石宪奎，王 磊，，胡 超，刘 伟，康兆雨，高 乐

( 1．黑龙江科技大学环境与化工学院，哈尔滨150022; 2．北京市环境保护科学研究院，北京100037; 3．广州中科建禹环保有限公司，广州510670; 4．中山乐德环保工程有限公司，广东中山528451)

不同有机负荷下餐厨垃圾厌氧消化的甲烷产率

石宪奎1，王 磊1，3，胡 超2，刘 伟3，康兆雨3，高 乐4

( 1．黑龙江科技大学环境与化工学院，哈尔滨150022; 2．北京市环境保护科学研究院，北京100037; 3．广州中科建禹环保有限公司，广州510670; 4．中山乐德环保工程有限公司，广东中山528451)

为了实现餐厨垃圾的资源化利用，在中温35℃的条件下，采用半连续进料方式，在改变有机负荷的情况下，探讨餐厨垃圾厌氧消化过程中的产甲烷规律。结果表明:有机负荷在5、6和7 g/( L·d)的条件下，CSTR反应器可以正常运行，甲烷产率分别为0. 416、0. 414和0. 384 L/( g· d)，甲烷平均质量分数分别为57. 6%、56%和52. 9%。该研究说明餐厨垃圾厌氧消化产生甲烷的潜力巨大，能够实现餐厨垃圾资源化利用。

餐厨垃圾;有机负荷;甲烷

收稿日期: 2013－12－16
基金项目:广东省产学研项目( 2011A090200110)
第一作者简介:石宪奎( 1967－)，男，黑龙江省哈尔滨人，教授，博士，研究方向:水和固体废物处理技术及设备，E-mail: shxk2002@ 126．com。

0引言

餐厨垃圾是城镇生活垃圾的重要组成部分。它泛指食堂、饭店等餐饮业及居民生活中食品烹饪过程中产生的废料和食物残余。随着经济的发展，人民生活水平的提高，餐厨垃圾的总产量逐年提高。2012年仅青岛市的餐厨垃圾日产量就达到了265 t［1］。由于餐厨垃圾具有高含水率、高油脂、高盐分以及易腐发臭、易生物降解等特点［2］，直接填埋会导致产生渗滤液和臭气，造成二次污染。含水率高导致不宜焚烧，需经过脱水处理，不仅消耗大量能源，而且餐厨垃圾焚烧时产生二恶英等有毒气体，严重污染环境。厌氧消化技术可以有效避免焚烧和填埋带来的污染，实现餐厨垃圾处理的无害化、减量化和资源化。

有机负荷作为餐厨垃圾厌氧消化过程中重要的影响参数，一般来讲，相对较高的有机负荷可以产生较多的沼气。但是，有机负荷过高会使得产酸速率大于产甲烷速率，导致反应器内VFA积累，进而pH下降，产甲烷菌受到抑制，严重时反应器崩溃。韦成健等［3］认为，餐厨垃圾与猪粪混合厌氧消化研究过程中当餐厨垃圾有机负荷为1. 5 g/( L·d)时，每克VS的甲烷产率和甲烷百分数分别为1. 40 L/g和71. 37%，达到了最佳状态。杨久满［4］以猪粪为接种物的餐厨垃圾中温厌氧实验研究中，进料有机负荷为2. 50 g/( L·d)时，日平均产甲烷量最高为8 226 mL。王巧玲［5］以猪粪为接种物的餐厨垃圾厌氧消化研究中，得到了餐厨垃圾的最大有机负荷4. 28 g/( L·d)，系统产气率0. 66 L/g，甲烷平均质量分数为63%。

笔者以半连续的进料方式，在35℃条件下，通过逐步提高有机负荷的方式，探寻提高厌氧消化产沼气的方法，以期得出最佳的进料有机负荷，为今后餐厨垃圾厌氧消化处理的产业化提供理论基础。

