全 文 ：第6卷第5期
2008年9月
生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Sep．2008
· 31 ·
添加厨余垃圾对剩余污泥厌氧消化产沼气过程的影响
高瑞丽1，严 群17，阮文权1’2
(1．江南大学 工业生物技术教育部重点实验室，无锡214122；
2．江南大学 环境与土木工程学院，无锡214122)
摘要：为提高剩余污泥厌氧消化的沼气产量和甲烷含量，研究了厨余垃圾的不同添加量对剩余污泥厌氧消化性
能的影响。结果表明，在35℃下，随着剩余污泥中厨余垃圾添加量的增加，厌氧消化系统中碳氮质量比(C／N)、胞
外多聚物(EPS)等生理生化指标均有不同程度的改善。其中当剩余污泥与厨余垃圾质量比为2：1时，混合有机废
弃物中沼气产量和甲烷含量均达到最大值，每克挥发性固体(VS)产生了156．56mL沼气。甲烷体积分数为
67．52％，分别比刺余污泥单独厌氧消化时的产气量提高了5倍和1．5倍。
关键词：厌氧消化；沼气；厨余垃圾；剩余污泥
中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：1672—3678(2008)05—0031—05
Enhancementofbiogasproductionfromwasteactivatedslu ge
byaddingofkitchenwastesv／aanaerobicdigestion
GAORui．．．1i，YANQunl一，RUANWen—quanl’2
(1．KeyLaboratoryofIndustrialB otechnologyofMinistryofEducation，JiangnanUniversity，Wuxi214122。China；
2．SchoolfEnvironmentalandCivilEngineering，JiangnanUn versity，Wuxi214122，China．)
Abstract：Effectso additionofkitchenwastes(KW)onanaer bicdigestionofwasteactivatedslu ge
(WAS)wereinvestigatedatthemediumtemperature．Theratioofcarbont nitrogen．extracellularpoly—
mericsubstances，andseveralotherphysiologicalandbiochemicalindicatorswe esignificantlyimproved
withtheadditionofKW．AsthemassratioofWAStoKWwas2：1．theaccumulativebiogasproduction
was156．56mlfgVS，inwhicht emethanecontentwas67．52％，thusincreasing5a d1．5timeshigh—
erthanthatofthecontrolgroupofwasteactivatedsludgeanaerobicdigestedMone，respectively．The
mixeddigestionofWASandKWimprovedhydrolyticenvironmentanda aerobicdigestibility，andmore
biogaswasobtained．
Keywords：anaerobicdigestion；biogas；kitchenwastes；wasteactivatedslu ge
近年来，随着经济的持续高速发展，能源短缺
与环境污染已成为我国实现可持续发展的两大瓶
颈。这就要求在不断提高能源利用效率、综合整治
环境污染的同时，还必须加快可再生能源的开发利
用。生物质能源作为可再生能源的重要组成部分，
主要包括氢气、甲烷、生物柴油以及酒精等，生物质
收稿日期：2008-02-26
基金项目：江苏省高技术研究资助项目(DG2006044)；江苏省自然科学基金资助项目(BK2006023)；江苏省太湖治理科技专项资助项
