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摘自《中國沼氣》第6期 魏芳 馬歡 劉偉偉 楊智良 王強

超市是城鄉發展及居民生活不可或缺的組成部分,據國家統計局數據,至2015年底中國超市門店數超過3萬家,其中大型超市門店總數8584家。在為居民提供生活便利的同時,超市也會因保存不當、銷售不佳、自然腐敗等原因產生大量生物質廢棄物。主要包括:腐爛、變質或過期的瓜果、蔬菜、乳制品、水產品及肉類產品等。此類生物質廢棄物常含有大量致病化學組分或微生物,如不無害化妥善處理,可能影響消費者健康、污染環境,造成資源浪費、甚至不良的社會影響。超市生物質廢棄物屬于城市生活垃圾的一種,通常的處置方法是與城市生活垃圾混合,進而采取衛生填埋、焚燒或堆肥處理-3。

沼氣工程厭氧消化技術是通過各類沼氣工程厭氧微生物的分解代謝,實現各類有機廢棄物無害化、資源化處理的有效

途徑,在獲得清潔可再生能源的同時,通過發酵殘留  物的綜合利用,更是發展農業循環經濟的重要組帶43。超市生物質廢棄物可生化降解性良好,可作為沼氣工程厭氧消化的良好原料。目前已有研究報道以非商品水果、蔬菜垃圾、餐廚廢棄物以及超市混合廢棄物”等為原料進行沼氣工程厭氧消化產沼氣。本文根據國內某大型超市生物質廢棄物組成特點,研究其不同有機負荷的條件下沼氣工程厭氧消化產氣及原料降解的基本規律,為工程實踐提供參考。

1材料與方法

1.1實驗材料

實驗選用的超市生物質廢棄物混合原料取自永輝超市合肥市史河路店,其種類和配比是在前期對

合肥市多家超市廢棄物產生情況調研的基礎上獲得。其組成為:部分腐爛的娜魚100g,過期酸奶200mlL,出芽土豆100g和部分腐爛的香蕉100g混合原料用多功能破壁料理機粉碎勻漿后,置于-16℃冰箱中保存、備用。經測定,混合發酵原料總固體(T5)含量為17.90%,揮發性固體(VS)含量為94.04%。實驗選用的接種物為安徽農業大學農村能源工程實驗室以餐廚廢棄物、豬糞、腐爛水果等為原料,中溫(35℃-37℃)條件下自行培養的活性污泥,其pH值為75,T含量691%,VS含量60.48%。

1.2實驗裝置及沼氣成分分析

實驗采用如圖1所示的2.5L批次式沼氣工程厭氧消化裝置0,排水法收集并記錄沼氣產量,采用紅外沼氣成分分析儀( Gaspard-3200,武漢四方光電)測量其中甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、硫化氫(H2S)等氣體體積分數。并通過在線pH計(PC3110臺灣上泰)連續監測發酵液的pH變化狀況。

1.3實驗設計

容設3個實驗組(A,B和C)和1個對照組

(CK),每組3個平行,實驗結果取平行實驗的平均值,中溫35℃~37℃條件下進行沼氣工程厭氧消化。各實驗組原料及接種物配比參見表1。實驗過程中根據發酵產氣量,每天定時記錄1~2次產氣數據。

1.4實驗過程及數據記錄

根據沼氣工程厭氧消化原料降解規律及實際產氣效果,本實驗共進行了34d,定期進行產氣成份分析及料液pH值檢測。CK組因只添加了沼氣工程厭氧活性污泥接種物及清水,無營養物質,發酵過程中幾乎無產氣,因此不納入統計范圍。另外,各組日產量小于100mL時即認為沼氣工程厭氧消化過程基本結束,相應數據也不納入統計范圍。

2結果與分析

2.1實驗各組日產氣及累積產氣變化

圖2的結果顯示,在實驗設計的不同有機負荷條件下,實驗各組日產氣量的變化均呈現先上升、再穩定產氣,最后產氣衰竭的基本規律,說明其中的有  機質原料在沼氣工程厭氧條件下被微生物逐步降解直至消耗

殆盡。實驗各組均在第5天出現第1個產氣峰值,A組與B組相當,分別為1570mL和1600mL,C組為695mL。至發酵第7天,A組和C組出現第2個產氣峰值,分別為1480mL和1680mL,B組的第2個產氣峰值出現在第9天,為1500mL。之后實驗各組日產氣量均呈現持續下降趨勢。產氣峰值的變化說明相同的發酵原料在不同的有機負荷率條件下,會導致沼氣工程厭氧消化的水解、產酸和產CH4階段持續時間的差異,其內在的原因可能是產CH4菌種群數量的相對不同,從而造成對水解和產酸階段揮發性有機酸(VFAs)代謝速度的差異-12),后續的各實驗組發酵過程pH值變化也間接說明此現象。另外,從日產氣量100mL的有效發酵周期分析,實驗組A由于發酵原料量最少,僅為25d;實驗組B有機負荷和活性污泥接種量處于最佳的配比,因此有

效發酵周期達到34d;而實驗組C由于有機負荷略高,接種量相對較少,因此發酵過程可能存在一定的酸化或氨氮抑制),盡管發酵原料量最高,但其有效發酵周期只有27d。

圖3的分析結果表明,在沼氣工程厭氧發酵的前8d,實驗組A和B累計產氣量基本一致,均達到9600mL以上水平,而實驗組C達到該水平的時間略滯后,為第10天。之后由于發酵原料量的差異,實驗組B累計產氣量始終高于實驗組A。至發酵結束,實驗組A和B的累積產氣量分別達到14140mL和19295mL。綜合有效發酵時間,獲得A組和B組日均產氣量,分別為565.6mL·d-和567.0mLd水平相當。實驗組B原料量較實驗組A多33.3%,而累計產氣量較實驗組A多36.5%,說明在實驗組B的發酵條件下,原料的降解效率略高。實驗組C的累積產氣量為17750mL,而由于發酵原料較多,因此日均產氣量達到657.4mL·d。但實驗組C的原料量較實驗組B多33.3%,而其總產量反而比實驗組B少8.0%,說明其沼氣工程厭氧消化過程原料的利用率較低。

