餐廚垃圾特性及其厭氧消化性能研究 - 李榮平-

1、·76·可再生能源Renewable Energy Resources第28卷第1期2010年2月Vol.28No.1Feb.2010餐廚垃圾俗稱泔水,是指賓館、飯店、餐館和機關(guān)、院校、企事業(yè)單位在食品加工、餐飲服務(wù)、單位供餐等活動過程中產(chǎn)生的廢棄物。餐廚垃圾含有豐富的有機物和營養(yǎng)元素,含水率高、易腐爛、容易產(chǎn)生臭氣和污水等,如果不能及時處置,將對周圍的環(huán)境衛(wèi)生造成嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)的餐廚垃圾處置方法有直接填埋、作豬飼料、堆肥等1。直接填埋處置的方法存在明顯不足,如產(chǎn)生溫室氣體、滲濾液等。隨著中華人民共和國動物防疫法的頒布實施,餐廚垃圾直接用作豬飼料的方法也受到了限制;而餐廚垃

2、圾由于含水率和含鹽量高,堆肥過程中的通風(fēng)條件和微生物生長受到影響,堆收稿日期:2009-09-09?；痦椖?國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2008AA062401。作者簡介:李榮平(1978,女,博士,主要從事固廢資源化利用研究。E-mail : 通訊作者:龐云芝(1965-,女,講師,主要從事環(huán)保技術(shù)與設(shè)備開發(fā)工作。E-mail :xjli餐廚垃圾特性及其厭氧消化性能研究李榮平1,2,葛亞軍1,王奎升2,李秀金2,龐云芝2(1.北京市環(huán)境衛(wèi)生設(shè)計科學(xué)研究所,北京100028;2.北京化工大學(xué)資源與環(huán)境研究中心,北京100029摘要:以校園餐廚垃圾為原料,分析

3、測定了早餐、午餐和晚餐餐廚垃圾的總固體(TS 、揮發(fā)性固體(VS 、碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪含量以及無機鹽離子濃度,并通過批式厭氧發(fā)酵試驗對3種餐廚垃圾的厭氧消化性能進行了對比研究。結(jié)果表明,早餐餐廚垃圾特性與午餐/晚餐餐廚垃圾差異較大,Na +,Ca 2+和Cl -含量高于后兩者。餐廚垃圾不同特性對其厭氧消化產(chǎn)氣及有機物去除率都有一定影響,早餐、午餐和晚餐餐廚垃圾的累積甲烷產(chǎn)量分別為212.2,331.6和362.4ml/g,早餐餐廚垃圾產(chǎn)氣量比午餐和晚餐餐廚垃圾分別低36%和41.4%,其中Cl -含量高可能是造成其產(chǎn)氣量低的主要原因。關(guān)鍵詞:餐廚垃圾;厭氧消化;生物氣中圖分類號:TK6;

4、X705文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1671-5292(201001-0076-05Characteristics and anaerobic digestion performancesof kitchen wastesLI Rong-ping 1,2,GE Ya-jun 1,WANG Kui-sheng 2,LI Xiu-jin 2,PANG Yun-zhi 2(1.Beijing Environmental Sanitation Engineering Research Institute,Beijing 100028,China;2.Center for Resourcesand Envi

5、ronmental Research,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China Abstract :The characteristics of wastes from breakfast,lunch and dinner were investigated and de -termined,including total solids (TS ,volatile solids (VS ,carbohydrate,protein,lipids,and inor -ganic salt concentration

6、s.The digestibility of three kinds of kitchen wastes were tested in batch anaerobic digesters.The results showed that there were large differences between breakfast waste and lunch/dinner wastes,especially,the Na +,Ca 2+and Cl -contents in breakfast waste is higher than the other two.It was found th

7、at the characteristics of kitchen wastes influenced the biogas production performance and organic matter removal.The accumulative methane yield of breakfast waste,lunch waste and dinner waste were 212.2,331.6and 362.4ml/g VS,respectively.The biogas production from breakfast waste was 36%and 41.4%low

