第 ６卷 环 境 工 程 学 报 第 ７期 Ｖ ６ Ｎ ７ Ｃｈ Ｊ ｕ Ｅ ｍ Ｅ ２０１２年 ７月 Ｊ ｕ ２０１２ 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 １ １ ７２ Ｗ Ｗ 时 稻秸 ＴＳ产气量 达 到 ３７７ｍＬ 比 稻 秸 与生活污水 比 为 １ ３ ４４的 处 理 高 ７ ７１ 比 单 一 稻 秸 高 ２４ ４２ 在 稻 秸 ＴＳ浓 度 为 １０ 条 件 下 生 活 污 水 有 机 负 荷 ＯＬＲ 从 ０ ５ＣＯＤ Ｌ ｄ 逐步提高到 ４ ０ＣＯＤ Ｌ ｄ 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 ９９ ４ 下降到了 ８６ ０ 出水中粪大 肠 菌 群 未 达 到 国 家 允 许 的 １ １０４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 １６７３ ９１０８ ２０１２ ０７ ２４４７ ０７ Ｃ ｄ ｗ ｋ ｈ ｗ ｄ ｗ ｂ ｐ ｄｕ ＸｕＺｈ ＹＸ ｍ Ｃｈ Ｚｈ ｈ ｕ ＺｈｕＪ ＤｕＪ ＸｕＹｕ ｄ Ｚｈ Ｊ ｙ Ｉ ｕ Ａ ｕ ｕ Ｒ ｕ ｄｅ ｍ Ｊ ｕａ ｄ ｍｙ Ａ ｕ ｕ Ｓ Ｊ ｕａ ｕ ｕ Ｗ Ｔ ｍ ｄｒ ｙ Ｅ Ｒ ｈｃ Ｊ ｕ２１００１４ Ｃｈ Ａｂ Ｔｈ ｂ ｄ ｗ ｕ ｄ ３５ ｕｄｙ ｈ ｕ ｕｍ ｄ ｍ ｗ ｍ ｙ ｄｗ ｄｈｕｍ ｗ ｗ ｈ ｗ ｄｄ ｄ ＯＬＲ ｄ ｍ ｗ ｂ ｐ ｄｕ ｍ ｗｄ ｄ ｈ ｕ Ｅ ｗ Ｔｈ ｕ ｈ ｗ ｄ ｈ ｗ ｈ ｈ ｗ ｄ ＴＳ ｂ １６ ｄ ｈ ｗ ｄ ｍ ｗ ｂ １ １ ７２ Ｗ Ｗ ｈｂ ｐ ｄｕ ｍ ｗｔｓｗ ３７７ｍＬ ｗｈ ｈｗ ｈ ｈ ｂｙ ２４ ４２ ｈ ｈ ｍ ｗ ｄｂｙ７ ７１ ｈ ｈ ｍ１ ３ ４４ ｗ ｄ ｍ ｗ Ｗ ｈ ｈ ｗｔｓｂ １０ ＯＬＲ ｄ ｍ０ ５ＣＯＤ Ｌ ｄ ｄｕ ｙ ４ ０ＣＯＤ Ｌ ｄ ｄ ｈ ｂ ｄ ｙ ｍ ｕ ｄ ｍ ｙ Ｃ ｍｐ ｄ ｈｄ ｍ ｗ ｈ ｙ ｍ ｐ ｄ ｄｈ ｈ ｂ ｐ ｄｕ ｐ ｕｍ ｄ ｄｈ ｈ ｍ ｈ ｙ ｄｂｙ２０ Ｔｈ ｄ ｍ ｗ ＣＯＤ ｕ ｗ ｗ ｈ ｈ ｗｄ Ｎ ｈ ｈ ＯＬＲ ｄ ｍ ｗ ｈ ｕ Ｅ ｄ ｐｐ ｄ ｍ９９ ４ ８６ ０ ｄ ｈｅ ｍ ｄｄ ｄ ｈ ｈ ｐ ｍ ｄ ｍ ｄ ｄ １ １０４ ｍｌ Ｋ ｙｗ ｄ ｗ ｋ ｈ ｗ ｗ ｄ ｍ ｗ ｄ 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 ２ ４ 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 ２００９０３０１１ ０１ 江 苏 省 ３３３ 人才计划项目 收稿日期 ２０１１ ０７ ０５ 修订日期 ２０１１ ０９ ０６ 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 Ｅ ｍ ｕ ｈ １４１ １２６ ｍ ｍ ｈ ｈ ｕ ｈ ｍ ｍ 通讯联系人 Ｅ
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 24 16 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 93 12 18 61 501 挥发性固体 85 14 16 70 279 总有机碳 36 57 42 18 450 ph 6 16 7 77 总氮 0 62 0 35 6100 1 2 实验装置与方法 1 2 1 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 180 250 620 12 7 25 0 16 B 稻秸与生活污水比为 1 3 44 180 620 250 28 4 16 C 稻秸与生活污水比为 1 1 72 180 310 250 310 40 9 16 D 生活污水 310 250 2 9 5 8 注 : 表中稻秸与生活污水比为重量比 (W/W) 1 2 2 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