目(BS2007099)
作者简介：高瑞丽(1982一)。女，河南开封人，硕士研究生，研究方向：环境厌氧生物技术。
联系人：阮文权，教授。博士生导师，E-mail：wqruan@jiangnan．edu．cn
万方数据
· 32· 生物加工过程 第6卷第5期
能源可通过生物质原料经厌氧消化过程而来⋯。
我国的牛物质原料资源十分丰富，主要包括农林废
弃物、农作物秸秆、城市生活垃圾、工业有机废水
等，其中每年可供开发成生物质能的生物质资源至
少可达4．5亿t标准煤。根据《国家可再生能源中
长期发展规划》，预计到2010年和2020年，我国生
物质能年利用率将分别达到能源消费总量的1％
和4％‘2l。
作为两类重要的有机废弃物，目前我国厨余垃
圾(kitchenwastes，KW)、剩余污泥(wasteactivated
sludge，WAS)年产量大约分别为9000万t，2700万
t【3-s]。研究表明：将厨余垃圾和剩余污泥单独进行
厌氧消化所产的气体中甲烷含量都很低，主要原因
是剩余污泥中有机C含量较低，因而在单独厌氧消
化产甲烷时含N物质溶出较快，从而造成NH，一N
浓度过高，导致体系营养物质配比失衡以及有机物
进一步分解受到抑制∞。7o；而厨余垃圾的组成成分
主要为碳水化合物、脂肪和蛋白质，具有很好的降
解性，在厌氧消化过程中能够迅速水解，因而将厨
余垃圾与剩余污泥混合水解可望解除剩余污泥单
独厌氧消化时的限速步骤L8J。鉴于其各自C、N含
量较高的特性，将适当比例的厨余垃圾和剩余污泥
混合并进行厌氧消化，不仅可以稀释污泥中的有毒
成分，促进物料中营养物质的平衡，提高物料的固
体含量从而充分提高消化罐的容积利用效率，以最
终获得更大的单位产气量。目前，国内外在这一领
域的报道还较少。
本研究将厨余垃圾和剩余污泥混合进行厌氧
消化，探讨了厌氧消化过程中C与N质量比，胞外
多聚物(EPS)组成变化对沼气产量的影响。
1试验部分
1．1材料与方法
剩余污泥为无锡城北污水处理厂经脱水后的
污泥，剩余污泥的性质见表1。厨余垃圾取自江南
大学学生食堂，主要组成为米饭、肉类、蔬菜等，总
固体(，Is)质量分数在30％一40％之间，挥发性固体
(VS)占，rs的88％一94％。剔除骨头等硬物后用
食物粉碎机将其充分粉碎，通过添加自来水调节佟
到质量分数为25％。接种物为无锡帝斯曼柠檬酸
厂的厌氧颗粒污泥，接种污泥的pH为7．03，含水率
为82．22％，TS质量分数为17．78％，VS与，Is质量
比为87．45％。
表1剩余污泥的性质
Table1 Characteristicsofexce sactivatedslu geusedinexperiments
1．2分析处理方法
r11S，VS质量测定参考文献[9]；COD测定：5B一
1B型COD快速测定仪(兰州连华科技)；TN测定：
过硫酸钾氧化．紫外分光光度法一1；NH，一N测定：水
杨酸一次氯酸盐光度法∽1；甲烷体积分数测定：气相
色谱仪(GC910，上海科创)，TCD检测器；多糖测
定：苯酚．硫酸法，葡萄糖为标准物¨引；蛋白质测定：
Folin．酚试剂法(改进Lowry法)，牛血清蛋白为标准
物¨0|；DNA测定：紫外吸收法‘11]。
1．3试验装置及方法
1．3．1试验装置
试验装置如图1所示，反应瓶是自制体积为
250mL的密封玻璃容器，反应器内温度采用恒温水
浴锅自动控制，温度为35℃，误差±1oC。气体采
用排水法进行收集。
自
图1试验装置
Fig．1Equipmentforanaerobicdigestion
活塞
1。3．2试验方法
将剩余污泥和厨余垃圾分别按3：1，2．5：1，2：1
和1．5：1的质量比混合，再各取60g上述剩余污泥
万方数据
2008年9月 高瑞丽等：添加厨余垃圾对剩余污泥厌氧消化产沼气过程的影响 ·33·
和厨余垃圾的混合物分别加到各个250mL的反应
瓶中，然后加入120g厌氧颗粒污泥，搅拌使其混合
均匀，封好瓶口，放在35℃的水浴锅中，进行厌氧发
酵。另取单独的剩余污泥和单独的厨余垃圾做同
