餐厨垃圾特性及其厌氧消化性能研究 - 李荣平-

1、·76·可再生能源Renewable Energy Resources第28卷第1期2010年2月Vol.28No.1Feb.2010餐厨垃圾俗称泔水,是指宾馆、饭店、餐馆和机关、院校、企事业单位在食品加工、餐饮服务、单位供餐等活动过程中产生的废弃物。餐厨垃圾含有丰富的有机物和营养元素,含水率高、易腐烂、容易产生臭气和污水等,如果不能及时处置,将对周围的环境卫生造成严重影响。传统的餐厨垃圾处置方法有直接填埋、作猪饲料、堆肥等1。直接填埋处置的方法存在明显不足,如产生温室气体、渗滤液等。随着中华人民共和国动物防疫法的颁布实施,餐厨垃圾直接用作猪饲料的方法也受到了限制;而餐厨垃

2、圾由于含水率和含盐量高,堆肥过程中的通风条件和微生物生长受到影响,堆收稿日期:2009-09-09。基金项目:国家高技术研究发展计划(2008AA062401。作者简介:李荣平(1978,女,博士,主要从事固废资源化利用研究。E-mail : 通讯作者:庞云芝(1965-,女,讲师,主要从事环保技术与设备开发工作。E-mail :xjli餐厨垃圾特性及其厌氧消化性能研究李荣平1,2,葛亚军1,王奎升2,李秀金2,庞云芝2(1.北京市环境卫生设计科学研究所,北京100028;2.北京化工大学资源与环境研究中心,北京100029摘要:以校园餐厨垃圾为原料,分析

3、测定了早餐、午餐和晚餐餐厨垃圾的总固体(TS 、挥发性固体(VS 、碳水化合物、蛋白质、脂肪含量以及无机盐离子浓度,并通过批式厌氧发酵试验对3种餐厨垃圾的厌氧消化性能进行了对比研究。结果表明,早餐餐厨垃圾特性与午餐/晚餐餐厨垃圾差异较大,Na +,Ca 2+和Cl -含量高于后两者。餐厨垃圾不同特性对其厌氧消化产气及有机物去除率都有一定影响,早餐、午餐和晚餐餐厨垃圾的累积甲烷产量分别为212.2,331.6和362.4ml/g,早餐餐厨垃圾产气量比午餐和晚餐餐厨垃圾分别低36%和41.4%,其中Cl -含量高可能是造成其产气量低的主要原因。关键词:餐厨垃圾;厌氧消化;生物气中图分类号:TK6;

4、X705文献标志码:A文章编号:1671-5292(201001-0076-05Characteristics and anaerobic digestion performancesof kitchen wastesLI Rong-ping 1,2,GE Ya-jun 1,WANG Kui-sheng 2,LI Xiu-jin 2,PANG Yun-zhi 2(1.Beijing Environmental Sanitation Engineering Research Institute,Beijing 100028,China;2.Center for Resourcesand Envi

5、ronmental Research,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China Abstract :The characteristics of wastes from breakfast,lunch and dinner were investigated and de -termined,including total solids (TS ,volatile solids (VS ,carbohydrate,protein,lipids,and inor -ganic salt concentration

6、s.The digestibility of three kinds of kitchen wastes were tested in batch anaerobic digesters.The results showed that there were large differences between breakfast waste and lunch/dinner wastes,especially,the Na +,Ca 2+and Cl -contents in breakfast waste is higher than the other two.It was found th

7、at the characteristics of kitchen wastes influenced the biogas production performance and organic matter removal.The accumulative methane yield of breakfast waste,lunch waste and dinner waste were 212.2,331.6and 362.4ml/g VS,respectively.The biogas production from breakfast waste was 36%and 41.4%low

