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                超市生物質(zhì)廢棄物混合原料沼氣工程實(shí)驗研究
                時(shí)間 : 2019-12-10 瀏覽量 : 168

                山東達禹環(huán)境工程有限公司已在沼氣工程領(lǐng)域深耕十年,有著(zhù)豐富的行業(yè)經(jīng)驗,生產(chǎn)各種沼氣設備,承接大中小各種規模的沼氣工程,承建黑膜沼氣池、紅泥膜沼氣池等各種軟體沼氣池及雙膜氣柜、集雨窯等,同時(shí)生產(chǎn)加工各類(lèi)液袋、水囊、橋梁預壓水袋、森林消防水袋、可拆卸游泳池等,歡迎新老客戶(hù)洽談合作,共謀發(fā)展!


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                摘自《中國沼氣》第6期 魏芳 馬歡 劉偉偉 楊智良 王強


                超市是城鄉發(fā)展及居民生活不可或缺的組成部分,據國家統計局數據,至2015年底中國超市門(mén)店數超過(guò)3萬(wàn)家,其中大型超市門(mén)店總數8584家。在為居民提供生活便利的同時(shí),超市也會(huì )因保存不當、銷(xiāo)售不佳、自然腐敗等原因產(chǎn)生大量生物質(zhì)廢棄物。主要包括:腐爛、變質(zhì)或過(guò)期的瓜果、蔬菜、乳制品、水產(chǎn)品及肉類(lèi)產(chǎn)品等。此類(lèi)生物質(zhì)廢棄物常含有大量致病化學(xué)組分或微生物,如不無(wú)害化妥善處理,可能影響消費者健康、污染環(huán)境,造成資源浪費、甚至不良的社會(huì )影響。超市生物質(zhì)廢棄物屬于城市生活垃圾的一種,通常的處置方法是與城市生活垃圾混合,進(jìn)而采取衛生填埋、焚燒或堆肥處理-3。

                沼氣工程厭氧消化技術(shù)是通過(guò)各類(lèi)沼氣工程厭氧微生物的分解代謝,實(shí)現各類(lèi)有機廢棄物無(wú)害化、資源化處理的有效


                途徑,在獲得清潔可再生能源的同時(shí),通過(guò)發(fā)酵殘留  物的綜合利用,更是發(fā)展農業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的重要組帶43。超市生物質(zhì)廢棄物可生化降解性良好,可作為沼氣工程厭氧消化的良好原料。目前已有研究報道以非商品水果、蔬菜垃圾、餐廚廢棄物以及超市混合廢棄物”等為原料進(jìn)行沼氣工程厭氧消化產(chǎn)沼氣。本文根據國內某大型超市生物質(zhì)廢棄物組成特點(diǎn),研究其不同有機負荷的條件下沼氣工程厭氧消化產(chǎn)氣及原料降解的基本規律,為工程實(shí)踐提供參考。

                1材料與方法

                1.1實(shí)驗材料

                實(shí)驗選用的超市生物質(zhì)廢棄物混合原料取自永輝超市合肥市史河路店,其種類(lèi)和配比是在前期對


                合肥市多家超市廢棄物產(chǎn)生情況調研的基礎上獲得。其組成為:部分腐爛的娜魚(yú)100g,過(guò)期酸奶200mlL,出芽土豆100g和部分腐爛的香蕉100g混合原料用多功能破壁料理機粉碎勻漿后,置于-16℃冰箱中保存、備用。經(jīng)測定,混合發(fā)酵原料總固體(T5)含量為17.90%,揮發(fā)性固體(VS)含量為94.04%。實(shí)驗選用的接種物為安徽農業(yè)大學(xué)農村能源工程實(shí)驗室以餐廚廢棄物、豬糞、腐爛水果等為原料,中溫(35℃-37℃)條件下自行培養的活性污泥,其pH值為75,T含量691%,VS含量60.48%。

