餐厨垃圾厌氧发酵特性研究

餐厨垃圾厌氧发酵特性研究

摘要：为了实现餐厨垃圾的资源化利用，解决日益严重的餐厨垃圾处理问题，我们以南阳师范学院食堂餐厨垃圾为原料，通过检测分析pH、VFA、产气量等指标，讨论酸化过程及各指标对系统厌氧发酵产沼气性能的影响，得出餐厨垃圾厌氧发酵最佳工艺条件，从而更好的对餐厨垃圾进行厌氧发酵的处理，达到使垃圾减量,环境污染减少的目的。关键词：餐厨垃圾;厌氧发酵;沼气;影响因素;资源化

OF EAT HUTCH GARBAGE ANAEROBIC FERMENTATION

CHARACTERISTICS RESEARCH

Abstract:in order to achieve the eat hutch garbage recycling use, the growing problem of eat hutch garbage disposal, and we are in the dining room to eat hutch garbage in nanyang normal university as a raw material, through the analysis of the tes t in dices such as pH, VFA, gas production, acidification process are discussed and the indexes of anaerobic fermentation bio-gas production performance of the system, the optimum technological conditions of eat hutch waste anaerobic fermentation, thereby better to eat hutch waste anaerobic fermentation processing, to make waste reduction, reduce environmental pollution.

Key words: eat hutch garbage; Anaerobic fermentation. Bio-gas; Influencing factors; Resource recovery

1餐厨垃圾概述

1.1餐厨垃圾来源

餐厨垃圾又称泔脚,是家庭、饮食单位抛弃的剩饭剩菜以及厨房余物的统称,也是城市生活垃圾的重要组成部分[1]。餐厨垃圾是食物垃圾中最主要的一种，其成分复杂，主要是油、水、果皮、蔬菜、米面、鱼、肉、骨头以及废餐具、塑料、纸巾等多种物质的混合物。我国餐厨垃圾数量十分巨大，并呈快速上升趋势。

1.2餐厨垃圾的特性

1.2.1危害性

极易变质、腐烂、发酵，滋生蚊蝇，产生大量毒素及散发恶臭气体，污染水体和大气，直接排入下水道还会引起下水道堵塞；来源复杂，含有各种细菌和病原菌，可能因食物链危害人体健康；派生的“潲水油”极易产生致癌物质—黄曲霉素，对人体健康造成严重危害。

1.2.2资源性

与其他垃圾相比，有含水率、有机物含量、盐分及油脂含量高，营养元素丰富等特点，具有很大的回收利用价值[2]。目前我国仅泔脚产生量就超过20000t/d,上海市的泔脚产生量已达1300t/d。如果能得到有效处理和合理利用，其将是一批可观的资源。

1.3餐厨垃圾厌氧发酵技术研究

1.3.1厌氧发酵的原理

厌氧发酵是废物在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被稳定化，同时伴有甲烷和CO2产生。人们把厌氧发酵过程简单的分为酸性发酵阶段和碱性发酵阶段。其中酸性发酵阶段是指发酵细菌将大分子有机物降解为脂肪酸、醇类、氢气等产物；碱性发酵阶段是指发酵细菌将上一阶段产生的脂肪酸、醇类、氢气等底物转化成甲烷和二氧化碳[3]。

1.3.2厌氧发酵处理的意义

餐厨垃圾含水率高、成分复杂、高温条件下易腐,且容易产生蚊蝇等,而目前国外的处理方式依然是以填埋或焚烧为主,对环境造成了极大的污染,而国内餐馆的

餐厨垃圾则大多数被直接用作动物饲料,造成病菌传播。如果各大餐馆和食堂能将餐厨垃圾就地进行能源化处理,既可以为餐馆、食堂提供大量的能源,变废为宝，同时也可以使垃圾大大减量,减少对环境的污染。如果能很好地处理餐厨垃圾，必将带来良好的经济效益和社会效益。同时，由于餐厨垃圾具有很高的产沼气能力,厌氧处理可产生大量沼气，沼气是一种清洁的可再生能源，可用于发电和做燃，并且系统全封闭而无异味，利用厌氧发酵法将其资源化是一种最环保、又能创造效益的方法。

1.3.3餐厨垃圾厌氧发酵处理的技术研究现状

由于餐厨垃圾传统处理方法的技术缺陷，造成了环境的二次污染，且浪费了大量的资源。随着环保法律法规的修改，各国纷纷调整了传统的餐厨垃圾的处理处置方法，很多学者将餐厨垃圾处理的研究重点转向了对环境污染少、资源化的厌氧发酵产沼气的技术上来。大量研究主要集中在餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的可行性、通过原料的预处理提高转化效率以及发酵反应工艺条件的优化三个方面[4]。2餐厨垃圾厌氧发酵实验设计

