城市垃圾厌氧堆肥产气控制的初步研究

　　摘要：厌氧堆肥很难保证稳定的产气量，为实现堆肥的产气控制，本文通过对C/N比为30:1，含水率为85%的模拟垃圾进行间歇式厌氧堆肥实验，初步分析和研究了厌氧堆肥的温度、氧化还原电位、pH值等参数与系统产气量的关系。结果表明，系统的pH值是产气量的一个重要控制参数，而氧化还原电位只在实验初期对产气有一定影响，并且中温(35℃)堆肥的效果优于高温(55℃)堆肥。

　　关键词：城市垃圾;产气量;厌氧堆肥

　　随着全球经济的发展，环境污染问题愈加严重，尤其是城市的发展，人民生活水平的提高，城市生活垃圾的产量不断增长，对环境造成的危害日益严重，垃圾处理已成为社会发展中一个亟待解决的问题。传统的垃圾处理处置方法主要有填埋、焚烧、堆肥等。近年来，由于能源的过度消耗，人们在处理环境污染问题的时候越来越重视污染处理的资源化，因此，厌氧处理技术作为一种产能的技术，在城市垃圾的处理中日益受到重视。厌氧堆肥处理城市垃圾源于我国农村的沼气发酵,虽然现在世界各地已经建立了不少沼气发酵工程，但是由于敏感的厌氧菌对pH值和温度等环境条件要求苛刻，并且较易受有毒物质的影响，因而难以保证发酵过程的稳定性，进而影响产气的稳定性[1]，因此，有必要对厌氧堆肥过程中产气量及其影响因素的关系进行研究从而实现厌氧堆肥的产气控制，使沼气能够连续稳定的产出。本实验通过测定厌氧堆肥的温度、氧化还原电位、pH值及碱度等参数，对厌氧堆肥中产气量及其影响因素之间的关系进行了分析和研究。

　　1研究方法

　　1.1实验方法

　　本实验采用易腐有机物与城市污水厂剩余污泥的混合物组成模拟生活垃圾。易腐有机物主要为干草、果蔬及厨余垃圾，剩余污泥取自长沙市第二污水厂沉淀池污泥，污泥含水率为97.64%。原料的C/N比为30:1，含水率为85%，实验分中温(35℃)和高温(55℃)两组，并分别做平行实验。实验采用间歇式厌氧消化工艺，以1500mL抽滤瓶作为厌氧消化罐。将混合原料加入抽滤瓶后将其密封至于恒温水浴中，温度分别控制在35℃和55℃，消化产生的气体量用饱和食盐水封测定。实验周期为35天。

　　1.2分析方法

　　实验需要控制的项目有：含水量、C/N比和消化温度。需要测定的项目有：化学需氧量(CODcr)、挥发性脂肪酸(VFA)、pH值、碱度、氧化还原电位(ORP)、产气量，分析方法为：

