半连续式厨余和牛粪混合厌氧消化

第34卷增刊Ⅱ
2007年北京化工大学学报
JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF CHEMICAL TECHNOLO GY
Vol.34,Sup.Ⅱ
2007
半连续式厨余和牛粪混合厌氧消化
李荣平　李秀金3
(北京化工大学化学工程学院,北京　100029)
摘　要:在中温35℃下,通过半连续运行方式,对牛粪、厨余的单独消化以及厨余和牛粪的混合消化进行了对比研究。

试验结果表明,由于混合消化提供了较佳的水解酸化p H 值范围,提高了缓冲能力,改善了碳氮比,因此其产气性能明显好于单独消化。

其中,厨余和牛粪中的挥发性固体(VS )质量比为3∶1时混合消化效果最佳,甲烷产率为
0123L/(gVS ),分别是牛粪和厨余单独消化时的318和116倍,VS 去除率高达7119%。

这说明,混合消化是提高
厌氧消化性能的有效途径之一。

关键词:厨余;牛粪;生物气;混合厌氧消化中图分类号:X705
收稿日期:2007209229
基金项目:北京市自然科学基金(8062023)第一作者:女,1978年生,博士生3通讯联系人
E 2mail :xjli @
引　言
厌氧消化技术是处理高浓度有机废水及废物的有效途径之一,用于处理厨余,不仅能够消除由此带来的环境污染,还可以实现垃圾资源化,回收生物气等目的[122]。

但是,厨余单独消化,容易导致消化失败。

例如,Han 等[3]在厌氧消化水果、蔬菜垃圾的研究中发现,由于挥发性脂肪酸累积和p H 值降低,生物产气过程受到抑制。

据报道,在厨余中加入具有
一定缓冲能力的有机废水[1,4](通常为动物粪便废水或者市政污水)进行混合消化,可以获得很好的消化效果。

混合消化的优势很多,例如可以稀释厨余中的高盐分、高油脂,促进物料的营养平衡,增强系统稳定性,并获得更高的容积产气量等。

牛粪是常用于厌氧消化的原料之一,与厨余等易降解有机物进行混合消化可获得很好的效果。

例如,Callaghan 等[5]通过牛粪与鸡粪、鱼废料及饮料厂废料等进行混合消化,所获得的累积产气量明显高于牛粪单独消化的累积产气量。

El 2Mashad 和Zhang [4]利用食品垃圾和牛场粪便进行了半连续混
合消化研究,分别获得了0148和0150L/(gVS )的产气量,但是他们没有设立厨余和牛粪单独消化的对照组,难于比较混合消化与单独消化的效果。

同
时,在厌氧消化方面,国内的研究主要集中于批式
厌氧发酵上,对实际应用较广泛的连续或半连续方式运行的研究很少。

因此,本文在半连续方式下,对厨余和牛粪的单独消化及混合消化分别进行了试验研究,对两种情况下有机物去除效果、消化产气性能及系统稳定性进行了对比,并对厨余和牛粪在混合消化过程中的作用进行了探讨。

1　材料与方法
111　原料
厨余取自北京化工大学食堂的泔脚池,剔出骨头、塑料袋、纸杯等杂质,用食物粉碎机切碎搅匀,贮存在-20℃冰箱中备用。

牛粪取自河北大厂县的某肥牛养殖基地。

加入自来水稀释牛粪并用20目的筛子除去纤维,所得滤液贮存在-20℃冰箱中备用。

厨余和牛粪的理化性质见表1。

112　试验装置
厌氧消化试验装置采用两相消化,以防止厨余酸化影响到整个消化系统,如图1所示。

根据水力停留时间(HR T )设置,两相消化装置分为酸化相和甲烷相两个反应器,有效容积分别为016L 和310L 。

半连续方式为每天定时进出料一次,整个试验持续2个月。

具体运行为:根据酸化相和甲烷相中HR T 的设置(酸化相中2d ,甲烷相中10d ),从甲烷相排出一定体积的水,然后将酸化相中相同体积的出水作为甲烷相进水用泵打入,完成厌氧产气。

试验采用中温厌氧消化,厌氧消化器放置在恒温箱中,消化温度控制在(35±1)℃,转速为120r/min 。

表1　牛粪和厨余的理化性质
Table 1　Characteristics of cattle manure and kitchen waste
原料总固体/(g/L )
挥发性固体/(g/L )
COD/(g/L )
p H 值挥发性有机酸/(g/L )
碳水化合物/%蛋白质/%
牛粪23.413.821.770.425.729.8厨余221.2
172.1
159
3.6
9.1
46.9
11.5
原料脂肪/%
灰分/%
有机碳/%
总氮/%
碱度1)/(g/L )
氨氮2)/(g/L )
牛粪 3.54128 4.8 5.40.5厨余
19.4
22
45.8
1.9
0.6
1)碱度以CaCO 3计;2)
氨氮以氮计
图1　两相厌氧消化装置图
Fig.1　Two 2phase digester
113　试验设计
本文研究的5种进料分别为牛粪(R1),3种厨
余和牛粪混合物,厨余和牛粪中挥发性固体(VS )质量比为1∶1(R2)、2∶1(R3)和3∶1(R4),以及厨余(R5)。

