蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵制沼氣的工藝條件研究

蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵制沼氣的工藝條件研究王艷飛;徐銳;史珊;代媛;梁高飛【摘要】文章以蔬菜廢棄物作為發(fā)酵原料，以長期馴化的豬糞和池塘污泥作為接種物,將發(fā)酵料液的總固體(TS)含量分別設置為8%,10%和12%,置于室溫和中溫(35°C)條件下進行厭氧發(fā)酵實驗，通過監(jiān)測發(fā)酵過程中的pH值、日產氣量和CH4含量的變化，研究蔬菜廢棄物在不同條件下的厭氧發(fā)酵產氣特性.研究結果表明:中溫條件下，以池塘污泥作為接種物時，發(fā)酵料液TS含量為12%的實驗組的日產氣量峰值和原料產氣率分別為1750mL和367.69mL/g,產氣效果優(yōu)于其它實驗組;在中溫條件下，以池塘污泥作為接種物時，發(fā)酵料液TS含量為10%的實驗組在穩(wěn)定期的CH4平均含量為80.55%,高于其它實驗組.【期刊名稱】《可再生能源》【年(卷)，期】2019(037)008【總頁數(shù)】6頁(P1107-1112)【關鍵詞】蔬菜廢棄物產甲烷原料產氣率;接種物【作者】王艷飛;徐銳;史珊;代媛;梁高飛【作者單位】云南師范大學高原湖泊生態(tài)與全球變化實驗室,云南昆明650500;云南師范大學高原湖泊生態(tài)與全球變化實驗室,云南昆明650500;云南師范大學高原湖泊生態(tài)與全球變化實驗室,云南昆明650500;云南師范大學高原湖泊生態(tài)與全球變化實驗室,云南昆明650500;云南師范大學高原湖泊生態(tài)與全球變化實驗室,云南昆明650500【正文語種】中文【中圖分類】TK6;S216.40引言自20世紀60年代以來，東南亞、南亞等國家經(jīng)濟快速發(fā)展，人們的生活水平有了很大的提高，但資源消耗量也大大增加，在經(jīng)濟發(fā)展過程中出現(xiàn)了環(huán)境污染、資源浪費等一系列問題。越南是世界上垃圾包袱比較重的國家，人均垃圾產量為440kg/a，1/4的城市不得不把垃圾運到鄉(xiāng)村進行填埋［1］。老撾的萬象市仍采用掩埋、焚燒等傳統(tǒng)的處理方式處理城市垃圾，垃圾處理設施也十分簡陋，使得垃圾隨處可見，產生了嚴重的環(huán)境污染問題［2］。泰國、菲律賓等國家生活污水和垃圾的隨意傾倒造成了水資源的污染。由于這些國家包括其他發(fā)展中國家對生活垃圾處理的重視度不夠，使得垃圾未及時處理或處理不善，從而造成了嚴重的環(huán)境污染。城市生活垃圾屬于混合垃圾，垃圾成分復雜，其中含有大量的蔬菜廢棄物，而蔬菜廢棄物的含水率為75.00%~94.80%，全氮(TN)含量為2.02%~5.69%，全磷(TP)含量為0.29%~3.25%，全鉀(TK)含量為0.49%~5.37%，碳氮比(C/N)值為8.27~22.35，因此，蔬菜廢棄物適合進行厭氧發(fā)酵處理［3］。改革開放以來，隨著我國產業(yè)結構的調整以及〃菜籃子”工程的實施，云南省的蔬菜產業(yè)得到了突飛猛進的發(fā)展。近年來，云南省利用西部大開發(fā)機遇，大力發(fā)展高原特色農業(yè)，使得蔬菜產業(yè)成為云南省的優(yōu)勢特色產業(yè)。但是，在蔬菜產業(yè)的發(fā)展過程中也出現(xiàn)了許多問題，如蔬菜的農藥殘留超標、蔬菜品質低、蔬菜廢棄物污染環(huán)境等［4］。2016年中央一號文件明確提出實施農業(yè)廢棄物資源化利用的支持政策，《關于推進農業(yè)廢棄物資源化利用試點的方案》指出，要在全國范圍內開展農業(yè)廢棄物資源化利用試點工作。