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餐厨垃 圾中的不同组分厌氧消化特性研究
时间 : 2019-12-14 浏览量 : 64

山东GOGO体育平 台工程有限公司已在沼气工程领域深耕十年,有着丰富的行业经验,生产各种沼气设备,承接大 中小各种规模的沼气工程,承建黑膜沼气池红泥膜沼气池等各种软体沼气池及双膜气柜、集雨窑等,同时生产加工各类液袋水囊、桥梁预压水袋、森林消防水袋、可拆卸游泳池等,欢迎新 老客户洽谈合作,共谋发展!


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摘自《中国沼气》2018第6期 刘德江 侯凤兰 李瑜 马芳 陈宗轶

随着我 国餐饮业的快速发展和人们生活水平的  日益提高,餐厨垃 圾的排放量急剧增长,目前,我国  每年产 生城市餐厨垃圾约1亿t,大量的餐厨垃圾不  仅带来 了一系列严重的环境污染问题,而且也 造成了大量生物质能源的浪费2。双膜气 柜沼气工程厌氧消化技术是现阶段比较适合于我国国情和餐厨垃圾性质特点的处理技术之一,具有良好的发展潜力。碳水化合物、蛋白质 和脂肪是食物中的3大有机成分,也是餐 厨垃圾的主要组成成分。随着人 们生活水平的逐步提高和饮食结构的改变,蔬菜在 一日三餐中的比例越来越大。因此,蔬菜(叶菜类、茄果类)已成为餐厨垃  圾的第4种组分,蔬菜中 的有机物主要为纤维素和


维生素。李荣平(3等人测 定出了餐厨垃圾中这4  种有机 组分所占的比例:碳水化合物为42.5%  55.2%,蛋白质为15.0%~16.9%,脂肪为16%24%,蔬菜为14%~20%。在双膜 气柜沼气工程厌氧消化过程中,由于脂 肪的组成中含有较高的碳氢元素比例,它能比 碳水化合物和蛋白质产生更多的甲烷气体。但是当 脂肪含量过高时,容易造 成脂肪酸的积累,从而抑 制产甲烷的过程。碳水化 合物中含有较多的多糖,易水解 成葡萄糖进而再变成乙酸,在产甲 烷菌的作用下产生甲烷,因此易 发生双膜气 柜沼气工程厌氧消化作用。蛋白质 水解后生成多肽和氨基酸,在产酸 菌的作用下生成丙酸,再产生甲烷。蔬菜中 的纤维素和维生素则不易


水解、酸化生 成乙酸等小分子有机物,因而产 生甲烷的数量不会太多。近年来,国内外 学者研究餐厨垃圾双膜气 柜沼气工程厌氧消化特性的文献报道很多,但大多 是混合组分的沼气发酵。有关餐 厨垃圾分类收集组分、并针对 不同组分进行双膜气 柜沼气工程厌氧消化方面的研究报道则很少见,类似的文献也不多。本研究 针对餐厨垃圾中的四种主要组成分的双膜 气柜沼气工程厌氧消化特性开展研究,旨在探 讨不同组分的餐厨垃圾产甲烷的规律,为餐厨 垃圾的能源化利用提供依据。

1试验材料与方法

1.1试验材料

试验所 用的原料采自新疆农业职业技术学院学生食堂,采取分 类收集的方式采集4种不同组分:1)纯碳水化合物类(米饭、面条、馒头等);2)纯油脂类(动物脂肪及植物油等);3)纯蛋白质类(豆腐、鸡蛋等);4)纯蔬菜类(叶菜、茄果、食用菌等)。每种组分的总固体(TS)及挥发性固体(VS)含量详见表1。4类样品 分别用餐厨垃圾粉碎机(MLC620)研磨至3~5mm大小,在双膜 气柜沼气工程厌氧消化之前冷藏在-20℃冰箱内。接种污泥(SS)取自新 疆农业职业技术学院校内沼气池底部的沼渣,其性能指标详见表2。试验之 前将接种污泥置于35℃,120rmin-的摇床内摇动24h,以减少 内生甲烷气体对结果的影响。