　　(1)CODcr：K2Cr2O4氧化法，水样经MS-3型微波消解仪进行消解，再用硫酸亚铁氨滴定。

　　(2)VFA：取水样定容至200mL后转入500mL蒸馏瓶中，加入(1+1)的硫酸10mL，以5mL/min的速度蒸馏，再用NaOH溶液滴定。

　　(3)pH值：采用PHS-3型精密pH计测定。

　　(4)碱度：采用酸碱指示剂滴定法测定。

　　(5)氧化还原电位：采用铂电极直接测定法测定。

　　2结果与分析

　　2.1温度与产气量的关系

　　在整个实验过程中，将每日测得的中温及高温堆肥的产气量绘制成曲线，结果示于图1。每日产气中甲烷的含量用PGM-2000&2020复合式气体检测器进行检测，气体中甲烷含量的变化见图2，其值为检测时甲烷含量的最大值。由图1及图2可以看出，中温厌氧堆肥在实验的第3天开始有气体产生，第 12天出现产气高峰。之后，由于pH值的突然降低(由6.27降至4.77)，产气几乎停止，在投加碱以后，随着pH值的回升，产气量又开始升高，直到产气结束。而高温厌氧堆肥产气就相对慢一些，在实验开始阶段，由于系统温度升高，反应器中有一定体积的气体产生，但其中的的甲烷含量很小，直到实验的第13 天系统才开始大量产气。表1列出了中温和高温产甲烷阶段的日产气量，其中湿垃圾即为实验中的模拟垃圾原料，包括污水污泥和模拟垃圾。由表1可以看出，中温堆肥的日产气量普遍比高温堆肥的日产气量高，其中中温堆肥中有一段时间由于pH值的突然降低使产气量锐减，但是总的产气量中温(4.987L)还是要比高温(4.626L)高。

　　由表1、图1及图2可以看出，中温堆肥较易从产酸阶段过渡到产甲烷阶段，而且整个过程的产气量要高于高温堆肥。另外，中温堆肥的能耗也比高温要小得多，因此，无论从效果还是从能源的角度考虑，垃圾中温堆肥都要优于高温堆肥。

　　表1产甲烷阶段每千克湿垃圾的日产气量(L•kg-1)

　　Table1Dailygasproductionofperkilowetwasteinthemethancestage

　　反应时间/d 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 总计

　　中温产气量/L•kg-1湿垃圾 0.610 0.806 1.024 0.631 0.383 0.114 0.052 0.026 0.029 0.054 0.172 0.244 0.755 0.086 4.987

　　反应时间/d 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

　　高温产气量/L•kg-1湿垃圾 0.329 0.566 0.589 0.433 0.502 0.461 0.318 0.319 0.281 0.207 0.193 0.188 0.238 4.626

　　2.2氧化还原电位与产气量的关系

　　氧化还原电位也是厌氧堆肥中的一个重要参数。由于厌氧微生物细胞中无高电位的细胞色素和细胞色素氧化酶，不能完成在高电位下才能发生的生物化学反应，而且，厌氧微生物生长所必需的一个或多个酶的-SH只有被完全还原后酶才能活化或活跃地起酶学功能，因此，在厌氧堆肥中必须保证低的氧化还原电位才能使厌氧微生物正常的生长[2]。本次实验测定了系统每天氧化还原电位的变化值，并分析氧化还原电位对厌氧堆肥日产气量的影响。由于测定时不能完全密封试样，因此测定结果有一定的偏差，但还是可以有效地反映整个实验过程系统氧化还原电位的变化趋势。图3及图4分别为中、高温条件下系统氧化还原电位与产气量的关系图。在这两幅图中氧化还原电位呈现相同的变化趋势：实验开始阶段，由于系统中有少量氧气存在，氧化还原电位相对较高，不适应厌氧微生物的生长。随着实验的进行，氧化还原电位逐渐降低，达到甲烷菌适应的低电位以后，系统开始逐渐产气，这时候，氧化还原电位就不再是一个主要的控制因素，其值开始慢慢升高，但这并不太影响产气量的变化。也就是说，当厌氧菌完全适应环境后，环境的氧化还原电位在一定范围内不再影响厌氧菌的活性。在图3中我们发现，由于pH值的降低影响了厌氧菌的活性，因此产气量骤降，这时，氧化还原电位也跟着降低直到系统再次正常产气。这也进一步说明，厌氧菌在开始的生长适应阶段需要较低的氧化还原电位，但此时，由于系统的细菌浓度已经很高，因此，系统的氧化还原电位无需再降到实验开始阶段的-300mv，细菌就可以恢复生长。这和文献[3]所说的接种量越大，菌体能起始生长的环境氧化还原电位可以越高是相符合的。因此，在实际的运行中，重要的是控制好起始阶段的氧化还原电位，使菌体能够快速的恢复活性，而在系统正常产气后，只要控制氧化还原电位在厌氧菌适应的范围内即可。