另外，根據(jù)我國各地區(qū)溫度和沼氣發(fā)酵原料的適宜性分析可知，云南省屬于最適宜發(fā)展沼氣產業(yè)的地區(qū)，因此，蔬菜廢棄物厭氧處理可以成為云南省沼氣生產的重要手段［5］。厭氧消化是有機廢棄物能源化利用的一種重要技術手段，可在處理有機廢棄物的同時產生清潔能源，對解決環(huán)境污染問題有重要意義［6］。韓文彪［7］對污水處理廠剩余污泥和生活垃圾以不同配比厭氧發(fā)酵進行了研究，研究結果表明，當剩余污泥與生活垃圾的TS比為1:4時，厭氧發(fā)酵的效果最好。劉厚榮［8］利用廢棄的甘藍菜進行厭氧發(fā)酵，研究了溫度對甘藍菜厭氧發(fā)酵產氣特性的影響，研究結果表明，在中溫條件下，甘藍菜厭氧發(fā)酵的產氣量與甲烷含量均較高。劉芳［9］測定了蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵過程中的產氣量、甲烷含量和pH值等指標，發(fā)現(xiàn)廢棄蔬菜葉與豬糞混合發(fā)酵時的產氣性能比單一物料發(fā)酵時更好。本文研究了溫度、接種物以及發(fā)酵料液濃度對蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵產沼氣特性的影響，從而為指導大中型沼氣工程規(guī)?；幚硎卟思庸U棄物提供理論依據(jù)。此外，南亞等國家普遍面臨石油對外依存度高、電力短缺、節(jié)能減排壓力大等問題，進行區(qū)域能源合作是解決上述問題的重要手段［10］,本文的研究也將為雙邊技術交流、經(jīng)驗交流提供理論支持。1材料與方法1.1實驗材料實驗所用發(fā)酵原料為吳家營菜市場廢棄的蔬菜葉（甘藍菜、大白菜和青菜按照4:3:2的質量比進行配比），將收集的蔬菜葉進行簡單分揀，用刀切至2-4cm,然后用攪碎機將其粉碎至30目，置于4°C的冰箱中儲存?zhèn)溆?。發(fā)酵原料的理化性質見表1。表1發(fā)酵原料的理化特性Table1PhysicalandchemicalcharacteristicsoffeedstockTS含量/%16.01±0.14VS含量/%90.58±0.15含水率/%83.99±0.14總糖/g0.33±0.20還原糖/g0.57±0.11纖維素/g0.23±0.13本研究所采用的接種物分別為池塘污泥和用菜葉原料長期馴化過的豬糞，池塘污泥取自學校周邊池塘，其總固體（TS）含量為23.83%±0.10%，揮發(fā)性固體（VS）含量為16.75%±0.11%，含水率為76.17%±0.10%；豬糞取自實驗室發(fā)酵罐，TS含量為16.75%±0.08%，VS含量為76.65%±0.13%，含水率為83.25%±0.08%。1.2實驗裝置圖1為本實驗所用的自行設計的批式厭氧發(fā)酵裝置。該裝置主要由1000mL的發(fā)酵瓶、集氣瓶、量筒和控溫裝置組成。圖1厭氧發(fā)酵實驗裝置Fig.1Thepracticalityequipmentofanaerobicfermentation1-控溫儀；2-交流接觸器；3-水槽；4-電熱管；5-熱電偶；6-循環(huán)水泵；7-發(fā)酵瓶；8-取氣口；9-取液口；10-玻璃三通；11-集氣瓶；12-量筒在實驗開始之前，對該裝置進行檢漏，保證實驗過程的嚴格厭氧環(huán)境。在發(fā)酵瓶中加入原料和接種物后，將發(fā)酵瓶密封，然后分別置于恒溫水浴中和實驗室室內環(huán)境中。發(fā)酵原料在發(fā)酵瓶中厭氧發(fā)酵，消化過程中產生的氣體通過橡膠管進入集氣瓶中，通過排水法測定產氣量。