各反应器进料总VS 质量相同,容积负荷率为112g VS/(L ・d )。

厌氧消化的前期驯化为1个月,采用高碑店污水处理厂的厌氧污泥接种,污泥的混合液悬浮固体质量浓度为4510g/L 。

114　测定方法
采用集气排水法收集沼气。

采用北京北分瑞利仪器公司SP 22100气相色谱分析仪分析二氧化碳和甲烷的成分,热导检测器,载气为氢气。

检测器温度、进样器温度和柱温分别为150、150和120℃。

总氮通过上海嘉定纤检仪器厂凯氏定氮仪K DN 22C 测定,乘系数6125折算得到蛋白质含量。

脂肪通过索氏抽提测得。

总固体(TS )、VS 、灰分、p H 值和碱度等其他测定均按照标准方法[6]测得。

2　结果与讨论
211　产气性能分析
厌氧消化的主要目的是转化有机物获得生物气,回收能源。

甲烷在生物气中的体积分数和甲烷
产率(L/(gVS ))是评价厌氧消化效率高低的重要指标。

在单独消化中,牛粪和厨余所产生物气中甲烷体积分数均少于46%。

而在混合消化中,甲烷体积分数均大于53%,明显高于单独消化的甲烷体积分数(图2)。

由此可见,混合消化能够明显提高甲烷体积分数,提高厌氧消化的产甲烷效率。

图2　不同进料中甲烷产率和甲烷在生物气中
的体积分数
Fig.2　Methane yield and methane volume fraction of
the biogas for different influents
由于牛粪和厨余垃圾的有机组分不同,因此两者的甲烷产率存在较大的差异。

如厨余的甲烷产率为0115L/(gVS ),而牛粪只有0106L/(gVS )。

在相同负荷率下,混合消化的甲烷产率明显高于牛粪和厨余单独消化的甲烷产率。

与单独消化相比,R2～R4的甲烷产率比牛粪提高了215～316倍,比厨余提高了111～116倍。

这说明,牛粪和厨余混合消化可以明显提高甲烷产量。

・
9・增刊Ⅱ 李荣平等:半连续式厨余和牛粪混合厌氧消化
为了评价半连续方式下各种进料的厌氧消化效
率,计算实际甲烷产率占理论甲烷产率的比例;比例越高,则消化效率越高。

理论甲烷产率按照Bush 2well 公式[7]以及厨余和牛粪中碳水化合物、脂肪和蛋白质的质量计算得出。

R1,R2,R3,R4和R5的理论甲烷产率分别为0157,0158,0159,0159和0160L/(gVS )。

R1～R5的实际甲烷产率占理论甲烷产率的比例分别为11%,27%,33%,39%和24%。

其中,R4比例最高,消化产甲烷的效果最好,甲烷体积分数5419%,甲烷产率为0123L/(gVS )。

212　有机物去除效果分析
降解有机物,使处理的废物达到稳定状态,是厌
氧消化的重要目的之一。

5种进料的TS 和VS 去除率见图3。

单独消化时,厨余和牛粪的VS 去除率分别为7113%和5010%,相差2113%。

这说明,厨余比牛粪容易降解。

在混合消化中
,R2～R5的VS 去除率介于6415%～7119%之间,相差小于714%。

这与Callaghan [8]的结果相似,在牛粪和蔬菜垃圾混合消化试验中,蔬菜质量分数为50%～100%时,VS 去除率基本保持在50%左右,没有太大变化。

图3　不同进料中TS 、VS 去除率
Fig.3　TS and VS removal efficiency for different influents
单独消化的厨余R5并没有因为物料容易消化而取得更高的去除率。

这说明,在半连续式运行方
式下,VS 去除率和易降解基质的比例不成正比,还与反应器的实际消化效率及p H 值等指标有关。

因此,虽然厨余单独消化R5的VS 去除率也很高,但是综合考虑产甲烷情况,混合消化R4的消化性能比厨余单独消化要好。

213　系统稳定性分析
p H 值、碱度和氨氮质量浓度是表示厌氧消化系
统稳定性的重要指标。

厌氧消化过程是一个多菌种、多步骤的复杂的生物过程。

不同的菌群对于p H 值等生存条件有不同的需求,水解酸化菌的最佳p H
值在510～610之间[9],而甲烷菌在618～712之间。

本文采用两相消化反应器,如表2所示,牛粪酸化相的p H 值为619,可见由于牛粪具有较强的缓冲能力使得它很难达到水解酸化的最佳p H 值条件;厨余酸化相的p H 值下降为314,出现了过酸化,这将对后续的甲烷化产生冲击和抑制。

