餐廚垃圾厭氧消化反應條件的優(yōu)化試驗

北京化工大學第七屆“萌芽杯”參賽作品作品名稱餐廚垃圾厭氧消化反應條件的優(yōu)化試驗作品類別A類學院名稱化學工程學院負責人姓名崔世博導師姓名劉廣青副研究員餐廚垃圾厭氧消化反應條件的優(yōu)化試驗崔世博姜坤封燁雍維摘要：本文通過對北京化工大學北區(qū)食堂進行調(diào)研，初步確定其餐廚垃圾的產(chǎn)量及組成，結(jié)合送樣檢測與試驗測定，得到餐廚垃圾具體的理化指標；采用正交試驗對批式厭氧消化的三個反應條件（A:初始pH值，B:KW負荷，C:接種物MLVSS）進行優(yōu)化，結(jié)果表明：三者對產(chǎn)氣的影響高度顯著，影響主次順序為C＞B＞A，最佳反應條件為A＝8.1，B＝10gVS/L，C＝17.9g/L；不同堿性物質(zhì)（Na2CO3和NaOH）調(diào)節(jié)初始pH值試驗表明，相同初始pH值情況下，投加Na2CO3比NaOH更利于厭氧消化產(chǎn)沼氣。關(guān)鍵詞：餐廚垃圾;厭氧消化;正交試驗AnOptimizingExperimentonFoodWasteAnaerobicDigestionReactionConditionCUIShi-boJIANGKunFENGYeYONGWeiAbstract:ThroughdoingresearchonthecafeteriaofBeijingUniversityofChemicalTechnologyChangpingCampus,thisarticleinvestigatedtheconstituentandproductivityofthewastefood.Combingwiththesampletestandexperimentalassay,theauthorgotspecificphysiochemicalindexofthewastefood;thearticleusedthethreereactionconditionsoftheorthogonalexperiment,andthebatchtypeanaerobicdigestiontooptimizethewastefood(A:initialpHvalue,B:KWload,C:theinoculumsMLVSS).Theresultindicatedthat:Theinfluenceofthesethreeelementstoproducegasishighlysignificant.TheinfluencesignificanceisC>B>A,optimumreactionconditionsareA=8.1,B=10gVS/L,C=17.9g/L;adjustingtheinitialpHexperimentofdifferentalkalisubstances(Na2CO3andNaOH)showsthatontheconditionofthesameinitialPH,Na2CO3ismorelikelytoproducetheanaerobicdigestionthanNaOH.Keywords：Foodwaste；Anaerobicdigestion；Orthogonalexperiment符號說明TStotalsolids總固體VSvolatilesolids揮發(fā)性固體MLSSmixedliquorsuspendedsolids混合液懸浮固體濃度MLVSSmixedliquorvolatilesuspendedsolids混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度KWkitchenwaste餐廚垃圾目錄1前言………………………12實地調(diào)研…………………13厭氧消化反應條件優(yōu)化研究……………23.1材料與方法……………………23.1.1試驗原料………………23.1.2試驗裝置………………33.1.3試驗設(shè)計………………33.1.4測定項目及方法………43.2結(jié)果與分析……………………43.2.1正交試驗分析…………43.2.2初始pH值調(diào)節(jié)試驗分析……………84結(jié)論………………………105后續(xù)試驗…………………106參考文獻…………………107致謝………………………111、前言餐廚垃圾又稱廚余或泔腳廢棄物，是人們?nèi)粘Ｉ钕M過程中必然產(chǎn)生的一種極易腐爛變質(zhì)的剩飯、剩菜。主要產(chǎn)生于居民日常生活、各種酒店餐館、高校及企事業(yè)食堂，其主要成分包括淀粉類（米飯、面食類殘余物）、食物纖維類（蔬菜、果皮）、動物脂肪類（肉類）和一些難于消化的物質(zhì)（骨頭、塑料杯）等，具有高水分、高油脂、高鹽分以及易腐發(fā)臭、易生物降解等特點。隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和城市化進程的加快，我國的城市生活垃圾的產(chǎn)生量迅速增加，而且城市生活垃圾中含水率高、易腐熟的餐廚垃圾的含量越來越高。據(jù)調(diào)查，全國幾個大城市的餐廚垃圾平均含量達到52.6%。餐廚垃圾的產(chǎn)生量已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢，我國每年餐廚垃圾的產(chǎn)量已經(jīng)達到9000萬噸，北京、上海、廣州等大城市的餐廚垃圾日產(chǎn)量均超過1000噸。以北京市為例，據(jù)業(yè)內(nèi)人士測算，全市每天產(chǎn)生的餐廚垃圾有1700噸左右。目前世界上任何一個城市都面臨著垃圾處理的問題，餐廚垃圾的產(chǎn)生和處理也是當前需要解決的一大難題。餐廚垃圾的厭氧消化工藝來自于工業(yè)污水、污泥的厭氧處理技術(shù)，是一種較成熟的應用技術(shù)。近些年來，以餐廚垃圾為原料的厭氧消化在國內(nèi)外常見報道。餐廚垃圾厭氧消化的優(yōu)點在于厭氧微生物的高有機負荷承受能力，全封閉的生物反應器減少了處理過程對環(huán)境的二次污染，在處理廢棄物的同時還能回收生物質(zhì)能(氫氣、甲烷)，這對于環(huán)境的保護、能源的節(jié)約，具有重要的現(xiàn)實意義。本文通過實地調(diào)研與試驗，對北京化工大學北校區(qū)食堂產(chǎn)生的餐廚垃圾進行了分析與研究，以期為餐廚垃圾的規(guī)?；幚硖峁┮欢ǖ膶嵺`經(jīng)驗與數(shù)據(jù)支持。2、實地調(diào)研北京化工大學總體占地面積1052畝，建筑面積約60萬平方米。擁有現(xiàn)代化的圖書館、教學大樓、田徑場、大學生活動中心和一批裝備先進的教學、科研實驗室。北校區(qū)位于昌平區(qū)內(nèi)，是教師及大一、大二學生共同學習的地方。對北校區(qū)餐廚垃圾產(chǎn)生狀況進行調(diào)研，結(jié)果顯示北校區(qū)共有師生6500余人，共5個食堂，包括一樓食堂、二樓食圖1北區(qū)餐廚垃圾運具及堆放實物圖堂、三樓風味食堂、清真食堂和“瑪麗”西餐廳。一樓食堂日產(chǎn)餐廚垃圾4桶，共400斤；二樓食堂日產(chǎn)餐廚垃圾4桶，共400斤；三樓風味食堂日產(chǎn)餐廚垃圾4桶，共400斤；清真食堂和“瑪麗”西餐廳日產(chǎn)餐廚垃圾各3桶，共600斤。再加上加工食品所剩余的果蔬廢棄物200斤，整個北區(qū)食堂日產(chǎn)餐廚垃圾約1噸，其基本組成包括：米飯、饅頭、蔬菜、骨頭、雞蛋皮等。所產(chǎn)生的垃圾每天集中裝桶，傍晚時分由昌平區(qū)環(huán)境衛(wèi)生管理處派遣專門人員清理后運走，運走后處理情況不詳。3、厭氧消化反應條件優(yōu)化研究3.1材料與方法3.1.1試驗原料餐廚垃圾取自北京化工大學北校區(qū)食堂，選取一周內(nèi)每天午餐后的廚余進行取樣，基本是在每餐飯后半小時內(nèi)，在食堂的廚余回收桶里攪拌均勻并進行取樣，經(jīng)過人為地分揀，剔除骨頭、餐巾紙、塑料袋、筷子等雜物后，運到實驗室用食物粉碎機將其粉碎至粒狀，攪拌均勻，置于燒杯中待用。接種污泥取自北京市小紅門污水處理廠，取來的污泥經(jīng)過過濾濃縮后密封放置于4℃的冰箱中保存，接種前在室溫下放置約一個月，其基本喪失了獨立產(chǎn)氣能力。餐廚垃圾和接種污泥的理化性質(zhì)見表1。表1餐廚垃圾和接種污泥的理化性質(zhì)項目餐廚垃圾接種污泥TS（%）17.644.91VS（%）16.442.78VS/TS（%） 93.2056.62MLSS（g/L）MLVSS（g/L）——45.025.0pH4.757.16密度（g/mL）1.0640.961有機碳*（%）54.1—凱氏氮*（%）2.25—粗脂肪*（%）25.82—粗纖維*（%）7.5—粗蛋白（%）14.1可溶性總糖*（%）29.7—全鹽*（%）4.21—注：帶有“*”的項目由北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所測定，測試樣本為干樣。3.1.2試驗裝置批式厭氧消化系統(tǒng)由12個1L的藍蓋瓶組成，通過壓力計測定壓力變化來計算每日產(chǎn)氣量。試驗采用中溫厭氧消化，反應器放置于（35±1）℃的恒溫箱中，每日手動搖晃反應器2-3次，使反應液得到混合。圖2批式試驗反應裝置3.1.3試驗設(shè)計①通過正交試驗對初始pH值、接種物濃度（以MLVSS計）和KW負荷三個反應因素進行優(yōu)化，以確定最佳的反應條件組合。