厨余和牛粪混合厌氧发酵产气性能试验研究

·64· 0 前言 随着我国经济的发展和人民生活水平的提 高,城市每年都要产生大量的生活垃圾。据统计[1], 近十几年来,城市生活垃圾的年增长率为6.1%, 2004年全国城市生活垃圾清运量已达到 1.52亿 t,其中厨余垃圾在城市生活垃圾中占有相当大的 比例,如北京市城市垃圾中厨余比例为37%[2]。厨 余垃圾中水分和有机物含量高,容易降解,易产生 臭气、污水等,如果不能及时处置,将对周围的卫 生环境造成严重影响。传统的厨余处置 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 有作 猪饲料、堆肥、直接填埋等[3]。随着《中华人民共和 国动物防疫法》的颁布实施,厨余直接用作猪饲料 受到了限制。厨余含盐量高,影响微生物的生长, 因此厨余堆肥质量不高。直接填埋处置厨余也存 在明显的不足,如产生温室气体、渗滤液等。同以 上方法相比,厌氧消化是处理厨余等有机废弃物 厨余和牛粪混合厌氧发酵产气性能试验研究 李荣平,刘研萍,李秀金 (北京化工大学 环境科学与工程系,北京 100029) 摘 要:在中温(35℃)条件下,通过批式厌氧发酵对牛粪、厨余以及厨余和牛粪的混合物的产气性能进行了对比 研究。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,单独消化时,厨余的甲烷产量(以VS为基准)为362.2ml/g,生物转化效率为60.2%,明显高于牛 粪的144.3ml/g和25.4%;混合消化时,由于发酵物营养平衡和C/N比得到改善,缓冲能力增强,因此混合消化效 果要好于两者单独消化。在厨余/牛粪(质量比,下同)为1∶1时,混合消化的协同作用最显著,对甲烷产量和生物转 化效率的贡献率分别为17.3%和7.8%,消化时间缩短了9d,说明混合消化是提高厌氧消化效率的有效途径。 关键词:厨余;牛粪;生物气;厌氧发酵;混合消化 中图分类号:TK6;X705 文献标志码:A 文章编号:1671-5292(2008)02-0064-05 Biogasificationperformanceofanaerobicco-digestionof kitchenresiduesandcattlemanure LIRong-ping,LIUYan-ping,LIXiu-jin (DepartmentofEnvironmentalScienceandTechnology,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China) Abstract:Theanaerobicbatchfermentationofkitchenresidues,cattlemanureandtheirmixtures werestudiedatthemesophilictemperatureof35℃.Resultsshowedthatthedigestionofkitchen residuesobtained362.2ml/gofmethaneyieldandthebiodegradationratereachedavalueof 60.2%,whichweresignificantlyhigherascomparingwiththoseofthedigestionofcattlemanure, whichare144.3ml/gand25.4%,respectively.Theco-digestionoftwowasteshadbetterperfor- mancethansingle-digestionduetowell-balancednutrients,improvedC/Nratioandstronger buffercapacity.Whentheratioofkitchenwastetocattlemanurewas1∶1,themethaneyieldand