2448 环境工程学报第 6 卷厌氧发酵, 一方面可解决农村环境污染问题, 另一方面也可产生清洁能源, 满足环境保护和可持续发展的双重需要混合厌氧发酵可以促进物料中营养物质的平衡, 提高消化池的容积利用效率, 还可以获得更高的底物产气量 [5] 近年来, 人们就秸秆混合厌氧发酵 [6] 进行了大

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招尚
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1 第６卷环境工程学报第７期Ｖ６Ｎ７ＣｈＪｕＥｍＥ２０１２年７月Ｊｕ２０１２稻秸餐厨垃圾及人粪尿混合厌氧发酵许智叶小梅常志州朱瑾杜静徐跃定张建英江苏省农业科学院农业资源与环境研究所江苏省农业废弃物资源化工程技术研究中心南京２１００１４摘要采用批次及批次与半连续耦合的发酵方法３５条件下研究了稻秸与餐厨垃圾人粪尿混合物简称生活污水下文同的不同混合比例以及生活污水不同负荷对稻秸产沼气性能及污水中粪大肠菌群去除率的影响结果表明在发酵总固体浓度ＴＳ为１６条件下稻秸与生活污水混合比例为１１７２ＷＷ时稻秸ＴＳ产气量达到３７７ｍＬ比稻秸与生活污水比为１３４４的处理高７７１比单一稻秸高２４４２在稻秸ＴＳ浓度为１０条件下生活污水有机负荷ＯＬＲ从０５ＣＯＤＬｄ逐步提高到４０ＣＯＤＬｄ其厌氧发酵系统运行正常与单一稻秸发酵相比容积产气效率提高且沼气中甲烷含量提高近２０与单一生活污水厌氧发酵相比生活污水ＣＯＤ去除率基本一致均超过８０但是随着污水有机负荷的增加粪大肠菌群去除率由９９４下降到了８６０出水中粪大肠菌群未达到国家允许的１１０４个ｍｌ排放标准关键词稻秸中图分类号餐厨垃圾Ｘ７１２人粪尿文献标识码混合发酵Ａ文章编号１６７３９１０８２０１２０７２４４７０７ＣｄｗｋｈｗｄｗｂｐｄｕＸｕＺｈＹＸｍＣｈＺｈｈｕＺｈｕＪＤｕＪＸｕＹｕｄＺｈＪｙＩｕＡｕｕＲｕｄｅｍＪｕａｄｍｙＡｕｕＳＪｕａｕｕＷＴｍｄｒｙＥＲｈｃＪｕ２１００１４ＣｈＡｂＴｈｂｄｗｕｄ３５ｕｄｙｈｕｕｍｄｍｗｍｙｄｗｄｈｕｍｗｗｈｗｄｄｄＯＬＲｄｍｗｂｐｄｕｍｗｄｄｈｕＥｗＴｈｕｈｗｄｈｗｈｈｗｄＴＳｂ１６ｄｈｗｄｍｗｂ１１７２ＷＷｈｂｐｄｕｍｗｔｓｗ３７７ｍＬｗｈｈｗｈｈｂｙ２４４２ｈｈｍｗｄｂｙ７７１ｈｈｍ１３４４ｗｄｍｗＷｈｈｗｔｓｂ１０ＯＬＲｄｍ０５ＣＯＤＬｄｄｕｙ４０ＣＯＤＬｄｄｈｂｄｙｍｕｄｍｙＣｍｐｄｈｄｍｗｈｙｍｐｄｄｈｈｂｐｄｕｐｕｍｄｄｈｈｍｈｙｄｂｙ２０ＴｈｄｍｗＣＯＤｕｗｗｈｈｗｄＮｈｈＯＬＲｄｍｗｈｕＥｄｐｐｄｍ９９４８６０ｄｈｅｍｄｄｄｈｈｐｍｄｍｄｄ１１０４ｍｌＫｙｗｄｗｋｈｗｗｄｍｗｄ随着我国经济快速发展城市化进程加快环境故将稻秸生活污水作为制取沼气原料进行混合问题日显突出据２００５年住建部对全国部分农村的调查我国农村每年产生的生活污水达８０多亿约９６的农村没有污水处理及收集系统１生活污水随意排放严重危害了饮用水生态环境安全和居民身体健康２４此外大量农作物秸秆未被利用随意遗弃或焚烧造成严重的环境污染及火灾等事基金项目农业部公益性行业计划项目２００９０３０１１０１江苏省３３３人才计划项目收稿日期２０１１０７０５修订日期２０１１０９０６作者简介许智１９８５男硕士主要从事农业废弃物能源化研究工作Ｅｍｕｈ１４１１２６ｍｍｈｈｕｈｍｍ通讯联系人Ｅ

