餐廚垃圾厭氧消化反應(yīng)條件的優(yōu)化試驗(yàn)

北京化工大學(xué)第七屆“萌芽杯”參賽作品作品名稱餐廚垃圾厭氧消化反應(yīng)條件的優(yōu)化試驗(yàn)作品類別A類學(xué)院名稱化學(xué)工程學(xué)院負(fù)責(zé)人姓名崔世博導(dǎo)師姓名劉廣青副研究員餐廚垃圾厭氧消化反應(yīng)條件的優(yōu)化試驗(yàn)崔世博姜坤封燁雍維摘要：本文通過對北京化工大學(xué)北區(qū)食堂進(jìn)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(yàn)測定，得到餐廚垃圾具體的理化指標(biāo)；采用正交試驗(yàn)對批式厭氧消化的三個反應(yīng)條件（A:初始pH值，B:KW負(fù)荷，C:接種物MLVSS）進(jìn)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?yàn)镃＞B＞A，最佳反應(yīng)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(yàn)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(yàn)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(shí)地調(diào)研…………………13厭氧消化反應(yīng)條件優(yōu)化研究……………23.1材料與方法……………………23.1.1試驗(yàn)原料………………23.1.2試驗(yàn)裝置………………33.1.3試驗(yàn)設(shè)計………………33.1.4測定項(xiàng)目及方法………43.2結(jié)果與分析……………………43.2.1正交試驗(yàn)分析…………43.2.2初始pH值調(diào)節(jié)試驗(yàn)分析……………84結(jié)論………………………105后續(xù)試驗(yàn)…………………106參考文獻(xiàn)…………………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(fèi)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(diǎn)。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和城市化進(jìn)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(dá)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(dá)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(dāng)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(yīng)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(diǎn)在于厭氧微生物的高有機(jī)負(fù)荷承受能力，全封閉的生物反應(yīng)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(hù)、能源的節(jié)約，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過實(shí)地調(diào)研與試驗(yàn)，對北京化工大學(xué)北校區(qū)食堂產(chǎn)生的餐廚垃圾進(jìn)行了分析與研究，以期為餐廚垃圾的規(guī)?；幚硖峁┮欢ǖ膶?shí)踐經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)支持。2、實(shí)地調(diào)研北京化工大學(xué)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(xué)大樓、田徑場、大學(xué)生活動中心和一批裝備先進(jìn)的教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)室。北校區(qū)位于昌平區(qū)內(nèi)，是教師及大一、大二學(xué)生共同學(xué)習(xí)的地方。對北校區(qū)餐廚垃圾產(chǎn)生狀況進(jìn)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(yùn)具及堆放實(shí)物圖堂、三樓風(fēng)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(fēng)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(yùn)走，運(yùn)走后處理情況不詳。3、厭氧消化反應(yīng)條件優(yōu)化研究3.1材料與方法3.1.1試驗(yàn)原料餐廚垃圾取自北京化工大學(xué)北校區(qū)食堂，選取一周內(nèi)每天午餐后的廚余進(jìn)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(jìn)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(yùn)到實(shí)驗(yàn)室用食物粉碎機(jī)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(dú)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(xiàng)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(jī)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(xiàng)目由北京市農(nóng)林科學(xué)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(yàn)裝置批式厭氧消化系統(tǒng)由12個1L的藍(lán)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(yàn)采用中溫厭氧消化，反應(yīng)器放置于（35±1）℃的恒溫箱中，每日手動搖晃反應(yīng)器2-3次，使反應(yīng)液得到混合。圖2批式試驗(yàn)反應(yīng)裝置3.1.3試驗(yàn)設(shè)計①通過正交試驗(yàn)對初始pH值、接種物濃度（以MLVSS計）和KW負(fù)荷三個反應(yīng)因素進(jìn)行優(yōu)化，以確定最佳的反應(yīng)條件組合。試驗(yàn)選用L9（34）正交表格，共進(jìn)行9次試驗(yàn)。