1实验

1．1实验材料

餐厨垃圾来自某职工食堂，经过人工分拣后通过食物破碎机破碎，在4℃的冰箱中保存备用。接种污泥来自某造纸废水处理厂。实验材料参数见表1和表2。

表1餐厨垃圾和接种污泥的基本性质Table 1 Basic properties of kitchen waste and sludge

表2餐厨垃圾的主要成分(湿重)Table 2 Constitutes of kitchen waste ( wet weight) %

1. 2 实验装置

实验装置如图1所示。CSTR ( Continuous Stirred Tank Reactor)连续搅拌反应器为圆柱体，有效体积为5 L，温度控制在( 35±1)℃，搅拌器转速为5 r/min。

图1实验装置Fig．1 Experimental structure

1. 3 实验方法

向CSTR反应器加入2. 5 L颗粒污泥作为接种物，加水稀释至5 L，驯化20 d。餐厨垃圾进料方式采用半连续进料，每隔24 h从反应器顶部加入餐厨垃圾，分别以5、6、7、8 g/( L·d)共四组有机负荷进行实验，每组实验同时排出相同体积沼液(先排后加)。每日测定出料的pH、碱度、SCOD、VFA、氨氮、沼气体积、甲烷质量浓度。

1. 4 分析方法

TS、VS采用重量法测定［6］; pH采用雷磁( PHS－25) pH计测定; SCOD执行GB 11914－89重铬酸钾法测定; VFA采用蒸馏法测定［6］;氨氮执行HJ 537－2009蒸馏－中和滴定法;产气量采用排水法收集(饱和碳酸氢钠溶液) ;气体成分使用GASBOARD－3200L红外沼气分析仪测定。

2结果与分析

2．1 pH变化趋势

不同有机负荷下pH变化趋势见图2。pH在厌氧消化过程中是主要的影响因素，由图2可见，在5、6、7 g/( L·d)的有机负荷下，pH值分别保持在7. 1～7. 2、7. 1～7. 2、7. 0～7. 1之间。均符合系统最佳的pH值范围［7］。在这个过程中产酸菌产生的挥发性脂肪酸( VFA)完全被产甲烷菌充分利用，没有造成VFA的积累，保证了系统的稳定运行。在8 g/( L·d)的进料有机负荷下，pH突然下降，由第一天的6. 7降至第四天的5. 5，反应器崩溃，停止运行。在该过程中，产酸菌所产生的VFA没有被产甲烷菌充分利用，导致VFA大量积累，造成反应器中的pH急剧下降，产甲烷菌受到严重的抑制，最终反应器停止运行。

图2不同有机负荷下pH变化趋势Fig．2 Trend of pH on different OLR

2. 2 VFA变化趋势

不同有机负荷下VFA变化趋势如图3所示。VFA作为厌氧消化反应酸化过程中的主要产物，是反映系统稳定的重要指标。VFA的大量积累会导致产甲烷菌受到抑制，产气量下降，影响厌氧反应进程。由图3可知，在5、6、7 g/( L·d)的有机负荷下，VFA随着有机负荷的升高而变大，VFA分别维持在144～240、156～480、601～1 202 mg/L之间，是甲烷菌的适宜范围［8］。在此过程中，VFA大部分被产甲烷菌利用，没有造成大量积累，保证了产沼气的稳定进行。在8 g/( L·d)的进料有机负荷下，第一天的VFA为2 284 mg/L，一直升高，到第四天达到了4 689 mg/L，反应器停止运行。在该过程中，VFA大量积累，产甲烷菌受到严重抑制，产气过程停止。

