CN110628828A - 一种优化物料组分促进易腐有机固废厌氧消化产沼气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化物料组分促进易腐有机固废厌氧消化产沼气的方法，该方法将易腐有机固废中的熟垃圾和生垃圾以不同比例混合，在此基础上添加水稻秸秆进行物料的调配，然后将各组物料置于小型批式厌氧消化装置进行厌氧消化产沼气，当熟垃圾和生垃圾VS比为1：1时，累积产甲烷量相比各自单消化组分别提高了7.8％和26.2％；添加10％的水稻秸秆进一步提高了厌氧消化产甲烷量，相比于单消化组最高提高了36.2％，累积甲烷最大产量达到451ml/g‑VS。本发明所述方法简单易行，通过调配易腐有机固废组分促进厌氧产沼气效率，为促进易腐有机固废中但不限于本发明提及的几类有机固体废弃物提供多组分优化方法，不会造成二次污染，为垃圾分类后的湿垃圾及其他易腐有机固废资源化利用提供技术支持。

Description

一种优化物料组分促进易腐有机固废厌氧消化产沼气的方法

技术领域

本发明属于环境科学与工程中的环境生态能源技术领域，涉及一种优化物料组分促进易腐有机固废厌氧消化产沼气的方法。

背景技术

我国自2004年以来已经超越美国成为世界第一垃圾制造国大国，2017年我国城镇生活垃圾清运量已达到2.8亿吨。卫生填埋是目前主流的垃圾处理方式，而目前北京、上海、广州等600多座城市中三分之二的城市已经面临“垃圾围城”的严峻处境，城市生活垃圾堆存量已经超过80亿吨，四分之一的城市已经没有合适的场所堆放垃圾。焚烧作为我国另一种主要的垃圾处理方式能够做到垃圾的减量化，但由于焚烧厂的技术不够完善、垃圾分类不够彻底导致的设备故障以及焚烧原料形态问题，使得焚烧过程及产物中的二噁英和重金属等污染物给环境带来风险。生物处理是有机固废处理及资源化利用的主要方式。

易腐有机固废(又称湿垃圾)是指包括餐厨垃圾、厨余垃圾和菜市场垃圾等在内的，容易腐烂变质的有机固体废弃物总称，经过适当处理后可以转化为高价值的生物质产品。相比于填埋和焚烧产生的资源浪费和环境污染，厌氧消化能够对易腐有机固废进行高效的资源化利用，产生具有附加值的沼气和沼渣。易腐有机固废中的餐厨垃圾的主要成分是餐后剩余物，为经过高温烹饪后的熟垃圾，含有丰富的油脂和蛋白质；厨余垃圾和菜市场垃圾为餐前剩余物，是以菜茎果皮为主的生垃圾，其主要成分是碳水化合物和纤维素。生熟垃圾由于营养成分的差异具有不同的厌氧消化产甲烷效率。厌氧共消化能够通过对物料的合理调配，并辅以其他有益物料如农林废弃物提高厌氧产沼气效率。因此，对易腐有机固废中熟垃圾和生垃圾的组分进行优化共消化能够促进有机固废资源化利用。

目前已有运行成功的大规模易腐有机固废厌氧消化处理设备，但由于进料组分变化较大，尚不知道这些组分的变化对于资源化消化处理的影响。因此寻求简易、高效的物料调配方法是促进易腐有机固废厌氧消化产沼气效率亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种优化物料组分促进易腐有机固废厌氧消化产沼气的方法，其操作简单，节约时间和经济成本，易推广使用，为实现湿垃圾厌氧消化产沼气效率最大化、易腐有机固废资源化提供有效的技术支持。

为实现上述目的，本发明提供了一种优化物料组分促进易腐有机固废厌氧消化产沼气的方法，其步骤为：

(1)按照厨余垃圾和菜市场垃圾的组分人工配置生垃圾，按照餐饮垃圾的组分人工配置熟垃圾，然后将生垃圾和熟垃圾分别使用匀浆机处理制得均匀的浆料；将风干的水稻秸秆进行机械粉碎；将厌氧沼渣在小型厌氧发酵罐中驯化制得接种物。