反應(yīng)體積為350mL，用NaOH做pH調(diào)節(jié)劑，反應(yīng)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(jìn)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(yàn)設(shè)計列號試驗(yàn)號1初始pH2KW負(fù)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(yàn)設(shè)計堿性物質(zhì)類別初始pHKW負(fù)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(xiàng)目及方法物料的總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、MLSS，MLVSS均按照標(biāo)準(zhǔn)方法測定；pH值通過METTLER-TOLEDO實(shí)驗(yàn)室pH計（FE20）進(jìn)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(biāo)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(jìn)行分析，熱導(dǎo)檢測器的載氣為氦氣，其中檢測器、進(jìn)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(xué)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(yàn)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(yīng)的各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總和）。表4正交試驗(yàn)分析表所在列1234因素初始pH負(fù)荷gVS/L接種物濃度g/L空列氣體產(chǎn)量mL/gVS試驗(yàn)11(7.1)1(10)1(3.6)168.64試驗(yàn)212(15)2(10.7)2140.17試驗(yàn)313(20)3(17.9)3165.83試驗(yàn)42(8.1)123288.62試驗(yàn)52231331.45試驗(yàn)6231256.31試驗(yàn)73(9.1)132314.50試驗(yàn)8321364.34試驗(yàn)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(fù)荷：M21>M22>M23，所以水平1（負(fù)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(yàn)的最佳組合為pH=8.1，KW負(fù)荷=10gVS/L，接種物MLVSS=17.9g/L。而在本次試驗(yàn)中，未涉及到最優(yōu)水平的組合，故可在后續(xù)試驗(yàn)中，做幾組由最優(yōu)水平組成的試驗(yàn)，與本次試驗(yàn)的最佳產(chǎn)氣（5號反應(yīng)器）進(jìn)行比較。 根據(jù)R3>R2>R1可知，對產(chǎn)氣量的影響的主次順序?yàn)椋航臃N物MLVSS＞KW負(fù)荷＞初始pH值。效應(yīng)曲線圖分析：以每個因素的三個水平代表的實(shí)際狀態(tài)為橫坐標(biāo)，以與這三個水平值對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值Mij為縱坐標(biāo)求得三個點(diǎn)，并以這三個點(diǎn)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(yàn)還應(yīng)增加接種物濃度；對于KW負(fù)荷:趨勢圖上是逐步下降的，表示負(fù)荷越小，產(chǎn)氣量大，一個合理的猜想：如果負(fù)荷繼續(xù)降低，產(chǎn)氣水平還會升高，故在后續(xù)試驗(yàn)還應(yīng)減小負(fù)荷。圖3效應(yīng)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(yàn)的結(jié)果均極為顯著，因此在試驗(yàn)中必須嚴(yán)格控制這些反應(yīng)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(yīng)過程分析：各反應(yīng)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(yàn)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(yàn)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(yīng)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(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)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(xì)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(yàn)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(yīng)穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)，由圖6可知，當(dāng)接種物濃度均為3.6g/L時（圖中1,6,8號反應(yīng)器），其出料pH值均小于6，反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)甲烷含量均小于50%，反應(yīng)未進(jìn)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(yīng)器內(nèi)pH值變化情況圖7反應(yīng)后期各反應(yīng)器內(nèi)甲烷含量3.2.2初始pH值調(diào)節(jié)試驗(yàn)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(qiáng)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(yīng)可生成NaHCO3，其加入可大大提高反應(yīng)體系的堿度，增強(qiáng)緩沖能力，使得厭氧消化可以在適當(dāng)?shù)膒H下進(jìn)行，故而產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率都相應(yīng)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(yàn)表明：初始pH值、KW負(fù)荷、接種物MLVSS對產(chǎn)氣的影響高度顯著，影響的主次順序?yàn)榻臃N物MLVSS＞KW負(fù)荷＞初始pH值，在試驗(yàn)中應(yīng)嚴(yán)格控制這些反應(yīng)條件；本試驗(yàn)最佳反應(yīng)條件為初始pH值＝8.1，接種物MLVSS＝17.9g/L，KW負(fù)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(yàn)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(yàn)①正交試驗(yàn)部分，需在pH值＝8.1，接種物MLVSS＝17.9g/L，廚余負(fù)荷＝10gVS/L的情況下進(jìn)行驗(yàn)證，與試驗(yàn)中最大產(chǎn)氣率331.5mL/gVS(5號反應(yīng)器)進(jìn)行比較；繼續(xù)研究接種物濃度和KW負(fù)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(fù)荷（如負(fù)荷=5gVS/L）對厭氧產(chǎn)氣的影響。②不同堿性物質(zhì)試驗(yàn)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(yīng)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(xiàn)：[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