图3不同有机负荷下VFA变化趋势Fig．3 Trend of VFA on different OLR

2. 3 SCOD变化趋势

不同有机负荷下SCOD变化趋势见图4。SCOD是反应餐厨垃圾残留在反应器中的溶解性有机物的主要指标。由图4可知，整体上看，SCOD随着进料有机负荷的升高而升高，由于随着进料负荷的增加，水解作用没有受到抑制。在5、6、7 g/( L·d)的有机负荷下，SCOD分别维持在1 225～1 548、1 179～1 660、1 509～2 113 mg/L之间，结合图2表明属于一个适宜水平，SCOD中的有机酸被甲烷菌充分利用，说明产甲烷菌没有受到抑制，将大部分SCOD转化为沼气。在8 g/( L·d)的进料有机负荷下，SCOD由第一天的5 207 mg/L一直升至第四天的12 452 mg/L，可知VFA大量积累，导致pH下降，致使产甲烷菌受到抑制，进而导致沼液中残留了更多的SCOD没有被产甲烷菌转化掉。

图4不同有机负荷下SCOD变化趋势Fig．4 Trend of SCOD on different OLR

2. 4 氨氮变化趋势

不同有机负荷下氨氮变化趋势如图5所示。适宜质量浓度的氨氮对系统起到缓冲作用，保证pH值的稳定，同时为微生物提供氮源。氨氮过高会导致系统pH升高，对产甲烷菌产生抑制作用。由图5可知，在5、6、7 g/( L·d)的有机负荷下，氨氮质量浓度分别维持在1 107～1 194、1 165～1 223、1 194～1 253 mg/L之间，结合图2可知，以上氨氮质量浓度适宜，保证了pH维持在最佳范围。随着进料有机负荷的提高，氨氮质量浓度逐渐升高。这是由于餐厨垃圾中含有大量的有机氮，多以蛋白质形式体现，通过水解作用分解为氨基酸，并通过氨化作用转化为氨氮，导致存留在沼液里的氨氮增多。在8 g/( L·d)的进料有机负荷下，氨氮质量浓度由第一天的845 mg/L降至第四天的524 mg/L。结合图3可发现高质量浓度的VFA抑制了氨化作用，导致了氨氮的降低，此时VFA对系统pH影响起主导作用。

图5不同有机负荷下氨氮变化趋势Fig．5 Trend of ammonia nitrogen on different OLR

2. 5 沼气产量变化趋势

不同有机负荷下沼气产量变化趋势见图6。沼气产量体现了产甲烷阶段强弱。由图6可知，在5、6、7 g/( L·d)的有机负荷下，随着进料有机负荷的提高，沼气产量逐渐提高。沼气产量分别维持在17. 64～18. 42、20. 22～22. 73、25. 1～26. 35 L之间。结合图3发现，在此过程中，产甲烷菌将反应器中的VFA转化为甲烷，实现了产酸相和产甲烷相的动态平衡。在8 g/( L·d)的进料有机负荷下，沼气产量由第一天的8. 5 L降至第三天的停止产气，表明此过程中，产甲烷菌受到严重抑制，反应器停止运行。

图6不同有机负荷下沼气产量变化趋势Fig．6 Trend of biogas production on different OLR

2. 6不同有机负荷下甲烷产率和甲烷平均质量分数

图7显示的是，在5、6、7 g/( L·d)稳定运行的有机负荷下的甲烷产率和甲烷平均质量分数，分别为0. 416、0. 414、0. 384 L/( g·d)和57. 6%、56%、52. 9%。该数据表明，随着有机负荷的升高，甲烷产率η和甲烷平均质量分数wCH4都在下降。可以认为有机负荷不是产甲烷的限制因素，而是由于产酸菌的世代时间为0. 125 d，小于产甲烷菌的世代时间0. 5～1. 5 d［9］，产酸菌的繁殖速率快，产甲烷菌的繁殖速率慢。当有机负荷较高时，产酸菌分解有机物产生大量有机酸［10］，产甲烷菌不能消耗大部分的有机酸，进而导致甲烷产率下降。在有机负荷5 g/( L·d)时，甲烷产率最高为0. 416 L/( g·d)，效果最好。这表明餐厨垃圾厌氧消化产沼气的潜能比较大，最大有机负荷为7 g/( L·d)。