8、er than lunch waste and dinner waste,re -spectively,which probably resulted from the high Cl -content in breakfast waste.Key words :kitchen waste;anaerobic digestion;biogas李榮平,等餐廚垃圾特性及其厭氧消化性能研究肥效果差。同以上方法相比,厭氧消化工藝是處理餐廚垃圾等有機廢棄物的較好途徑,它不僅可以降解餐廚垃圾中的有機物,還能生成生物氣,實現(xiàn)資源化再利用2,3。由于我國飲食文化和生活習(xí)慣不同,“一日三餐”的餐廚垃圾特性存在著

9、較大差異,比如早餐餐廚垃圾中含鹽量高,而午餐和晚餐的餐廚垃圾中含油量高。這些性質(zhì)差異是否影響其消化產(chǎn)氣性能,目前為止還沒有過深入研究。本文以校園食堂“三餐”餐廚垃圾為研究對象,分析其組成及特性,并通過批式厭氧發(fā)酵試驗對它們的厭氧消化性能進行對比研究。1材料與方法1.1試驗原料早、午和晚餐餐廚垃圾(分別簡稱為A餐廚,B 餐廚和C餐廚取自北京化工大學(xué)第四食堂。取樣時間為每周的周二、周四、周六,連續(xù)取4周。每次取樣大約為5kg。取樣之后,用食物粉碎機進行粉碎,粒徑為25mm,攪拌均勻,貯存在-20的冰箱備用。從外觀上看,A餐廚主要包括雞蛋皮、咸菜、包子及油條等殘余物,而B和C餐廚則主要包括米飯、面條

10、、蔬菜、骨頭等殘渣。1.2測定項目及方法總固體(TS,揮發(fā)性固體(VS,灰分和pH值均按照標(biāo)準(zhǔn)方法4測得。總碳(TC采用有機碳測定儀(SKALAR,荷蘭測得。總氮(TN含量通過凱氏定氮儀(KDN-2C,上海嘉定纖檢儀器廠測定,乘以系數(shù)6.25,折算即可得到蛋白質(zhì)含量。脂肪測定以石油醚為抽提液,通過索氏抽提并用差重法計算得出。碳水化合物含量由蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和VS計算所得。采用石墨爐原子吸收光譜儀(Hitachi Z-8000,日本測定鈉離子和鈣離子含量;采用離子色譜儀(戴安DX-600,美國測定氯離子和硫酸根離子含量。采用氣相色譜分析儀(北京北分瑞利儀器公司,SP-2100分析CO2和CH4

11、的含量,熱導(dǎo)檢測器的載氣為氫氣。其中,檢測器、進樣器的溫度和柱溫分別為150,150和120。1.3批式厭氧消化試驗批式厭氧發(fā)酵裝置由錐形瓶、廣口瓶和燒杯組成。錐形瓶作為發(fā)酵罐,采用集氣排水法收集沼氣,用廣口瓶計量沼氣體積,用燒杯收集從廣口瓶排出的水。整個批式厭氧消化裝置放在恒溫?fù)u床(35±2,120r/min中。利用豬糞消化液接種,各反應(yīng)器的接種量相同,其混合液懸浮固體(MLSS為17500mg/L。以VS為基準(zhǔn),把A,B和C餐廚分別加入到厭氧消化反應(yīng)器中,有機負(fù)荷率設(shè)置為10g/L,同時用豬糞消化液作空白試驗。2結(jié)果與討論2.1餐廚垃圾的組成及特性2.1.1TS,VS含量3種餐廚

12、垃圾的TS,VS濃度見表1。A,B和C餐廚的TS濃度分別為12.2,24.7和21.9g/L?？梢钥闯?A餐廚的TS濃度比B和C低44.3% 50.6%。這是由于A餐中包括豆?jié){及粥類,降低了TS濃度。以TS為基準(zhǔn),VS在A,B和C餐中所占的比例分別為68.1%,94.1%和82.6%。VS/TS比值可以間接表示物料的降解難易程度。A餐廚的VS/TS比值明顯低于其它兩個,只有68.1%,而B 和C要比它高出14.5%26.0%。因此,從TS和VS含量來看,B和C差異性不大,均高于A,也更適合厭氧消化處理技術(shù)。2.1.2組成成分碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪是食物中三大有機成分。表1列出了餐廚垃圾中這3