發(fā)酵瓶口設置兩個采樣口，分別是取氣口和取液口。1.3實驗設計本文將發(fā)酵溫度設置為常溫和中溫（35±1°C），發(fā)酵料液的TS含量分別為8%,10%和12%，接種物分別為池塘污泥和長期馴化的豬糞，以蔬菜廢棄物為發(fā)酵原料，在實驗室自行設置的發(fā)酵罐中進行厭氧發(fā)酵，共有8個實驗組，每組實驗重復3次，結果取平均值，實驗設計見表2。常溫實驗組的發(fā)酵裝置直接置于實驗室內，沒有任何控溫措施，實驗開始后，每天通過溫度計記錄室內環(huán)境的溫度，在發(fā)酵期間的室內平均溫度為25±2C；中溫實驗組的發(fā)酵裝置置于恒溫水浴中，將其溫度設定為35±1C。表2實驗設計Table2Experimentaldesign接種物溫度組別濃度常溫豬糞中溫%881012常溫池塘污泥中溫A1A2A3A4B1B2B3B4881012蔬菜用量g7474124174212171121接種物用量/g120120120120120120120120總反應體積/mL400400400400400400400400實驗采用一次進料，發(fā)酵方式為批量發(fā)酵，接種物的接種量為30%，通過加水調節(jié)發(fā)酵料液的TS含量分別為8%，10%和12%，每天攪拌1次，振蕩速度為70r/min。每4d采一次液樣用于檢測發(fā)酵液的pH值；產氣量通過排水法測定；沼氣中的CH4和CO2成分通過GC9790H型氣相色譜儀進行檢測，每2d測一次。實驗過程中的發(fā)酵原料和接種物的用量通過式（1）進行計算。式中：W0為發(fā)酵料液的體積，本文設置為400mL;C0為發(fā)酵料液的TS含量，%;W1和W2分別為發(fā)酵原料和接種物的添加量，g；C1和C2分別為發(fā)酵原料和接種物的TS含量，％。2結果分析2.1pH值圖2為各實驗組的pH值變化情況。從圖2可以看出，各實驗組的pH值在產氣初期波動較大，隨著發(fā)酵時間的逐漸延長，各實驗組的pH值均趨于穩(wěn)定。在發(fā)酵的第5天，實驗組B1的pH值下降至5.73，實驗組B3,A4和B4的pH值均在發(fā)酵的第10天下降至最低，分別為5.86,5.94和5.81,其它實驗組的pH值在發(fā)酵初期雖有所下降，但均高于6.0。發(fā)酵后期，實驗組B1,A1和A4的pH值基本穩(wěn)定在6.0-6.5，其它實驗組的pH值呈上升趨勢并最終穩(wěn)定在7.5~8.5。圖2各實驗組pH值的變化情況Fig.2ThepHvariationofeachexperimentalgroup2.2產氣情況分析圖3,4分別為以長期馴化的豬糞和池塘污泥為接種物時，蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵過程中日產氣量的變化情況。由圖3可以看出：在發(fā)酵的第5天，實驗組A1的產氣量達到最高峰110mL,之后產氣量逐漸下降并一直維持在60mL以下，在發(fā)酵的第20天停止產氣；在發(fā)酵的第2天，實驗組A2達到產氣高峰，峰值為950mL，之后日產氣量有所下降，在產氣的第8天，實驗組A2的產氣量降至最低，由圖2可以看出，此時實驗組A2的pH值下降，系統(tǒng)處于酸化狀態(tài)，破壞了產氣反應的進行，產氣量減少;之后的產氣量有所回升，并且持續(xù)較長時間，說明此時系統(tǒng)進入甲烷化階段，產氣量有所增加［11］。實驗組A4的日產氣量變化趨勢與實驗組A2大致相同，均在發(fā)酵的第2天達到產氣高峰，峰值為1140mL，之后日產氣量下降至，在第5天有所回升，之后一直維持在150mL以下，發(fā)酵進行到第40天后停止產氣。