1.2试验设计

本试验共设置4种发酵原料:处理1:纯碳水化合物类;处理2:纯油脂类;处理3:纯蛋白质类;处理4:纯蔬菜类。发酵瓶的有效容积为5L,发酵液的浓度(TS)均设定为60gL-,则4个处理 所投入的原料量为:处理1:300g/35%=857g;处理2:300g/28%=1072g;处理3:300g/25%=1200g;处理4:300g/12%=2500g。


1.3试验方法

将4种发酵原料分别置入4个容量瓶中,加入等量的接种物,搅拌摇匀后静置3d,以驯化沼气微生物。然后分别加水至5L容积,充人氮 气以保持发酵瓶内的双膜气柜沼气工程厌氧环境,立即密封发酵瓶口,连接好导气装置,开始进 行双膜气柜沼气工程厌氧发酵。发酵温度为35℃恒温,将发酵 瓶放入水浴锅中。

1.4分析指标与方法

总固体(TS):重量法,CS101-3电热鼓风干燥器;pH值:玻璃电极法,pHS-3C型pH计;VS:600℃下灼烧减重,马弗炉;产气量:湿式流量计测定法,LML-3型湿式气体流量计;气体成分:红外测定法,GAS BOARD2000。

2试验结果与分析

2.1不同组 分双膜气 柜沼气工程厌氧消化的日产气量

每天观 测记录每升发酵液的产气量,45d的产气量如图1所示。


由图1可知,在45d的双膜 气柜沼气工程厌氧消化周期内,4种不  同组分 的发酵原料均出现了两次产气高峰,第1次  约出现在第15天,第2次出现在第35天。餐厨垃  圾的组分不同,其日产 沼气量也有差异,油脂类和蛋  白质类 餐厨的产气量大小很接近,碳水化合物类与  蔬菜类 餐厨的产气量也很接近。在45d的双膜 气柜沼气工程厌氧消  化期内,累计产 气量的大小次序为:油脂类餐厨>蛋  白质类餐厨>碳水化合物类餐厨>蔬菜类餐厨。油  脂类和 蛋白质类餐厨的产气量远大于蔬菜类及碳水  化合物类餐厨。在第1次产气高峰时,油脂类餐厨  和蛋白 质类餐厨的日产气量分别达到了630mL·L-d-和60mL·Ld-1,产气量最小的是蔬菜


类餐厨,只有430mLLd-。这与李荣平和覃亚宏(4等人的 试验结果是基本上一致的。再次表 明了油脂类及蛋白质类餐厨具有较高的产气潜能,而蔬菜 类餐厨的产气量较低,分析其原因:一是油 脂和蛋白质中含有较高的碳氢元素比例,它能比 碳水化合物产生更多的甲烷气体,而蔬菜中 的纤维素和维生素则不易水解酸化生 成乙酸等小分子有机物,因而产 生甲烷的数量就不会太多;二是蔬 菜中的干物质含量较低、含水量较大,挥发性 固体的含量仅是油脂、蛋白质 和碳水化合物的1/3~1/2,所以,蔬菜类 餐厨产甲烷的潜力就较小。

2.2不同组 分双膜气 柜沼气工程厌氧消化的产气率  在双膜 气柜沼气工程厌氧消化结束时,分别计算出4种不同餐厨组  分挥发性有机固体(VS)的产气率( mLg VSd-1),其结果详见图2。


