摘要：利用6種碳基材料進(jìn)行餐廚垃圾厭氧消化試驗(yàn)，采用AMPTS全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)開展產(chǎn)甲烷潛力試驗(yàn)，結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程分析餐廚垃圾產(chǎn)甲烷潛力及碳基材料對(duì)餐廚垃圾厭氧消化性能的影響。結(jié)果表明，除碳布、碳納米管（物料比為3∶5，m/m，下同）外，添加其他碳基材料均可以提高餐廚垃圾厭氧消化有機(jī)物的去除率，提高有機(jī)物降解性能。生物炭添加組的累積甲烷產(chǎn)量分別比對(duì)照組提高55.9%（物料比為4∶5）和55.5%（物料比為3∶5）；采用修正的Gompertz模型方程對(duì)累積甲烷產(chǎn)量進(jìn)行擬合，在餐廚垃圾厭氧消化中添加生物炭能夠明顯提升物料產(chǎn)甲烷的能力并縮短厭氧消化滯后期。微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明，餐廚垃圾厭氧消化前后的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在門水平未發(fā)生較大變化，厚壁菌門和擬桿菌門為各試驗(yàn)組的優(yōu)勢(shì)菌門，厚壁菌門具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位；各試驗(yàn)組優(yōu)勢(shì)古菌均為甲烷八疊球菌屬。

關(guān)鍵詞：碳基材料；餐廚垃圾；厭氧消化；產(chǎn)甲烷潛力；性能

中圖分類號(hào)：S216.4" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2025）01-0049-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.01.009 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

The influence of different carbon based materials on the anaerobic digestion performance of kitchen waste

CHEN Jian-kun1，2， GUO Zhan-bin1， FENG Jing2， MENG Hai-bo2， YE Bing-nan2， LI Pei-qi2， XU Han2， YU Jia-dong3

（1.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing" 163319， Heilongjiang，China； 2. Key Laboratory of Energy Utilization of Agricultural Waste， Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Academy of Agricultural Planning and Engineering，MARA， Beijing" 100125，China；

3.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing" 100125，China）

Abstract： Six carbon based materials were used for anaerobic digestion experiment of kitchen waste， and the methane production potential experiment was carried out using the AMPTS fully automatic methane potential testing system. The methane production potential of kitchen waste and the influence of carbon based materials on anaerobic digestion performance of kitchen waste were analyzed by combining kinetic equations. The results showed that， except for carbon cloth and carbon nanotubes （material ratio of 3∶5， m/m， the same below）， the addition of other carbon based materials could improve the removal rate of organic matter in the anaerobic digestion of kitchen waste and enhanced the degradation performance of organic matter. The cumulative methane production of the biochar addition group increased by 55.9% （material ratio of 4∶5） and 55.5% （material ratio of 3∶5） respectively compared to the control group；using the modified Gompertz model equation to fit the cumulative methane production， adding biochar to the kitchen waste anaerobic digestion could significantly enhance the material’s methane production capacity and shorten the anaerobic digestion lag period. Microbial community structure analysis showed that the bacterial community structure before and after anaerobic digestion of kitchen waste did not undergo significant changes at the phylum level. Firmicutes and Bacteroidota were the dominant phyla in each experimental group， with Firmicutes having an absolute dominant position； the dominant archaea in each experimental group were all Methanococcus.