8、er than lunch waste and dinner waste,re -spectively,which probably resulted from the high Cl -content in breakfast waste.Key words :kitchen waste;anaerobic digestion;biogas李荣平,等餐厨垃圾特性及其厌氧消化性能研究肥效果差。同以上方法相比,厌氧消化工艺是处理餐厨垃圾等有机废弃物的较好途径,它不仅可以降解餐厨垃圾中的有机物,还能生成生物气,实现资源化再利用2,3。由于我国饮食文化和生活习惯不同,“一日三餐”的餐厨垃圾特性存在着

9、较大差异,比如早餐餐厨垃圾中含盐量高,而午餐和晚餐的餐厨垃圾中含油量高。这些性质差异是否影响其消化产气性能,目前为止还没有过深入研究。本文以校园食堂“三餐”餐厨垃圾为研究对象,分析其组成及特性,并通过批式厌氧发酵试验对它们的厌氧消化性能进行对比研究。1材料与方法1.1试验原料早、午和晚餐餐厨垃圾(分别简称为A餐厨,B 餐厨和C餐厨取自北京化工大学第四食堂。取样时间为每周的周二、周四、周六,连续取4周。每次取样大约为5kg。取样之后,用食物粉碎机进行粉碎,粒径为25mm,搅拌均匀,贮存在-20的冰箱备用。从外观上看,A餐厨主要包括鸡蛋皮、咸菜、包子及油条等残余物,而B和C餐厨则主要包括米饭、面条

10、、蔬菜、骨头等残渣。1.2测定项目及方法总固体(TS,挥发性固体(VS,灰分和pH值均按照标准方法4测得。总碳(TC采用有机碳测定仪(SKALAR,荷兰测得。总氮(TN含量通过凯氏定氮仪(KDN-2C,上海嘉定纤检仪器厂测定,乘以系数6.25,折算即可得到蛋白质含量。脂肪测定以石油醚为抽提液,通过索氏抽提并用差重法计算得出。碳水化合物含量由蛋白质、脂肪、灰分和VS计算所得。采用石墨炉原子吸收光谱仪(Hitachi Z-8000,日本测定钠离子和钙离子含量;采用离子色谱仪(戴安DX-600,美国测定氯离子和硫酸根离子含量。采用气相色谱分析仪(北京北分瑞利仪器公司,SP-2100分析CO2和CH4

11、的含量,热导检测器的载气为氢气。其中,检测器、进样器的温度和柱温分别为150,150和120。1.3批式厌氧消化试验批式厌氧发酵装置由锥形瓶、广口瓶和烧杯组成。锥形瓶作为发酵罐,采用集气排水法收集沼气,用广口瓶计量沼气体积,用烧杯收集从广口瓶排出的水。整个批式厌氧消化装置放在恒温摇床(35±2,120r/min中。利用猪粪消化液接种,各反应器的接种量相同,其混合液悬浮固体(MLSS为17500mg/L。以VS为基准,把A,B和C餐厨分别加入到厌氧消化反应器中,有机负荷率设置为10g/L,同时用猪粪消化液作空白试验。2结果与讨论2.1餐厨垃圾的组成及特性2.1.1TS,VS含量3种餐厨

12、垃圾的TS,VS浓度见表1。A,B和C餐厨的TS浓度分别为12.2,24.7和21.9g/L。可以看出,A餐厨的TS浓度比B和C低44.3% 50.6%。这是由于A餐中包括豆浆及粥类,降低了TS浓度。以TS为基准,VS在A,B和C餐中所占的比例分别为68.1%,94.1%和82.6%。VS/TS比值可以间接表示物料的降解难易程度。A餐厨的VS/TS比值明显低于其它两个,只有68.1%,而B 和C要比它高出14.5%26.0%。因此,从TS和VS含量来看,B和C差异性不大,均高于A,也更适合厌氧消化处理技术。2.1.2组成成分碳水化合物、蛋白质和脂肪是食物中三大有机成分。表1列出了餐厨垃圾中这3