                1.2實(shí)驗裝置及沼氣成分分析

                實(shí)驗采用如圖1所示的2.5L批次式沼氣工程厭氧消化裝置0,排水法收集并記錄沼氣產(chǎn)量,采用紅外沼氣成分分析儀( Gaspard-3200,武漢四方光電)測量其中甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、硫化氫(H2S)等氣體體積分數。并通過(guò)在線(xiàn)pH計(PC3110臺灣上泰)連續監測發(fā)酵液的pH變化狀況。

                1.3實(shí)驗設計

                容設3個(gè)實(shí)驗組(A,B和C)和1個(gè)對照組


                (CK),每組3個(gè)平行,實(shí)驗結果取平行實(shí)驗的平均值,中溫35℃~37℃條件下進(jìn)行沼氣工程厭氧消化。各實(shí)驗組原料及接種物配比參見(jiàn)表1。實(shí)驗過(guò)程中根據發(fā)酵產(chǎn)氣量,每天定時(shí)記錄1~2次產(chǎn)氣數據。


                1.4實(shí)驗過(guò)程及數據記錄

                根據沼氣工程厭氧消化原料降解規律及實(shí)際產(chǎn)氣效果,本實(shí)驗共進(jìn)行了34d,定期進(jìn)行產(chǎn)氣成份分析及料液pH值檢測。CK組因只添加了沼氣工程厭氧活性污泥接種物及清水,無(wú)營(yíng)養物質(zhì),發(fā)酵過(guò)程中幾乎無(wú)產(chǎn)氣,因此不納入統計范圍。另外,各組日產(chǎn)量小于100mL時(shí)即認為沼氣工程厭氧消化過(guò)程基本結束,相應數據也不納入統計范圍。

                2結果與分析

                2.1實(shí)驗各組日產(chǎn)氣及累積產(chǎn)氣變化

                圖2的結果顯示,在實(shí)驗設計的不同有機負荷條件下,實(shí)驗各組日產(chǎn)氣量的變化均呈現先上升、再穩定產(chǎn)氣,最后產(chǎn)氣衰竭的基本規律,說(shuō)明其中的有  機質(zhì)原料在沼氣工程厭氧條件下被微生物逐步降解直至消耗


                殆盡。實(shí)驗各組均在第5天出現第1個(gè)產(chǎn)氣峰值,A組與B組相當,分別為1570mL和1600mL,C組為695mL。至發(fā)酵第7天,A組和C組出現第2個(gè)產(chǎn)氣峰值,分別為1480mL和1680mL,B組的第2個(gè)產(chǎn)氣峰值出現在第9天,為1500mL。之后實(shí)驗各組日產(chǎn)氣量均呈現持續下降趨勢。產(chǎn)氣峰值的變化說(shuō)明相同的發(fā)酵原料在不同的有機負荷率條件下,會(huì )導致沼氣工程厭氧消化的水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)CH4階段持續時(shí)間的差異,其內在的原因可能是產(chǎn)CH4菌種群數量的相對不同,從而造成對水解和產(chǎn)酸階段揮發(fā)性有機酸(VFAs)代謝速度的差異-12),后續的各實(shí)驗組發(fā)酵過(guò)程pH值變化也間接說(shuō)明此現象。另外,從日產(chǎn)氣量100mL的有效發(fā)酵周期分析,實(shí)驗組A由于發(fā)酵原料量最少,僅為25d;實(shí)驗組B有機負荷和活性污泥接種量處于最佳的配比,因此有


                效發(fā)酵周期達到34d;而實(shí)驗組C由于有機負荷略高,接種量相對較少,因此發(fā)酵過(guò)程可能存在一定的酸化或氨氮抑制),盡管發(fā)酵原料量最高,但其有效發(fā)酵周期只有27d。