(2)调配熟垃圾、生垃圾、水稻秸秆组分制成发酵物料，然后将发酵物料和步骤(1)所述的接种物放于小型批式厌氧消化装置中进行厌氧消化，每日测定产沼气量，直到产气停止。

步骤(1)中，所述熟垃圾的组分及质量百分比为：米饭10-30％，面条10-30％，青菜10-30％，土豆10-15％，豆腐5-10％，胡萝卜5-10％，猪肉5-10％，鸡肉5-10％，鸡蛋5-10％，油0.5-6％，盐0.1-3％。

优选地，所述熟垃圾的组分及质量百分比为：米饭20％，面条10％，青菜20％，土豆15％，豆腐6％，胡萝卜5.8％，猪肉8％，鸡肉7％，鸡蛋7％，油1％，盐0.2％。

步骤(1)中，所述生垃圾的组分及质量百分比为：青菜30-50％，胡萝卜5-10％，土豆10-20％，苹果10-20％，香蕉皮10-20％，橙子皮10-20％。

优选地，所述生垃圾的组分及质量百分比为：青菜30％，胡萝卜8％，土豆12％，苹果20％，香蕉皮20％，橙子皮10％。

步骤(1)中，所述水稻秸秆还可以用小麦秸秆、园林落叶等农林有机固体废弃物替代。

本发明进行人工配置熟垃圾和生垃圾的优点是使物料中的碳水化合物，蛋白质，油脂，盐分等有机物含量保持稳定，能够避免因实际取样的餐饮垃圾或厨余垃圾中有机组分的差异而引起的实验误差。

本发明所述的熟垃圾和生垃圾中组分的比例范围为对大型餐厨垃圾厌氧消化罐进料及国内的餐饮和厨余垃圾中食物的种类及比例进行文献和实地考察后得到的数据，能够反映组分特性，因此本发明的方法能够应用于实际的易腐有机固废厌氧发酵装置。

步骤(1)中，所述厌氧沼渣为上海市某大型餐厨垃圾厌氧消化处理厂中发酵后产生的脱水沼渣。该餐厨垃圾厌氧消化处理厂采用CSTR反应器，发酵温度为35℃，固体停留时间为30天，有机负荷为2.5g VS/L/d，进料为上海市餐饮和厨余垃圾，发酵产生的沼渣经过离心、沉淀、脱水得到脱水沼渣。

进一步地，步骤(1)中，所述接种物的驯化是在工作实验室小型厌氧发酵罐中进行，工作体积为5L，温度为37℃，固体停留时间为30天，进料为上述配置的生垃圾和熟垃圾(VS比为1：1)，有机负荷为2.5gVS/L/d，经过1年的反应得到本发明使用的厌氧沼渣。本发明的接种物的成分稳定，不会因为处理厂沼渣的进料成分不同从而对本方法的实施产生质的影响。

本发明利用机械粉碎法对两种易腐有机固废(生垃圾和熟垃圾)和风干的水稻秸秆进行粉碎处理。

其中，所述机械粉碎法是指：采用匀浆机对两种易腐有机固废进行粉碎匀浆处理后过10目筛，采用粉碎机对水稻秸秆进行粉碎后过40目筛。粉碎过筛处理能够使易腐有机固废在厌氧消化体系中与沼渣中的微生物充分接触，提高微生物对秸秆的利用效率。

步骤(2)中，所述发酵物料组分为：在0-20％的水稻秸秆添加下，所述熟垃圾和生垃圾的添加比例分别为10:0、9:1、7:3、5:5、3:7、1:9、0:10。

本发明步骤(2)还包括统一发酵物料的总有机物浓度(以VS计)，统一接种物与发酵物料的比例；其中，所述VS是指挥发性固体，通常用于表征可用通过生物降解的有机物质含量。

其中，所述消化物料的总VS浓度为3-12g/L；优选地，为3g/L，6g/L，12g/L；进一步优选地，为6g/L。

其中，所述接种物和消化物料的VS之比为(2-1)：(1-2)；优选地，为2：1，1：1，1：2；进一步优选地，为2：1。

其中，统一厌氧消化物料总VS浓度的目的是使本发明所述方法各组结果具有可比性。优化接种物的添加比例的目的是能够提高厌氧消化系统的稳定性，同时为系统提供足够的产甲烷微生物。

