河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源新材料和裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心 蘇煌 李威峰 李荊波 田超超 焦有宙河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

農(nóng)村生活污水、餐廚垃圾與畜禽糞便混合產(chǎn)沼氣試驗(yàn)研究

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源新材料和裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心 蘇煌 李威峰 李荊波 田超超 焦有宙
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河南省農(nóng)村能源環(huán)境保護(hù)總站 主辦

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著農(nóng)村居民生活水平的提高，農(nóng)村的農(nóng)業(yè)廢棄物和農(nóng)村居民生活垃圾的產(chǎn)生量也與日俱增。大量農(nóng)業(yè)廢棄物的隨意不當(dāng)處理不僅造成大量生物質(zhì)能源的浪費(fèi)，而且對(duì)農(nóng)村的環(huán)境造成很大的破壞。這些農(nóng)業(yè)廢棄物主要包含種植業(yè)的作物秸稈和養(yǎng)殖業(yè)的禽畜糞便、養(yǎng)殖污水，農(nóng)村生活垃圾包括農(nóng)村的餐廚垃圾和生活污水。基于農(nóng)村生物質(zhì)未能合理利用，厭氧發(fā)酵是一種處理有機(jī)污染物的有效途徑。本文研究牛糞、餐廚垃圾和生活污水混合發(fā)酵的產(chǎn)氣性質(zhì)。

一、農(nóng)村有機(jī)廢棄物的資源化利用現(xiàn)狀

隨著農(nóng)村供水系統(tǒng)的改善和生活水平的提高，農(nóng)村生活污水的排放量在不斷增加。餐廚垃圾是農(nóng)村生活垃圾的主要成分之一，包括居民餐廚生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的食物殘?jiān)⑾履_料和剩菜剩飯等。朱艷等調(diào)研結(jié)果顯示，我國(guó)人均日產(chǎn)餐廚垃圾0.15kg/d，每年全國(guó)累計(jì)產(chǎn)生3 000多萬t餐廚垃圾，并且以10%～20%的增速增長(zhǎng)。前些年，農(nóng)村居民一般發(fā)展有家庭養(yǎng)殖業(yè)，習(xí)慣將餐廚垃圾作為家養(yǎng)畜禽的飼料使用，餐廚垃圾未經(jīng)處理直接作為飼料也有一些問題，如餐廚垃圾中的金屬等堅(jiān)硬物體會(huì)傷害動(dòng)物消化道，餐廚垃圾中的病原菌會(huì)引起人畜共患病，微生物產(chǎn)生的生物毒素在動(dòng)物體內(nèi)富集，通過食物鏈進(jìn)入人體。畜禽養(yǎng)殖業(yè)目前向規(guī)?；?、集約化方向發(fā)展，禽畜糞便的排放量快速增加。畜禽廢棄物總量呈逐年大幅增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染已成為農(nóng)村環(huán)境污染的主要來源。2002年，全國(guó)禽畜糞便年排放量已達(dá)18.84 億t，相當(dāng)于工業(yè)廢棄物年排放量的3.4倍。

二、材料與方法

（一）試驗(yàn)材料

牛糞：取自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)牧醫(yī)工程學(xué)院的奶?；兀迈r牛糞試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)取現(xiàn)用，測(cè)量TS和VS分別為19.78%和14.39%。牛糞C/N為21.7。

生活污水：生活污水取自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)4號(hào)樓學(xué)生公寓的污水下水道，在4℃條件下保存?zhèn)溆?，生活污水TS為0.035，C/N為10.2%。

餐廚垃圾：餐廚垃圾取與河南農(nóng)業(yè)大學(xué)1號(hào)餐廳晚飯餐廚垃圾，去除雜質(zhì)后在4℃條件下保存。餐廚TS 18.7%，C/N為14.3%。

（二）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究不同比例的牛糞、餐廚垃圾與生活污水的發(fā)酵特性，實(shí)驗(yàn)分為3組不同比例的物料混合梯度，第一組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：20，第二組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：16，第三組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：12。試驗(yàn)在35℃中溫條件下進(jìn)行序批式厭氧發(fā)酵50d左右。每組設(shè)3個(gè)平行，以3個(gè)平行的平均值為最終結(jié)果。三組實(shí)驗(yàn)接種率都是10%。