从图2中可以看出:4种不同餐厨组分在45d的双膜 气柜沼气工程厌氧消化期间,产气率 变化规律大致相同,第1天-30天逐渐 增加并达到最大的产气率,之后相对稳定,第40天后又逐渐降低。单位质 量的挥发性固体所产沼气的数量,即累计产气率(mL·g-1Vs),4种餐厨 垃圾的累计产气率差异不太大,在消化结束时,处理1~处理4单位VS累计产气量分别为227mL,454mL,410mL和215mL。单位VS累计产气量( mLg VS)较高的 两类餐厨依然是油脂类和蛋白质类;较低的是蔬菜类。这与 Ruihong zhang等在中温条件下,获得的餐厨垃圾(每克VS)累积甲烷产量472mL·g-1,以及Cho,Pak和Heo6等所报道的489mL·gVs,相差不大。而与徐 衣显等采用连续半干式餐厨垃圾高温(55℃)双膜气 柜沼气工程厌氧消化,所获得的累计产气率973.2mL·g-Vs相比,偏低了近2


倍。再次表明,挥发性 固体的累计产气率(mLg-vs不仅与 餐厨垃圾的来源和组成成分有关,而且还 与发酵方式及温度的高低有关。

2.3不同组分双膜气 柜沼气工程厌氧消化的甲烷含量

4个处理 的甲烷含量详见图3所示。图3表明:在消化过程的前10天,甲烷含量持续增加,从10%迅速提高到40%以上。在第10天之后,4种发酵 原料所产沼气中的甲烷含量变化在45%65.1%之间,在第30天后,各处理 的甲烷含量开始缓慢下降。从图3可看出:在45d的发酵期内,日平均 甲烷含量的大小顺序为:油脂类>蛋白质类>碳水化合物类>蔬菜类。油脂类 与蛋白质类几乎相等,碳水化 合物类与蔬菜类十分接近。分析其原因是:油脂类 和蛋白质类化合物含有较多的C和H元素,易水解生成乙酸、丙酸和甘油等物质,在产甲 烷菌的作用下能产生较多的甲烷;而碳水 化合物及蔬菜类中含有较多的纤维素及木质素等物质,水解程度较困难。


2.4不同组分双膜气 柜沼气工程厌氧消化期周内pH值的变化

系统pH值对双膜气 柜沼气工程厌氧消化反应稳定性至关重要,其变化 能够直观体现反应过程中产气环境的好坏,4种组分双膜气 柜沼气工程厌氧消化液的pH值变化曲线如图4所示。

从图4可以看出:在双膜气 柜沼气工程厌氧消化的前10天之内,4种组分发酵液的pH值均保持在7以下,表明在发酵初期(即酸化阶段),消化液 中含有较多的有机酸。第10天至第30天,pH值就从7缓慢提高到8,表明在产甲烷阶段,有机酸 逐渐被微生物分解生成了甲烷,达到了 稳定运行产气阶段。第30天以后,碳水化 合物和蔬菜类的pH值稳定在7.5~7.9之间,而蛋白质和油脂类的pH值稳定在8~8.2之


间。在整个双膜气 柜沼气工程厌氧消化期间,不同组分的消化液pH值并没 有出现因水解酸化导致pH值急剧下降的情况,也没有 出现因产甲烷导致pH值急剧升高的现象。证明反 应器内微生物环境的缓冲能力较强,能够自行调节pH值。这与裴占江和董滨0等人的 试验结果基本一致。


3结论

(1)餐厨垃圾的不同组分均可双膜气 柜沼气工程厌氧消化生产沼气,但所产 生甲烷的数量是不一样的。在45d的双膜 气柜沼气工程厌氧消化期内,单位质量的VS(即每克挥发性固体)累计产 气量的大小次序为:油脂类>蛋白质类>碳水化合物类>蔬菜类。4类餐厨 的数值差异较大,最高的为油脂类,达到了454mL·gVs;最低的为蔬菜类,只有215mL·gVs。

(2)4种不同 组分的餐厨垃圾所产沼气的气体组成差异不大,尤其是 甲烷的含量相差不显著,均变化在45%~65%之间。但日平均 甲烷含量的大小顺序为:油脂类>蛋白质类>碳水化合物类>蔬菜类


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