在一个具体的实施方式中，所述水稻秸秆、熟垃圾、生垃圾的质量比如下表1所示，优选地，为0.1：0.81：0.09时得到最大累积甲烷产量为453ml/gVS。

表1

物料添加比例(基于VS)

本发明的核心机理是：在厌氧环境下，生垃圾、熟垃圾和水稻秸秆中含有的淀粉、蛋白质和脂质等大分子有机物在厌氧消化过程中首先被水解细菌分解成小分子物质，进一步被降解为VFAs，产乙酸细菌又将丙酸、丁酸等VFAs转化为乙酸和CO₂/H₂，最后产甲烷菌将乙酸、CO₂/H₂等转化为CH₄。易腐有机固废中的餐厨垃圾的主要成分是餐后剩余物，为经过高温烹饪后的熟垃圾，其中较高的油脂和盐分会对厌氧产甲烷微生物代谢产生抑制作用；厨余垃圾和菜市场垃圾为餐前剩余物，是以菜茎果皮为主的生垃圾，其中纤维素较难分解造成厌氧消化产甲烷效率低下。生垃圾和熟垃圾由于组分的差异具有不同的厌氧消化产甲烷效率，而不同组分物料共同进行消化能够通过平衡物料水解速率，调整C/N来提高产甲烷菌的活性。因此，通过优化易腐有机固废厌氧消化组分能够达到提高产甲烷效率的效果。

本发明的创新点在于调节熟垃圾、生垃圾和水稻秸秆等农林废弃物组分配比后，利用小型批式厌氧消化装置同时进行多组分物料厌氧消化，得到单位VS物料的最大产沼气量的物料添加组分，从而为厌氧消化工艺提供有效的技术参数，提高易腐有机固废的资源回收效率。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

本发明对易腐有机固废中生、熟组分进行优化后进行厌氧消化，能够提高单位VS物料的沼气产量，在物料的选择上能够使得厌氧消化后产生的沼渣最大无害化和资源化，这尚未被本领域技术人员想到。

现有易腐有机固废厌氧消化技术中，本领域技术人员容易想到的是餐饮或厨余垃圾单消化、餐饮和厨余垃圾随机进料、或者添加其他类别的有机固废如污泥和粪便等进行共消化。单消化和熟、生垃圾随机都易造成厌氧消化系统不稳定及效率低下，粪便或者污泥等有机固废中含有大量的有毒物质和致病菌，这不利于湿垃圾最大资源化和设备的高效利用。

附图说明

图1为本发明小型批式厌氧消化装置的正面图。

图2为本发明小型批式厌氧消化装置的俯视图。

图3为不同物料添加组厌氧消化过程中的pH变化。

图4a为熟垃圾和生垃圾单消化及共消化的累积产甲烷量。

图4b为10％和20％秸秆添加下熟垃圾和生垃圾共消化累积产甲烷量。

图5a为熟垃圾和生垃圾单消化及共消化的理论和实际最大产甲烷潜力

图5b为10％秸秆添加下熟垃圾和生垃圾共消化理论和实际最大产甲烷潜力

图6为易腐有机固废多组分厌氧消化TS去除率。

图7为本发明提供的优化物料组分促进易腐有机固废厌氧消化产沼气的方法流程图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明保护不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。以下实施例有助于理解本发明，但不限制本发明保护范围。