牛糞、餐廚垃圾和生活污水混合發(fā)酵的產(chǎn)氣曲線圖

（三）分析方法

日產(chǎn)氣量用排飽和食鹽水法收集。測(cè)量產(chǎn)氣量即前后兩次量氣瓶的液面刻度之差，讀數(shù)時(shí)調(diào)節(jié)集氣瓶與量氣瓶的相對(duì)高度使集氣瓶和量氣瓶的液面高度相同，以保證集氣瓶?jī)?nèi)的氣壓與大氣壓相同。每天測(cè)量產(chǎn)氣量后，使發(fā)酵瓶與集氣瓶之間的止水夾閉合，在出氣孔用注射器抽出沼氣，使集氣瓶?jī)?nèi)充滿飽和食鹽水，并記錄量氣瓶液面刻度。日產(chǎn)氣量于每天下午2：30測(cè)量。試驗(yàn)初始的發(fā)酵液為2.2L，隨著試驗(yàn)進(jìn)行發(fā)酵液物性的測(cè)量，發(fā)酵液會(huì)逐漸變小，校正后的日產(chǎn)氣量為當(dāng)日實(shí)測(cè)產(chǎn)氣量/當(dāng)日發(fā)酵液體積。試驗(yàn)記錄日產(chǎn)氣量為校正后的日產(chǎn)氣量，以下提到的日產(chǎn)氣量均為校正后的日產(chǎn)氣量。累計(jì)產(chǎn)氣量是批次試驗(yàn)的日產(chǎn)氣量進(jìn)行累加。單位質(zhì)量干物質(zhì)產(chǎn)氣率等于總產(chǎn)氣量除以發(fā)酵液的初始總質(zhì)量再除以發(fā)酵液的初始TS。單位質(zhì)量揮發(fā)分產(chǎn)氣率等于總產(chǎn)氣量除以發(fā)酵液的初始總質(zhì)量再除以發(fā)酵液的初始VS。用注射器取氣口抽取50mL氣體，用Agilent 6820GC-14B高效氣相色譜儀分析甲烷濃度，得出試驗(yàn)產(chǎn)氣的甲烷含量。甲烷含量測(cè)量每3d進(jìn)行1次，在上午9：00進(jìn)行含量測(cè)量，抽取的50mL氣體計(jì)入當(dāng)天日產(chǎn)氣量數(shù)值中。

三、牛糞、餐廚垃圾與生活污水混合發(fā)酵的產(chǎn)氣結(jié)果

牛糞與餐廚垃圾混合發(fā)酵的正交試驗(yàn)結(jié)果是牛糞與餐廚垃圾混合比例在3：1時(shí)發(fā)酵效果最好，產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量都達(dá)到最高，因此牛糞、餐廚垃圾和生活污水混合發(fā)酵的試驗(yàn)將牛糞和餐廚垃圾的比例固定在3：1，通過改變生活污水的比例尋找最優(yōu)的三者混合發(fā)酵的比例。由圖所示，牛糞、餐廚垃圾和生活污水以不同比例混合發(fā)酵的三組試驗(yàn)都正常產(chǎn)氣，所產(chǎn)氣體的甲烷含量都在一個(gè)比較高的水平。產(chǎn)氣曲線顯示，三組試驗(yàn)在發(fā)酵開始到第5天產(chǎn)氣量都很低，從第5天開始產(chǎn)氣量開始明顯增大，在第10天左右達(dá)到第一個(gè)產(chǎn)氣高峰，隨后開始下降，在第18天產(chǎn)氣量達(dá)到最低點(diǎn)后繼續(xù)增加，第二個(gè)產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第30天左右，此時(shí)產(chǎn)氣量是整個(gè)發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量最高點(diǎn)分別達(dá)到400mL、500mL和650mL，而后產(chǎn)氣量開始緩慢下降直到試驗(yàn)結(jié)束。第三組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：12組的產(chǎn)氣曲線比另外兩組高，產(chǎn)氣量高于其他兩組。第二組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：16組次之。產(chǎn)氣量最低的是第一組牛糞：餐廚垃圾：生活污水為3：1：20，說明濃度越高其產(chǎn)氣量就越大。三組試驗(yàn)產(chǎn)氣的甲烷含量變規(guī)律差別不大，都是在試驗(yàn)開始到第10天從10%增長(zhǎng)到60%，在第10天到試驗(yàn)結(jié)束甲烷含量維持在50%～65%，整個(gè)發(fā)酵過程產(chǎn)氣穩(wěn)定。

四、結(jié)論

牛糞和生活污水混合發(fā)酵可實(shí)現(xiàn)牛糞的高TS與低生活污水的高含水量進(jìn)行互補(bǔ)，在牛糞、餐廚垃圾和生活污水的混合發(fā)酵過程中，牛糞、餐廚垃圾和生活污水質(zhì)量比為3：1：20時(shí)，組單位VS產(chǎn)氣率最高，達(dá)到251mL/g；牛糞、餐廚垃圾與生活污水質(zhì)量比為3：1：12時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量最高，達(dá)到22 017mL。多元物料混合發(fā)酵與單一原料發(fā)酵相比較，具有以下優(yōu)勢(shì)：改善原料的結(jié)構(gòu)特性，增強(qiáng)介質(zhì)傳遞，提高微生物對(duì)原料的利用率；促進(jìn)發(fā)酵底物的營(yíng)養(yǎng)平衡，增強(qiáng)發(fā)酵系統(tǒng)的緩沖能力和有機(jī)負(fù)荷；減少高濃度脂肪對(duì)發(fā)酵的毒性抑制，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高發(fā)酵效率；多元物料混合發(fā)酵可以提高戶用沼氣池的利用率，避免戶用沼氣不同時(shí)期原料過?；蛘叨倘钡膯栴}。