图7不同有机负荷下甲烷产率和甲烷平均质量分数Fig．7 Methane production rate and average percentage of methane concentration on different OLR

3结论

( 1)在有机负荷为5～7 g/( L·d)时，CSTR反应器可以稳定运行，实现了产酸相和产甲烷相的平衡，pH在7. 0～7. 2，VFA在144～1 202 mg/L，SCOD在1 225～2 113 mg/L，氨氮在1 107～1 253 mg/L。在有机负荷为8 g/( L·d)时，系统不能稳定运行。

( 2)有机负荷在5、6和7 g/( L·d)的条件下，CSTR反应器可以正常运行，甲烷产率分别为0. 416、0. 414和0. 384 L/( g·d)，甲烷平均质量分数分别为57. 6%、56%和52. 9%。

( 3)餐厨垃圾厌氧消化产生甲烷的潜力巨大，已成为实现餐厨垃圾资源化利用的有效途径。

［1］ 王 攀，任连海，赵 苗．青岛市餐厨垃圾调查现状及分析［J］．环境污染与防治，2013，23( 4) : 99－103．

［2］ 王 星，王德汉，徐 菲，等．餐厨垃圾厌氧消化的工艺比选研究［J］．能源工程，2005，16( 5) : 27－31．

［3］ 韦成健，张文阳，谭 鹏，等．半连续泔脚垃圾与猪粪混合厌氧消化研究［J］．科学与管理，2012，37( 4) : 124－131．

［4］ 杨久满．以猪粪为接种物的餐厨垃圾中温厌氧试验研究［D］．成都:西南交通大学，2012．

［5］ 王巧玲．餐厨垃圾厌氧发酵过程的影响因素研究［D］．南京:南京大学，2012．

［6］贺延龄．废水的厌氧生物处理［M］．北京:中国轻工业出版社，1998: 509－519．

［7］ 李秀金．固体废物工程［M］．北京:中国环境科学出版社，2003．

［8］ 马 磊，王德汉，谢锡龙，等．餐厨垃圾的高温厌氧消化处理研究．环境工程学报［J］．2009，38( 12) : 1509－1512．

［9］ 杨秀敏，乔艳云，李立欣，等．重金属Cu2 +、Zn2 +、Cd2 +在海泡石中的吸附特征［J］．黑龙江科技学院学报，2013，23( 1) : 51－54．

［10］ WAU，INT．Course on anaerobic wastewater treatment［M］．［S．l．］: The Netherlands，1990．

(编辑 徐 岩)

Research on methane production from anaerobic digestion of kitchen waste by different organic loading rates

SHI Xiankui1，WANG Lei1，3，HU Chao2，LIU Wei3，KANG Zhaoyu3，GAO Le4
( 1．School of Environmental＆Chemical Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 2．Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection，Beijing 100037，China; 3．Guangzhou Great Water Environmental Protection Co．Ltd．，Guangzhou 510670，China; 4．Zhongshan Lede Environmental Protection Engineering Co．Ltd．，Zhongshan 528451，China)

Aimed at recycling the kitchen waste，this paper investigates the law involving the methane production from anaerobic digestion of kitchen waste by using semi-continuous feeding process and changing the organic loading rate( OLR)，under the mesophilic condition of 35℃．The investigation suggests that，with the OLR of 5，6 and 7 g/( L·d)，the CSTR reactor is capable of normal performance，with a methane production rate of 0．416，0．414 and 0．384 L/( g·d) respectively and the average methane volume percentage of 57．6%，56%，and 52．9%，respectively．It follows that the methane production from anaerobic digestion of kitchen waste promises huge potential and thus enables kitchen waste recycling．

kitchen waste; organic loading rate;methane

10. 3969/j．issn．2095－7262. 2014. 02. 008

X703．1; X705

2095－7262( 2014) 02－0144－05

A