biodegradationratewereincreasedby17.3%and7.8%,respectively,andthedigestiontimewas shortenby9days,whichwerecontributedbythesynergiceffectofco-digestion.Itindicatedthat co-digestionwasaneffectivewaytoenhancethedigestionefficiency. Keywords:kitchenwaste;cattlemanure;biogas;anaerobicfermentation;co-digestion 收稿日期:2007-10-09。 基金项目:北京市自然科学基金项目(8062023)。 作者简介:李荣平(1978-),女,博士研究生,主要从事固体废弃物资源化利用的研究。 可再生能源 RenewableEnergyResources 第26卷 第2期 2008年4月 Vol.26No.2 Apr.2008 ·65· 的较好途径,它不仅可以降解厨余垃圾中的有机 物,还能生成生物气,实现资源化再利用[4],[5]。 厨余的可降解程度高,具有很高的产甲烷潜 力,但是厨余单独消化时容易引起料液酸化,并最 终导致消化失败[6]。据文献报道,在蔬菜垃圾、奶 清等易酸化的有机物中加入动物粪便进行混合消 化,可以获得很好的消化效果[5],[6]。El-Mashad和 张瑞红利用牛粪和食物垃圾进行混合消化,获得 了很高的产气量(每克VS可产气398~504ml)[5]。 牛粪是一种较常见的动物粪便,产生量大,对环境 影响大,是与厨余混合消化的理想基质之一。混合 消化厨余和牛粪,不仅能同时处理2种有机废弃 物,还能够增强系统的缓冲能力,促进物料的营养 平衡。但是,这2种物料混合消化对于消化产气性 能的影响尚缺乏详细的研究。 本文采用批式厌氧发酵装置对牛粪、厨余单 独厌氧消化,厨余和牛粪混合消化进行了试验研 究,对单独消化和混合消化的产气性能进行了对 比,并探讨了厨余和牛粪在混合消化过程中的协 同作用。 1 材料与方法 1.1原料 厨余和牛粪的理化性质见表1。厨余取自北 京化工大学食堂的泔脚池,简单分拣出骨头、塑料 袋、纸杯等杂质。用食物粉碎机将厨余切碎搅匀, 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,用自来水稀释牛粪并用20目 的筛子除去其中的纤维,所得滤液贮存在-20℃ 冰箱中备用。 1.2试验装置及 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 批式厌氧发酵装置由锥形瓶、广口瓶和烧杯 组成。锥形瓶作为发酵罐,采用集气排水法收集沼 气,用广口瓶计量沼气体积,用烧杯收集从广口瓶 排出的水。 设计方案见表2。R0中除接种污泥外不加任 何物料,用自来水定容到1L。记录R0的产气量 和甲烷含量,以扣除R1~R5中由接种污泥所生成 的甲烷量。R1~R5中的厨余和牛粪的VS投入总 量相同,均为8.4g/L。R1和R5中分别为牛粪和 厨余。R2,R3和R4中厨余和牛粪的VS比例逐步 提高,依次为1∶1,2∶1,3∶1。 按照设计方案,将相应的牛粪和厨余加入到 锥形瓶中,接种后置于恒温振荡箱中进行中温消 化,消化温度控制在(35±1)℃,转速为120r/min。 各反应器的污泥接种量相同,混合液体悬浮物 (MLSS)为12000mg/L。 1.3有机物的厌氧生物转化效率 用批式厌氧发酵试验的实际甲烷产量(Bo) 与理论甲烷产量(Bu)的比值[7]来表示有机物的生 物转化效率,单位为%。依据Bushwell公式[8]计算 理论甲烷产量(Bu): CnHaOb+n- a 4- b 2! "H2O→ n2-a8+b4! "CO2+ n 2+ a 8- b 4! "CH4 (1) Bu= (n/2+a/8-b)22.4 12n+a+16b CH4 (2) 假定脂肪的分子式为C57H104O6,蛋白质为 C5H7O2N,碳水化合物为 C6H10O5,挥发性脂肪酸为 C2H4O2[9],可得脂肪、蛋白质、碳水化合物和挥发性 脂肪酸中每 1gVS的理论甲烷产量分别为 1014,651,415,373ml。