2 2448 环境工程学报第 6 卷厌氧发酵, 一方面可解决农村环境污染问题, 另一方面也可产生清洁能源, 满足环境保护和可持续发展的双重需要混合厌氧发酵可以促进物料中营养物质的平衡, 提高消化池的容积利用效率, 还可以获得更高的底物产气量 [5] 近年来, 人们就秸秆混合厌氧发酵 [6] 进行了大量研究和探索 Parawira 等将番茄残体与甜菜叶按不同混合比例, 进行干式厌氧发酵, 当番茄残体与甜菜叶比为时, 甲烷产气量与单一 [7] 的番茄残体相比, 可提高 31% ~62% 李继红等在中温条件下, 将玉米秸秆和土豆进行混合厌氧发酵, 结果表明, 在两者 TS 比为 4 1 条件下, 混合原料的累积产气量为 439mL/gTS, 而玉米秸秆的累积产气量为 309mL/gTS, 混合厌氧发酵使玉米秸秆的产气量比其单一原料厌氧发酵提高了 31 4% [8] 吕琛等研究了果蔬与餐厨垃圾不同混合比例以及不同负荷条件下的原料产气率, 表明在混合比例为 5 8 进料负荷 TS 为 2% 时产气性能最佳, 其单位 TS 甲烷总产量为 600mL/g, 比单一餐厨和果蔬原料分别高 4 5% 和 7 1% 在集约化的稻麦轮作区, 研究稻或麦秸与生活污水混合厌氧发酵技术, 对实现秸秆综合利用与农村环境治理, 具有重要意义本文以稻秸生活污水为原料, 采用批次及批次与半连续相耦合的发酵工艺, 研究其发酵特性, 旨在为秸秆能源化利用以及农村环境治理探索一条新的技术途径 1 实验部分 1 1 实验材料稻秸, 取自江苏省农业科学院水稻实验田, 风干备用 ; 餐厨垃圾取自江苏省农科院食堂, 主要组成为米饭蔬菜肉类豆腐等 ; 餐厨垃圾经小型食物粉碎机粉碎后储存于 4 冰箱备用 ; 人粪尿取自江苏省农科院公厕 ; 原料特性见表 1 表 1 厌氧发酵原料的基本属性 Table1 Basicpropertiesoffeedstockmaterials 分析指标稻秸餐厨垃圾 (%) (%) 人粪尿 (mg/l) 总固体挥发性固体总有机碳 ph 总氮实验装置与方法稻秸与生活污水批次发酵实验实验设 4 个处理, 每处理重复 3 次, 发酵周期为 50d 实验设计详见表 2 实验以 2 5L 有机玻璃罐为反应器, 水浴保持 35 恒温接种物为南京川田奶牛场大型沼气罐沼渣, 总固体 (totalsolid,ts) 为 10 93%, 挥发性固体 (volatile solid,vs) 为 8 04%,pH 为 7 55, 接种量为稻秸的 15% ( 干重比 ) 将餐厨垃圾和人粪尿按 1 5(W/W) 的比例混合 ( 以下统称生活污水 ), 在 35 下水解酸化 24h 后, 与稻秸混合均匀一起入罐表 2 实验设计 Table2 Experimentdesign 处理设计方案稻秸 (g) 生活污水 (g) 接种物 (g) 水 (g) NH 4 HCO 3 (g) C/N TS(%) A 稻秸 + 水 B 稻秸与生活污水比为 C 稻秸与生活污水比为 D 生活污水注 : 表中稻秸与生活污水比为重量比 (W/W) 稻秸生活污水批次与半连续耦合发酵实验以 5L 有机玻璃罐为反应器, 有效体积为 3 5L, 