試驗選用L9（34）正交表格，共進行9次試驗。反應體積為350mL，用NaOH做pH調(diào)節(jié)劑，反應時間為30天，不考慮交互作用。②采用不同的堿性物質(zhì)（NaOH和Na2CO3）對初始pH值進行調(diào)節(jié)，比較其厭氧消化產(chǎn)氣性能的差異。表2正交試驗設(shè)計列號試驗號1初始pH2KW負荷，gVS/L3接種物MLVSS，g/L1234567897.17.17.18.18.18.19.19.19.11015201015201015203.610.717.910.717.93.617.93.610.7表3初始pH值調(diào)節(jié)試驗設(shè)計堿性物質(zhì)類別初始pHKW負荷，gVS/L接種物MLVSS，g/LNaOH(2#)7.11510.7NaOH(4#)8.11010.7NaOH(9#)9.12010.7Na2CO37.1(2#對)1510.7Na2CO38.1（4#對）1010.7Na2CO39.1（9#對）2010.73.1.4測定項目及方法物料的總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、MLSS，MLVSS均按照標準方法測定；pH值通過METTLER-TOLEDO實驗室pH計（FE20）進行測定；氣體產(chǎn)量經(jīng)由壓力計（WAL-BMP-Testsystem，Type3151，Wal，Germany）測定壓力后換算而得（換算后的氣體產(chǎn)量為標況下的氣體產(chǎn)量）；氣體成分通過氣相色譜分析儀（美國Agilent公司，GC-7890A）進行分析，熱導檢測器的載氣為氦氣，其中檢測器、進樣器的溫度和柱溫分別為150℃,150℃和120℃；其他數(shù)據(jù)由北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所測定。3.2結(jié)果與分析3.2.1正交試驗分析正交表及數(shù)據(jù)處理見表4（Mij表示第j列中與水平i對應的各次實驗結(jié)果的總和）。表4正交試驗分析表所在列1234因素初始pH負荷gVS/L接種物濃度g/L空列氣體產(chǎn)量mL/gVS試驗11(7.1)1(10)1(3.6)168.64試驗212(15)2(10.7)2140.17試驗313(20)3(17.9)3165.83試驗42(8.1)123288.62試驗52231331.45試驗6231256.31試驗73(9.1)132314.50試驗8321364.34試驗93321121.44M1jM2jM3jRj374.65676.37500.28301.73671.76635.96343.58328.19189.29550.23811.78622.49521.53510.98518.792.74T=1551.30極差分析：對于因素pH：M21>M31>M11，所以水平2（PH=8.1）為pH因素的優(yōu)水平；對于因素KW負荷：M21>M22>M23，所以水平1（負荷為10gVS/L）為VS因素的優(yōu)水平；對于因素接種物濃度：M33>M32>M31，所以水平3（接種物濃度17.9g/L）為MLVSS因素的優(yōu)水平。所以，此正交試驗的最佳組合為pH=8.1，KW負荷=10gVS/L，接種物MLVSS=17.9g/L。而在本次試驗中，未涉及到最優(yōu)水平的組合，故可在后續(xù)試驗中，做幾組由最優(yōu)水平組成的試驗，與本次試驗的最佳產(chǎn)氣（5號反應器）進行比較。 根據(jù)R3>R2>R1可知，對產(chǎn)氣量的影響的主次順序為：接種物MLVSS＞KW負荷＞初始pH值。效應曲線圖分析：以每個因素的三個水平代表的實際狀態(tài)為橫坐標，以與這三個水平值對應的實驗結(jié)果的平均值Mij為縱坐標求得三個點，并以這三個點順序連成一條折線，見圖3。對于初始pH：從趨勢圖上看到8.1接近PH因素的最佳狀態(tài)；對于接種物濃度：趨勢圖接近逐漸上升的一條直線，一個合理的猜測是，如果接種物濃度繼續(xù)增加，產(chǎn)氣量可能還會升高，故后續(xù)試驗還應增加接種物濃度；對于KW負荷:趨勢圖上是逐步下降的，表示負荷越小，產(chǎn)氣量大，一個合理的猜想：如果負荷繼續(xù)降低，產(chǎn)氣水平還會升高，故在后續(xù)試驗還應減小負荷。圖3效應曲線圖方差分析：由方差分析表（表5）可知，在α=0.01的水平下，三個因素對本試驗的結(jié)果均極為顯著，因此在試驗中必須嚴格控制這些反應條件。