餐厨垃圾理化性质及其厌氧发酵产气潜力分析
易龙生，饶玲华，王鑫，王浩
(中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：以某学校餐厨垃圾为原料，分别从物理组成、含水率、挥发性固体含量以及营养元素等方面对餐厨垃圾的理化性质进行分析，并进一步对餐厨垃圾及其组分进行厌氧发酵产沼气能力研究。研究结果表明，餐厨垃圾以米饭为主，具有高含水率和高有机物含量的特性，且营养组成完全满足厌氧发酵工艺的要求。混合餐厨垃圾、米饭、蔬菜和肉类的沼气产率分别为：508.3，478.2，433.3和 206.8 mL/g(按挥发性固体计)，混合餐厨垃圾的沼气产率比米饭、蔬菜、肉类分别高6.3%，17.3%和145.8%，各组分间营养物质的良性互补可能是导致混合餐厨垃圾产量更高的原因。
关键词：餐厨垃圾；厌氧发酵；产沼气潜力
中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)04-1584-05
Physicochemical properties and biogas production potential of kitchen waste
YI Long-sheng, RAO Ling-hua, WANG Xin, WANG Hao
(School of Mineral Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The characteristics (physical components, moisture content (MC), volatile solids (VS), elemental composition, biogas production potential) of kitchen waste from campus were investigated. The results show that kitchen waste with high moisture content and high organic matter content is mainly made up of rice. The elemental composition of the kitchen waste satisfied the requirements of anaerobic digestion. The accumulative biogas yields of the mixture kitchen waste rice, vegetable, meat are 508.3, 478.2, 433.3 and 206.8 mL/g (in VS calculation), respectively. The biogas yields of mixture kitchen waste are 6.3%, 17.3% and 145.8% higher than that of rice, vegetable and meat, respectively, which probably results from the good complementarity among different components．
Key words: kitchen waste; anaerobic digestion; biogas potential