样操作，作为对照。
2结果与讨论
2．1 添加厨余垃圾对剩余污泥厌氧消化沼气产量
和甲烷含量的影响
研究表明，当厨余垃圾单独厌氧消化时，产气
过程在24h后已趋于结束，这主要是厨余垃圾中含
量丰富的碳水化合物、脂肪和蛋白质等组分虽然具
有很好的降解性，但在消化过程中由于水解速度较
快，因而很容易发生有机酸积累进而使得反应系统
pH下降，最终抑制了微生物的活性并导致厌氧消化
过程失败；而当剩余污泥单独厌氧消化时，整个过
程中产气量增加比较缓慢，这主要是由于剩余污泥
的可生物降解能力很低，水解过程比较缓慢，导致
微生物营养供给不足，限制了剩余污泥进行厌氧消化
的反应速度，最终影响沼气产量和甲烷含量。
本研究将不同比例的剩余污泥和厨余垃圾混合
后进行厌氧消化，与剩余污泥或厨余垃圾单独厌氧消
化相比，反应体系的产气速率和产气量均有不同程度
的提高。图2为不同的厨余垃圾添加比例对剩余污
泥单位质量气体产率(gasproductionrme，GPR)和甲
烷含量的影响。如图2所示，随着混合有机废弃物中
厨余垃圾添加量的增加，沼气产量和甲烷含量也随之
增大；当剩余污泥和厨余垃圾的比例为2：1时，沼气产
气量和甲烷体积分数均达到最大值，每g挥发性固体
(VS)产生了156．56mL沼气，甲烷体积分数为
67．52％，分别比剩余污泥单独厌氧消化时的产气量
提高了5倍和1．5倍；而当厨余垃圾的添加量进一步
增大时，反应体系的沼气产量和甲烷含量则呈现下降
的趋势。因而，混合有机废弃物中剩余污泥与厨余垃
圾的比例应保持恒定，其中任意一种物料过多或过少
都不能满足微生物对营养物质的需求，从而导致产沼
气量和甲烷含量的降低。
2．2厨余垃圾添加量对剩余污泥厌氧消化过程中
C与N质量比的影响
在厌氧消化过程中，C与N质量比是稳定运行
以及微生物生长和新陈代谢的先决条件。若c与N
质量比太高．表明反应体系含N量不足．而日缓冲
图2厨余垃圾添加量对剩余污泥
厌氧消化产气量的影响
Fig．2EffectsofdifferentproportionofWAS
toKWonGPRandmethanecontents
能力低，因而pH容易降低；若C与N质量比太低，
则表明反应体系含N量过高，可能会导致pH上升
以及有机物分解受到抑制。研究表明，一般污泥中
组成微生物细胞的C与N质量比约为5，若再考虑
到微生物生长时所需要消耗的c源，当反应体系中
C与N质量比达到10～20时，才能满足微生物生长
的需要012]。Sosnowski等人将质量分数25％的城市
有机垃圾和质量分数75％的污水厂污泥混合后，有
机废弃物的C与N质量比从9．3提高到14．2，并且
混合物沼气产量是污泥单独进行消化的2倍¨3|。
在我国农村则经常采用C与N质量比高的秸秆和
C与N质量比低的牲畜粪便混合后投入沼气池以
获得更大的产气量。
在本研究所采用的剩余活性污泥与厨余垃圾的
C与N质量比分别为4．72和30．7l，均大大低于或高
于生物生长时的C与N质量比10～20。图3为不同
厨余垃圾添加量对混合有机废弃物中c与N质量比
的影响。如图所示，随着剩余污泥中厨余垃圾添加量
的增加，混合有机废弃物中C与N质量比也随之上
升，其中当厨余垃圾与剩余污泥的质量比为2：1时，C
与N质量比为13．37，此时，混合有机废弃物厌氧消
化所产生的沼气产量和甲烷体积分数均达到最大值
每g挥发性固体(Vs)产生了156，56mL沼气，甲烷体
积分数为67．2％(见图2)。因而在剩余污泥的厌氧
消化过程中添加厨余垃圾，不仅可以大大改善混合物
料中的C与N质量比以及物料平衡，而且对混合有
机废弃物的资源化效率有明显的促进作用。
2．3厨余垃圾添加量对剩余污泥厌氧消化过程中
胞外多聚物(EPs)的影响
作为一大类聚集在微生物细胞表面的中间代
∞加∞∞∞如加m
O鲫∞∞加∞∞∞∞加O
万方数据
·34· 生物加工过程 第6卷第5期
35
30
一
三25
g20
●●
一15
1lo
E
5
O
图3添加不同比例的厨余垃圾后C与N质量比的变化
Fig．3EffectsofdifferentKWadditiononC／N
