餐厨垃圾对水稻秸秆中温两相厌氧发酵产酸和产气过程的影响

曾学良，汪楚乔，程伟，李先宁，洪锋

（东南大学能源与环境学院环境科学与工程系，江苏南京210096）

餐厨垃圾对水稻秸秆中温两相厌氧发酵产酸和产气过程的影响

曾学良，汪楚乔，程伟，李先宁，洪锋

（东南大学能源与环境学院环境科学与工程系，江苏南京210096）

在发酵温度为35℃和原料干物质质量（TS计）固定的条件下，研究了餐厨垃圾的投加对水稻秸秆（稻秸）厌氧发酵过程中有机质溶出的影响。通过改变稻秸和餐厨垃圾的投加配比（TS/TS），寻求实验最优化参数，二者配比（TS/TS）为1∶0，0∶1，3∶1，4∶1，5∶1，同时研究了餐厨垃圾的加入对稻秸中温两相厌氧发酵系统运行及产气量的影响。结果表明：餐厨垃圾的存在对稻秸有机质的水解周期影响不大，但有利于提高稻秸酸化率和酸化速率。当稻秸与餐厨TS比为3∶1时，实验组酸化率高，单位TS的挥发性有机酸（VFA）溶出量为77.6mg/g TS，纯稻秸组低，为42.0mg/g TS。餐厨垃圾的投加还有利于产气时间的提前，且混合物料组系统的稳定性高于单一物料组。一次性投加方式产气量和相分离效果均优于其他各组，单位TS产气量为183.8mL/g。

餐厨垃圾；水稻秸秆；两相厌氧发酵

据统计，2012年我国稻秸产量达到7亿t[1]。而稻秸作为重要的农村可再生资源，可缓解能源短缺问题。因此，对稻秸资源化处理迫切需要寻求一种高效、经济的途径，以达到变废为宝、资源回收的目的。人类利用厌氧消化法技术历史悠久，农村秸秆产沼气技术是稻秸资源化利用的有效手段[2]。以农作物秸秆作为单一原料进行沼气发酵时，原料易漂浮在料液上面，不利于微生物充分接触，且漂浮原料的结壳阻止沼气逸出[3]；此外，秸秆中木质纤维素不宜被微生物降解，同时秸秆中的有效氮、磷成分短缺，不利于微生物发酵产气，出现秸秆水解酸化缓慢，产气周期长，秸秆利用率低等问题[4]。

目前，我国以餐厨垃圾为主的城市生活垃圾中易腐性有机物含量高达40%～50%[5]。餐厨垃圾富含大量的有机物，含水量高，容易为细菌利用。考虑到餐厨垃圾和稻秸都是具有厌氧发酵产气潜力的有机废物，然而无论餐厨垃圾还是稻秸单独作为厌氧消化底物，都易出现发酵营养物质不平衡的问题和抑制现象[6]。多种物料混合不仅在一定程度上缓解其抑制作用[7，8]，同时也促进营养物质的平衡，改善秸秆产气性能[9，10]。餐厨垃圾与稻秸联合发酵即是考虑到它们单独发酵的弊端，通过合理搭配来达到共同促进的目的。许智等[11]研究了稻秸与生活污水的不同混合比例对稻秸产沼气性能的影响。结果表明：稻秸与生活污水混合比例为1∶1.72时，稻秸TS产气量达到377 mL/g，比单一稻秸高24.42%。Pei等[12]研究了餐厨垃圾与稻秸在不同混合比例对试验的产气量、VS去除率的影响。结果表明：餐厨垃圾和稻秸混合发酵与单一物料发酵相比，前者发酵系统的营养平衡性、稳定性更好。

虽然对秸秆的混合发酵进行了大量研究，但是都局限于单相发酵体系下摸索，且对发酵水解过程的进一步探讨和研究鲜有报道。考察投加餐厨垃圾对稻秸在厌氧发酵过程中有机质溶出的影响，通过改变稻秸与餐厨垃圾的干物质（TS）比，研究二者最佳配比；研究餐厨垃圾的加入对中温两相厌氧发酵系统运行及产气量的影响，考察不同的投加方式下，各指标的变化趋势。

1 材料与方法

1.1 实验原料

实验主要原料为稻秸和餐厨垃圾两种物料，采用中温厌氧消化方式，温度控制在35±1℃。实验所用稻秸取自无锡市胡埭镇，经粉碎机粉碎至5mm以下，餐厨垃圾取自胡埭镇某餐馆，接种物为该镇污水处理厂厌氧池污泥。实验测定原料基本性质见表1。