餐厨垃圾是人们日常生活及食品加工过程中产生的食品废料，其成分主要为米饭、蔬菜、肉类、骨头等。餐厨垃圾富含有机物，含水率高，易腐烂变质，其在运输与处理的过程中不仅产生大量毒素，散发恶臭气体，而且污染水体和大气。长期以来，我国的餐厨垃圾都是以饲养牲畜为主，部分被不法商贩用于提炼潲水油，还有一部分与其他生活垃圾混在一起处理。在经济和生产力的制约下，餐厨垃圾的产量相对较少，对环境尚未构成严重的危害。随着经济的不断发展，城镇人口的增加，餐厨垃圾的产量急剧增长，传统的处置方式(如填埋)已不能满足环境和卫生安全的要求。餐厨垃圾是资源型废弃物，利用厌氧发酵法将其资源化处理逐渐成为人们关注的焦点。厌氧发酵处理技术，不仅可以处理大量餐厨垃圾，且发酵周期短，产生大量清洁能源——沼气，沼液和沼渣可转化为农业有机肥。据对餐厨垃圾厌氧发酵的研究表明，餐厨垃圾的产沼气率大于435 mL/g[1-3]，即1 t餐厨垃圾(湿基)厌氧发酵可产87 m3沼气。而1 m3沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7 kg无烟煤或0.7 kg汽油或0.8 kg煤油完全燃烧所产生的热量[4]。因此，以餐厨垃圾为资源，变废为宝，势必将成为未来大规模处理餐厨垃圾的主要途径。餐厨垃圾中不同物理组分的产沼气能力不同，因而组成不同的餐厨垃圾的产沼气能力也不 同[5-7]。本文作者以某学生食堂的餐厨垃圾为原料，分别从物理组成和含水率、挥发性固体含量以及营养元素等角度来表征餐厨垃圾的理化性质，并对混合餐厨垃圾及单一组分的产沼气能力进行实验研究，以考察餐厨垃圾厌氧发酵处理的可行性，为餐厨垃圾资源化处理提供依据。
1 实验部分
1.1 实验材料
餐厨垃圾样品的收集与制备：为全面考察餐厨垃圾情况，每月15号对餐厨垃圾进行采样，样品取自于某学生食堂。取样时，采用人工分拣的方式去除其中少量的杂质如塑料、木棒、纸巾后，将垃圾桶内的餐厨垃圾充分搅拌混匀后，取10 kg的餐厨垃圾。餐厨垃圾取回后，采用四分法，选取餐厨垃圾样品。采用绞肉机将餐厨垃圾破碎使其呈粒度均匀的浆状，颗粒粒径为1~5 mm，于 5 ℃冰箱中保存备用。
接种物的收集与储存：接种物取自于长沙某污水处理厂厌氧段的污泥，为黑色絮状物。取回后，用塑料瓶密封静置1 d，分层后，取下层污泥作为接种物。
1.2 实验装置
实验装置见图1。装置由1 L的厌氧发酵瓶，1 L的集气瓶和500 mL量筒3部分组成。发酵瓶分别置于高温(55±2)℃的水浴器中。发酵瓶中产生的气体沿着玻璃导管进入集气瓶，集气瓶中装有3%(质量分数) 的NaOH溶液，吸收气体中的酸性组分后，等体积的NaOH溶液被压入到右边的量筒中，量筒的读数即为所产甲烷的体积。发酵瓶与集气瓶之间的阀门为气体采样点。每次调节pH后均向发酵瓶中通入N2以维持发酵瓶内的厌氧环境。每天手动搅拌2次，每次5 min，使发酵液均匀混合。
图1 实验装置图
Fig.1 Schematic diagram of experimental system
1.3 指标测定方法
采用烘干法[8]测定总固体(TS)、挥发性固体(VS)；采用玻璃电极法测定pH；碳元素(C)和氮元素(N)的测定采用元素分析仪(Vario ELⅢ，德国)；钾(K)、钠(Na)、钙(Ca)等常规营养元素采用ICP-AES(PS-6 真空型，美国Baird公司)[9-11]测定；沼气产量采用排3% NaOH溶液法测定。
2 结果与分析
2.1 餐厨垃圾的理化特性分析
2.1.1 物理组成分析
餐厨垃圾成分复杂，饮食习惯、季节变化及生活水平等均会影响其组成。剔除塑料、木棒、纸巾等杂质后，每月餐厨垃圾的物理组成见图2。从图2可以看出：餐厨垃圾的成分主要为米饭、蔬菜、肉类和骨头。其中米饭为餐厨垃圾主要部分，其变化范围为38.3%~55.4%(湿基)，夏秋2季蔬菜含量较春冬2季的略高0.3%，相反，春冬季节肉类的含量比春冬2季的高2.7%。对厌氧发酵工艺而言，骨头为餐厨垃圾中较为稳定的杂质来源，其平均含量为8.9%。
图2 餐厨垃圾物理组成变化图
Fig.2 Physical components of kitchen waste
2.1.2 含水率(ηMC)及挥发性固体含量(ηVS)分析