在實驗剛開始階段，實驗組A3的產氣量很少，直到發(fā)酵的第5天，實驗組A3的產氣量才迅速增加，并在第12天達到產氣高峰，峰值為1200mL，在之后的10d里一直維持較高的產氣量，持續(xù)產氣能力強于實驗組A2和A4。圖3以長期馴化的豬糞作為接種物時，各實驗組日產氣量的變化情況Fig.3Thebiogasproductionofeachexperimentalgroupwithpigmanureastheinoculant圖4以池塘污泥作為接種物時，各實驗組日產氣量的變化情況Fig.4Thebiogasproductionofeachexperimentalgroupwithpondsludgeastheinoculation由圖4可以看出：在整個發(fā)酵過程中，實驗組B1的日產氣量均小于其他實驗組，產氣高峰出現(xiàn)在第22天，峰值為90mL，之后停止產氣；實驗組B2在發(fā)酵的前10天產氣較好，并在第7天達到產氣高峰，峰值為260mL，之后日產氣量逐漸下降，并在第22天停止產氣；實驗組B3和B4啟動較快，其中，實驗組B4在第2天達到產氣高峰，峰值為1750mL，在發(fā)酵的第3天之后，兩個實驗組的日產氣量均呈下降趨勢，且實驗組B3在發(fā)酵至第5天時系統(tǒng)酸化，停止產氣，直到第10天，兩個實驗組的日產氣量才有所回升，并且實驗組B3在第23天達到產氣高峰，峰值為580mL。2.3CH4含量變化分析以長期馴化的豬糞和池塘污泥為接種物時，蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵過程中CH4含量的變化情況分別如圖5,6所示。圖5以長期馴化的豬糞作為接種物時，各實驗組甲烷含量的變化情況Fig.5TheCH4productionofeachexperimentalgroupwithpigmanureastheinoculant圖6以池塘污泥作為接種物時，各實驗組甲烷含量的變化情況Fig.6TheCH4productionofeachexperimentalgroupwithpondsludgeastheinoculation由圖5可以看出，隨著發(fā)酵時間的延長，各實驗組的CH4含量均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，第7天之后各實驗組的CH4含量相繼達到第一個高峰，此時各實驗組均進入了甲烷化階段，到了發(fā)酵后期，各實驗組的CH4含量均相對穩(wěn)定。在發(fā)酵的第13天，實驗組A1的CH4含量達到最高峰，峰值為26.35%，之后一直維持在10%左右；在發(fā)酵的第22天，實驗組A2的CH4含量達到最高峰，峰值為61.71%，之后CH4含量下降并維持在43%左右；在發(fā)酵的第8天，實驗組A3的CH4含量達到最高峰，峰值為58.81%，之后CH4含量下降，發(fā)酵至第10天，CH4的含量逐漸下降至26.82%，之后一直維持在20%一30%;從發(fā)酵的第7天之后，實驗組A4的CH4含量一直呈上升趨勢，并在第31天達到最高峰，峰值為77.46%，之后一直維持在該水平上下波動。由圖5可以看出，各實驗組在發(fā)酵的第20天之后進入到穩(wěn)定產CH4階段，實驗組A1，A2,A3和A4在穩(wěn)定階段的CH4平均含量分別為10.21%，43.92%，21.87%和66.93%。由圖6可以看出，在發(fā)酵的前10d，實驗組B1的CH4含量較低，一直維持在10%以下，之后呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，并在第18天達到最高峰，峰值為78.76%，之后CH4含量有所下降并一直保持在47%以上；在發(fā)酵的前20d，實驗組B2，B3和B4的CH4含量均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，在達到最高峰后，CH4含量逐漸下降。