2.1 实验材料

餐厨垃圾：采自南阳师范学院中餐厅和西餐厅，搅拌均匀后，用搅碎机搅碎

至颗粒粒径小于5mm的糊状物，并于-5℃下保存待实验。

接种物：南阳市污水处理厂厌氧段的污泥，为黑色絮状物。取回后，用塑料瓶密封静置1d，分层后，取下层污泥作为接种物，见表1。

餐厨垃圾与污泥的性质表1

TS （%）

VS

（%TS）

灰分

（%TS）

C/N

（%）

PH

中餐厅16.05 92.29 7.8 22.35 5.7

西餐厅15.45 88.99 11.02 20.10 5.7

接种污泥13.91 51.17 48.81 12.14 6.5

2.2 实验装置

实验装置包括1L的厌氧发酵罐、1L的集气瓶以及500mL的量筒三个部分。（见下图）

1、采用三组恒温水浴器，温度分别控制在低温（20±1）℃，中温（35±1）℃，高温（55±1）℃。

2、发酵罐内放置餐厨垃圾和接种污泥，罐口用带有出气孔的橡胶塞密封，每次调节pH值后通过出气孔向发酵瓶中通入N2以维持发酵瓶内的厌氧环境。发酵罐中产生的气体经玻璃导管排入集气瓶。

3、发酵瓶与集气瓶之间的止水夹（待发酵产生的气体到常温后再打开），发酵瓶与集气瓶之间的阀门为气体采样点，定时测量系统产气量、pH值和VFA值。

4、集气瓶中盛有浓度为3%的NaOH溶液，其作用是吸收气体中的酸性组分（CO2和H2S），实验采用液体排气法测量产气量，量筒的读数即为产生的甲烷体积。

5、每天手动搅拌两次，每次5min，使发酵液的均匀混合。

实验装置图

2.3 实验方法

实验采用手工分选，将南阳师范学院中餐厅和西餐厅搜集来的餐厨垃圾跳出骨头、勺子、筷子、纸巾等杂物，再采用绞肉机绞碎至1~5mm，以增大样品表面积。取处理后的餐厨垃圾样品200g（湿基）于反应器中，后加入相应质量的接种物和水，以调节合适的接种率和含固率。反应器置于恒温水浴锅中，反应过程中每隔一天，测定

发酵液的pH并作相应的调节。

（1）正交试验。

实验采用L9（34）正交表，选定温度、含固率、接种率和pH为考察因子，进行4因素3水平正交试验。实验以沼气的产量为评价指标，且不考虑因子间的交互作用，实验因素水平设置，见表2。

正交试验因素水平表表2

水平

因素

温度（A）

/℃

含固率

/%

接种率

/%

PH

1 低温20 8 10 6

2 中温35 12 20 7

3 高温55 16 30 8

实验中接种率采用固体比：污泥干重/（污泥干重+餐厨垃圾干重），各组实验均采用200g餐厨垃圾，根据接种率和含固率的不同调节水分和接种物质量。为保证实验的顺利进行，向发酵液中添加恰当的Ca(OH)2。

（2）温度的影响实验

本实验以温度为变量，选取15℃，25℃，35℃，45℃和55℃，在五个实验装置中同时进行。各个实验装置均按照餐厨垃圾200g，含固率8%，接种率30%的配制，进行为期30天的厌氧发酵反应。实验的前五天，每天调节pH至7，第6d至第15d两天调节一次，第16d至第30d每4d调节一次。以沼气产量为考察指标，分析温度对沼

气产量的影响。

（3）pH的影响实验

本实验以pH为变量，选取5,6,7,8,9，在五个实验装置中同时进行。各实验装置

均按照餐厨垃圾200g，含固率8%，接种率30%的配制，在高温55℃下进行为期30天的厌氧发酵反应。每天通过添加碱、酸等物质调节发酵液pH至实验值。以沼气产量为考察指标，分析pH对沼气产量的影响。

（4）接种率的影响实验

本实验以接种率为变量，沼气产量为考虑指标，考察接种率对沼气产量的影响。各实验装置均按照餐厨垃圾200g，含固率8%，以接种率为5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%的比例分别配制，在7个实验装置中同时进行。在高温55℃下进行为期30天的厌氧发酵反应。实验的前五天，每天调节pH至7，第6d至第15d两天调节一次，第16d第30d每4d调节一次。