根据牛粪和厨余中脂肪、 表2 批式发酵的设计方案 Table2Experimentaldesignofbatchfermentation 接种污泥体积 厨余(VS) 牛粪(VS) ml g g R0 0∶0 400 0.0 0.0 R1 0∶1 400 0.0 8.4 R2 1∶1 400 4.2 4.2 R3 2∶1 400 5.6 2.8 R4 3∶1 400 6.3 2.1 R5 1∶0 400 8.4 0.0 消化罐 厨余/牛粪 表1 厨余和牛粪的理化性质 Table1Thephysiochemicalcharacteristicsofkitchen residuesandcattlemanure 参数 厨余 牛粪 总固体/g·L-1 221.2 23.4 挥发性固体/g·L-1 172.1 13.8 pH值 3.6 7.0 挥发性有机酸/g·L-1 9.1 0.4 碳水化合物/% 46.9 25.7 蛋白质/% 11.5 29.8 脂肪/% 19.4 3.5 灰分/% 22.2 41.0 碱度(CaCO3)/mg·L-1 0 2683 有机碳/% 45.8 28.0 总氮/% 1.9 4.8 注:表中%为质量分数 李荣平,等 厨余和牛粪混合厌氧发酵产气性能试验研究 可再生能源 2008,26(2) ·66· 蛋白质、碳水化合物和挥发性脂肪酸的含量 (表 1),计算可得牛粪和厨余的理论甲烷产量(以挥发 性固体VS为基准,下同)分别为570,598ml/g,二 者相差不足5%。 1.4测定方法 采用气相色谱分析仪 (北京北分瑞利仪器公 司,SP-2100)分析 CO2和 CH4的含量,热导检测 器的载气为氢气。其中,检测器、进样器的温度和 柱温分别为150,150,120℃。采用滴定法测得挥 发性有机酸含量。采用凯氏定氮仪(KDN-2C,上 海嘉定纤检仪器厂)测定总氮含量,乘以系数6.25 折算得到蛋白质含量。以石油醚为抽提液,通过索 氏抽提并用差重法计算得出脂肪含量。碳水化合 物含量由蛋白质、脂肪、灰分和挥发性固体(VS) 计算所得。TS,VS,灰分,pH值和碱度等其他指标 均按照 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 方法[10]测得。 2 结果与讨论 2.1生物气产量及分析 R1～R5中物料的日产气量存在 1~3个产气 高峰(图1)。R2~R5在前2天内释放了大量的CO2 气体,随后进入产气停滞阶段。在牛粪的消化过程 中,在第3天产气量即高达500ml,随后日产气量 逐步减少,在第20天中止产气。R2和R3在第23 天左右中止产气,R4和R5产气分别持续到第30 天和第35天,并在第25天和第27天有1个小的 产气高峰出现。 经过35d的批式发酵,R1～R5中物料的累积 产气量由高到低依次为:R5(5680ml),R3(5095 ml),R4(5090ml),R2(4755ml),R1(2715ml)。它 们相应的VS的产气量分别为R5(583ml/g),R4 和 R3(513ml/g),R2(441ml/g),R1(232ml/g)。厨 余的累积产气量和单位质量VS的产气量明显高 于牛粪,是牛粪的2.1倍。混合消化的累积产气量 和单位质量VS的产气量也明显高于牛粪,但是 没有厨余高。这说明,厨余比例的升高是提高混合 消化产气量的主要原因之一。另外,厨余和牛粪混 合消化的协同作用也有助于提高产气量。 2.2甲烷产量及分析 2.2.1甲烷体积百分含量 根据产气中甲烷体积百分含量可判断出在消 化过程中占优势的是酸化反应还是甲烷化反应, 当甲烷化反应占优势时,甲烷含量一般等于或者 高于50%。在产气过程中,甲烷含量呈由低到高 的变化趋势,达到最高含量之后保持稳定,一直到 消化过程结束(图2)。 在消化初期,R1的甲烷化反应占明显优势, 在第4天甲烷含量便接近50%(图2),R5的甲烷 含量在第12天才达到 50%,延后了 8d。