13、种有机成分所占的比例。可见,碳水化合物和蛋白质在3种餐厨垃圾中含量差别不大,分别为42.5%55.2%和15.0%16.9%;而A餐厨的脂肪含量仅为6.2%,远远低于B和C餐厨。这与我国居民的饮食习惯表13种餐厨垃圾的特性Table1Characteristics of three kitchen wastes项目A餐厨B餐厨C餐厨TS/g.L-1122240219VS/g.L-183232181VS/TS/%碳水化合物/%*4755.242.5蛋白质/%*151516.9脂肪/%* 6.223.923.3总碳/%*375452.2总氮/%* 2.4 2.4 2.7C/

14、N比例15.422.519.3Na+/mg.g-1*22.415.416.8Ca2+/mg.g-1*24.4 3.917.5Cl-/mg.g-1*7620.631SO42-/mg.g-1*9.3 6.2 4.3NO3-/mg.g-1* 2.9 1.40.7PO43-/mg.g-1* 1.1 4.38.1*以干重计。·77·是一致的。在厌氧消化过程中,由于脂肪的组成含有较高碳氢元素比例,它能比碳水化合物和蛋白质产生更多的甲烷气体。但是脂肪含量过高,容易造成脂肪酸抑制,使整个厌氧消化趋于失败。据报道,长链脂肪酸的抑制作用主要表现在两方面:脂肪酸吸附在细胞外壁,阻碍细胞壁传质;由

15、于脂肪酸较轻,它的吸附使微生物悬浮在液体表面,造成甲烷菌被冲刷出去5。因此,考虑到B和C餐厨的脂肪含量,它们的厌氧消化不能采用较高的负荷率。2.1.3C/N比营养元素含量及比例是有机固体废弃物的原料特性之一,其中C/N比例是影响该有机废弃物厌氧消化效果的重要因素之一。一般而言,C/N比在13/128/1都是厌氧消化可接受的范围6。如果C/N过高,容易导致过酸化,系统缓冲能力差;而C/N比过低,容易导致TAN浓度过高,从而会对后续产甲烷过程产生抑制作用。从表1来看,3种餐厨的C/N比例均在厌氧消化可接受范围之内,是进行厌氧消化的理想基质。2.1.4无机盐离子餐厨垃圾含有较多剩余营养,成分极其复杂

16、。本文针对与厌氧消化相关的阳离子Na+和Ca2+,阴离子Cl-,SO42-,NO3-和PO43-浓度进行了分析测试(表1。Na+和Ca2+离子是甲烷菌生长繁殖所必需的元素,例如Na+有助于合成三磷酸腺苷或者促进NADH的氧化。通常认为,在低浓度下,Na+和Ca2+对甲烷菌不造成任何抑制;当Na+浓度介于35005500mg/L时,Ca2+在20004500mg/L时会对厌氧消化造成中等抑制;而当Na+和Ca2+浓度在8000mg/L时,将对甲烷菌和厌氧消化造成严重抑制5。同时,如果采用高效反应器或者经过驯化培养,甲烷菌能够承受更高Na+和Ca2+浓度。例如,李勇华等人应用高效IC厌氧反应器研究

17、了Na+对颗粒污泥的影响试验,结果发现当Na+浓度小于10000mg/L时,系统具有足够的缓冲能力7。表1列出了3种餐厨垃圾中Na+和Ca2+的浓度。可以看出,A餐厨中这两种离子的浓度均高于B和C餐厨。其中,Na+浓度为22.4mg/g(干重,比B和C餐厨分别高出31%和25%;Ca2+浓度为24.4mg/g(干重,比B和C餐厨分别高出84%和28%,这主要是由于A餐厨中含有较多的剩余咸菜、鸡蛋皮、豆浆等成分。根据上述所报道的两种阳离子的抑制浓度,在投料总固体浓度低于10%时,3种餐厨垃圾中的Na+和Ca2+浓度不会对厌氧消化产生抑制作用。除了阳离子之外,阴离子如Cl-,SO42-等也对厌氧消