13、種有機成分所占的比例?？梢?碳水化合物和蛋白質(zhì)在3種餐廚垃圾中含量差別不大,分別為42.5%55.2%和15.0%16.9%;而A餐廚的脂肪含量僅為6.2%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于B和C餐廚。這與我國居民的飲食習(xí)慣表13種餐廚垃圾的特性Table1Characteristics of three kitchen wastes項目A餐廚B餐廚C餐廚TS/g.L-1122240219VS/g.L-183232181VS/TS/%碳水化合物/%*4755.242.5蛋白質(zhì)/%*151516.9脂肪/%* 6.223.923.3總碳/%*375452.2總氮/%* 2.4 2.4 2.7C/

14、N比例15.422.519.3Na+/mg.g-1*22.415.416.8Ca2+/mg.g-1*24.4 3.917.5Cl-/mg.g-1*7620.631SO42-/mg.g-1*9.3 6.2 4.3NO3-/mg.g-1* 2.9 1.40.7PO43-/mg.g-1* 1.1 4.38.1*以干重計。·77·是一致的。在厭氧消化過程中,由于脂肪的組成含有較高碳?xì)湓乇壤?它能比碳水化合物和蛋白質(zhì)產(chǎn)生更多的甲烷氣體。但是脂肪含量過高,容易造成脂肪酸抑制,使整個厭氧消化趨于失敗。據(jù)報道,長鏈脂肪酸的抑制作用主要表現(xiàn)在兩方面:脂肪酸吸附在細(xì)胞外壁,阻礙細(xì)胞壁傳質(zhì);由

15、于脂肪酸較輕,它的吸附使微生物懸浮在液體表面,造成甲烷菌被沖刷出去5。因此,考慮到B和C餐廚的脂肪含量,它們的厭氧消化不能采用較高的負(fù)荷率。2.1.3C/N比營養(yǎng)元素含量及比例是有機固體廢棄物的原料特性之一,其中C/N比例是影響該有機廢棄物厭氧消化效果的重要因素之一。一般而言,C/N比在13/128/1都是厭氧消化可接受的范圍6。如果C/N過高,容易導(dǎo)致過酸化,系統(tǒng)緩沖能力差;而C/N比過低,容易導(dǎo)致TAN濃度過高,從而會對后續(xù)產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制作用。從表1來看,3種餐廚的C/N比例均在厭氧消化可接受范圍之內(nèi),是進行厭氧消化的理想基質(zhì)。2.1.4無機鹽離子餐廚垃圾含有較多剩余營養(yǎng),成分極其復(fù)雜

16、。本文針對與厭氧消化相關(guān)的陽離子Na+和Ca2+,陰離子Cl-,SO42-,NO3-和PO43-濃度進行了分析測試(表1。Na+和Ca2+離子是甲烷菌生長繁殖所必需的元素,例如Na+有助于合成三磷酸腺苷或者促進NADH的氧化。通常認(rèn)為,在低濃度下,Na+和Ca2+對甲烷菌不造成任何抑制;當(dāng)Na+濃度介于35005500mg/L時,Ca2+在20004500mg/L時會對厭氧消化造成中等抑制;而當(dāng)Na+和Ca2+濃度在8000mg/L時,將對甲烷菌和厭氧消化造成嚴(yán)重抑制5。同時,如果采用高效反應(yīng)器或者經(jīng)過馴化培養(yǎng),甲烷菌能夠承受更高Na+和Ca2+濃度。例如,李勇華等人應(yīng)用高效IC厭氧反應(yīng)器研究

17、了Na+對顆粒污泥的影響試驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)Na+濃度小于10000mg/L時,系統(tǒng)具有足夠的緩沖能力7。表1列出了3種餐廚垃圾中Na+和Ca2+的濃度?？梢钥闯?A餐廚中這兩種離子的濃度均高于B和C餐廚。其中,Na+濃度為22.4mg/g(干重,比B和C餐廚分別高出31%和25%;Ca2+濃度為24.4mg/g(干重,比B和C餐廚分別高出84%和28%,這主要是由于A餐廚中含有較多的剩余咸菜、雞蛋皮、豆?jié){等成分。根據(jù)上述所報道的兩種陽離子的抑制濃度,在投料總固體濃度低于10%時,3種餐廚垃圾中的Na+和Ca2+濃度不會對厭氧消化產(chǎn)生抑制作用。除了陽離子之外,陰離子如Cl-,SO42-等也對厭氧消