表1 原料基本性质

1.2 实验装置

该实验装置为两相厌氧消化装置，由产酸相和产气相两部分组成（图1）。产气相有效体积3 L，外部用保温棉包裹，内部安装加热棒和温控探头以保持恒温状态，另外还设有搅拌电机用以混合料液。产酸相有效体积25 L，用于装填稻秸。通过蠕动泵将酸化液由从产酸相底部抽入产气相中，同时产气相的出水采用溶淋的方式回流至产酸相中，产生的沼气用集气袋收集后计量。

图1 中温两相厌氧消化装置

1.3 实验方法

本实验包括稻秸与餐厨垃圾的TS配比和餐厨垃圾投加方式的优化，先用图1中产酸罐单独进行稻秸与餐厨垃圾的TS不同配比的产酸研究，再启用图1装置研究最佳TS配比下餐厨垃圾的投加方式对两相厌氧消化装置产气特性的影响。

（1）联合产酸研究。实验共分为5组，在溶淋液流量与稻秸TS比为333.3 gTS/L·d的条件下，设置不同的稻秸与餐厨的TS比，以及纯餐厨和纯稻秸的对照实验系，其中纯餐厨实验组的设置是为了模拟餐厨垃圾各指标的变化趋势，方便在后续分析中扣除因餐厨垃圾而产生的溶解性COD（S－COD），VFA等。本实验中由于餐厨垃圾含水量较高，因此纯餐厨实验组最多只能投加61.8 g的TS，各组实验设计参数详见表2。

（2）两相产气特性研究。在确定产酸相最佳TS配比后，研究餐厨垃圾的投放对产气量的影响，以及考察餐厨的投放方式对于两相厌氧装置相分离的影响。通过餐厨垃圾分批投加的方式来分散有机负荷，维持产酸相低水平pH值。该实验设定了两种餐厨垃圾投放方式，一种是一次性完全混合投加，第二种是根据发酵相的pH值分批投加。同时，设置纯餐厨和纯稻秸的对照组。

表2实验方案

1.4 分析方法

实验分析项目及方法见表3。测定方法参照水和废水监测分析方法[13]。

2 结果与讨论

2.1 稻秸与餐厨垃圾TS配比优化

2.1.1 溶解性COD（S－COD）溶出的变化

由于实验的考察目标是稻秸的水解情况，因此在分析S－COD变化情况时，将各组实验中餐厨垃圾TS产生的S－COD按纯餐厨组的S－COD予以相应比例扣除，扣除估算方法为S－COD=各组S－COD总－S－COD纯餐厨×各组餐厨TS/纯餐厨TS。图2为扣除餐厨垃圾产生的S－COD后，各组实验的S－COD浓度变化情况。

表3 分析项目及方法

图2 不同稻秸与餐厨垃圾TS比的S-COD浓度变化

由图2可知，各实验组S－COD的溶出基本都集中在产酸过程的前6 d，说明餐厨垃圾的存在对稻秸有机质水解周期的影响不大。前6 d各组单位TS溶出的S－COD量如图3所示，1#纯稻秸组单位TS的S－COD溶出量最高，为57.5 mg/gTS，3#为42.5 mg/gTS（3∶1组），4#为35.4 mg/gTS（4∶1组），5#为36.1 mg/gTS（5∶1组）。这是因为在有餐厨存在的情况下，微生物优先利用易降解的餐厨，从而导致稻秸水解效率降低。因此，餐厨垃圾的投加对稻秸水解的促进作用不大。

图3实验前6 d各组单位TS溶出的S-COD量

2.1.2 VFA溶出的变化

图4为各实验组稻秸VFA的溶出状况，此处同样将各组餐厨垃圾产生的VFA按比例去除。由图4可知，含餐厨垃圾的各实验组的稻秸前3天的VFA浓度远高于纯稻秸实验组。由2.1.1节可知，S－COD溶出效果是纯稻秸组最好。即纯稻秸的水解效果好，而酸化率不高。造成这一状况的原因可能是，稻秸有机质大部分被转化为糖类等小分子物质，但没有进一步酸化形成有机酸。而其他投加餐厨垃圾的实验组由于在实验初期由餐厨垃圾产生的大量VFA对木质纤维素原料的化学结构具有破坏作用，从而提高了稻秸的酸化率[14，15]。前21 d 3#～5#VFA的溶出量占整个实验周期总溶出量分别是：71.1%，60.5%，61.6%，高于1#纯稻秸的56.7%，说明餐厨垃圾的投加有利于稻秸酸化速率的提高。