采用循环水保温, 水温控制在 35 左右反应装置见图 1 实验设 3 个反应装置 1 # 2 # 反应器装入 250g 稻秸,3 # 反应器装入 COD 浓度为 0 5g/L 的生活污水 3 5L 3 个反应器均加入 500g 污泥作为接种物,1 # 2 # 反应器用水补充到 3 5L(TS 含量约为 10%),3 # 反应器用 COD 为 0 5g/L 的生活污水补充至 3 5L 待稻秸产气稳定后,1 # 3 # 反应器每天进料 500mL 生活污水, 且逐步将容积负荷率由 0 5g COD/(L d) 增加到 4 0gCOD/(L d) 2 # 反应器每

3 第７期许智等稻秸餐厨垃圾及人粪尿混合厌氧发酵２４４９２实验结果与分析２１稻秸与生活污水批次发酵实验２１１ｐｈ的变化ｐｈ是调控厌氧发酵过程的主要环境因子ｐｈ除影响功能酶的活性外还会影响发酵细菌代谢途径的选择９产甲烷菌对ｐｈ较为敏感最佳ｐｈ约为６８７５图１反应装置Ｆ１Ｓｈｍｄｍ天取５００ｍＬ发酵液进行回流作为１反应器的对照１３测定指标与方法采用排水法测定每天沼气产量甲烷含量采用从发酵过程中ｐｈ的变化曲线图２可以看出处理Ａ稻秸水Ｂ稻秸生活污水１３４４Ｃ稻秸生活污水１１７２Ｄ生活污水的ｐｈ在发酵初期均呈下降趋势处理ＢＣ在第４天ｐｈ分别降至６０８和５７３此时出现酸抑制现象不再产气图４用１ｍＬ的ＮＯＨ溶液将ＧＣ９８９０Ａ气相色谱仪测定使用ＴＤＸ０２Ｂ色谱柱处理Ｃ的ｐｈ逐步调至７６４后产气恢复将处理Ｂ４ｍｍ０５ｍ以Ｈ２为载气载气流量３０ｍＬ的ｐｈ逐步调至８０２后产气也随之恢复这说明发ｍＴＣＤ检测器进行分析柱温１００检测器温度酵系统中产甲烷菌处于受抑制状态待ｐｈ条件适１２０进样量为０５ｍＬ外标法ＣＯＤ测定参照宜产气活动仍可继续进行此外ｐｈ调节至较高点ＧＢ１１９４８９ＣＯＤ测定重铬酸钾法可溶性化学需后再次出现下降的过程这是因为有机物水解过程ｍ高速离氧量ＳＣＯＤ测定将水解样品经４０００的继续进行导致系统中有机酸浓度增加发酵至第心后取上清液并参照ＣＯＤ测定方法ｐｈ采用雷磁２８天后ｐＨ一直稳定在７５０上下处于微生物适宜的ｐｈｓ２Ｆ型酸度计测定挥发性有机酸ＶＦＡ采用气ｐＨ范围内与冯磊等１０研究结果一致２０１４进行测定使用Ｓｂｗ相色谱仪岛津ＧＣＤＡ３０ｍ０５３ｍｍ０２５μｍ型毛细管柱ＦＩＤ检测器温度为２４０进样器温度为１５０不分流方式进样采用程序升温初始６０保留２ｍ然后以１５ｍ温度梯度升温至１５０保留２ｍ再以３０ｍ温度梯度升温至２４０保留３ｍ进样量为１μＬ用色谱纯的乙酸丙酸丁酸戊酸作为标准酸以４甲基戊酸为内标物乳酸图２发酵过程中ｐｈ的变化采用高效液相色谱仪Ａ１２００进行测定使用Ｆ２ＶｐｈｄｕｂｄｂｐＸＤＢＣ１８４６ｍｍ２５０ｍｍ５μｍ型色谱柱ＵＶ紫外检测器柱温３０流动相２１２ＳＣＯＤ含量的变化１５Ａ采用ＡＢ双通道混合流动相体积比８５如图３所示由于污水混合发酵液中有机物相ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４Ｈ３ＰＯ４缓冲溶液Ｂ甲醇流速１ｍＬ对于秸秆更易分解发酵初期产生了大量的可溶性有机物第８天之前处理ＢＣ的ＳＣＯＤ浓度高于处ｍ采用外标法ＣＯＤ与ＶＦＡ的理论换算关系乙酸ｍＬ理Ａ第８天后产气恢复ＳＣＯＤ被利用使得其含量１１在易腐有机垃圾水解酸ｍｍＬ为１０６６丙酸ｍＬｍｍＬ为呈下降趋势潘修疆等抑制研究中发现当ｐＨ５６时水解率降低１５１２丁酸ｍＬｍｍＬ为１８１６戊酸ｍＬｍｍＬ为２０３６乳酸ｍＬｍｍＬ４０６０本实验中第６天后ＳＣＯＤ含量不再继续升高推测可能是由较低ｐｈ引起的待ｐｈ调节为１５１２粪大肠菌群的测定多管发酵法ＨＪＴ３４７后ＳＣＯＤ含量再次上升到第１２天和１７天出现第二个峰值２００７

