摘要：采用兩步批式的厭氧消化方式，先將蔬菜廢物加水在反應器中酸化處理若干天，達到穩定后再將酸液分離出來，在厭氧消化體系穩定運行之后再將酸液分次加入反應器中，實現了易酸化廢物單相厭氧消化系統的穩定運行。油菜和油麥菜在60和80 g/L有機負荷率下的日平均產氣量分別提高至0.24L/ (d·L)、0.23 L/ (d·L)、0.21 L/ (d·L)、和0.28 L/ (d·L)。其中以油菜的厭氧消化性能提高最為顯著，厭氧消化體系運行時間由常規批式的10d左右延長到了58d，在60和80 g/L的有機負荷率下的總產氣量分別達到了20.86L和20.42L，約為對照的9倍；單位總固體（TS）產氣量也由23.1 mL/g上升至231.7和226.8 mL/g；最高甲烷體積分數達70.7%和83.9%

關鍵詞：蔬菜廢物；兩步批式厭氧消化；沼氣

引言

在蔬菜生產、儲存、集散、運輸和加工過程中產生大量的蔬菜廢棄物。蔬菜廢物在我國城市垃圾中占有較大的比重，因有機成分含量高，其堆放或填埋會產生大量的滲濾液，造成嚴重的環境污染[1]。由于蔬菜廢物高含水率的特點非常符合一般厭氧處理固體含量（10%左右）要求，且厭氧消化可以不經預處理就能實現比較完全的廢物穩定化和能源回收利用，厭氧消化可能成為處理蔬菜廢物的理想途徑[2-3]。

蔬菜廢物極易酸化水解的特性使其在進行單相厭氧消化時很容易導致pH降低，發生酸中毒的現象，造成產甲烷菌的失活，抑制生物產氣過程[4]。因此pH值是厭氧消化過程中一個重要的控制參數，pH值的大小及其穩定性對產氣效果有很大影響[5]。因此控制蔬菜廢物的酸化過程是關鍵。本研究采用兩步厭氧消化技術，先酸化，然后批次投加酸化液，進行甲烷化，解決了pH值降低對生物產氣過程的抑制問題，實現對單相厭氧消化體系pH的調控，促使蔬菜廢物單相厭氧消化系統正常運行。
 
1實驗部分

1.1 實驗原料

油菜、油麥菜均取自北京市某菜市場，其總固體（TS），揮發性固體（VS），總碳（TC），總凱氏氮（TKN）質量分數見表1。蔬菜廢物剪成2cm左右長度，在70℃下烘至將干，使其體積大大減小后，按設定負荷投加到反應器中。接種物為北京市高碑店污水處理廠的厭氧消化污泥，其TS、VS及混合液懸浮固體（MLSS）分別為30.6，16.8，29.7 g/L，含水率為96.4%。

1.2 實驗裝置

厭氧消化試驗裝置由2L 錐形瓶、1L 廣口瓶和1L燒杯組成。錐形瓶作為發酵罐，采用集氣排水法收集沼氣，廣口瓶計量沼氣體積，燒杯收集從廣口瓶排出的水。試驗采用中溫厭氧消化，振蕩箱的溫度為（35±1）℃，轉速為120r/min [6]。各個反應器的污泥接種量相同，其MLSS為15 000 mg/L [7]。

1.3 實驗方法

首先進行加入接種泥之前油菜和油麥菜的酸化特性實驗，以確定酸化處理時間。將處理過的油菜和油麥菜皆按80 g/L（反應器工作體積為1.5L）負荷率分別添加到厭氧消化反應器中，加水至反應器工作體積，保持溫度為（35±1）℃，轉速為120 r/min進行酸化處理，在此過程中不定時監測pH的變化，待pH下降至基本穩定。酸化時間確定后按60和80 g/L的負荷率進行兩步批式厭氧消化實驗，首先進行酸化處理，待到實驗確定的酸化時間后取出反應器，濾出酸液，冷藏于冰箱內待用，剩余固態物料接種后置于恒溫振蕩箱中正常運行，運行條件與酸化實驗一致。根據日產氣量和消化液的pH值的變化情況，在日產氣量下降至較低水平時將倒出的酸液分2-3次加入到對應的反應器中，每次大約300-400mL，添加酸液時充入氮氣保持厭氧環境。為了便于對比，另設置了60 g/L兩種蔬菜常規批式厭氧消化的對照實驗。

1.4 分析方法

記錄所有厭氧消化反應器的日產氣量，計算相應的總產氣量、日平均產氣量和單位TS產氣量，并分析厭氧消化前后物料的TS、VS 變化等。總產氣量為整個厭氧消化過程中日產氣量的加和；日平均產氣量為總產氣量與厭氧消化過程結束時間的比值；單位TS產氣量為平均每投加1gTS所產生的生物氣體積；消化單位TS產氣量為平均每消化1gTS所產生的生物氣體積。大約每三天測定一次甲烷氣成分，采用北京北分瑞利儀器公司生產的SP-2100氣相色譜分析儀，熱導檢測器，載氣為氫氣，檢測器、進樣器和柱溫分別為150℃、150℃和120℃。總氮含量通過凱氏定氮儀（KDN-2C，上海嘉定纖檢儀器廠）測定，TS、VS、灰分、pH值均按照標準方法[8]測定。

2結果與討論

2.1 酸化特性

圖1為油菜和油麥菜酸化過程中的pH變化規律。由圖1可知在酸化處理30h左右，油菜和油麥菜的pH均降到最低，之后曲線基本趨于平緩，至60h時仍沒有明顯變化，為了保證徹底酸化，確定60h為后續實驗的酸化時間。