表5方差分析表變異來源平方和自由度均方F值臨界值Fa顯著性pH15314.44327657.222765.9613F0.01（2,4）=39.00**VS18129.10629064.553906.7384F0.05(2,4)=19.00**S65131.185232565.593257.576F0.10(2,4)=9.00**誤差e19.99375629.996878總和98594.728④反應過程分析：各反應器日產(chǎn)氣量及累計產(chǎn)氣量見圖4和圖5，由圖可知，5#、7#為試驗開始時產(chǎn)氣迅速，表明菌群在前期很快就能生存，繁衍，并產(chǎn)氣；這兩組試驗開始產(chǎn)氣效率高，在15天左右時產(chǎn)氣趨于飽和；有較好的產(chǎn)氣性能。 對于4#開始反應較慢，說明該條件下，菌群開始生存繁衍較慢，但其后期產(chǎn)氣量迅速增加。 大部分實驗在實驗條件下，都會經(jīng)歷一段時間不產(chǎn)氣時期，期間包括各種產(chǎn)酸菌的消化作用，產(chǎn)生酸，抑制產(chǎn)氣細菌的活性，對于1#、6#、8#（這三組接種物濃度均為3.6g/L）后期基本不產(chǎn)氣，說明接種物濃度過低明顯會影響產(chǎn)氣的量及速率；對于2#、、3#、9#、在試驗后期均有一個產(chǎn)氣的小高峰。圖4日產(chǎn)氣量隨時間變化情況圖5累計產(chǎn)氣量隨時間變化情況pH值是衡量反應穩(wěn)定性的一個重要指標，由圖6可知，當接種物濃度均為3.6g/L時（圖中1,6,8號反應器），其出料pH值均小于6，反應已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。氣體成分分析顯示（圖7），1,6,8號反應器內(nèi)甲烷含量均小于50%，反應未進入到甲烷化階段。綜合可知，雖然三個因素對產(chǎn)氣的影響均非常顯著，但接種物濃度的影響要明顯高于其他兩個因素。圖6各反應器內(nèi)pH值變化情況圖7反應后期各反應器內(nèi)甲烷含量3.2.2初始pH值調(diào)節(jié)試驗分析兩種堿性物質(zhì)（Na2CO3和NaOH）調(diào)節(jié)初始pH值產(chǎn)氣情況見圖8。在初始pH值分別為7.1，8.1和9.1的情況下，用Na2CO3調(diào)節(jié)其累積沼氣產(chǎn)率比用NaOH調(diào)節(jié)分別提高9.5%，7.4%和39.4%?？赡艿脑蛟谟贜a2CO3為強堿弱酸鹽,在相同的pH值情況下，Na2CO3的加入量要多于NaOH；Na2CO3與酸反應可生成NaHCO3，其加入可大大提高反應體系的堿度，增強緩沖能力，使得厭氧消化可以在適當?shù)膒H下進行，故而產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率都相應比較快。圖8不同堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)初始pH值產(chǎn)氣對比4、結(jié)論①餐廚垃圾的批式厭氧消化正交試驗表明：初始pH值、KW負荷、接種物MLVSS對產(chǎn)氣的影響高度顯著，影響的主次順序為接種物MLVSS＞KW負荷＞初始pH值，在試驗中應嚴格控制這些反應條件；本試驗最佳反應條件為初始pH值＝8.1，接種物MLVSS＝17.9g/L，KW負荷＝10gVS/L。②不同的堿性物質(zhì)（NaOH和Na2CO3）調(diào)節(jié)初始pH值試驗表明：相同初始pH值情況下，Na2CO3調(diào)節(jié)比NaOH調(diào)節(jié)更利于厭氧消化產(chǎn)沼氣。后續(xù)試驗①正交試驗部分，需在pH值＝8.1，接種物MLVSS＝17.9g/L，廚余負荷＝10gVS/L的情況下進行驗證，與試驗中最大產(chǎn)氣率331.5mL/gVS(5號反應器)進行比較；繼續(xù)研究接種物濃度和KW負荷對厭氧產(chǎn)氣的影響，初始pH不變，比較更高接種物濃度（如MLVSS=25g/L，30g/L），更低KW負荷（如負荷=5gVS/L）對厭氧產(chǎn)氣的影響。②不同堿性物質(zhì)試驗部分，采用更多的堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)初始pH值，同時監(jiān)測反應前后的堿度變化情況，分析堿性物質(zhì)提高厭氧產(chǎn)氣原理。6、參考文獻：[1]王星，王德漢，李俊飛等.餐廚垃圾的厭氧消化技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].中國沼氣，2006，24（2）：35-39.[2]張波，蔡偉民，何品晶.pH調(diào)節(jié)方法對廚余垃圾兩