图4 不同餐厨垃圾与稻秸TS比的VFA浓度变化

图5为各组单位TS的VFA溶出量，由图5可知，稻秸和餐厨TS比为3∶1的3#实验组酸化效果最好，单位TS的VFA溶出量为77.6 mg/gTS。另外，3#，4#，5#单位TS的VFA溶出量分别为：77.6mg/gTS，49.8mg/gTS、47.3 mg/gTS，均高于稻秸的42.0 mg/gTS，说明餐厨垃圾的投加有利于稻秸的酸化。

在厌氧消化过程中，VFA是唯一能被产甲烷细菌直接利用的物质。因此，对于底物应在产酸相中尽可能的酸化，而不是仅仅停留在水解阶段。综上所述，在本实验条件下，稻秸和餐厨TS比为3∶1对于两相厌氧消化进行最为有利。

图6为不同稻秸与餐厨垃圾TS比消化过程中pH值的变化情况。由图6可知，含餐厨垃圾的各实验组在前6 d的pH值明显低于纯稻秸组。这是因为餐厨垃圾中的易降解有机物含量高，酸化过程中容易引起pH值的快速下降[16]。各实验组中，纯餐厨组的pH值上升最快，在实验进行第15 d时其pH值为7.08，为各组最高，第30 d时，溶出液的pH值接近试验起始水平，水解酸化过程结束。

图5 不同餐厨垃圾与稻秸TS比的单位TS溶出的VFA变化

图6 不同餐厨垃圾与稻秸TS比的pH值变化

虽然餐厨垃圾的投加对稻秸有机质的水解周期影响及稻秸的水解促进作用不大，但有利于提高稻秸酸化率和酸化速率。稻秸与餐厨TS比为3∶1的实验组酸化效果最好，单位TS的VFA溶出量为77.6mg/gTS，纯稻秸组最低，仅42.0 mg/gTS。由此研究餐厨垃圾的投加方式对两相厌氧消化装置产气特性的影响时，采用稻秸与餐厨TS比为3∶1。

2.2 餐厨垃圾的投加方式对两相厌氧消化装置产气特性的影响

上文分析了餐厨垃圾的投加对稻秸有机质的溶出影响，得出投加餐厨垃圾有利于稻秸酸化，且稻秸与餐厨TS比为3∶1的酸化效果最好。在此基础上进一步了研究餐厨垃圾的投加方式对两相厌氧消化装置产气特性的影响。

本次实验共分为4组，底物分别为纯稻秸和纯餐厨以及稻秸和餐厨混合物。产酸相循环液与底物TS比为416.7 gTS/L·d，底物为稻秸和餐厨按TS比为3∶1混合。产气相有效容积3 L，接种污泥1.5 L，余者用沼液补齐，水力停留时间为1.5 d，发酵温度为中温35±1℃。为使反应器顺利启动，各组产气相的水力停留时间统一设置为20 d[17]，待反应器完成启动后，再调至预设值。4组实验中有2组底物为稻秸与餐厨混合物，区别在于餐厨投加方式不同：一种是将餐厨和稻秸完全混合后一次性投加；另一种是将餐厨垃圾平均分成2次投加，第一次在实验开始前投加，第二次根据产酸相中pH值情况投加，当产酸相pH值达到6.5时随即投加。各组实验参数见表3。

表3实验参数

2.2.1 对产气相的日产气量变化影响

图7为各组产气相日产气量的变化曲线。如图7所示，含餐厨垃圾的实验组开始产气较早，在前4 d都已开始产气，而1#纯稻秸组产气较晚，在实验开始后第15 d才开始产气。说明餐厨垃圾的投加有利于促进产气时间的提前。实验分别进行到第10 d和第13 d时，2#纯餐厨和3#一次性投加组完成启动，将两组HRT由20 d调整为1.5 d，可以看出，在启动阶段向运行阶段过渡时，两组日产气量均有明显的下降，其中2#纯餐厨组在第10 d日产气量为5.3 L，第11 d为4.37 L，第12 d为1.67 L，而后开始缓慢上升。3#一次性投加组在第13 d日产气量为3.1 L，第14 d为1.4 L，第15 d为1.2 L，然后缓慢开始上升。而1#，4#没有这一现象，即由启动阶段向运行阶段调整时，日产气量没有出现波动。这是因为2#，3#产酸相中VFA浓度高，达到3 500mg/L以上，而1#、4#在3 000mg/L以下，当水力停留时间由20 d调整为1.5 d时，高浓度的VFA会对2#，3#产气相造成一定的负荷冲击，短时间内会形成有机酸积累，从而降低产气量。综上所述，餐厨垃圾的投加有利于产气相产气时间的提前。一次性投加餐厨，其HRT由20 d向1.5 d调整时，日产气量会出现下降，而分批投加则不会出现这种状况，餐厨垃圾投加次数的增加有利于提高系统产气的稳定性。