4 ２４５０环境工程学报第６卷２１４甲烷含量的变化甲烷含量的高低直接影响着沼气品质好坏也是厌氧发酵体系中微生物种群间代谢是否平衡的重要外在表征图５表示发酵过程中甲烷含量变化从整个消化过程来看甲烷含量呈现一个先快速上升后缓慢下降的趋势单一稻秸处理Ａ的甲烷含图３发酵过程中ＳＣＯＤ含量的变化Ｆ３ＶＳＣＯＤｄｕｂｄ量持续上升到第１２天达到５０稻秸生活污水的处理ＢＣ发酵重新启动后甲烷含量迅速上２１３产气量的变化３ｄ后其甲烷含量已达到５０以上升由图４可以看出在刚装罐后每天产气量都很高发酵５ｄ后处理Ｂ与处理Ｃ不再产气调节ｐｈ后处理Ｃ于３ｄ后产气重新启动并在一周左右的时候出现产气高峰而处理Ｂ在ｐｈ调节５ｄ后也恢复产气产气高峰出现的时间也相应延后２个稻秸生活污水处理ＢＣ的产气曲线非常相似在第１次产气高峰后一周左右的时间都出现了第２次产气高峰处理Ｂ相对于处理Ｃ图５发酵过程中甲烷含量变化曲线产气高峰在时间上的延后是由于发酵重新启动Ｆ５ＶＣＨ４的延后ｄｕｂｄ２１５挥发性脂肪酸的变化将所测各挥发性脂肪酸换算为ＣＯＤ表示换算关系见材料方法中１３结果见图６发酵到第５天单一稻秸处理Ａ的总ＶＦＡ含量达７１４９ｍＣＯＤＬ处理ＢＣ分别达到１４０５５ｍＣＯＤＬ和１２４７７ｍＣＯＤＬ这主要是由于水解液中大量易降图４发酵过程中日产气量变化曲线解有机物迅速水解导致后２个处理的ＶＦＡ浓度迅Ｆ４Ｄｙｂｐｄｕｙｄｄｕ速上升ＶＦＡ浓度的迅速增加是这２个处理产生ｂｄ酸抑制导致发酵启动失败的主要原因发酵系统从图４中看出处理Ａ在整个发酵过程中产气很平稳并且呈缓慢下降趋势而处理ＢＣ产气高中的高浓度ＶＦＡ表现为较低的ｐｈ抑制了微生物继续水解产酸处理ＢＣ２个处理在第４天后ＶＦＡ浓度不再大幅增加甚至出现下降的趋势重新调节峰期从第１１天持续至第３４天由表３中数据可见处理Ｃ中稻秸ＴＳ产气量为３７７ｍＬＴＳ比处理Ｂ高７７１比单独稻秸处理提高了２４４２说明混合发酵促进了底物的转化效率ｐｈ后ＶＦＡ浓度又呈增加趋势随着产甲烷的不断进行ＶＦＡ被消耗而逐步下降不同处理发酵液中有机酸组成及变化趋势基本一致各有机酸中均以丁酸为主特别是在稻秸与生活污水混合发酵的２个处理ＢＣ中表现更为明显表３各处理累积产气量和ＴＳ产气量采用多种底物混合发酵可获得更好产气效率Ｔｂ３ＡｕｍｂｙｄｄｂｙｄｐｍＴＳ同时也可为沼渣的后续处理与利用带来方便但是将易降解的固体废弃物进行混合发酵时如果有机负参数处理Ａ处理Ｂ处理Ｃ处理Ｄ荷过高需要增加接种物或需要调节ｐｈ与系统碱累积产气量ｍｌ５０９７５６１３６０６５９７５８７１０度以增加系统缓冲性能否则可能会产生酸抑制不ＴＳ产气量ｍｌＴＳ３０４３５０３７７２６９利用后续产气的进行ＭｕＭ等１２将污泥和薯类