2.2實驗各組產氣CH4含量的變化與分析

通過定期的產氣成分分析,獲得實驗各組產氣

CH4含量變化,見圖4。

從圖4的統計結果可以看出,實驗各組在設定條件下,沼氣工程厭氧發酵初期,由于反應器內殘存空氣,隨著好氧及兼性微生物的生長代謝,體系由好氧環境逐漸轉換為沼氣工程厭氧環境,各實驗組產CH4量由A組,B組,C組的8.4%,7.6%,10.3%(第1天)分別快速上升至63.1%,62.6%,60.0%(第5天);之后各組產氣CH4含量均維持在較高水平(>60%);利用Excel軟件中單因素方差分析命令對3組實驗產氣CH4體積分數變化數據進行方差分析,結果表明:3組數據離差平方和(SS)為1.45,F統計量值為0.05,小于臨界值Fcn=3.32。說明各實驗組的產CH4量無顯著差異

2.3實驗各組發酵過程pH值變化與分析

對實驗各組沼氣工程厭氧消化過程pH值進行連續檢測,結果見圖5。

從圖5的實驗結果可以看出,實驗各組發酵起始的pH值均較高,隨著原料水解及沼氣工程厭氧發酵體系的緩沖調節作用,各處理pH值均呈現先略有降低,繼而上升并趨于平穩的趨勢。實驗組A和B發酵過程pH值變化不大,維持在6.8-7.7,處于沼氣工程厭氧消

化的正常pH值范圍。而實驗組C因發酵啟動時有機負荷較高,原料水解后有機酸積累,存在酸化現象,至發酵第6天系統pH值降至6.49,之后隨著產甲烷菌對有機酸的分解轉化,系統pH值逐步恢復至沼氣工程厭氧發酵正常水平。對照實驗各組日產氣結果,也可以看出各組pH值變化與日產氣量具有對應關系,pH值下降時各處理基本處于發酵初期,由于好氧及兼性微生物的生長代謝,產氣量與產氣中CO2含量均較高,CH4含量較低。而當pH值大于7并趨于平穩時,各處理均進入正常沼氣工程厭氧發酵產氣階段,產氣量穩

定,當可沼氣工程厭氧降解組分被利用完全時,產氣量下降。以上結果均符合沼氣工程厭氧消化的基本規律-5。

2.4實驗各組的綜合比較

通過對實驗各組日產氣量及產氣過程CH4體積分數等數據的綜合分析,獲得實驗各組發酵產氣的總產氣量及產氣的平均CH4含量;通過實驗各組產氣總量及產CH4總量數據,結合發酵原料TS和VS數據,計算各組T和VS產氣率;通過比較實驗各組沼氣工程厭氧消化啟動和結束時發酵液TS和VS含量,獲得各組TS和VS降解率。

從表2的統計分析可以看出,實驗組B的總產  氣量,TS產氣率,VS產氣率,TS降解率和VS降解  率均為各組最高水平。其中,總產氣量比實驗組A  高36.5%,盡管實驗組C原料量較實驗組B多  33%,但由于原料Ts和ⅤS降解率的差異,實驗  組B仍較實驗組C高8.7%;實驗組B略高于實驗  組A,均僅高出2.3%。而與實驗組C相比,均高出  359%,進一步的方差分析結果表明,其Ts產氣率  數據離差平方和(Ss)為101380.5,F統計量值為  62512.23,遠大于臨界值Fo=7.71。Vs產氣率數  據利差平方和(SS)為65571.4,F統計量值為  32430.32,遠大于臨界值FC=7.71。說明實驗組B  原料TS、VS產氣率與實驗組C相比存在極顯著差  異。另外,原料TS和Vs降解率數據也說明,實驗組B在設定條件下具有最高的原料消化分解效果,其Ts降解率與實驗組A和C相比,分別高出19.3%和13.6%,VS降解率與實驗組A和C相比,分別高出16.3%和6.2%。而從產氣平均CH4含量來看,實驗組B僅達到557%,為3組實驗的最  低水平,其原因可能與設定條件下沼氣工程厭氧反應器內產  甲烷菌的活性和類型有關,仍有待進一步研究  另據趙明星(m、付云霞李東等研究報道,瘦  肉蛋白質和肥肉等脂肪類原料在沼氣工程厭氧消化過程中具  有較高的產氣量及產甲烷性能。而本研究采用超市  混合生物質廢棄物為原料,其中含有魚肉、香蕉、土  豆、香蕉等豐富的蛋白質、淀粉類高營養物質,因此

其沼氣工程厭氧消化TS和VS產氣率明顯高于傳統糞污、秸稈類原料。

3結論

(1)超市生物質廢棄物具有極佳的沼氣工程厭氧發酵產氣能力。在發酵原料:接種物TS比例約1:3或VS比例約1:2,中溫(35℃~37℃)的最優條件下,實驗組累積產氣可達19295mL,平均日產氣量567.0mLd-,產氣平均CH4體積分數557%,Ts和vs產氣率分別可達1077.9mL·8-1和1147.1mLg-1。

(2)在以上最佳發酵條件下,實驗組原料TS和VS降解率分別為57.5%和67.7%。