本发明图1-2中，1-高硼硅玻璃罐体、2-弹簧网、3-恒温空气摇床、4-硅胶管和止水夹、5-取样口、6-铝空心密封盖、7-硅胶塞。

实施例1

一、原料说明

1.厌氧消化原料

1)接种物获取：上海市某大型餐厨垃圾厌氧发酵装置产生的脱水沼渣于实验室小型发酵罐内连续运行一年获得的沼渣。

2)熟垃圾成分：米饭20％，面条10％，青菜20％，土豆15％，豆腐6％，胡萝卜5.8％，猪肉8％，鸡肉7％，鸡蛋7％，油1％，盐0.2％。

3)生垃圾成分：青菜30％，胡萝卜8％，土豆12％，苹果20％，香蕉皮20％，橙子皮10％。

4)水稻秸秆：粉碎后过40目筛。

2.小型批式厌氧消化装置：

小型批式厌氧消化装置是由120ml的小型高硼硅玻璃罐体(1)和恒温空气摇床(3)构成，使用弹簧网(2)将高硼硅玻璃罐体(1)固定在恒温空气摇床(3)中。罐体为高硼硅玻璃构成，罐口用硅胶塞(7)和铝空心盖密封(6)，发酵液取样口(5)采用硅胶管和止水夹(4)密封，使用注射器收集沼气及发酵液样品。

3.熟垃圾、生垃圾、水稻秸秆、接种物组分如表2所示。

表2熟垃圾、生垃圾、水稻秸秆、接种物组分

二、通过优化物料组分促进易腐有机固废厌氧消化产沼气的实验研究：

1)将熟垃圾和生垃圾使用匀浆机处理得到均匀的浆料，将匀浆后的餐厨垃圾和接种物过10目筛保存于-20℃。水稻秸秆进行粉碎后过40目筛，常温干燥保存。

2)固定发酵物料的总VS浓度为6g/L不变，设置接种物和发酵物料的VS之比为2：1，在0％，10％，20％比例的水稻秸秆添加下分别设置熟垃圾和生垃圾的添加比例为10:0、9:1、7:3、5:5、3:7、1:9、0:10(基于VS)，并设置只添加接种物的对照组CK，每组设置2个平行。

3)将总体积为90ml的物料和接种物放于批式厌氧消化装置中，调节物料初始pH为7，于37℃的恒温摇床震荡50天，测定日甲烷产量并减去对各自组分的对照组得到实际物料日产甲烷量。

4)在第0、5、15、25、50天从取料口取1ml的物料进行pH的测定，并测定第0天和50天的总固体含量(TS)。

厌氧消化技术中物料的C/N对产甲烷微生物起着关键性的作用，通常C/N在20-30之间时会为微生物的生长繁殖提供最适宜的条件。

如表2所示三种不同的消化基质的C/N具有较大的差异，除了熟垃圾外分别都低于或者高于最佳的C/N，说明多组分共消化能够平衡基质营养从而使基质环境更适合微生物的代谢。

pH是指示体系中稳定性的重要指标，适合厌氧产甲烷菌生长的最佳pH范围通常在6.8-7.8之间。

如图3所示，不同的生熟垃圾配比及秸秆添加组中消化物料的pH均在7-7.8之间，说明本发明不同组分物料在小型批式厌氧消化装置中都得到充分的分解和利用，未产生有机酸积累酸化的现象。

如图4a所示，熟垃圾和生垃圾单消化累积产量分别为389ml/g-VS和332ml/g-VS，两者共消化比例为1:1时累积甲烷产量为419ml/g-VS，相较于单消化分别提升7.8％和26.2％。

餐饮垃圾的厌氧消化过程经常会由于物料的有机氮含量过高导致有机酸的产生大于消而导致酸化，适当添加高C/N物质如秸秆能够对体系起到碳氮平衡的作用。

如图4b所示，在10％秸秆添加下熟垃圾与生垃圾添加比例为1:1和9:1时累积产甲烷产量分别为440ml/g-VS和453ml/g-VS，相比于熟垃圾和生垃圾单消化分别提高了16.3％和36.2％。相比于未添加秸秆的最优产甲烷组(熟垃圾：生垃圾＝1：1)分别提高了4.9％和7.9％。

从图4b中还可以看出，在熟垃圾和生垃圾共消化的基础上继续添加20％的秸秆时，甲烷最优的产量为393ml/g-VS，相比于不添加秸秆和添加10％秸秆的最优产甲烷组分别下降了6.2％和13.2％，厌氧发酵过程中有机物的水解是限速步骤，说明体系中过量的纤维素等难降解物质拉长了水解时间从而抑制了甲烷菌生长。