Key words： carbon based materials； kitchen waste； anaerobic digestion； methane production potential； performance

隨著人們生活水平的提高，食物浪費(fèi)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。預(yù)計(jì)2025年餐廚垃圾產(chǎn)生量將達(dá)1.7億t［1］。餐廚垃圾成分復(fù)雜，具有油脂高［2］、鹽分高［2］、含水率高［3］、有機(jī)質(zhì)含量高［4］等特點(diǎn)，極易腐敗變質(zhì)，處理措施不當(dāng)還會(huì)造成空氣、水域和土壤污染，引發(fā)傳染病危害人們的身體健康［5，6］。目前處理餐廚垃圾的方法主要有焚燒、填埋、飼料化、好氧堆肥和厭氧消化。厭氧消化處理餐廚垃圾相比其他方法既能減輕餐廚垃圾污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，又能獲得燃燒及發(fā)電所需的清潔能源（沼氣）［7］，使餐廚垃圾資源化、無害化、減量化，具有顯著的能源和環(huán)境雙重效益。

但餐廚垃圾厭氧消化過程中，往往存在產(chǎn)氣性能低、運(yùn)行穩(wěn)定性差等問題［8］，這已成為餐廚垃圾厭氧消化發(fā)展的瓶頸。向餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)中添加碳基材料可以有效增強(qiáng)厭氧消化產(chǎn)甲烷性能，維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。Zhao等［9］發(fā)現(xiàn)碳基材料的添加可以提高高有機(jī)負(fù)荷下UASB反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)量，同時(shí)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。石笑羽等［10］發(fā)現(xiàn)生物炭的添加可以提高餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)的pH，促進(jìn)乙酸、丙酸和丁酸的降解，最大日甲烷產(chǎn)量提高24.09%。研究顯示，碳基材料的適量添加可以有效促進(jìn)餐廚垃圾厭氧消化效率［11］。在厭氧消化中，微生物活動(dòng)對(duì)維持系統(tǒng)穩(wěn)定和產(chǎn)氣效率起著關(guān)鍵作用，研究微生物群落對(duì)解析厭氧消化微觀過程是有利的［12］，添加碳基材料可以對(duì)厭氧消化系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響［13］。

本研究通過在厭氧消化批式試驗(yàn)中添加不同的碳基材料，觀察碳基材料對(duì)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷效果的影響并結(jié)合修正的Gompertz模型分析餐廚垃圾產(chǎn)甲烷潛力，從而為改善餐廚垃圾厭氧消化和碳基材料的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

餐廚垃圾來自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院職工餐廳，利用人工的方式去除樣品中的雜質(zhì)（餐巾紙、塑料袋、大塊骨頭、雞蛋殼等），然后用絞肉機(jī)將其粉碎，以保證其均質(zhì)性，攪拌均勻后用密封袋密封儲(chǔ)存在-20 ℃的冰箱中備用。沼液取自三河某沼氣工程。餐廚垃圾（底物）和沼液（接種物）的理化性質(zhì)見表1。碳基材料生物炭（BC）、活性炭（PAC）、碳布（CFC）、碳?xì)郑–F）、炭黑（CB）、碳納米管（CNT）購自北京新時(shí)代合眾科技有限公司，并置于陰涼處密封保存。

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在AMPTS II全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試裝置（Automatic methane potential test system）中開展，該裝置包括樣品消化單元、CO2固定單元、氣體體積測(cè)定單元（圖1）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于前期所做接種物與底物配比預(yù)試驗(yàn)研究結(jié)果，確定物料比為4∶5和3∶5（m/m，下同），碳基材料分別為生物炭、活性炭、碳納米管、炭黑、碳布、碳?xì)郑總€(gè)物料比設(shè)置7個(gè)試驗(yàn)組。對(duì)照（CK）組反應(yīng)器內(nèi)不添加碳基材料，試驗(yàn)組和對(duì)照組均進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。分析餐廚垃圾產(chǎn)甲烷潛力以及碳基材料對(duì)餐廚垃圾厭氧消化性能的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

試驗(yàn)開始前向發(fā)酵瓶?jī)?nèi)充入氮?dú)? min，排出空氣，保持發(fā)酵瓶?jī)?nèi)的厭氧環(huán)境。試驗(yàn)結(jié)束后從每個(gè)發(fā)酵瓶中取50 mL樣品用于測(cè)定物料特性、微生物群落等指標(biāo)。

