餐厨垃圾是家庭、宾馆、饭店等所产生的食物残余的通称,其具有水分、有机物、油脂及盐分含量高,易腐烂、营养元素丰富等特点.因餐厨垃圾具有水的质量分数高的特点,不能满足垃圾焚烧的发热量要求;又因其具有易腐烂的特点不宜直接填埋,且填埋后会造成地下水和周边环境污染.同时,餐厨垃圾还会派生出“泔水猪、地沟油”等,这些物质进入人类食物链后会严重危害人体健康,直接排入下水道后又给城市生活污水处理带来巨大冲击等问题^{[1, 2, 3, 4]}.因此,餐厨垃圾的处理越来越引起全社会的关注.本文利用餐厨垃圾富含油和有机质且含有大量微生物菌种的特点,对其不同条件下(温度、水的质量分数、接种率)的厌氧发酵产沼气过程进行实验研究.

实验装置由容量为1 000 mL的锥形瓶、量筒和水浴锅组成.实验温度分别为40℃和50℃,实验设计情况^{[5, 6]}如表 1所示,共进行了12组实验.餐厨垃圾取自校园餐厅,主要成分包括大米、蔬菜、肉类、面类等;接种物取自焦作市武陟县小原村奶牛场发酵池中的活性污泥,实验采用排水集气法测定所产气量^{[7, 8]}.

表 1 (Tab. 1)

表 1 实验设计情况 Tab. 1 Design of the experimental conditions 实验组号 温度/℃ 接种率/% 水的质量分数/% 1 40 65 85 2 40 65 90 3 40 65 95 4 40 75 85 5 40 75 90 6 40 75 95 7 50 65 85 8 50 65 90 9 50 65 95 10 50 75 85 11 50 75 90 12 50 75 95

表 1 实验设计情况 Tab. 1 Design of the experimental conditions

为了研究接种率对餐厨垃圾厌氧发酵过程产沼气状况的影响,取水的质量分数相同的实验组别进行对比分析^{[5, 9]}.

图 1为水的质量分数分别为85%、90%、95%时各组实验的日产气量.由图可知:当水的质量分数为85%时,第1、4、7、10组实验日产气量在800～940 mL范围内,其中第1、4组和第7、10组实验的日产气量的差值分别为40、75 mL,第4、10组实验的日产气量和产气速率最稳定,整体效率较高;当水的质量分数为90%时,第2、5、8、11组实验的日产气量在640～800 mL范围内,其中第2、5组和第8、11组实验的日产气量的差值分别为120、140 mL,第5、11组实验的日产气量和产气速率最稳定,整体效率较高;当水的质量分数为95%时,第3、6、9、12组实验的日产气量为305～330 mL,第3、6组和第9、12组实验的日产气量的差值分别为35、40 mL,第3、6组实验的日产气量和产气速率最稳定,整体效率较好.经分析得出:接种率不同会对产气量产生影响;当温度为40℃、接种率为75%时,各组实验的日产气量和产气速率的整体效率最高.

图 1

Fig. 1

图 1 水的质量分数不同时接种率对日均产沼气量的影响 Fig. 1 Effect of vaccination rate on the daily gas production with different water contents

为了研究水的质量分数对餐厨垃圾高温厌氧发酵过程中产气状况的影响,取相同接种率的实验组别进行对比分析.

图 2为接种率分别为65%、75%时水的质量分数对日产气量的影响.由图可知:接种率为65%时,对比第1、7组,第2、8组,第3、9组实验,日产气量的最大差值分别为1 000、1 200、530 mL,第2、3组实验的日产气量和产气速率相对最稳定,整体效率较高;接种率为75%时,对比第4、10组,第5、11组,第6、12组实验日产气量的最大差值分别为700、690、630 mL,第6、11组实验的日产气量和产气速率最稳定,整体效率较高.经分析:当水的质量分数较高时,餐厨垃圾的日产气量和产气速率较稳定,与该条件下的平均水平偏离不大,但平均值相对较低;当水的质量分数相对较低时,餐厨垃圾的日产气量和产气速率变得不稳定,起伏较大,与该条件下的平均值偏离较大,但平均值相对较高;当温度为40℃、水的质量分数为90%时,日产气量和产气速率的整体效率较高.

图 2

Fig. 2

图 2 不同接种率时水的质量分数对日产气量的影响 Fig. 2 Effect of water content on the daily gas production with different vaccination rates

为了研究不同温度对餐厨垃圾厌氧发酵过程中产气状况的影响,其他条件均相同时取温度不同的实验组别进行对比分析.

图 3为不同温度对日产沼气量的影响,第3、6组,第9、12组实验的日均产气量分别维持在310～355 mL和300~350 mL,日产气量和产气速率的起伏不大,较稳定;第2、5组,第8、11组实验的日产气量分别维持在590～710 mL和670～800 mL,日产气量和产气速率略有浮动,但相对较稳定;第1、4组,第7、10组实验的日产气量分别维持在840～960 mL和800～ 860 mL,日产气量和产气速率起伏较大,较为不稳定.经分析:① 保持其他条件相同的情况下,对比温度分别为40℃和50℃时的实验组别,两者的日产气量差值相对较小,说明温度对产气过程几乎没有影响;② 当温度为40℃时,各组实验的日产气量和产气速率相对较稳定,整体效率较高.

图 3

Fig. 3

图 3 不同温度对日产沼气量的影响 Fig. 3 Effect of temperature on the daily gas production

综上可知:① 当温度较低时,餐厨垃圾的日产气量和产气速率的变化相对稳定,且该条件下的平均值偏离较小;② 当温度较高时,餐厨垃圾的日产气量和产气速率变化较大;③ 在保持其他条件不变的情况下,当温度为40℃时的日产气量和产气速率较稳定,整体效率较高.

(1) 在不考虑各因素之间相互作用的情况下,温度对餐厨垃圾高温厌氧发酵产气状况影响不大;接种率对厌氧发酵产气状况的影响高于温度的影响;水的质量分数对厌氧发酵产气状况的影响最大.

(2) 日产气量随接种率和水的质量分数的增加而减少,接种率为75%时比接种率为65%时的实验组的日产气量和产气速率更加稳定;高温更有利于产气量的提高,但存在产气过程不稳定的情况,同时高温需要消耗更多能源.

(3) 从整体实验的日产气量和产气速率的对比结果分析可知,当温度为40℃、接种率为75%以及水的质量分数为90%时产气效果最为稳定,对餐厨垃圾的合理资源化利用更有益.