第 ７期 许 智等 稻秸 餐厨垃圾及人粪尿混合厌氧发酵 ２４４９ ２ 实验结果与分析 ２ １ 稻秸与生活污水批次发酵实验 ２ １ １ ｐｈ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 ６ ８ ７ ５ 图 １ 反应装置 Ｆ １ Ｓ ｈ ｍ ｄ ｍ 天取 ５ ００ｍＬ发酵液进行回流 作为 １ 反应器的对照 １ ３ 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 １ ３ ４４ Ｃ 稻 秸 生 活 污 水 １ １ ７２ Ｄ 生 活 污 水 的 ｐｈ在发酵初期均呈下降趋势 处理 Ｂ Ｃ在第 ４天 ｐｈ 分 别 降 至 ６ ０８和 ５ ７３ 此 时 出 现 酸 抑 制 现象 不再产气 图 ４ 用 １ｍ Ｌ的 Ｎ ＯＨ溶液将 ＧＣ ９８９０Ａ气相色 谱 仪 测 定 使 用 ＴＤＸ ０２Ｂ色 谱 柱 处理 Ｃ的 ｐｈ逐步调至 ７ ６４后 产气恢复 将处理 Ｂ ４ｍｍ ０ ５ｍ 以 Ｈ２ 为 载 气 载 气 流 量 ３０ｍＬ 的 ｐｈ逐步调至 ８ ０ ２后产气也随之恢复 这说明发 ｍ ＴＣＤ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 ０ ５ｍＬ 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 ＧＢ１１９４ ８９ ＣＯＤ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 ２ ８天后 ｐ Ｈ一直稳定在 ７ ５ ０上下 处于微生物适宜的 ｐｈｓ ２Ｆ型酸度计测定 挥发性有机酸 ＶＦＡ 采 用气 ｐ Ｈ范围内 与冯磊等 １０ 研究结果一致 ２０１４ 进行 测 定 使 用 Ｓ ｂ ｗ 相色谱仪 岛津 ＧＣ ＤＡ３０ｍ ０ ５３ｍｍ ０ ２５μｍ 型 毛 细 管 柱 ＦＩ Ｄ 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 １５ ｍ 温 度 梯 度 升 温 至 １５０ 保 留 ２ｍ 再 以 ３０ ｍ 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 Ａ １２００ 进行 测定 使 用 Ｆ ２ Ｖ ｐｈ ｄｕ ｂ ｄ ｂ ｐ ＸＤＢ Ｃ１８４ ６ｍｍ ２５０ｍｍ ５μｍ型色谱柱 ＵＶ紫外检测器 柱温 ３０ 流动相 ２ １ ２ ＳＣＯＤ含量的变化 １５ Ａ 采用 Ａ Ｂ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 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４ Ｈ３ＰＯ４ 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 Ｂ Ｃ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 ｍ Ｌ 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 ｍｍ Ｌ 为 １ ０６６ 丙 酸 ｍ Ｌ ｍｍ Ｌ 为 呈下降趋势 潘 修 疆 等 抑制研 究 中 发 现 当 ｐ Ｈ ５ ６时 水解率降低 １ ５１２ 丁酸 ｍ Ｌ ｍｍ Ｌ 为 １ ８１６ 戊 酸 ｍ Ｌ ｍｍ Ｌ 为 ２ ０３６ 乳 酸 ｍ Ｌ ｍｍ Ｌ ４０ ６０ 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 １ ５１２ 粪大 肠 菌 群 的 测 定 多 管 发 酵 法 ＨＪ Ｔ３４７ 后 ＳＣＯＤ含量再次上 升 到 第 １２天 和 １７天 出 现 第 二个峰值 ２００７
２４５０ 环 境 工 程 学 报 第 ６卷 ２ １ ４ 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 Ｆ ３ Ｖ ＳＣＯＤｄｕ ｂ ｄ 量持续 上 升 到 第 １２天 达 到 ５０ 稻 秸 生 活 污 水的 处 理 Ｂ Ｃ发 酵 重 新 启 动 后 甲 烷 含 量 迅 速 上 ２ １ ３ 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 Ｂ Ｃ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 Ｆ ５ Ｖ ＣＨ４ 的延后 ｄｕ ｂ ｄ ２ １ ５ 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 １ ３ 结 果 见 图 ６ 发 酵 到 第 ５ 天 单 一 稻 秸 处 理 Ａ 的 总 ＶＦＡ 含 量 达 ７１４９ ｍ ＣＯＤ Ｌ 处 理 Ｂ Ｃ分 别 达 到 １４０５５ｍＣＯＤ Ｌ和 １２４７７ｍＣＯＤ Ｌ 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 Ｆ ４ Ｄ ｙｂ ｐ ｄｕ ｙ ｄｄｕ 