1.4 方法

總固體含量、揮發(fā)性固體含量采用烘干重量法和灼燒減量法測(cè)定；pH采用便攜式pH計(jì)測(cè)定；總有機(jī)碳采用TOC分析儀測(cè)定；氨氮采用化學(xué)分析儀測(cè)定；化學(xué)需氧量采用分光光度法測(cè)定；日甲烷產(chǎn)量和累積甲烷產(chǎn)量采用AMPTSII的氣體體積測(cè)定單元記錄；采用OriginPro 2021軟件繪圖。

本研究使用修正的Gompertz模型對(duì)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氣潛力測(cè)試過程進(jìn)行擬合，計(jì)算式如下。

[P（t）=Pm×exp-expRmeλ-tPm+1]，t≥0" " " " " " " " " " " "（1）

式中，[P（t）]為第t天時(shí)累積甲烷產(chǎn)量；Pm為最大累積甲烷產(chǎn)量；Rm為最大產(chǎn)甲烷速率；λ為產(chǎn)甲烷延滯期；e為常數(shù)2.718 28。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理特性分析

餐廚垃圾厭氧消化前后各試驗(yàn)組的TS、VS去除率如表3所示。對(duì)照組的TS去除率分別為33.33%（物料比為4∶5）和25.00%（物料比為3∶5），VS去除率分別為42.86%（物料比為4∶5）和33.33%（物料比為3∶5）。生物炭添加組的TS去除率分別為66.67%（物料比為4∶5）和36.36%（物料比為3∶5），VS去除率分別為75.00%（物料比為4∶5）和70.00%（物料比為3∶5）。生物炭添加組（物料比為4∶5）的TS、VS去除率均高于其他碳基材料添加組。與對(duì)照相比，除碳布、碳納米管（物料比為3∶5）外，添加其他碳基材料均可以提高餐廚垃圾厭氧消化有機(jī)物的去除率，提高有機(jī)物降解性能。

2.2 化學(xué)特性分析

圖2反映碳基材料的添加對(duì)氨氮和COD的影響。由圖2a可知，餐廚垃圾厭氧消化初始時(shí)，各試驗(yàn)組中氨氮濃度為184.56～658.28 mg/L。在反應(yīng)結(jié)束后，各試驗(yàn)組中氨氮濃度均明顯上升，為1 410.76～1 764.28 mg/L?，F(xiàn)有研究中氨氮抑制閾值為1 500～3 000 mg/L［14］，而且當(dāng)氨氮抑制發(fā)生時(shí)，甲烷產(chǎn)量隨之降低。此外，2個(gè)對(duì)照組中氨氮濃度均高于碳基材料添加組，并且生物炭（物料比為4∶5）和活性炭添加組均沒有達(dá)到氨氮抑制閾值。因此生物炭和活性炭能更好地緩解氨氮積累，更有助于維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

由圖2b所示，餐廚垃圾厭氧消化后，各試驗(yàn)組中COD濃度比厭氧消化初始時(shí)均有所下降。這說明在厭氧消化過程中可溶性有機(jī)物逐漸被微生物利用與轉(zhuǎn)化［15］。厭氧消化后，對(duì)照組的COD去除率較低，分別為8.8%（物料比為4∶5）和5.6%（物料比為3∶5）；生物炭添加組的COD去除率最高，分別為59.2%（物料比為4∶5）和53.8%（物料比為3∶5）。因此，在餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)中添加生物炭更有利于可溶性有機(jī)物的降解轉(zhuǎn)化，有效提高有機(jī)物降解能力。

2.3 產(chǎn)甲烷特性分析

2.3.1 甲烷產(chǎn)量 由圖3a、圖3b可知，除CF-1添加組外，其他試驗(yàn)組的累積甲烷產(chǎn)量均超過對(duì)照組。生物炭添加組的累積甲烷產(chǎn)量分別比對(duì)照組提高55.9%（物料比為4∶5）和55.5%（物料比為3∶5）。這主要是因?yàn)樘蓟牧峡梢栽诓蛷N垃圾厭氧消化過程中起到提升系統(tǒng)緩沖能力、減輕氨氮抑制以及為微生物提供載體的作用，這些都提高了餐廚垃圾厭氧消化效率。