2.4指标测定

（1）沼气产量：采用排NaOH溶液法记录各工艺条件下的沼气产量。

（2）pH值：采用pH计，每两天测定一次。

（3）TS：烘干法

3餐厨垃圾厌氧发酵实验结果与分析

3.1正交试验研究

3.1.1正交实验结果

不同条件下的总累计产气量表３

实验号温度（A）含固率(Ｂ) 接种率(Ｃ) pH（Ｄ）产沼气量

/℃/% /% （m L·g-1）

1 20 8 10 6 58.0

2 20 12 20 7 75.1

3 20 16 30 8 52.7

4 3

5 8 20 8 73.7

5 35 12 30

6 104.3

6 35 16 10

7 118

7 55 8 30 7 633.8

8 55 12 10 8 185.0

9 55 16 20 6 216.9

K1 61.9 255.2 120.3 126.4

K2 98.7 121.5 121.9 275.6

K3 345.2 129.2 263.6 103.8

R 283.3 133.7 143.3 171.8

注：K1，K2及K3均为平均值，R为极差

分析正交试验，得出以下结论：

（1）由表3中极差的大小可以直观判断出各因素对沼气产量影响的主次顺序为：温度（A）＞pH（D）＞接种率（C）＞含固率（B）。

（2）餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的因素最佳组合为：（温度55℃)+(接种率30%)+(含固率8%)+(pH=7)（即A3B1C3D2）。

3.1.2方差分析

鉴于本正交试验设计的正交表未设置空列，故根据指标的不同，选择四因素中偏差平方和最小者为误差列。由方差分析表表4可知，含固率一项的偏差平方和明显偏小，所以选用含固率的偏差平方和作为误差平方和，含固率的偏差平方和对应的自由度为误差平方和的自由度。由方差分析结果可知，4种因素对沼气产量的影响不十分显著，但是，温度与另外3种相比，其影响的显著性较为突出。

积累产气量的方差分析表表4

方差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值显著

温度142403.3 2 377.4 1.8 NS

含固率33803.1 2 183.9 NS

接种率40606.7 2 201.5 0.5 NS

PH 52308.0 2 228.7 0.7 NS

误差33803.1 2 183.9

3.2温度对厌氧发酵的影响

本文研究了该范围内不同温度（15℃，25℃，35℃，45℃和55℃）对沼气产量的影响。15℃和25℃时实验组的沼气产量较低，随着温度的升高，沼气产量增长；当反应温度由25℃变化到35℃的时侯，沼气的产量提高了126.1%；当反应温度由35℃变化到45℃的时候，沼气产量提高了15.4%，而当反应温度由45℃变化到55℃的时候，沼气产量则提高了47.1%。随着温度的升高，反应速度加快，发酵细菌的活性增强，厌氧发酵处理效率相应提高。另外温度的升高不仅可以杀

灭寄生虫和大肠杆菌等，而且进一步增强了产甲烷菌等有益微生物的活性与降解有机物的能力[5]。

此外也有研究表明，在温度为30℃左右时，其优势菌群为中温菌，而当温度升高至50℃左右时，则主要为高温菌，即发酵罐内微生物群落结构发生了变化。综合考虑处理效率和能耗问题，工业化厌氧处理有机物通常采用中温（35℃）和高温（55℃）发酵，以利于提高反应进程，缩短发酵周期。但相比之下，高温发酵具有处理负荷高，消化时间短，反应器容积小的优势，经高温处理后能有效杀死病原体，为沼渣的无害化处理提供保障。因此，本实验认为温度对沼气产量影响较明显，在15～55℃范围内，反应温度取值55℃最为恰当。

3.3pH对厌氧发酵的影响

pH直接影响厌氧微生物的活性，只有在特定的pH范围内，微生物才能表现出最佳活性。为探讨pH对餐厨垃圾厌氧发酵沼气产量的影响，本实验研究了不同pH值（5、6、7、8、9）对沼气产率的影响。实验结果表明，随着pH值的增加，产沼气规律呈现了先增加后降低的趋势，当pH为7时沼气的产量最高。这是由于当反应环境的pH为6.6~7.8时产甲烷菌活性较高，其中以pH=6.8为最佳，此时最有利于有机物的水解，厌氧发酵处理效率最高；而当pH低于6.1或者高于8.3时，产甲烷菌的活性受到抑制，厌氧发酵反应可能停止。因此，厌氧发酵产沼气合适的pH为7。