5 第７期许智等稻秸餐厨垃圾及人粪尿混合厌氧发酵２４５１统由图７的产气曲线可知第９天达产气高峰后缓慢下降自装罐起至第１９天各反应器产气稳定此时开始进料生活污水并逐步提高容积负荷由０５ＣＯＤＬｄ逐步提高到４０ＣＯＤＬｄ由图７可以看出随着负荷的提高１反应器日产气量也随之提高发酵到第４４天负荷提高到４０ＣＯＤＬｄ日产气量达５２５０ｍＬ此后停止进料产气量迅速下降但仍能够正常产气此结果Ｌｄ以下的生活污表明容积负荷在４０ＣＯＤ水不会影响稻秸厌氧发酵系统的正常产气图７日产气量变化Ｆ７Ｄｙｂｐｄｕｙｄｄｕｂｄ图８反映了不同处理所沼气的甲烷含量稻秸与生活污水混合发酵１反应器与单一稻秸２反应器发酵相比沼气中甲烷含量由５０左右提高到了６０左右甲烷含量提高了２０左右图６发酵过程中各挥发性有机酸的变化Ｆ６ＶＶＦＡｄｕｂｄ污水混合消化发现当加入的薯类废水比例较高时会因缓冲能力不足而导致发酵失败本实验将稻秸与不同比例生活污水混合发酵共进行５０ｄ稻秸的ＴＳ产气量处理Ｃ比处理Ｂ与Ａ分别提高了７７１和２４４２但在整个运行过程中也出现因图８甲烷含量变化曲线生活污水中含有大量易降解有机物快速酸化而导Ｆ８ＶＣＨ４致混合发酵前期出现酸抑制现象分析原因可能在于以下两点一是易腐有机质快速水解产生大量挥发性有机酸导致ｐｈ的下降二是可能因发酵系统２２２ＣＯＤ去除率由图９可知１和３反应器的出料ＣＯＤ浓度均中ＴＳ浓度较高传质不均造成了局部酸化在５０００ｍＬ以下不过随着有机负荷的增加而有２２稻秸批次发酵与生活污水半连续耦合发酵所增加由于稻秸厌氧发酵沼液ＣＯＤ较高在进料２２１产气速率负荷较低的条件下１反应器并未表现出较好的去稻秸自身难降解的纤维素结构决定了其产气慢周期长的特点２反应器为纯稻秸厌氧发酵系除效果主要是２个方面的原因一是污水开始进料后系统有个适应过程二是来自秸秆水解产物的

6 2452 环境工程学报第 6 卷 COD 一段时间适应后, 在进料 COD 浓度在 1 0g/ L 以上时, 两反应器 COD 去除率均在 80% 以上, 差异不大污水半连续发酵相耦合的工艺, 其结果表明,HRT 为 7d 有机负荷为 4 0gCOD/(L d) 条件下, 污水中 COD 去除率达到了 80% 以上, 说明稻秸作为固定相的生活污水半连续发酵, 在不降低生活污水的 COD 去除效率同时, 可以减少 HRT 时间, 从而提高了工程运行效率 3 结论图 9 不同负荷条件下 COD 去除率变化 Fig 9 VariationofCODreductionwith diferentorganicloading 注 : 图 9 中发酵时间以开始污水进料为起始点粪大肠菌群去除率在容积负荷为 0 75gCOD/(L d) 时, 粪大肠菌群数量由进料的个 /L 下降到个 /L, 去除率达 99 4% 随着容积负荷的增加, 去除率呈下降趋势当容积负荷率上升到 3 94g COD/(L d) 时粪大肠菌群的去除率仅为 86 0% 表 4 1 # 反应器进出料粪大肠菌群数的变化 Table4 Variationsofnumbersofcoliform groupinreactor1 # 容积负荷 gcod/(l d) 进料个 /L 出料个 /L 去除率 (%) 已有研究表明, 餐厨垃圾中含有高浓度的油脂 [13] 和盐份不利微生物的生长, 金建祥等运用传统厌氧消化工艺对餐厨垃圾进行厌氧发酵实验, 发现在中温 HRT( 水力停留时间 ) 大于 20d 的条件下, 容积负荷小于 4 