由圖3c、圖3d可知，物料比為4∶5時(shí)，CNT-1、CFC-1、CB-1、PAC-1、BC-1、CF-1添加組的日甲烷產(chǎn)量分別在第8、9、10、11、12、25天達(dá)到最高峰，其最大日甲烷產(chǎn)量分別為308.7、287.9、328.0、387.7、377.4、99.0 mL/g，而CK-1添加組日甲烷產(chǎn)量在第15天達(dá)到最大值，為291.3 mL/g。在物料比為3∶5的組中CFC-2、CF-2、CB-2、PAC-2、CNT-2、BC-2添加組的日甲烷產(chǎn)量分別在8、9、10、12、13、13天達(dá)到最大值，分別為281.2、300.2、381.8、330.7、337.0、369.8 mL/g，CK-2添加組日甲烷產(chǎn)量在第15天達(dá)到最高，為275.0 mL/g。添加碳基材料的試驗(yàn)組（除CF-1添加組外）均出現(xiàn)2次產(chǎn)氣高峰，而對(duì)照組甲烷產(chǎn)量從第15天開始到試驗(yàn)結(jié)束一直處于緩慢下降的趨勢(shì)，這說明添加碳基材料能在一定程度上促進(jìn)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷的能力。CF-1添加組的累積甲烷產(chǎn)量和日甲烷產(chǎn)量均較低，并且直到第24天才開始大規(guī)模產(chǎn)氣。

2.3.2 產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)分析 使用修正的Gompertz模型對(duì)餐廚垃圾厭氧消化的最大累積甲烷產(chǎn)量、最大產(chǎn)甲烷速率和延滯期進(jìn)行預(yù)測(cè)。由圖4和表4可知，試驗(yàn)組R2均大于0.990 00，表明擬合數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確反映厭氧消化的產(chǎn)氣過程［16］。物料比為4∶5時(shí)，1～6組（除試驗(yàn)組5外）的最大累積甲烷產(chǎn)量為" " " " 4 844.00～6 358.50 mL/g，比對(duì)照組提高了17.02%～53.60%；生物炭、活性炭、碳納米管、炭黑添加組的最大產(chǎn)甲烷速率均高于對(duì)照組，分別為372.25、370.64、311.56、293.21 mL/（g·d），比對(duì)照組分別提高了38.95%、38.35%、16.30%、9.45%；除試驗(yàn)組5外，其他試驗(yàn)組的滯后期均低于對(duì)照組。

物料比為3∶5時(shí)，8～13組的最大累積甲烷產(chǎn)量為3 948.82～5 790.93 mL/g，比對(duì)照組提高了4.01%～52.53%；最大產(chǎn)甲烷速率為257.27～353.53 mL/（g·d）；生物炭、碳納米管、碳布添加組的滯后期均低于對(duì)照組，分別為3.25、3.74、3.23 d，與對(duì)照組相比，分別縮短了16.24%、3.61%、16.75%。結(jié)果表明，在餐廚垃圾厭氧消化中添加生物炭能夠明顯提升物料產(chǎn)甲烷的能力并縮短厭氧消化滯后期。