　　2.3pH值与产气量的关系

　　将实验中测得的pH值及产气量随时间的变化绘制成曲线，结果示于图5和图6。从这两幅图可以看出，两组实验的pH值都呈现先降低然后逐渐升高的趋势。高温堆肥的pH值在实验初期就降到最低值，而且回升的比较慢，这说明高温堆肥的酸化反应比较快，但这也导致pH值回升较慢，因而产甲烷阶段就开始的比较晚。中温堆肥的pH值在实验初期下降比较慢，实验第5天才达到最低值，但其值比较容易回升，因此要比高温堆肥先进入产甲烷阶段。从图5中可以看出，中温堆肥有一段时间产气量骤降，几乎没有什么气体产生，分析原因主要是由于那几天pH值突然降低造成的。当我们向系统投加NaHCO3溶液调节，pH值逐渐回升以后，系统又开始大量产气。这说明，在厌氧堆肥中，pH值的稳定对系统的产气量以及产气的稳定性有很大影响。因此，在系统运行过程中，要严格控制pH值的变化，只有稳定的pH值才能保证产气的稳定性。

　　在实验中我们还发现，虽然文献中指出甲烷菌的最佳pH值适应范围是6.5-7.5[4]，但本次试验中，pH值达到5.0左右时，系统已经开始大量产气。这说明某些产甲烷菌可能能在较低的pH值下正常活动，并产生甲烷，从而可以减少系统中碱的投加量。但其中的原因及机理还要进一步的实验去研究。

　　为了进一步分析影响pH值变化的原因，我们测量了系统挥发性脂肪酸(VFA)以及碱度的值，来分析

　　它们对pH值造成的影响。本次实验采用酸碱滴定法测量系统的碱度变化，在实验开始阶段，由于系统的pH值过低(小于4.4)，碱度变化值无法测定，因此我们只分析了实验后期(第19天到第32天)pH值与VFA、碱度之间的关系。图7及图8分别为中温堆肥和高温堆肥中的pH值、VFA及碱度的变化曲线。从这两幅图可以看出：pH值与碱度的变化趋势比较接近，系统碱度升高，pH值会相应的升高，碱度降低，pH值也会相应的降低，但pH值的变化比较平缓，没有碱度的变化大，这主要是由于VFA的变化也影响pH值，因此起到了一定的缓和作用。VFA值的升高会造成pH值的降低，但它对pH值的影响没有碱度对pH值的影响明显。因此，在系统运行过程中，为了得到稳定的pH值，必须严格控制系统碱度的变化。

　　3结论

　　3.1从温度与产气量的变化可以看出，中温(35℃)条件下的产气量明显高于高温(55℃)条件下的产气量，而且中温要比高温先产气，另外中温的能耗要比高温低得多，因此，从能源及效率两方面分析，中温堆肥都优于高温堆肥。

　　3.2氧化还原电位对产气的影响主要是实验的开始阶段，当厌氧菌完全适应环境，恢复活性开始产气以后，氧化还原电位就不再是一个主要的控制因素。此后只需保证环境具有适当的氧化还原电位，系统的产气就不会受到明显的影响。

　　3.3由实验结果可知，pH值是保证产气稳定的一个重要因素，pH值的突然变化会影响甲烷气的产生，严重时会出现产气停止的现象，因此，在系统运行过程中，要严格控制pH值的变化。而控制pH值变化的关键在于控制系统碱度的变化，VFA的变化虽然也影响pH值，但它不是一个主要因素，，只在一定程度上缓和碱度对pH值带来的影响。

　　参考文献：

　　[1]张旭，王宝贞，朱宏.厌氧消化体系的酸碱性及其缓冲能力[J].中国环境科学，1997，17(6)：492-496

　　[2]卞有生.生态农业中废弃物的处理与再生利用[M].北京：化学工业出版社，2000.215-217

　　[3]胡纪萃，周孟津，左剑恶等.废水厌氧生物处理理论与技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.50-52

　　[4]左剑恶，胡纪萃，陆正禹等.厌氧消化过程中的酸碱平衡及pH控制的研究[J].中国沼气，1998，16(1)：3-

《城市垃圾厌氧堆肥产气控制的初步研究》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 城市垃圾厌氧堆肥产气控制的初步研究

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-12913