这是因 为在消化初始阶段,牛粪缓冲能力强,使系统保持 中性或偏碱性,有利于甲烷菌的生长繁殖,因此在 单独消化中,牛粪的甲烷化早于厨余。在混合消化 中,消化初期的甲烷含量随着牛粪在混合物中比 例的降低而减少,例如在消化的第10天,R2~R5 的 甲 烷 含 量 分 别 为 63.2%,59.3%,42.7%和 29.0%。但是,在混合消化后期,R2~R5的甲烷最 高含量介于72.0%～75.4%,比牛粪单独消化高出 14%~17%,这可能与 R2~R5中厨余含量高(厨余 中脂肪含量明显高于牛粪)有关,在相同质量下, 脂肪的理论甲烷产量是蛋白质的1.6倍,是碳水 化合物的2.4倍。因此,厨余单独消化和混合消化 图1 日产气量变化 Fig.1Thechangesofdailybiogasproduction 图2 生物气中甲烷含量 Fig.2Themethanecontentinbiogas ·67· 图3 R2,R3和R4的甲烷产量和生物转化效率实际值与 估计值的对比 Fig.3Comparisonofthemethaneyieldandthe biodegradationrateofR2,R3andR4betweenthe experimentalvalueandtheestimatedone 表3累积甲烷产量、理论及实际甲烷产量和生物转化效率 Table3Accumulativemethaneproduction,thetheoretical andpracticalmethaneyieldandbiodegradationrate 累积甲烷 理论甲烷产量 实际甲烷产量 生物转化效率 产量/ml Bu/ml·g-1 Bo/ml·g-1 Bo/Bu/% R1 1218 570 144.3 25.4 R2 2482 584 297.0 50.6 R3 2592 590 310.3 52.6 R4 2662 594 318.7 53.6 R5 3022 598 362.2 60.2 的甲烷含量达到稳定的时间虽然延后,但是消化 后期最高甲烷含量比牛粪高,这对于提高实际甲 烷产量有重要影响。 2.2.2甲烷产量 R1～R5中物料的累积甲烷产量、理论及实际 甲烷产量见表3。单独消化时,牛粪中每1gVS能 够产生144.3ml甲烷气体。当然,不同牛场的牛粪 的实际甲烷产量因饲料不同而有较大差别,IPCC 估计奶牛场牛粪的实际甲烷产量为 240ml/g[12]。 Moller在研究动物粪便厌氧消化产气性能时得到 牛粪的实际甲烷产量为148ml/g[9],与本试验比较 接近。 在厨余的单独消化中,每 1gVS能够产生 362.2ml甲烷气体,比牛粪高出1.5倍。牛粪的实 际甲烷产量低与它的C/N有关,一般认为,C/N介 于 15～25较为适宜[11],如果 C/N过低,则消化液 pH值上升,容易引起氨氮对甲烷菌的抑制。在本 试验中,牛粪的 C/N为 5.8,厨余的 C/N为 24.8。 因此,营养元素是否平衡是影响实际甲烷产量的 主要因素。 在混合消化中,随着厨余比例的增加,R2～R4 的 C/N分别提高到 15.3,18.5和 20.0,相应地实 际甲烷产量提高到了297.0,310.3,318.7ml/g。当 C/N为15～25时,实际甲烷产量与C/N具有很高 的相关性。这说明混合消化中的厨余有助于改善 C/N平衡,是提高实际甲烷产量的主要原因之一。 2.3生物转化效率 生物转化效率表示有机物转化生成甲烷的效 率,与实际甲烷产量呈正相关性。牛粪的生物转化 效率明显低于厨余(表3),这与它们的成分有关。 混合消化的生物转化效率均高于 50%,即有一半 以上的有机物可以转化生成甲烷气体。 混合消化的实际甲烷含量和生物转化效率随 厨余比例的升高而提高。这一方面是由于厨余具 有较佳的C/N和较高的实际甲烷产量,另一方面 可能是由于厨余和牛粪混合消化时具有一定的协 同作用。 