2.4 微生物群落分析

2.4.1 細(xì)菌群落分析 圖5反映了餐廚垃圾厭氧消化前細(xì)菌門水平的組成和豐度變化，其優(yōu)勢(shì)菌門為厚壁菌門（Firmicutes）、互養(yǎng)菌門（Synergistota）、擬桿菌門（Bacteroidota）等。餐廚垃圾厭氧消化后（圖6），各試驗(yàn)組的細(xì)菌群落與試驗(yàn)開始前相似，厚壁菌門相對(duì)豐度為55.99%～70.47%，擬桿菌門相對(duì)豐度為7.04%～23.49%，互養(yǎng)菌門相對(duì)豐度為4.71%～16.06%。厭氧消化前后的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在門水平上未發(fā)生較大變化。厚壁菌門和擬桿菌門為各試驗(yàn)組的優(yōu)勢(shì)菌門，厚壁菌門具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。這是由于這兩類菌群主要參與底物的水解酸化過程，增強(qiáng)纖維和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的降解，促進(jìn)有機(jī)物向揮發(fā)酸轉(zhuǎn)化，從而為甲烷的產(chǎn)生提供底物。

2.4.2 古菌群落分析 餐廚垃圾厭氧消化前古菌相對(duì)豐度如圖7所示。各試驗(yàn)組優(yōu)勢(shì)古菌為甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）、嗜氫產(chǎn)甲烷菌屬（Methanoculleus），相對(duì)豐度分別為65.66%～94.18%、5.90%～33.87%。

厭氧消化后古菌相對(duì)豐度如圖8所示，各試驗(yàn)組優(yōu)勢(shì)古菌為甲烷八疊球菌屬，相對(duì)豐度為74.47%～92.16%。此外，各試驗(yàn)組甲烷桿菌屬（Methanobacterium）相對(duì)豐度為1.27%～4.71%，甲烷螺菌屬（Methanospirillum）相對(duì)豐度為0.19%～12.32%，甲烷囊菌屬（Methanoculleus）相對(duì)豐度為0.51%～12.34%，這些菌群均為氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，可以將H2/CO2轉(zhuǎn)化為甲烷。甲烷鬃菌屬（Methanosaeta）是一種乙酸型產(chǎn)甲烷菌，其相對(duì)豐度為1.36%～10.14%，該菌群能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。甲烷八疊球菌屬是一種混合營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，既可利用乙酸，又能利用H2/CO2促進(jìn)甲烷產(chǎn)生。因此，古菌群落由乙酸型產(chǎn)甲烷菌和氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌共同主導(dǎo)。

3 小結(jié)

1）生物炭添加組（物料比為4：5）的TS、VS去除率均高于其他碳基材料添加組。除碳布、碳納米管（物料比為3：5）外，添加其他碳基材料均可以提高餐廚垃圾厭氧消化有機(jī)物的去除率，提高有機(jī)物降解性能。

2）2個(gè)對(duì)照組中氨氮濃度均高于碳基材料添加組，并且生物炭（物料比為4：5）和活性炭添加組均沒有達(dá)到氨氮抑制閾值。因此生物炭和活性炭能更好地緩解氨氮積累，更有助于維持系統(tǒng)穩(wěn)定。厭氧消化后，各試驗(yàn)組中COD濃度比厭氧消化初始時(shí)均有所下降。在餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)中添加生物炭更有利于可溶性有機(jī)物的降解轉(zhuǎn)化，有效提高有機(jī)物降解能力。

3）除CF-1添加組外，其他試驗(yàn)組的累積甲烷產(chǎn)量均超過對(duì)照組。生物炭添加組的累積甲烷產(chǎn)量分別比對(duì)照組提高55.9%（物料比為4∶5）和55.5%（物料比為3∶5）；采用修正的Gompertz模型方程對(duì)累積甲烷產(chǎn)量進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，在餐廚垃圾厭氧消化中添加生物炭能夠明顯提升物料產(chǎn)甲烷的能力并縮短厭氧消化滯后期。

4）厭氧消化前后的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在門水平上未發(fā)生較大變化。厚壁菌門和擬桿菌門為各試驗(yàn)組的優(yōu)勢(shì)菌門，厚壁菌門具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。餐廚垃圾厭氧消化前后優(yōu)勢(shì)古菌均為甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）。

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