餐厨垃圾及其组分肉类、蔬菜、米饭的含水率(ηMC)、含固率(ηTS)、挥发性固体含量(ηVS)以及挥发性固体占总固体含量(ηVS/ηTS)的平均值如图3所示。从图3可以看出：餐厨垃圾及其组分米饭、蔬菜、肉类的含水率分别为：79.8%，74.2%，85.4%和55.1%；以蔬菜的含水率最高，其次为混合餐厨垃圾，肉类最低。在对餐厨垃圾挥发性固体含量(即物料中有机物的 量[8-11])的检测中发现，肉类的有机物含量最高为43.2%，其次为米饭23.9%，混合餐厨垃圾为20.0%，蔬菜含量最低为12.6%。各组分的ηVS/ηTS表明：除水分外，有机物的含量的变化范围在88.6%~96.6%。实验结果表明：餐厨垃圾具有高含水率和高有机物含量的特性。
图3 餐厨垃圾各组分的含水率(ηMC)、总固体(ηTS)、挥发性固体含量(ηVS)及挥发性固体占总固体(ηVS/ηTS)含量图
Fig.3 Values of ηMC, ηTS, ηVS and ηVS/ηTS in each component of kitchen waste
2.1.3 营养元素分析
厌氧发酵过程中起主导作用的是产甲烷菌，其世代周期较长，且对环境条件较为敏感，产甲烷菌生长状态良好是厌氧发酵过程顺利进行的前提。餐厨垃圾营养元素分析和产甲烷菌的化学组成见表1和表2。
通常认为，适宜的w(C)/w(N)比(有机物中碳总量与氮总量的质量分数之比)为15~30。w(C)/w(N)过高，含氮量不足，缓冲能力低，pH容易降低，反之若过低，则含氮量过高，微生物会将多余的氮代谢为氨(NH3)而释放出来，从而使构成发酵液碱度的物质碳酸氢铵(NH4HCO3)增加，虽可提高发酵液的缓冲能力，但铵盐容易积累而导致抑制发酵反应过程[12]。从表1可见，餐厨垃圾的w(C)/w(N)比为21.48，处于适宜的范围内，完全符合微生物对C和N元素的需求。此外，产甲烷菌所需的主要营养物质如氮、磷、钾、硫，以及金属元素铁，镍、钴、钼、锌、锰、铜等(见表2)在餐厨垃圾的营养元素分析中均可找到。综合表1和表2 可知：餐厨垃圾中含有产甲烷细菌所需的均衡营养，完全满足厌氧发酵工艺的要求。
表1 餐厨垃圾营养元素分析
Table 1 Elemental composition analysis of kitchen waste mg/kg
表2 产甲烷菌的化学组成[13]
Table 2 Elemental composition of methane-producing bacteria g/kg
2.2 餐厨垃圾厌氧发酵产能沼气潜能研究
本研究以200 g餐厨垃圾或其组分为原料，于高温(55±2) ℃下，进行为期30 d的厌氧发酵处理，在此期间各实验组的pH、日沼气产量和积累产沼气率的变化情况分别如图4~6所示。
2.2.1 餐厨垃圾在厌氧发酵过程中的pH变化
pH是影响厌氧发酵至关重要的因素：厌氧发酵期间的pH变化如图4所示。从图4可以看出，在试验的第2天，各实验组均酸化。经Ca(OH)2溶液调节至7.0后，从第4天开始，除米饭外，其他组分都在开始逐步恢复，而米饭则继续酸化并于第4 天达到了最低值4.4，其随后上升的过程也要明显落后于其他组分。米饭组的酸化最为显著，其主要成分为富含碳水化合物的淀粉，在淀粉酶的作用下，迅速降解而导致发酵液的持续酸化。酸化程度最低的为肉类，其最低pH为5.8，且迅速恢复。这是由于肉类的主要成分蛋白质，在蛋白酶的作用下转化为氨基酸，从而致使发酵液中铵根离子浓度较高，即pH较高。蔬菜以纤维素为主，易降解，从第15天开始发酵液的pH就开始维持在7.0左右。发酵结束时，各实验组的发酵液均呈碱性。混合餐厨垃圾以米饭和蔬菜为主，其特性与米饭和蔬菜保持一致，具有易酸化、降解的特性。其pH变化曲线介于米饭与蔬菜、肉类的之间，但变化趋势相对更为平稳。
图4 餐厨垃圾及其组分厌氧发酵的pH变化图
Fig.4 pH variation in kitchen waste and components
2.2.2 餐厨垃圾的产沼气能力
混合餐厨垃圾及其组分厌氧发酵的日产气情况如图5所示。从图5可以看出：厌氧发酵产沼气过程有2个较大的产气高峰。随着易降解有机物的迅速分解，在实验的第2天，混合餐厨垃圾及其组分都出现了第1产气高峰，且峰值较为接近。随后出现的第2产气高峰，各实验组出现的时间和峰值有较为明显的差别，依次为：肉类，第10天，1.4 L；蔬菜，第18天，3.5 L；混合餐厨垃圾，第24天，3.0 L；米饭，第26天，3.4 L。相比之下，肉类率先出现第2产气高峰，但其峰值明显低于其他各组。含水率较低以及蛋白质不易降解完全等可能是导致富含有机物的肉类沼气产量较低的主要原因。