图7 各组产气相日产气量的变化

图8为产气量以及各相产气量占总产量的百分比，各组的总TS量均为833.3 g，由图8可知，3#一次性投加组产气效果最好，总产气量和相分离效果均优于其他各组，其单位TS产气量为183.8 mL/g，比1#纯稻草组高出27.2%，比2#纯餐厨组高出6.0%，比4#分批投加组高出13.4%（图9）。由图9可知，将稻秸和餐厨垃圾在发酵前一次性混合投加厌氧消化的产气量要优于这两种物料分别单独厌氧消化，这也与Pei等[12]的研究结果一致。4#分批投加组的产气量比3#一次性投加组低，主要由于产酸发酵研究中稻秸和餐厨垃圾最优TS比为3∶1，而4#餐厨垃圾分批投加方式使得发酵初期二者之比大于3∶1，因此未能达到良好的产酸效果，最终影响了稻秸的产气效率。

图8 各组总产气量及气体含量

图9 各组单位TS累积产气量的变化

2.2.2 甲烷含量变化

图10为各组的甲烷含量的变化图，各组的甲烷含量变化趋势基本一致，都先升高后降低。各组甲烷含量的峰值差别不大，均在52%左右。一般优品质沼气的甲烷含量达到50%以上[18]。可见本实验的两相厌氧消化装置可以满足此项要求。另外，根据各组甲烷含量的峰值差异判定甲烷含量只与有机质的浓度有关，与底物种类无关[19]。

图10 各组甲烷含量变化趋势图

3 结论

（1）本研究表明，餐厨垃圾的存在对稻秸有机质的水解周期影响不大，但有利于提高稻秸酸化率和酸化速率。

（2）在稻秸和垃圾餐厨的配比分别为：1∶0，0∶1，3∶1，4∶1，5∶1情况下，当稻秸与餐厨TS比为3∶1时，实验组酸化效果最好，单位TS的VFA溶出量为77.6mg/gTS，纯稻秸组最低，仅42.0mg/gTS。

（3）通过日产气量、累计产气率及甲烷含量3个角度来判断，餐厨垃圾的投加有利于产气时间的提前，且混合物料系统的稳定性高于单一物料。

（4）一次性投加方式产气量和相分离效果均优于其他各组，单位TS产气量为183.8mL/g。

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Effect of food waste on the acidification and biogas production of mesophilic two-phase anaerobic fermentation from rice straw

ZENG Xueliang,WANG Chuqiao,CHENGWei,LIXianning,HONG Feng
（School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing 210096,China）

On the basis of tem perature of 35℃and fixed total solid (TS)of substrates,the effects of dosing food w aste on hydrolysis and acidification of rice straw w ere investigated.To obtain optim ized m ixing ratio of rice straw and food w aste,the m ixed ratios w ere set as 1∶0,0∶1,3∶1,4∶1,5∶1,respectively.And the im pact of dosing food w aste on biogas production of rice straw m esophilic tw o-phase anaerobic ferm ention w as further researched.The result show s that the food w aste had little im pact on the hydrolysis cycle of rice straw,but helped to im prove acidification.The acidification effectw as bestw hen the m ixing ratio of rice straw to food w aste w as 3∶1,w ith the dissolution of VFA/gTS reached 77.6 m g/gTS,higher than pure rice straw(42.0 m g/gTS).Dosing food w aste w as conducive to advance the start of biogas production and m ixture m aterialsystem w asm ore stable than single m aterial system.Biogas output and phase separation of one tim e dosing w as better than other groups,w hich biogas outputw as 183.8 m L/g.

food w aste;rice straw;tw o-phase anaerobic ferm entation （

2017－02－27）

X799.3；X712

A

1674－0912（2017）03－0028－06

“十二五”国家科技支撑项目（2013BAJ10B12－02）；竺山湾农村分散式生活污水处理技术集成研究与工程示范（20122X07101－005）

曾学良（1990－），男，湖北天门市人，硕士研究生，专业方向：水的污染与控制。