2.2日產氣量

圖2表示油菜和油麥菜日產氣量的變化。由圖2可見，對照油菜和油麥菜僅在接種的第一、二天有一定的產氣量，之后厭氧消化過程基本處于停滯狀態，系統pH值由進料時的6.67迅速下降，導致厭氧消化過程被中斷，整個產氣的過程僅持續了10d左右。在采用兩步批式厭氧消化后，油菜和油麥菜的產氣情況都得到極顯著的改善，厭氧消化系統穩定性得到極大提高，產氣量較為穩定，產氣周期分別延長至58和30d。在油菜和油麥菜的兩種負荷率下的產氣過程中均出現了2-3個產氣高峰，產氣高峰的出現時間與酸液的加入有很好的對應關系，一般在加入酸液2d后出現一個產氣高峰，兩種蔬菜的最高日產氣量分別達到了1730mL和1590mL。油菜在60和80 g/L的有機負荷率下日平均產氣量分別為360mL/d和352mL/d，相當于0.24L/ (d·L)、0.23 L/ (d·L)，油麥菜分別為314mL/d和417mL/d，相當于0.21 L/ (d·L)、和0.28 L/ (d·L)。這是因為在分離了酸液后，厭氧菌能很好地維持其自身生長的條件，酸液的不斷加入又為其提供了良好的生長基質，形成穩定產氣的結果。油菜和油麥菜的消化時間和產氣量不同主要是由于二者的成分不同，且油菜的葉柄含量較大，纖維素等相對難消化的成分含量高，與菜葉相比消化時間要長，而油麥菜的菜葉含量較大，易消化，消化時間短。同種蔬菜的兩種負荷率下日產氣量的變化規律相似。

2.3 甲烷體積分數變化

厭氧發酵過程主要可分為產酸階段和產甲烷階段，因此在實驗開始的幾日，主要起作用的是產酸菌群。這一時期主要是生成產甲烷菌易于利用的乙酸和二氧化碳等物質，所以此階段生物氣中的甲烷體積分數很低，而相應的N2 、CO2 體積分數很高。圖3為生物氣中甲烷體積分數的變化圖，由此圖可知，接種開始時期，生物氣中的CH4體積分數很低，不到10％，隨著系統的運行及酸液的加入，CH4體積分數逐漸上升，在第19天時油菜60、80 g/LCH4體積分數分別達到了70.7%和83.9%。隨后日產氣量和甲烷體積分數又逐漸下降到一個低谷，這是由于下一批加入的酸液造成系統pH降低，抑制了產甲烷菌的活性，但是加入的酸液量較小，且系統經過長時間的運行已具備了較強的抗沖擊能力，所以產氣量和甲烷體積分數又迅速回升。如何控制酸液添加量及添加時間，從而得到穩定的甲烷含量需要進一步的試驗研究。同種蔬菜的兩種負荷率下甲烷體積分數的變化規律相似。對照組的兩種蔬菜，由于厭氧消化系統并未達到穩定運行的狀態，產氣時間短，除了在接種的第一、二天生物氣中有很高的CO2含量外，幾乎檢測不出甲烷成分。

2.4 總產氣量與單位產氣量  

厭氧消化前后TS的去除率及單位TS的產氣量見表2。在總產氣量、TS去除率、單位TS產氣率和消化單位TS產氣量，油菜和油麥菜在60和80 g/L的有機負荷率下都較對照有明顯的提高，其中以油菜產氣量的提高最為顯著，總產氣量都較對照提高了9倍左右，TS減少量由9.4%提高到了57.8%和65.8%。油麥菜的產氣狀況不如油菜的好，可能與其成分有關，但是其單位TS產氣率仍然達到了104.7和138.9mL/g，遠遠優于對照實驗。

3 結論

（1）經過兩步批次處理，油菜和油麥菜的產氣性能與對照比較都得到極大提高，油菜在60和80 g/L的有機負荷率下日平均產氣量分別為360mL/d和352mL/d，即0.24L/ (d·L)和0.23 L/ (d·L)；油麥菜分別為314mL/d和417mL/d，即0.21 L/ (d·L) 和0.28 L/ (d·L)。

（2）油菜產氣量的提高最為顯著，消化時間由常規批式厭氧消化的10d左右延長到了58d，在60和80 g/L的有機負荷率下的總產氣量分別達到了20.86L和20.42L，約為對照的9倍；單位TS產氣量也由23.1 mL/g上升至231.7和226.8 mL/g；最高甲烷體積分數達70.7%和83.9%。

參考文獻

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[2] 黃鼎曦, 陸文靜, 王洪濤. 農業蔬菜廢物處理方法研究進展和探討[J]. 環境污染治理技術與設備, 2002, 3(11): 38- 42.

[3] 邱凌, 盧旭珍, 王蘭英, 等. 日光溫室生產廢棄物厭氧發酵特性初探[J]. 中國沼氣, 2005, 23(2): 30- 32.

[4] HAN S K，SHIN H S，SONG Y C，et al. Novel anaerobic process for the recovery of methane and compost from food waste [J]. Water Science Technology, 2002, 5: 313-319.

[5]苑宏英, 張華星, 陳銀廣, 等. pH對剩余污泥厭氧發酵產生的COD、磷及氨氮的影響[J]. 環境科學, 2006, 27(7): 1358-1361.

[6] LUO Qingming, LI Xiujin, ZHU Baoning, et al. Anaerobic biogasification of NaOH-treated corn stalk[J]. Transactions of the CSAE, 2005, 21(2): 111-115.

[7] ZHANG Ruihong, ZHANG Zhiqin. Biogasification of rice straw with an anaerobic-phased solids digester system [J]. Bioresource Technology, 1999, 68(3): 235-245.

[8] APHA. Standard methods for the examination of water and wastewater [S], 20th ed., Washington DC, USA: American Public Health Association, 1998.

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