而在混合消化中,无论酸化相还是甲烷相的p H 值都在合理范围内,这都有助于保持系统的稳定性,提高厌氧消化效率。

这是混合消化好于单独消化的主要原因之一。

氨氮是含氮有机物降解的产物之一,以铵态氮N H +4和游离氨N H 3两种形式存在。

当氨氮或者游离氨质量浓度过高时,将抑制甲烷菌的生长,但是,抑制浓度与温度及p H 值相关。

据报道,在猪粪的消化过程中发现,在p H 值为8.0左右,温度37～60℃,游离氨的质量浓度高于111g/L 时[10],可以明显抑制生物气的产生速率。

在牛粪单独消化中,其氨氮和游离氨质量浓度虽然低于所报道的抑制浓度,但是高于厨余单独消化和混合消化的氨氮质量浓度。

在混合消化过程中,由于加入厨余起到稀释氨氮的作用,因此厌氧消化效率提高。

表2　出水中与系统稳定性相关的主要参数
Table 2　Composition of effluent and system stability data 进料方式
p H 值
酸化相
甲烷相
ρ氨氮/(mg/L )
碱度/(mg/L )
R1 6.97.77255477R2 5.57.45394340R3 5.27.44483432R4 4.97.33922815R5
3.4
6.9
278
2123
3　结论
(1)混合消化的甲烷体积分数和甲烷产率明显
高于单独消化,这是由于混合消化能提供较佳的水解酸化p H 值,改善了碳氮比,提高了缓冲能力。

其中,厨余和牛粪中VS 质量比为3∶1时混合消化产气效果最佳,甲烷产率分别是牛粪和厨余单独消化时的318和116倍。

(2)厨余比牛粪容易降解,厨余单独消化的去除率高达7113%,比牛粪高出2113%。

而厨余和牛粪在VS 质量比为3∶1时混合消化,虽然VS 去除率与厨余单独消化时相差不多,但是综合甲烷产率,混合消化的效果比厨余单独消化要好。

・01・北京化工大学学报 2007年
(3)混合消化的厌氧消化效果明显好于单独消
化,因此混合消化是提高厨余和牛粪消化性能的有效途径之一。

参考文献:
[1]　付胜涛,于水利,严晓菊,等.剩余活性污泥和厨余
垃圾的混合中温厌氧消化[J ].环境科学,2006,27
(7):1459-1463.
[2]　刘广青,张瑞红,EL 2MASHAD H M ,等.批式与两相
高温厌氧消化厨余和杂草废弃物对比研究[J ].中国农业大学学报,2006,11(6):111-115.
[3]　HAN S K ,SHIN H S ,SON G Y C ,et a1.Novel anaer 2
obic process for the recovery of methane and compost from food waste [J ].Water Science and Technology ,2002,45(10):313-319.
[4]　EL 2MASHAD H M ,ZHAN G R.Anaerobic codigestion
of food waste and dairy manure[C]∥American S ociety of Agricultural and Biological Engineers.2006ASABE An 2nual International Meeting ,Portland Oregon ,9-12J u 2
ly ,2006.
[5]　CALLA GHAN F J ,WASE D A J ,THA Y AN ITHY K ,
et al.Co 2digestion of waste organic solids :batch studies [J ].Bioresource Technology ,1999,67:117-122.[6]　Standard methods for the examination of water and
wastewater [M ].20th ed.Washington DC :American Public Health Association ,1998.
[7]　SYMONS G E ,BUSHWELL A M.The methane fer 2
mentation of carbohydrate [J ].Journal of the American Chemical S ociety ,1933,55:2028-2039.
[8]　CALLA GHAN F J ,WASE D A J ,THA Y AN ITHY K ,
et al.Continuous co 2digestion of cattle slurry with fruit and vegetable wastes and chicken manure [J ].Biomass and Bioenergy ,2002,27:71-77.
[9]　贺延龄.废水的厌氧生物处理[M ].北京:中国轻工
业出版社,1999.
[10]HANSEN K H ,AN GEL IDA KI I ,AHRIN G B K.
Anaerobic digestion of swine manure :inhibition by am 2monia[J ].Water resource ,1998,32(1):5-12.
Anaerobic co 2digestion of kitchen w aste with cattle m anure
in semi 2continuous mode
L I RongPing L I XiuJin
(College of Chemical Engineering ,Beijing University of Chemical Technology ,Beijing 100029,China )
Abstract :A comparative study of the single 2digestion of kitchen waste ,cattle manure and co 2digestion of the two wastes was conducted in semi 2continuous mode at the mesophilic temperature of 35℃.The results showed that co 2digestion was significantly superior to single 2digestion ,due to the optimal p H range for hydrolysis and acidification ,stronger buffer capacity and well 2balanced C/N ratio during the co 2digestion process.When the ra 2
tio of kitchen waste to manure was 3∶1,a methane yield of 0123L CH 4/(gVS )was achieved ,which was 318and 116times that obtained with cattle manure and kitchen waste ,respectively.The observed VS removal effi 2ciency of 7119%indicates that co 2digestion is an effective way to enhance the digestion performance.K ey w ords :kitchen waste ;cattle manure ;biogas ;anaerobic co 2digestion
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11・增刊Ⅱ 李荣平等:半连续式厨余和牛粪混合厌氧消化。