图5 餐厨垃圾及其各组分厌氧发酵的日产气图
Fig.5 Daily biogas yield from kitchen waste and components
在厌氧发酵处理中，混合餐厨垃圾及其组分的积累沼气产率情况如图6所示。从图6可以看出：肉类的积累沼气产率明显低于其他组分的沼气产率，虽然初始产气率较大，但从第12天开始，积累沼气产率开始趋于平缓，在消化结束时，积累沼气产率仅为206.8 mL/g(以每克挥发性固体计，下同)；蔬菜和米饭的沼气产率则高达433.3 mL/g 和478.2 mL/g，分别比肉类提高了110%和132%。由此可知：餐厨垃圾中不同组分的产沼气能力不同，因而物理组成不同的餐厨垃圾的产沼气能力也不同。本研究中混合餐厨垃圾以米饭和蔬菜为主，沼气产率高达508.3 mL/g，即1 t餐厨垃圾(湿基)可产清洁能源沼气101.7 m3。这可能是由于各组分间营养物质的良性互补，从而营造了更为良好的发酵条件。
图6 餐厨垃圾及其各组分厌氧发酵积累沼气产率图
Fig.6 Accumulative biogas yield from kitchen waste and components
2.3 餐厨垃圾厌氧发酵处理效益分析
厌氧发酵处理技术将令市政、环卫部门困扰的餐厨垃圾变成了清洁能源——沼气和农业有机肥——沼渣和沼液。餐厨垃圾厌氧发酵处理，及其发酵产物沼气、沼渣、沼液的综合利用，有效实现了物质的循环利用，极大改善了城市环境，取得了良好的社会效益、生态效益和经济效益。
2.3.1 社会效益
通过对餐厨垃圾的厌氧发酵处理，以及对发酵产物的综合利用，从根本上解决了餐厨垃圾的处理问题，从一定程度杜绝了餐厨垃圾所引发的潲水猪与地沟油事件的发生，保障了居民的身体健康。
2.3.2 生态效益
城市环境得到了很好的改善，减少了由于餐厨垃圾的肆意堆放所带来的土壤、水体以及空气的污染。沼气的利用，使局地居民的生活环境得到了改善；使用沼液防治虫害，可有效减少农药残余问题，促进绿色农业；有机肥的使用有助于增加土壤中有机质与氮磷的含量，有利于土地的持续性利用。
2.3.3 经济效益
据清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据，中国城市每年产生餐厨垃圾不低于6 000万t，如果均采用厌氧发酵技术处理，可获6.1亿m3的沼气，能有效缓解能源问题[14]，获得较大的经济效益；另外，厌氧发酵的残余(沼渣和沼液)也可作为有机肥和叶面肥，用于养殖业，可有效节约农业生产成本[15]。
随着我国餐厨垃圾处理问题的日益突出以及能源危机的日益加剧，厌氧发酵处理法对缓解能源危机和解决餐厨垃圾的处置问题具有非常重要的意义。
3 结论
(1) 餐厨垃圾具有高含水率和高有机物含量的特性，且具备产甲烷细菌所需均衡的营养。就厌氧发酵工艺而言，餐厨垃圾的理化特性完全满足厌氧发酵工艺的要求。
(2) 米饭、蔬菜、肉类的沼气产率(以挥发性固体计)分别为478.2，433.3和206.8 mL/g。在营养物质良性互补的作用下，混合餐厨垃圾的沼气产率达508.3 mL/g，即1 t餐厨垃圾(湿基)可产清洁能源沼气101.6 m3，在有效解决餐厨垃圾的处置问题的同时，也实现了其经济效益、生态效益和环境效益的统一。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2011-05-08；修回日期：2011-08-18
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50874117)
通信作者：易龙生(1964-)，男，江西萍乡人，教授，从事固体废弃物处理及资源化利用研究；电话：0731-88877911；E-mail：cmiyls@163.com