如图5a所示，熟垃圾和生垃圾共消化比例为7：3，5：5，3：7时，实际最大产甲烷潜力比理论值分别高出4.6％，19.4％，0.1％。

如图5b所示，在添加10％秸秆的熟垃圾和生垃圾共消化的组分(熟垃圾：生垃圾＝9：1，7：3，5：5，3：7，1：9)中，实际最大产甲烷潜力相比理论值高出18.3％-29.8％。

其中，共消化的理论产甲烷潜力的计算方法为：熟垃圾和生垃圾的最大产甲烷潜力值乘以该组中对应添加的比例后加和得到。

其中，最大产甲烷潜力采用生物生长曲线模型Modified Gompertz对累积产甲烷量进行拟合后得到。

图6为易腐有机固废厌氧多组分厌氧消化TS去除率，可以看出相比于单消化，熟垃圾和生垃圾共消化及添加秸秆均能提高体系中TS的去除率，提高比例最大为15.1％。

由以上数据可知，在不添加秸秆的情况下，熟垃圾与生垃圾VS比为1:1时达到最优的累积甲烷产生量为420ml/g-VS。在添加10％的水稻秸秆的情况下，熟垃圾与生垃圾的VS比为9:1时累积甲烷产量最高为453ml/g-VS。相比于单消化生熟垃圾共消化能够提高的厌氧消化产甲烷，适量的秸秆添加能够进一步地提高厌氧共消化产甲烷效率。

本发明所述方法简单易行，将易腐有机固废进行组分调配，无需添加额外的菌剂和酸碱调节剂，多组分同批次进行厌氧消化产沼气，为促进城镇易腐有机固废中但不限于本发明提及的几类有机固体废弃物提供多组分优化方法，最终促进厌氧消化的产沼气效率，使得沼渣能够清洁化再利用，为垃圾分类后的湿垃圾及其他城镇易腐有机固废资源化利用提供技术支持。

本发明的保护内容不局限于以上实施实例，在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术技术人员能够想到的变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (8)

1.一种通过调配物料组分促进易腐有机固废厌氧消化产沼气的方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)按照厨余垃圾和菜市场垃圾的组分人工配置生垃圾，按照餐饮垃圾的组分人工配置熟垃圾，然后将所述生垃圾和熟垃圾分别使用匀浆机处理制得均匀的浆料；将风干的水稻秸秆进行机械粉碎；将厌氧沼渣在小型厌氧发酵罐中驯化制得接种物；

(2)调配步骤(1)所述熟垃圾、生垃圾、水稻秸秆组分制成发酵物料，然后将所述发酵物料和步骤(1)所述接种物放于小型批式厌氧消化装置中进行厌氧消化，每日测定产沼气量，直到产气停止。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述熟垃圾的组分及质量百分比为：米饭10-30％，面条10-30％，青菜10-30％，土豆10-15％，豆腐5-10％，胡萝卜5-10％，猪肉5-10％，鸡肉5-10％，鸡蛋5-10％，油0.5-6％，盐0.1-3％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述熟垃圾的组分及质量百分比为：米饭20％，面条10％，青菜20％，土豆15％，豆腐6％，胡萝卜5.8％，猪肉8％，鸡肉7％，鸡蛋7％，油1％，盐0.2％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生垃圾的组分及质量百分比为：青菜30-50％，胡萝卜5-10％，土豆10-20％，苹果10-20％，香蕉皮10-20％，橙子皮10-20％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生垃圾的组分及质量百分比为：青菜30％，胡萝卜8％，土豆12％，苹果20％，香蕉皮20％，橙子皮10％。

6.据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述发酵物料组分为：在0-20％的水稻秸秆添加下，所述熟垃圾和生垃圾的添加比例分别为10:0、9:1、7:3、5:5、3:7、1:9、0:10。

7.据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)还包括统一所述发酵物料的总有机物浓度，以VS计；统一所述接种物与所述发酵物料的比例；其中，所述消化物料的总VS浓度为3-12g/L；所述接种物和所述消化物料的VS之比为(2-1)：(1-2)。

8.据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述消化物料的总VS浓度为3g/L，6g/L，12g/L；所述接种物和所述消化物料的VS之比为2：1，1：1，1：2。