河南农业大学农业部可再生能源新材料和装备重点实验室生物质能源河南省协同创新中心 苏煌 李威峰 李荆波 田超超 焦有宙河南农业大学机电工程学院

农村生活污水、餐厨垃圾与畜禽粪便混合产沼气试验研究

河南农业大学农业部可再生能源新材料和装备重点实验室
生物质能源河南省协同创新中心 苏煌 李威峰 李荆波 田超超 焦有宙
河南农业大学机电工程学院

河南省农村能源环境保护总站 主办

中国是一个农业大国，随着农村居民生活水平的提高，农村的农业废弃物和农村居民生活垃圾的产生量也与日俱增。大量农业废弃物的随意不当处理不仅造成大量生物质能源的浪费，而且对农村的环境造成很大的破坏。这些农业废弃物主要包含种植业的作物秸秆和养殖业的禽畜粪便、养殖污水，农村生活垃圾包括农村的餐厨垃圾和生活污水。基于农村生物质未能合理利用，厌氧发酵是一种处理有机污染物的有效途径。本文研究牛粪、餐厨垃圾和生活污水混合发酵的产气性质。

一、农村有机废弃物的资源化利用现状

随着农村供水系统的改善和生活水平的提高，农村生活污水的排放量在不断增加。餐厨垃圾是农村生活垃圾的主要成分之一，包括居民餐厨生产过程中产生的食物残渣、下脚料和剩菜剩饭等。朱艳等调研结果显示，我国人均日产餐厨垃圾0.15kg/d，每年全国累计产生3 000多万t餐厨垃圾，并且以10%～20%的增速增长。前些年，农村居民一般发展有家庭养殖业，习惯将餐厨垃圾作为家养畜禽的饲料使用，餐厨垃圾未经处理直接作为饲料也有一些问题，如餐厨垃圾中的金属等坚硬物体会伤害动物消化道，餐厨垃圾中的病原菌会引起人畜共患病，微生物产生的生物毒素在动物体内富集，通过食物链进入人体。畜禽养殖业目前向规模化、集约化方向发展，禽畜粪便的排放量快速增加。畜禽废弃物总量呈逐年大幅增长态势，畜禽养殖产生的污染已成为农村环境污染的主要来源。2002年，全国禽畜粪便年排放量已达18.84 亿t，相当于工业废弃物年排放量的3.4倍。

二、材料与方法

（一）试验材料

牛粪：取自河南农业大学牧医工程学院的奶牛基地，新鲜牛粪试验时现取现用，测量TS和VS分别为19.78%和14.39%。牛粪C/N为21.7。

生活污水：生活污水取自河南农业大学4号楼学生公寓的污水下水道，在4℃条件下保存备用，生活污水TS为0.035，C/N为10.2%。

餐厨垃圾：餐厨垃圾取与河南农业大学1号餐厅晚饭餐厨垃圾，去除杂质后在4℃条件下保存。餐厨TS 18.7%，C/N为14.3%。

（二）试验方案设计

试验研究不同比例的牛粪、餐厨垃圾与生活污水的发酵特性，实验分为3组不同比例的物料混合梯度，第一组牛粪：餐厨垃圾：生活污水为3：1：20，第二组牛粪：餐厨垃圾：生活污水为3：1：16，第三组牛粪：餐厨垃圾：生活污水为3：1：12。试验在35℃中温条件下进行序批式厌氧发酵50d左右。每组设3个平行，以3个平行的平均值为最终结果。三组实验接种率都是10%。

牛粪、餐厨垃圾和生活污水混合发酵的产气曲线图

（三）分析方法

日产气量用排饱和食盐水法收集。测量产气量即前后两次量气瓶的液面刻度之差，读数时调节集气瓶与量气瓶的相对高度使集气瓶和量气瓶的液面高度相同，以保证集气瓶内的气压与大气压相同。每天测量产气量后，使发酵瓶与集气瓶之间的止水夹闭合，在出气孔用注射器抽出沼气，使集气瓶内充满饱和食盐水，并记录量气瓶液面刻度。日产气量于每天下午2：30测量。试验初始的发酵液为2.2L，随着试验进行发酵液物性的测量，发酵液会逐渐变小，校正后的日产气量为当日实测产气量/当日发酵液体积。试验记录日产气量为校正后的日产气量，以下提到的日产气量均为校正后的日产气量。累计产气量是批次试验的日产气量进行累加。单位质量干物质产气率等于总产气量除以发酵液的初始总质量再除以发酵液的初始TS。单位质量挥发分产气率等于总产气量除以发酵液的初始总质量再除以发酵液的初始VS。用注射器取气口抽取50mL气体，用Agilent 6820GC-14B高效气相色谱仪分析甲烷浓度，得出试验产气的甲烷含量。甲烷含量测量每3d进行1次，在上午9：00进行含量测量，抽取的50mL气体计入当天日产气量数值中。

三、牛粪、餐厨垃圾与生活污水混合发酵的产气结果

牛粪与餐厨垃圾混合发酵的正交试验结果是牛粪与餐厨垃圾混合比例在3：1时发酵效果最好，产气速率和产气量都达到最高，因此牛粪、餐厨垃圾和生活污水混合发酵的试验将牛粪和餐厨垃圾的比例固定在3：1，通过改变生活污水的比例寻找最优的三者混合发酵的比例。由图所示，牛粪、餐厨垃圾和生活污水以不同比例混合发酵的三组试验都正常产气，所产气体的甲烷含量都在一个比较高的水平。产气曲线显示，三组试验在发酵开始到第5天产气量都很低，从第5天开始产气量开始明显增大，在第10天左右达到第一个产气高峰，随后开始下降，在第18天产气量达到最低点后继续增加，第二个产气高峰出现在第30天左右，此时产气量是整个发酵过程中日产气量最高点分别达到400mL、500mL和650mL，而后产气量开始缓慢下降直到试验结束。第三组牛粪：餐厨垃圾：生活污水为3：1：12组的产气曲线比另外两组高，产气量高于其他两组。第二组牛粪：餐厨垃圾：生活污水为3：1：16组次之。产气量最低的是第一组牛粪：餐厨垃圾：生活污水为3：1：20，说明浓度越高其产气量就越大。三组试验产气的甲烷含量变规律差别不大，都是在试验开始到第10天从10%增长到60%，在第10天到试验结束甲烷含量维持在50%～65%，整个发酵过程产气稳定。

四、结论

牛粪和生活污水混合发酵可实现牛粪的高TS与低生活污水的高含水量进行互补，在牛粪、餐厨垃圾和生活污水的混合发酵过程中，牛粪、餐厨垃圾和生活污水质量比为3：1：20时，组单位VS产气率最高，达到251mL/g；牛粪、餐厨垃圾与生活污水质量比为3：1：12时，累计产气量最高，达到22 017mL。多元物料混合发酵与单一原料发酵相比较，具有以下优势：改善原料的结构特性，增强介质传递，提高微生物对原料的利用率；促进发酵底物的营养平衡，增强发酵系统的缓冲能力和有机负荷；减少高浓度脂肪对发酵的毒性抑制，增强系统稳定性，提高发酵效率；多元物料混合发酵可以提高户用沼气池的利用率，避免户用沼气不同时期原料过剩或者短缺的问题。