18、化有著一定的影響,特別是SO42-。SO42-的抑制作用主要是由它的還原反應(yīng)引發(fā)的5。硫酸根還原菌參與到有機與無機營養(yǎng)物的競爭中,減弱了甲烷的產(chǎn)生;還原產(chǎn)物硫化物對各種微生物的毒害作用。丁瓊等采用間歇試驗方式,發(fā)現(xiàn)當(dāng)COD/SO42-1時,相對產(chǎn)甲烷率與COD/SO42-值之間有很好的線性關(guān)系8;COD/SO42-值越高,相對產(chǎn)甲烷率就越高。楊虹等人用人工配制高濃度有機廢水分別研究了Cl-和SO42-對厭氧生物廢水處理的抑制作用和抑制閾值9。他們的研究結(jié)果顯示,在完全混合式反應(yīng)器中,當(dāng)Cl-濃度高于4.5g/L, SO42-濃度高于1.8g/L時,便開始產(chǎn)生抑制作用。從表1可以看出,A餐廚中的

19、Cl-較高,比B 和C餐廚高1.52.7倍,因此投料負(fù)荷不易過高。如果以Cl-濃度4.5g/L為最高限制濃度,A餐廚的投料濃度TS要低于6%,否則容易造成抑制;而3種餐廚垃圾中SO42-則均遠(yuǎn)低于可引起抑制的濃度。同樣,以COD/SO42-值為判斷指標(biāo),例如B 餐廚的COD值為255.7mg/g(干重,B的COD/ SO42-值為41.2,因此硫酸鹽還原反應(yīng)對厭氧消化影響甚微。2.23種餐廚垃圾的厭氧消化性能比較2.2.1甲烷產(chǎn)量在30d批式厭氧消化中,3種餐廚垃圾的累積甲烷產(chǎn)量ml/g,STP(Standard temperature and pressure,即標(biāo)態(tài)下甲烷產(chǎn)量和甲烷日產(chǎn)量m

20、l/ (L·d的變化分別見圖1和圖2。從圖1來看,A 餐廚的累積甲烷產(chǎn)量明顯低于其它兩者,在第16天時,累積甲烷產(chǎn)量便開始趨于平緩,在消化結(jié)束時,每克VS獲得212.2ml的累積甲烷產(chǎn)量;而B 和C餐廚的累積甲烷含量高達331.6和362.4 ml。可見,B和C餐廚的累積甲烷產(chǎn)量分別比A 餐廚高36%和41.4%。當(dāng)然,不同來源的餐廚垃圾的累積甲烷產(chǎn)量也不同。例如,Ruihong Zhang等人曾報道美國加州三番市的餐廚垃圾的累積甲烷產(chǎn)量達到了435ml10,但是在該研究中,采用的消可再生能源2010,28(1·78··79·化溫度為50,屬于

21、高溫消化。在中溫條件下,文獻中較高的餐廚垃圾(每克VS 累積甲烷產(chǎn)量,分別為Cho 和Park 11所報道的472mlg 和Heo 等人12所報道的489ml ,這與餐廚垃圾的來源和組成有關(guān)。從圖2可以看出,消化最初6天內(nèi)的甲烷產(chǎn)量相對較低,甲烷產(chǎn)量持續(xù)增加直到第9、第10和第11天達到A ,B 和C 餐廚分別獲得第一個產(chǎn)氣高峰,然后產(chǎn)氣量又降下來。在甲烷產(chǎn)量持續(xù)增長期間,A ,B 和C 餐廚分別在第7、第11和第10天獲得了最高產(chǎn)甲烷速率,分別為236,489和486ml/(L ·d 。在批式厭氧發(fā)酵中產(chǎn)生的累積產(chǎn)氣量達到累積產(chǎn)氣總量的80%所需時間為消化時間13。從圖1和圖2可以