18、化有着一定的影响,特别是SO42-。SO42-的抑制作用主要是由它的还原反应引发的5。硫酸根还原菌参与到有机与无机营养物的竞争中,减弱了甲烷的产生;还原产物硫化物对各种微生物的毒害作用。丁琼等采用间歇试验方式,发现当COD/SO42-1时,相对产甲烷率与COD/SO42-值之间有很好的线性关系8;COD/SO42-值越高,相对产甲烷率就越高。杨虹等人用人工配制高浓度有机废水分别研究了Cl-和SO42-对厌氧生物废水处理的抑制作用和抑制阈值9。他们的研究结果显示,在完全混合式反应器中,当Cl-浓度高于4.5g/L, SO42-浓度高于1.8g/L时,便开始产生抑制作用。从表1可以看出,A餐厨中的

19、Cl-较高,比B 和C餐厨高1.52.7倍,因此投料负荷不易过高。如果以Cl-浓度4.5g/L为最高限制浓度,A餐厨的投料浓度TS要低于6%,否则容易造成抑制;而3种餐厨垃圾中SO42-则均远低于可引起抑制的浓度。同样,以COD/SO42-值为判断指标,例如B 餐厨的COD值为255.7mg/g(干重,B的COD/ SO42-值为41.2,因此硫酸盐还原反应对厌氧消化影响甚微。2.23种餐厨垃圾的厌氧消化性能比较2.2.1甲烷产量在30d批式厌氧消化中,3种餐厨垃圾的累积甲烷产量ml/g,STP(Standard temperature and pressure,即标态下甲烷产量和甲烷日产量m

20、l/ (L·d的变化分别见图1和图2。从图1来看,A 餐厨的累积甲烷产量明显低于其它两者,在第16天时,累积甲烷产量便开始趋于平缓,在消化结束时,每克VS获得212.2ml的累积甲烷产量;而B 和C餐厨的累积甲烷含量高达331.6和362.4 ml。可见,B和C餐厨的累积甲烷产量分别比A 餐厨高36%和41.4%。当然,不同来源的餐厨垃圾的累积甲烷产量也不同。例如,Ruihong Zhang等人曾报道美国加州三番市的餐厨垃圾的累积甲烷产量达到了435ml10,但是在该研究中,采用的消可再生能源2010,28(1·78··79·化温度为50,属于

21、高温消化。在中温条件下,文献中较高的餐厨垃圾(每克VS 累积甲烷产量,分别为Cho 和Park 11所报道的472mlg 和Heo 等人12所报道的489ml ,这与餐厨垃圾的来源和组成有关。从图2可以看出,消化最初6天内的甲烷产量相对较低,甲烷产量持续增加直到第9、第10和第11天达到A ,B 和C 餐厨分别获得第一个产气高峰,然后产气量又降下来。在甲烷产量持续增长期间,A ,B 和C 餐厨分别在第7、第11和第10天获得了最高产甲烷速率,分别为236,489和486ml/(L ·d 。在批式厌氧发酵中产生的累积产气量达到累积产气总量的80%所需时间为消化时间13。从图1和图2可以

22、得出,A 餐厨的消化时间要比B 和C 餐厨短一些。A 的消化时间为14d ,而B 和C 餐厨的消化时间分别为16d 和19d 。这可能是因为B 和C 餐厨中可消化的有机物含量高,因此需要更长的消化时间。2.2.2气体成分在厌氧消化过程中的气体成分变化图如图3所示。在消化过程的前10天,甲烷含量持续增加,二氧化碳含量持续降低。在第10天之后,气体成分基本保持不变,甲烷含量的平均值介于73.2%75.1%之间,而二氧化碳含量介于24.9%26.8%之间。通过单因素方差分析(One way ANOVA ,Turkey 法,P=0.05可以看出,3种餐厨垃圾之间的气体成分几乎没有差异。2.2.3有机物