                圖3的分析結果表明,在沼氣工程厭氧發(fā)酵的前8d,實(shí)驗組A和B累計產(chǎn)氣量基本一致,均達到9600mL以上水平,而實(shí)驗組C達到該水平的時(shí)間略滯后,為第10天。之后由于發(fā)酵原料量的差異,實(shí)驗組B累計產(chǎn)氣量始終高于實(shí)驗組A。至發(fā)酵結束,實(shí)驗組A和B的累積產(chǎn)氣量分別達到14140mL和19295mL。綜合有效發(fā)酵時(shí)間,獲得A組和B組日均產(chǎn)氣量,分別為565.6mL·d-和567.0mLd水平相當。實(shí)驗組B原料量較實(shí)驗組A多33.3%,而累計產(chǎn)氣量較實(shí)驗組A多36.5%,說(shuō)明在實(shí)驗組B的發(fā)酵條件下,原料的降解效率略高。實(shí)驗組C的累積產(chǎn)氣量為17750mL,而由于發(fā)酵原料較多,因此日均產(chǎn)氣量達到657.4mL·d。但實(shí)驗組C的原料量較實(shí)驗組B多33.3%,而其總產(chǎn)量反而比實(shí)驗組B少8.0%,說(shuō)明其沼氣工程厭氧消化過(guò)程原料的利用率較低。


                2.2實(shí)驗各組產(chǎn)氣CH4含量的變化與分析

                通過(guò)定期的產(chǎn)氣成分分析,獲得實(shí)驗各組產(chǎn)氣


                CH4含量變化,見(jiàn)圖4。

                從圖4的統計結果可以看出,實(shí)驗各組在設定條件下,沼氣工程厭氧發(fā)酵初期,由于反應器內殘存空氣,隨著(zhù)好氧及兼性微生物的生長(cháng)代謝,體系由好氧環(huán)境逐漸轉換為沼氣工程厭氧環(huán)境,各實(shí)驗組產(chǎn)CH4量由A組,B組,C組的8.4%,7.6%,10.3%(第1天)分別快速上升至63.1%,62.6%,60.0%(第5天);之后各組產(chǎn)氣CH4含量均維持在較高水平(>60%);利用Excel軟件中單因素方差分析命令對3組實(shí)驗產(chǎn)氣CH4體積分數變化數據進(jìn)行方差分析,結果表明:3組數據離差平方和(SS)為1.45,F統計量值為0.05,小于臨界值Fcn=3.32。說(shuō)明各實(shí)驗組的產(chǎn)CH4量無(wú)顯著(zhù)差異


                2.3實(shí)驗各組發(fā)酵過(guò)程pH值變化與分析

                對實(shí)驗各組沼氣工程厭氧消化過(guò)程pH值進(jìn)行連續檢測,結果見(jiàn)圖5。


                從圖5的實(shí)驗結果可以看出,實(shí)驗各組發(fā)酵起始的pH值均較高,隨著(zhù)原料水解及沼氣工程厭氧發(fā)酵體系的緩沖調節作用,各處理pH值均呈現先略有降低,繼而上升并趨于平穩的趨勢。實(shí)驗組A和B發(fā)酵過(guò)程pH值變化不大,維持在6.8-7.7,處于沼氣工程厭氧消


                化的正常pH值范圍。而實(shí)驗組C因發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)有機負荷較高,原料水解后有機酸積累,存在酸化現象,至發(fā)酵第6天系統pH值降至6.49,之后隨著(zhù)產(chǎn)甲烷菌對有機酸的分解轉化,系統pH值逐步恢復至沼氣工程厭氧發(fā)酵正常水平。對照實(shí)驗各組日產(chǎn)氣結果,也可以看出各組pH值變化與日產(chǎn)氣量具有對應關(guān)系,pH值下降時(shí)各處理基本處于發(fā)酵初期,由于好氧及兼性微生物的生長(cháng)代謝,產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣中CO2含量均較高,CH4含量較低。而當pH值大于7并趨于平穩時(shí),各處理均進(jìn)入正常沼氣工程厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣階段,產(chǎn)氣量穩


