厌氧环境，产生厌氧反应，造成有害物质的积累和　臭气的发生　］。同样自由空域过大，也不利于堆体保持　必需温度以及微生物与物料充分接触，从而影响堆肥的　顺利进行。经研究发现，污泥堆肥最佳初始含水率为　５Ｏ　～６Ｏ　＿９］。整个污泥堆肥产生的过程主要由微生物的参与来　完成。而微生物的生长繁殖和新陈代谢受到多种因素　的制约。制约因素主要包括堆肥物料的含水率；堆体自　由空域；碳氮比；通风量；ｐＨ值；堆肥过程中产生的微　量元素和外来菌种。而添加调理剂能够改善堆料的理　化性质，调节微生物生长环境。有的可生化调理剂可以　李承强等口。。将木片、麦壳、玉米芯和回　流堆肥加入污泥中，调节物料含水率至５４　～７６　，大　直接增加堆体中微生物的数量和种类，使微生物的群落　结构更加稳定，微生物种类之间作用更加协调，从而缩　短升温阶段，快速进入高温期，提高堆肥效率。现在大　收稿日期：２０１７－０４－２１　基金项目：河南省科技攻关项目（编号：１５２１０２３１００８４）　大降低了污泥自身的高含水率，使得物料既能保证微生　物生长繁殖所需的水分条件，又调节物料的孔隙率，使　氧气在堆体中自由的运输，保证堆肥过程顺利进行，大　大提高了堆肥效率和堆肥质量。这类通过调节堆料含　作者简介：曹文胜（１９９０一），男，河南工业大学化学化工与环境学院硕士研究生。　参考文献：　［１］汪群慧，马鸿志，王旭明，等．厨余垃圾的资源化技术［Ｊ］．现代化　工，２００４，２４（７）：５６～５９．　［５］潘丽爱，张贵林，石１－６］曾彩明，李晶，等．餐厨垃圾特性的试验研究［Ｊ］．粮油　加工，２００９（９）：１５４～１５６．　娴，陈沛全，等．餐厨垃圾管理和处理方法探析［Ｊ］．　ｒ２］Ｚｈａｎｇ　Ｂ，Ｚｈａｎｇ　Ｌ　Ｌ，Ｚｈａｎｇ　Ｓ　Ｃ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｐＨ　ｏｎ　ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ａｃｉｄｏｇｅｎｅｓｉｓ　ｏｆ　ｋｉｔｃｈｅｎ　ｗａｓｔｅｓ　ｉｎ　ｔｗ０一ｐｈａｓｅ　ａｎａｅ—　环境科学与管理，２０１０，３５（ｎ）：３１～３５．　ＥＴ］Ｍ　Ｗｅｅｍａｅｓ，Ｈ　Ｇｒｏｏｔａｅｒｄ，Ｆ　Ｓｉｍｏｅｎｓ．Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏ—　ｚｏｎｉｚｅｄ　ｂｉｏｓｏｌｉｄｓ　ｌ－Ｊ］．Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０００，３４（８）：２３３０　～ｒｏｂｉｃ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，２６（３）：３２９　～３４０．　２３３６．　［３］曾彩明，李［４］梁娴，陈沛全，等．餐厨垃圾管理和处理方法探析［Ｊ］．　洪，等．餐厨垃圾处理技术及综合利用研究　ｒ８］Ｗ　Ｗ　Ｃｌａｒｋｓｏｎ，Ｗ　Ｘｉａｏ．Ｂｅｎｃｈ　ｓｃａｌｅ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｂｉｏｅｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｏｆ　环境科学与管理，２０１０，３５（１１）：３１～３５．　ｎｅｗｓ　ｐｒｉｎｔ　ａｎｄ　ｏｆｆｉｃｅ　ｐａｐｅｒ［Ｊ］．Ｗａｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　２０００。４３（３）：９３～１０Ｏ．　政，杨勇华，樊［Ｊ］．中国资源综合利用，２００４（８）：３６～３８．　３