23、去除效果在试验开始之前,3种餐厨垃圾的投加量均为10g ,其中消化液作为空白试验与样品同时进行。消化结束之后分别测定空白和样品的VS 含量,用空白试验扣除掉样品中所含VS 量,得出有机物的去除率。3种餐厨垃圾的TS 去除率分别为88.5%,85.6%和88.8%,VS 去除率分别为79.8%,84.6%和95.2%(表2。在相同负荷率下,3种餐厨垃圾的VS 去除率越高,其可降解程度也越高。这与它们相应的累积甲烷产量保持一致,而消化结束的终pH 值差异较小,均为7.3左右。2.3厌氧消化残渣的肥料特性厌氧消化不仅能获得洁净的生物气能源,其厌氧消化的残渣还可以用作肥料。如表3所示,3种餐厨垃圾的有

24、机质含量均高于30%,营养元素氮、磷、钾的总量也均高于4%,达到并且远远高图1餐厨垃圾的累积甲烷产量图Fig.1Accumulative methane yield from kitchen wastes51015202530350.00.51.01.52.02.53.03.54.0累积甲烷产量/m l ·g -1时间/dA 餐厨B 餐厨C 餐厨图2餐厨垃圾的甲烷日产量图Fig.2Daily methane production from kitchen wastes5101520253035甲烷日产量/m l ·g -1时间/dA 餐厨B 餐厨C 餐厨2004006008

25、00消化液图3餐厨垃圾厌氧消化气体成分Fig.3Biogas composition during anaerobic digestion ofkitchen wastes51015202530气体成分/%时间/d020406080100CH 4-A 餐厨CO 2-A 餐厨CH 4-B 餐厨CO 2-B 餐厨CH 4-C 餐厨CO 2-C 餐厨表2餐厨垃圾厌氧消化有机物去除及其终pH 值Table 2VS removal and final pH with anaerobic digestionof kitchen wastes种类TS 去除率/%VS 去除率/%终pH 值A 餐厨88.579

26、.87.33B 餐厨85.684.67.35C 餐厨88.895.27.33消化液25.628.97.39李荣平,等餐厨垃圾特性及其厌氧消化性能研究于国家农业部有机肥料的行业标准(NYN525-200214的技术要求,是优良的有机肥料。3结论在3种餐厨垃圾中,早餐餐厨与午餐、晚餐餐厨的物理化学性质相差较大。早餐餐厨的TS,VS, VS/TS比值和脂肪含量明显低于午餐和晚餐餐厨,Na+,Ca2+和Cl-含量,特别是Cl-含量,显著高于后两者。批式厌氧消化试验的结果显示,早餐餐厨与午餐、晚餐餐厨每克VS的累积甲烷产量分别为212.2,331.6和362.4ml,TS去除率分别为88.5%,85.6

27、%和88.8%,VS去除率分别为79.8%, 84.6%和95.2%。可见,午餐和晚餐餐厨具有更好的厌氧消化效果,而早餐餐厨的可消化性则相对较差,其中Cl-含量高可能是造成产气量低的主要原因。参考文献:1严太龙,石英.国内外厨余垃圾现状及处理技术J.城市管理与科技,2004,6(4:165-172.2CALLAGHAN F J,WASE D A J,THAYANITHY K,etal.Continuous co-digestion of cattle slurry with fruit and vegetable wastes and chicken manureJ.Biomass &

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30、4(1:7-7. 9杨虹,朱章玉,李道棠,等.Cl-和SO42-对厌氧废水处理的抑制阈值J.上海交通大学学报,1999,33(2:237-239.10ZHANG R,EL-MASHAD H M,HARTMAN K,et al.Characterization of food waste as feedstock for anaero-bic digestion.J.Bioresourc.Technol,2007,98:929-935.11CHO J K,PARK S C.Biochemical methane potentialand solid state anaerobic digestion of Korean food wastesJ.Bioresourc.Technol.,1992,52:245-253.12HEO N H,PARK S C,KANG H.Effects of mixture ra-tio and hydraulic retention time on single-stage anaero-bic