0gCOD/(L d) 时, 其 COD 去除率才能达到 80% 以上, 当容积负荷大于 4 0gCOD/(L d) 时 COD 去除率迅速下降, 产气量也随之下降, 本实验针对餐厨垃圾单一底物厌氧发酵可能存在的问题以及每日产生的特点, 尝试了稻秸批次与生活 (1) 稻秸与生活污水混合发酵, 与单一稻秸相比, 可提高稻秸产气率 20% 以上, 但因生活污水中存在着大量易氧化有机物, 会快速酸化而导致厌氧发酵启动失败 (2) 采用秸秆批次生活污水半连续进料方式, 进行混合厌氧发酵, 在生活污水有机负荷为 4 0g COD/(L d) 条件下, 系统运行稳定, 与单一稻秸相比, 稻秸 TS 产气率提高, 且污水的 COD 去除率稳定在 80% 以上, 但污水中粪大肠菌群去除率下降到 86%, 难以保证出水以下 (3) 比较稻秆生活污水混合批次发酵与稻秸批次生活污水半连续耦合发酵两种工艺, 批次发酵工艺中的稻秸最高产气量为 345mL/gTS, 而批次与半连续耦合发酵工艺的稻秸产气量达到 367mL/gTS, 后者高出前者 6 38%, 且后者系统启动平稳运行稳定, 未出现酸抑制问题, 因此, 采用批次与半连续耦合发酵工艺, 作为一种农村有机废弃物处置与资源化利用技术途径, 是可行的, 但也发现随着污水有机负荷提高, 污水中病原菌去除率在下降, 对此应引起重视参考文献 [1] 曾鸣, 谢淑娟. 中国农村环境问题研究制度透析与路径选择. 北京 : 经济管理出版社, [2] 张进伟, 马振华. 我国农村排水污染问题分析. 黄河水利职业技术学院学报,2010,22(1):13 14 ZhangJinwei,MaZhenhua.Analysisofpolutionproblem withruraldrainageofchina.journalofyelowrivercon servancytechnicalinstitute,2010,22(1):13 14(inChi nese) [3] 彭举威, 汪诚文, 付宏祥, 等. 我国农村水污染现状及治理措施. 中国资源综合利用,2010,28(2):44 45 PenJuwei,WangChengwen,FuHongxiang,etal.Polu tionstatusandtreatmentmeasuresofruralwaterinchina. ComprehensiveUtilizationofResourcesinChina,2010,28 (2):44 45(inChinese)

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<4D6963726F736F667420576F7264202D20B2CEBFBC3232C6DAD1A7CFB0D3EBCBBCBFBCC4DAD2B3> - 1 - - 2 - - 3 - - 4 - - 5 - 做四个全面的宣传者实践者 - 6 - - 7 - - 8 - - 9 - - 10 - - 11 - - 12 - - 13 - - 14 - - 15 - - 16 - - 17 - - 18 - - 19 - - 20 - 创新调处新机制构筑稳定防火墙 - 21 - - 22 - - 23