速上升 ＶＦＡ浓 度 的 迅 速 增 加 是 这 ２个 处 理 产 生 ｂ ｄ 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 Ｂ Ｃ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 Ｂ Ｃ２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 ３７７ｍＬ ＴＳ 比处理 Ｂ高 ７ ７１ 比单独稻秸处 理提 高 了 ２４ ４２ 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 Ｂ Ｃ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 Ｔｂ ３ Ａ ｕｍ ｂ ｙ ｄｄｂ ｙ ｄｐ ｍ ＴＳ 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 ｍｌ ５０９７５ ６１３６０ ６５９７５ ８７１０ 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 ｍｌ ＴＳ ３０４ ３５０ ３７７ ２６９ 利用后续产气的进行 Ｍｕ Ｍ 等 １２ 将污泥和薯类
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 ０ ５ＣＯＤ Ｌ ｄ 逐 步 提 高 到 ４ ０ＣＯＤ Ｌ ｄ 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 ４ ０ ＣＯＤ Ｌ ｄ 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 Ｌ ｄ 以下的生活污 表明 容积负荷在 ４ ０ＣＯＤ 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 Ｆ ７ Ｄ ｙｂ ｐ ｄｕ ｙ ｄｄｕ ｂ ｄ 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 Ｆ ６ Ｖ ＶＦＡｄｕ ｂ ｄ 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 ７ ７１ 和 ２４ ４２ 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 Ｆ ８ Ｖ ＣＨ４ 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 ２ ２ ２ ＣＯＤ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 ５０００ｍ Ｌ以下 不过随着有机 负荷 的增 加而 有 ２ ２ 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 ２ ２ １ 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
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 2 2 3 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 7 9 10 6 个 /L 下降到 0 5 10 5 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 (%) 0 75 7 9 10 6 0 5 10 5 99 4 1 00 1 3 10 7 1 7 10 5 98 7 1 60 2 4 10 7 2 4 10 6 90 0 3 00 5 4 10 7 3 5 10 6 93 5 3 94 3 5 10 7 4 9 10 6 86 0 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,2007.71 78 [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)