withinthemixedorganicwastes
谢产物，胞外多聚物(ExtracellularPolyme icSub—
stances，EPS)包括多糖、蛋白质、DNA、腐殖酸以及
糖蛋白等多种有机物H4I。EPS不仅可以在营养供
给不足等外部恶劣环境下给细胞提供能量使其免
遭冲击，而且EPS还能作为微生物聚合物吸附在细
胞表面。因而，EPS的质量及其组成变化町间接反
映厌氧颗粒污泥的生物活性¨5。。
以多糖、蛋白质以及DNA这3种物质的质量来
表征厌氧消化过程中EPS的组成及其变化。图4
为复合有机废弃物厌氧消化过程第24h的EPS测
定结果。如图所示，随着剩余污泥中厨余垃圾添加
量的增加，EPS中多糖以及蛋白质的质量也逐渐增
加，其中当剩余污泥与厨余垃圾的质量比为2：1时，
每g挥发性固体(VS)中多糖和蛋白质质量分数分
别为0．985％，1．28％与单独使用剩余污泥厌氧消
化底物时相比，分别提高了大约60％和53％；但当
剩余污泥中厨余垃圾添加量继续增大时，EPS中多
糖和蛋白质质量则呈下降趋势。而在另一方面，
EPS中另一重要组分DNA在不同比例的复合有机
物中变化并不明显，这可能是由于在上述条件下，
DNA的溶出未见明显变化有关。这表明，当复合有
机废弃物中厨余垃圾与剩余污泥以适当比例混合
时，其中C与N质量比等营养要素达到平衡，此时，
反应系统中厌氧颗粒污泥的EPS等生物活性指标
较高，因而沼气产量有明显增加。
3结论
研究表明，当剩余污泥与厨余垃圾质量比为2：
1时，混合有机废弃物厌氧消化沼气产量和甲烷体积
分数均达到最大值，每g挥发性固体(vs)产生了
釜
邑
邑
≥
； {厂
墨 非 萝 萝 萝
图4厨余垃圾添加量对EPS释放的影响
Fig．4EffectsofdifferentproportionofWAStoKWon
releaseof olubleiopolymers
156．56mL沼气，甲烷体积分数为67．52％，分别比
剩余污泥单独厌氧消化时的产气量提高了5倍和
1．5倍。此时，厌氧消化系统中基质的c与N质量
比为13。37，厌氧颗粒污泥中每g挥发性固体(Vs)
多糖和蛋白质质量分数分别为0．985％和1．28％，
与单独使用剩余污泥厌氧消化时相比，分别提高了
大约60％和53％。因而在剩余污泥厌氧消化过程
中添加厨余垃圾不仅可以稀释污泥中的有毒成分、
促进物料中C与N质量比等营养物质的平衡、改善
反应系统中厌氧颗粒污泥的生物活性，还可获得更
大的单位产气量，从而为复杂有机废弃物的资源化
处置提供思路。而在另一方面，为了更有效控制复
杂有机废弃物厌氧消化过程，尚需对其中微生物种
群演替、有机酸以及甲烷等重要代i身}产物代谢流向
等反应机制进行深人研究。
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海南椰岛拟实施10万t燃料乙醇项目
按照国家生物燃料乙醇产业规划和海南省政府的有关部署，海南椰岛公司拟与国有大型石油化工企业
合作实施以木薯为原料年产10万t燃料乙醇和2万t液体CO：(食品级)的“10万t燃料乙醇项目”。该项
目总投资约为3．5亿元，其中项目公司资本金比例不低于项目总投资的50％，其余资金将通过申请银行贷
款等方式筹集。受国家宏观调控影响，公司在今后的生产经营中会遇到贷款规模限制和融资成本上升的双
重压力。
中海油在琼投资兴建的生物柴油项目获批
中国海洋石油总公司在海南投资兴建的年产6万t生物柴油产业化示范项目已获批准。该套生物柴油
装置将建于中海油东方化工城富岛一期化肥装置后面。项目将利用麻风树(又名小桐子)作为原料进行生
产。1kg果可榨取约0．3kg生物柴油。
天津科技公司开发蓖麻做原料产出润滑油
天津南开大学蓖麻工程科技有限公司以蓖麻油衍生物替代石油生产出润滑油，不仅节省费用，还没有
污染，用蓖麻油生产的润滑油成品的理化性能指标、黏度等性能指标达到美国石油协会SM质量级别。该产
品在一些单位试用后，性能良好。
年产1万t的蓖麻油合成高性能润滑油的生产线已在天津空港建成并投入使用。
(朱宏阳)
万方数据