22、得出,A 餐廚的消化時間要比B 和C 餐廚短一些。A 的消化時間為14d ,而B 和C 餐廚的消化時間分別為16d 和19d 。這可能是因為B 和C 餐廚中可消化的有機物含量高,因此需要更長的消化時間。2.2.2氣體成分在厭氧消化過程中的氣體成分變化圖如圖3所示。在消化過程的前10天,甲烷含量持續(xù)增加,二氧化碳含量持續(xù)降低。在第10天之后,氣體成分基本保持不變,甲烷含量的平均值介于73.2%75.1%之間,而二氧化碳含量介于24.9%26.8%之間。通過單因素方差分析(One way ANOVA ,Turkey 法,P=0.05可以看出,3種餐廚垃圾之間的氣體成分幾乎沒有差異。2.2.3有機物

23、去除效果在試驗開始之前,3種餐廚垃圾的投加量均為10g ,其中消化液作為空白試驗與樣品同時進行。消化結(jié)束之后分別測定空白和樣品的VS 含量,用空白試驗扣除掉樣品中所含VS 量,得出有機物的去除率。3種餐廚垃圾的TS 去除率分別為88.5%,85.6%和88.8%,VS 去除率分別為79.8%,84.6%和95.2%(表2。在相同負(fù)荷率下,3種餐廚垃圾的VS 去除率越高,其可降解程度也越高。這與它們相應(yīng)的累積甲烷產(chǎn)量保持一致,而消化結(jié)束的終pH 值差異較小,均為7.3左右。2.3厭氧消化殘渣的肥料特性厭氧消化不僅能獲得潔凈的生物氣能源,其厭氧消化的殘渣還可以用作肥料。如表3所示,3種餐廚垃圾的有

24、機質(zhì)含量均高于30%,營養(yǎng)元素氮、磷、鉀的總量也均高于4%,達到并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高圖1餐廚垃圾的累積甲烷產(chǎn)量圖Fig.1Accumulative methane yield from kitchen wastes51015202530350.00.51.01.52.02.53.03.54.0累積甲烷產(chǎn)量/m l ·g -1時間/dA 餐廚B 餐廚C 餐廚圖2餐廚垃圾的甲烷日產(chǎn)量圖Fig.2Daily methane production from kitchen wastes5101520253035甲烷日產(chǎn)量/m l ·g -1時間/dA 餐廚B 餐廚C 餐廚2004006008

25、00消化液圖3餐廚垃圾厭氧消化氣體成分Fig.3Biogas composition during anaerobic digestion ofkitchen wastes51015202530氣體成分/%時間/d020406080100CH 4-A 餐廚CO 2-A 餐廚CH 4-B 餐廚CO 2-B 餐廚CH 4-C 餐廚CO 2-C 餐廚表2餐廚垃圾厭氧消化有機物去除及其終pH 值Table 2VS removal and final pH with anaerobic digestionof kitchen wastes種類TS 去除率/%VS 去除率/%終pH 值A(chǔ) 餐廚88.579

26、.87.33B 餐廚85.684.67.35C 餐廚88.895.27.33消化液25.628.97.39李榮平,等餐廚垃圾特性及其厭氧消化性能研究于國家農(nóng)業(yè)部有機肥料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NYN525-200214的技術(shù)要求,是優(yōu)良的有機肥料。3結(jié)論在3種餐廚垃圾中,早餐餐廚與午餐、晚餐餐廚的物理化學(xué)性質(zhì)相差較大。早餐餐廚的TS,VS, VS/TS比值和脂肪含量明顯低于午餐和晚餐餐廚,Na+,Ca2+和Cl-含量,特別是Cl-含量,顯著高于后兩者。批式厭氧消化試驗的結(jié)果顯示,早餐餐廚與午餐、晚餐餐廚每克VS的累積甲烷產(chǎn)量分別為212.2,331.6和362.4ml,TS去除率分別為88.5%,85.6

27、%和88.8%,VS去除率分別為79.8%, 84.6%和95.2%?？梢?午餐和晚餐餐廚具有更好的厭氧消化效果,而早餐餐廚的可消化性則相對較差,其中Cl-含量高可能是造成產(chǎn)氣量低的主要原因。參考文獻:1嚴(yán)太龍,石英.國內(nèi)外廚余垃圾現(xiàn)狀及處理技術(shù)J.城市管理與科技,2004,6(4:165-172.2CALLAGHAN F J,WASE D A J,THAYANITHY K,etal.Continuous co-digestion of cattle slurry with fruit and vegetable wastes and chicken manureJ.Biomass &

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