第 7 期许智等 : 稻秸 餐厨垃圾及人粪尿混合厌氧发酵 2453 [4] 罗延龄, 倪燕. 新农村建设中的农业面源污染现状 问题及对策分析. 环境科学导刊,2010,29(2):29 31 LuoYanling,NiYan.Non pointsourcepolutionsituation, problemsandcountermeasuresofanalysiswithagricultural in the new rural construction.environmental Science Guide,2010,29(2):29 31(inChinese) [5]LafiteT.S.,FosterC.F.Dualanaerobicco digestionof sewageandconfectionerywater.bioresourcetechnology, 2000,71(1):77 82 [6] ParawiraW., MurtoM., VauyaR., etal. Anaerobic batchdigestionofsolidpotatowastealoneandincombina tionwithsugarbeetleaves.renewableenergy,2004,29 (11):1811 1823 [7] 李继红, 杨世关, 郑正, 等. 玉米秸秆与土豆混合厌氧发酵试验研究. 太阳能学报,2008,29(10):1308 1312 LiJihong,YangShiguan,ZhengZheng,etal.Anaerobic batchco digestionofcornstalkandpotato.actaenergiae SolarisSinica,2008,29(10):1308 1312(inChinese) [8] 吕琛, 袁海荣, 王奎升, 等. 果蔬与餐厨垃圾混合厌氧消化产气性能. 全国农村清洁能源与低碳技术学术研讨会论文集, 郑州,2011,4:84 88 LüChen,YuanHairong,WangKuisheng,etal.Anaero bicdigestionperformancesoffruitandvegetablewasteand kitchenwaste//proceedingsofthesymposium ofruralre newableenergiesandlow CarbonTechnologiesinChina. Zhengzhou,2011,4:84 88(inChinese) [9] 赵杰红, 张波, 蔡伟民. 温度对厨余垃圾两相厌氧消化中水解和酸化过程的影响. 环境科学,2006,27(8): 1682 1686 ZhaoJiehong,ZhangBo,CaiWeimin.Influenceoftem peratureonhydrolysisandacidogenesisofkitchenwastesin two phase anaerobic digestion. Environmental Science, 2006,27(8):1682 1686(inChinese) [10] 冯磊,BernhardRaninger, 李润东, 等. 牛粪和厨余垃圾联合厌氧消化试验. 生态与农村环境学报,2008,24 (3):81 85 FengLei,BernhardRaninger,LiRundong,etal.Anae robicdigestionofmixtureofcow dungandkitchenwaste. JournalofEcology and RuralEnvironment, 2008, 24 (3):81 85(inChinese) [11] 潘修疆, 何品晶, 吕凡, 等.pH 值与乙酸对易腐有机垃圾水解过程的抑制. 环境化学,2006,25(4):449 453 PanXiujiang,HePinjing,LüFan,etal.Theinhibition ofthephandacetateontheanaerobichydrolysisofbiode gradableorganicwaste.environmentalchemistry,2006, 25(4):449 453(inChinese) [12]MurtoM.,BjornssonL.,MatiassonB.Impactoffood industrialwasteonanaerobicco digestionofsewagesludge andpigmanure.environmentalmanagement,2004, 70 (2):101 107 [13] 金建祥, 王世和, 肖雪峰, 等. 传统厌氧消化工艺处理餐饮垃圾的试验研究. 中国给水排水,2007,23(15): 55 57 JinJianxiang,WangShihe,XiaoXuefeng,etal.Experi mentalstudyontraditionalanaerobicdigestionprocessfor foodwastetreatment.chinawater& Wastewater,2007, 23(15):55 57(inChinese)