为了评价混合消化的协同作用对发酵产气性 能的影响,根据单独消化时牛粪和厨余的实际甲 烷产量(分别为 144.3,362.2ml/g)以及混合消化 中厨余和牛粪的比例,计算混合消化(R2～R4)所 能得到的甲烷量。以R2为例,厨余和牛粪比例为 1∶1,则R2中由物料所产的甲烷量为253.3ml/g, 生物转化效率为42.8%,实际甲烷产量比计算值 高43.8ml/g,即提高了17.3%,实际生物转化效率 比计算值高了7.8%。由于去除了物料的影响,高 出的这部分甲烷产量和生物转化效率应当是混合 消化的协同作用产生的。按上述方法计算,结果发 现 R4,R5混合消化的甲烷产量及生物转化效率 的实际值均高于计算值。R2,R3,R4的实际甲烷 产量分别升高了17.3%,6.9%和3.6%,生物转化 效率分别提高了7.8%,3.9%和2.1%(图3)。这说 明牛粪和厨余混合消化不仅仅是2种有机物的简 单加和,而是相互促进,存在一定的协同作用。一 方面,牛粪有较强的缓冲能力,有利于维持适宜的 pH值;另一方面,厨余和牛粪混合物中的营养元 素比例得到均衡,促进了产气量的增长,明显提高 了厌氧消化效率。 2.4TS和VS去除率 生物气由微生物降解有机物转化而成,通过 厌氧消化,挥发性固体(VS)的浓度会相应下降, 李荣平,等 厨余和牛粪混合厌氧发酵产气性能试验研究 可再生能源 2008,26(2) ·68· 2008年华盛顿国际可再生能源 大会召开 2008年3月 4～6日,第 3次国际可再生能 源大会在华盛顿召开。这次大会是继2004年波 恩国际可再生能源大会和 2005年北京国际可 再生能源大会之后的又一次国际可再生能源大 会。会议主要是通过交流形成共识,进一步促进 全球可再生能源的发展。会议还举办了可再生 能源技术和设备展览活动,展示可再生能源技 术发展现状、基本特点和主要用途。BP,VOL- VO和VESTAS等知名能源企业以及各类可再 生能源技术咨询服务机构共500多家参加了展 览。我国对近年来能源和可再生能源的发展成 就、规划目标和政策 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 做了宣传。 摘自国家发改委能源局网站 并达到稳定化状态。R1~R5在批式厌氧发酵中的 VS去除率分别为 37.3%,54.2%,65.5%,66.1%和 73.4%。由于厨余容易降解,因此其VS去除率也 较高,牛粪的VS去除率只有37.3%。在相同负荷 率下,厨余在混合物中所占比例越高,有机物的可 降解程度也越高,这与相应的实际甲烷产量和生 物转化效率保持一致。 2.5消化时间 消化时间是指批式厌氧发酵产生的累积产气 量达到累积产气总量的80%所需要的时间[13]。R1 的消化时间为12d,R2~R5则随着厨余比例的提 高,消化时间增长,分别为18,19,23,27d。可见, 随着厨余比例的提高或者牛粪比例的降低,所需 消化时间越来越长,反之则越来越少。这是因为牛 粪比例的提高有助于提前甲烷化,缩短消化时间。 在混合消化中,加入 1/3比例的牛粪,使得 R3的 消化时间比R5缩短了8d,而生物转化效率只比 R5低7.6%,明显提高了厌氧消化的经济性。 3 结论 ①单独厌氧消化时,厨余的甲烷产量和生物 转化效率(362.2ml/g,60.2%)比牛粪高(144.3ml/g, 25.4%),分别是牛粪的2.1倍和2.3倍。 ②混合厌氧消化时,消化液的C/N得到改善, 缓冲能力增强,效果好于单独消化的加和。在厨余/ 牛粪为1∶1时,混合消化的协同作用最显著,对提 高甲烷产量和生物转化效率的贡献率分别为 17.3%和 7.8%,消化时间也缩短了 9d,这说明混 合消化是提高厌氧消化效率的有效途径。 参考文献: [1] 国家环境保护总局.环境服务业发展报告[EB/OL].http: //www.sepa.gov.cn/info/gw/huangfa/200608/ W02006082452572832642.pdf,2006-07-28. 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