3.4接种率对厌氧发酵的影响

随着接种率的不断增加，沼气的产量有较明显的上升趋势，当接种率为

5%~15%时，沼气产量较低，当接种率从15%变化到20%的时候，沼气的产量提高了23.8%；当接种率从20%变化到25%的时候，沼气的产量提高了27.6%；当接种率从25%变化到30%的时候，沼气的产量则提高了16.9%；而当接种率从30%变化到35%的时候，沼气的产量却只提高了5.9%。其原因是虽然接种物的增加可促进有机物的降解，但是发酵罐内所需降解的有机物是一定的，过多的接种物容易出现营养相对缺乏而导致生存竞争，降低微生物的活性，且对设备的体积要求也增大，餐厨垃圾的处理负荷会相应降低。故接种率必存在一最佳值使得经济效益最好。综合考滤正交试验数据和最大有机负荷的目标，选取接种率为30%。3.5 总体分析

餐厨垃圾厌氧发酵实验仅对餐厨垃圾进行粉碎预处理,利用单相法,采用正交试验设计,研究接种率、温度和含水率对餐厨垃圾产气率、固体去除率的影响,以探讨餐厨垃圾在无其他特殊预处理和不稀释的情况下产气和减污的特性,为餐厨垃圾就地处理的实施提供理论依据。正交试验和单因素试验确定了餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的最佳条件为温度55℃、接种率30%、含固率8%、pH7，在此条件下产沼气量达633.8（m L·g-1）。各考察因素对沼气产量影响的主次顺序为：温度>pH>接种率>含固率。

4餐厨垃圾厌氧发酵资源化利用

根据发酵产物的不同，可将厌氧发酵处理分为制甲烷和制氢气两大类。氢气一直以来被认为是21世纪重要清洁能源之一，甲烷也被认为是最有可能替代天然

气的可再生能源。厌氧发酵处理餐厨垃圾，不仅能解决我国餐厨垃圾的处理处置问题，且能从一定程度上缓解能源危机，实现环境效益与经济效益双赢的局面。

4.1制甲烷

厌氧发酵在污水处理中的应用已经是屡见不鲜了，但应用于处理有机废弃物方面，我国工程案例较少，发达国家则相对广泛，如：2000年，欧洲有1/4的有机垃圾是用厌氧方法处理的；丹麦由高达111万吨废弃物采用厌氧处理；美国垃圾甲烷工厂的日产气量大28.3万立方米，堪称世界之最；波特兰市的沼气工厂每天可处理2000吨以上的垃圾[6]。针对餐厨垃圾厌氧发酵制备甲烷，国内外学者对此作了相关的研究，并取得了一定的成果。李俊涛等从新鲜泔脚的特性、最佳接种率、最佳含水率、最大有机负荷等方面进行了研究，得出在接种率80%、含水率90%以及最大有机负荷为4gVS/L/d的条件下，厌氧反应能顺利进行。王星研究了不同矿物材料对餐厨垃圾厌氧消化的影响，结果表明，膨润土不仅对含盐餐厨垃圾的厌氧发酵消化液中的钠离子具有良好的吸附性能，且能明显促进餐厨垃圾的厌氧消化过程，产气量提高了131%。

4.2制氢气

在众多的新能源中，氢气被认为是21世纪最理想的能源。在燃烧相同质量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，且其燃烧的产物是水，不产生废渣和废气，不会污染环境。因此餐厨垃圾厌氧发酵制氢的研究备受关注。然而目前餐厨垃圾厌氧制氢技术仍处于实验室阶段，因此餐厨垃圾厌氧制氢技术还未成熟。

5.小结

餐厨垃圾含水率高、成分复杂、高温条件下易腐,且容易产生蚊蝇等,而目前国外的处理方式依然是以填埋或焚烧为主,对环境造成了极大的污染,而国内餐馆的餐厨垃圾则大多数被直接用作动物饲料,造成病菌传播。厌氧产甲烷技术具有发酵周期短，产沼气量大，易于工程应用的特点，如果各大餐馆和食堂能将餐厨垃圾就地进行厌氧发酵资源化处理,必将带来良好的经济效益和社会效益，既可以为餐馆、食堂提供大量的能源,变废为宝，同时也可以使垃圾大大减量,减少对环境的污染。

【参考文献】

[1]赵由才.固体废物处理与资源化.北京:化学工业出版社,2006.360

[2]王向会,李广魏,孟虹,马琳,赵国珏. 国内外餐厨垃圾处理状况概述[J]. 环境卫生工程,2005,02:41-43.

[3]饶玲华. 餐厨垃圾厌氧发酵产沼气规律研究[D].中南大学,2011.

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

[5]易龙生,饶玲华,王鑫,王浩. 餐厨垃圾厌氧发酵影响因素研究[J]. 环境科学与技

术,2011,07:94-97.

[6]席北斗.有机固体废弃物管理与资源化技术.北京:国防工业出版社.2006,65~66