實驗組B2的CH4含量在發(fā)酵的第14天之后一直維持在30%左右；實驗組B3的CH4含量在第18天達到最高峰，峰值為90.17%，之后CH4含量一直維持在78%左右；實驗組B4的CH4含量在發(fā)酵的第18天達到最高峰，峰值為79.94%，之后緩慢下降，最后維持在30%左右。各實驗組均在第20天之后進入穩(wěn)定產CH4階段，實驗組B1，B2,B3和B4在穩(wěn)定期的CH4平均含量分別為53.01%，31.32%，80.55%，41.12%。2.4各實驗組的原料產氣率原料產氣率是單位原料在一定條件下的產氣量，是衡量原料分解程度的一個重要指標。由于溫度、底物、水力滯留時間等因素的影響，同一原料在不同條件下的原料產氣率會有所差異［12］。表3為蔬菜廢棄物在不同厭氧發(fā)酵條件下的產氣率。由表3可以看出：以長期馴化的豬糞作為接種物時，實驗組A1，A2,A3和A4的原料產氣率分別為26.75,190.76,222.18,125.84mL/g，即A3>A2>A4>A1;以池塘污泥作為接種物時，實驗組B1,B2,B3和B4的原料產氣率分別為89.72,175.48,240.68,367.69mL/g，即B4>B3>B2>B1。在厭氧發(fā)酵過程中，增加發(fā)酵料液的TS含量能夠提高產氣量，但是，在中溫條件下，以長期馴化的豬糞作為接種物的實驗組中，料液TS含量為12%的實驗組A4的原料產氣率小于料液TS含量為10%的實驗組A3的原料產氣率，這是因為料液TS含量過高時，原料不能被充分利用。從表3還可以看出，無論是以長期馴化的豬糞作為接種物，還是以池塘污泥作為接種物，當發(fā)酵料液TS含量均為8%時，中溫（35°C）發(fā)酵的原料產氣率均高于常溫發(fā)酵，其中，實驗組A2的原料產氣率是實驗組A1的85.98%，實驗組B2的原料產氣率是實驗組B1的48.87%。接種物中含有大量的微生物，在厭氧消化過程中其菌種數(shù)量的多少和質量的優(yōu)劣直接影響著厭氧發(fā)酵的速度，加入適量的接種物可以加快發(fā)酵啟動速度，加速原料的分解［13］。從表3可以看出，在相同條件下，分別以長期馴化的豬糞和池塘污泥作為接種物時，實驗組A2的原料產氣率高于實驗組B2的原料產氣率，實驗組A1，A3和A4的原料產氣率均低于實驗組B1，B3和B4的原料產氣率，說明以池塘污泥作為接種物時，蔬菜廢棄物的分解效果較好。表3各實驗組的原料產氣率Table3GasproductionrateofrawmaterialsineachexperimentalgroupmL/g組別原料產氣率A126.75A2190.76A3222.18A4125.84B189.72B2175.48B3240.68B4367.693結論在中溫條件下，對蔬菜廢棄物進行厭氧發(fā)酵實驗，當以馴化過的豬糞作為接種物時，發(fā)酵料液TS含量為10%的實驗組的日產氣量峰值和原料產氣率分別為1200mL和222.18mL/g，均高于發(fā)酵料液TS含量分別為8%和12%的實驗組；當以池塘污泥作為接種物時，發(fā)酵料液TS含量為12%的實驗組的日產氣量峰值和原料產氣率分別為1750mL和367.69mL/g，均高于發(fā)酵料液TS含量分別為8%和10%的實驗組。對比各實驗組在穩(wěn)定期的CH4含量平均值，在中溫條件下，以池塘污泥作為接種物時，發(fā)酵料液TS含量為10%的實驗組的CH4平均含量為80.55%