                定,當可沼氣工程厭氧降解組分被利用完全時(shí),產(chǎn)氣量下降。以上結果均符合沼氣工程厭氧消化的基本規律-5。

                2.4實(shí)驗各組的綜合比較

                通過(guò)對實(shí)驗各組日產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣過(guò)程CH4體積分數等數據的綜合分析,獲得實(shí)驗各組發(fā)酵產(chǎn)氣的總產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣的平均CH4含量;通過(guò)實(shí)驗各組產(chǎn)氣總量及產(chǎn)CH4總量數據,結合發(fā)酵原料TS和VS數據,計算各組T和VS產(chǎn)氣率;通過(guò)比較實(shí)驗各組沼氣工程厭氧消化啟動(dòng)和結束時(shí)發(fā)酵液TS和VS含量,獲得各組TS和VS降解率。


                從表2的統計分析可以看出,實(shí)驗組B的總產(chǎn)  氣量,TS產(chǎn)氣率,VS產(chǎn)氣率,TS降解率和VS降解  率均為各組最高水平。其中,總產(chǎn)氣量比實(shí)驗組A  高36.5%,盡管實(shí)驗組C原料量較實(shí)驗組B多  33%,但由于原料Ts和ⅤS降解率的差異,實(shí)驗  組B仍較實(shí)驗組C高8.7%;實(shí)驗組B略高于實(shí)驗  組A,均僅高出2.3%。而與實(shí)驗組C相比,均高出  359%,進(jìn)一步的方差分析結果表明,其Ts產(chǎn)氣率  數據離差平方和(Ss)為101380.5,F統計量值為  62512.23,遠大于臨界值Fo=7.71。Vs產(chǎn)氣率數  據利差平方和(SS)為65571.4,F統計量值為  32430.32,遠大于臨界值FC=7.71。說(shuō)明實(shí)驗組B  原料TS、VS產(chǎn)氣率與實(shí)驗組C相比存在極顯著(zhù)差  異。另外,原料TS和Vs降解率數據也說(shuō)明,實(shí)驗組B在設定條件下具有最高的原料消化分解效果,其Ts降解率與實(shí)驗組A和C相比,分別高出19.3%和13.6%,VS降解率與實(shí)驗組A和C相比,分別高出16.3%和6.2%。而從產(chǎn)氣平均CH4含量來(lái)看,實(shí)驗組B僅達到557%,為3組實(shí)驗的最  低水平,其原因可能與設定條件下沼氣工程厭氧反應器內產(chǎn)  甲烷菌的活性和類(lèi)型有關(guān),仍有待進(jìn)一步研究  另?yè)w明星(m、付云霞李東等研究報道,瘦  肉蛋白質(zhì)和肥肉等脂肪類(lèi)原料在沼氣工程厭氧消化過(guò)程中具  有較高的產(chǎn)氣量及產(chǎn)甲烷性能。而本研究采用超市  混合生物質(zhì)廢棄物為原料,其中含有魚(yú)肉、香蕉、土  豆、香蕉等豐富的蛋白質(zhì)、淀粉類(lèi)高營(yíng)養物質(zhì),因此


                其沼氣工程厭氧消化TS和VS產(chǎn)氣率明顯高于傳統糞污、秸稈類(lèi)原料。

                3結論

                (1)超市生物質(zhì)廢棄物具有極佳的沼氣工程厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣能力。在發(fā)酵原料:接種物TS比例約1:3或VS比例約1:2,中溫(35℃~37℃)的最優(yōu)條件下,實(shí)驗組累積產(chǎn)氣可達19295mL,平均日產(chǎn)氣量567.0mLd-,產(chǎn)氣平均CH4體積分數557%,Ts和vs產(chǎn)氣率分別可達1077.9mL·8-1和1147.1mLg-1。

                (2)在以上最佳發(fā)酵條件下,實(shí)驗組原料TS和VS降解率分別為57.5%和67.7%。


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