厭氧發(fā)酵生物技術(shù)處理果蔬廢棄物的研究

1、厭氧發(fā)酵生物技術(shù)處理果蔬廢棄物分析及展望基于對北京新發(fā)地批發(fā)市場的調(diào)查劉松毅收稿日期：2013-08-09基金項目：國家科技支撐計劃課題（2011BAD15B01）；北京市科技計劃課題（Z111105076111001）；國家科技支撐計劃課題（2012BAC25B06）作者簡介：劉松毅（1990），男，江西定南人，本科，研究方向為微生物厭氧發(fā)酵。E-mail:liusongyi；通信作者 李文進（1984），男，河北平山人，博士，研究方向為生物質(zhì)能源工程，E-mail:li.wj,2 李 偉1,2 李文進1,2,3 蘇 鑫1,2 劉旭明1,2（1.國家蛋品工程技術(shù)研究中心 北京 102115；

2、2.北京德青源農(nóng)業(yè)科技股份有限公司 北京 100081; 3.北京化工大學 北京 100029）摘 要：新發(fā)地作為北京市交易規(guī)模最大的農(nóng)產(chǎn)品專業(yè)批發(fā)市場，其產(chǎn)生的垃圾（主要為果蔬垃圾）日益增加，已經(jīng)嚴重影響附近居民的生活。通過對新發(fā)地市場實地調(diào)查，分析該地垃圾（主要為果蔬垃圾）的產(chǎn)生數(shù)量、成分和目前的處理方式，充分驗證處理新發(fā)地垃圾的急迫性和重要性，以及厭氧發(fā)酵處理的可行性和優(yōu)越性；此外，對新發(fā)地垃圾進行批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣實驗，在添加底物為3gVS/L，污泥負荷(F/M)為0.5下，經(jīng)過35d的發(fā)酵反應(yīng)，累計產(chǎn)氣量達701mL/gVS，VS去除率為80%，實驗表明新發(fā)地垃圾產(chǎn)氣潛力大，為實際解決

3、新發(fā)地垃圾問題提供了理論保障。關(guān)鍵詞：新發(fā)地；果蔬垃圾；厭氧發(fā)酵Anaerobic Digestion of Fruit and Vegetable Wastes and Its Future ProspectBased on the investigation of Beijing Xinfadi wholesale marketLiu Songyi1,2, Li Wei1,2, Li Wenjin1,2,3, Su Xin1,2, Liu Xuming1,2（1. Chinese National Egg Engineering Research Center, Beijing 10211

4、5; 2. Beijing DQY Agriculture Technology CO. Ltd, Beijing 100081; 3.Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 100029）Abstract: Fruit and vegetable waste at Xinfadi that is the largest agricultural products wholesale markets in Beijing is increasing, which has seriously affected the lives o

5、f nearby residents. In order to fully verify the urgency and significance of disposal of the waste, as well as the feasibility and superiority of anaerobic digestion, the indexes of the local garbage (mainly fruit and vegetable waste) is analyzed and investigated, including generation, ingredients,

6、characteristics, and the current approach, through the field surveys. And study on the anaerobic batch digestion of the waste shows that accumulated gas production capacity was 701mL/g, and VS removal efficiency was 80% at the organic loading of 3g/L and the sludge load (F/M) of 0.5 after 35d reacti

7、on. The experiment demonstrates that gas potential production of the fruit and vegetable waste at Xinfadi is well, and provides a theoretical support for Xinfadi to actually solve the problems of waste.Key words: Xinfadi; fruit and vegetable waste; anaerobic digestion 北京新發(fā)地批發(fā)市場于1988年建成，位于北京市南四環(huán)馬家樓橋南

8、1.2km處，京開高速公路新發(fā)地北橋西側(cè)。經(jīng)過了24年的建設(shè)與發(fā)展，新發(fā)地市場已經(jīng)成為北京市交易規(guī)模最大的農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場，其中蔬菜、果品類交易占了相當一部分份額，所以市場內(nèi)產(chǎn)生的垃圾大部分為果蔬垃圾。由于新發(fā)地批發(fā)市場規(guī)模宏大，其產(chǎn)生的垃圾數(shù)量令人驚嘆，已經(jīng)嚴重影響周邊居民生活，急需提出更為優(yōu)越的處理方式。對于固體廢棄物而已，通常的處理方法有衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥、厭氧發(fā)酵等。而果蔬垃圾具有含水量高、有機成分含量高等特點1，因其熱值較低，焚燒處理投資大，而且尾氣排放受限制等也難于廣泛應(yīng)用2。若采用衛(wèi)生填埋法，不僅造成了果蔬垃圾中有機物的損失，而且將會放出大量的溫室氣體污染環(huán)境，同時，產(chǎn)生的滲濾液

9、不僅會污染地下水，而且造成土壤的污染3。韓國從2005年起就禁止填埋4。堆肥法可以實現(xiàn)減量化，但垃圾中各類雜質(zhì)含量較高，重金屬等有毒有害的痕量物質(zhì)難以探究，所以處理難度較大，技術(shù)達標困難。然而，厭氧發(fā)酵技術(shù)處理果蔬垃圾具有很大的優(yōu)勢，不僅可以達到減量化效果，而且可以獲得清潔能源沼氣。因此，本文在對新發(fā)地批發(fā)市場垃圾的產(chǎn)生及特性分析的同時，對其進行厭氧發(fā)酵實驗，驗證厭氧發(fā)酵處理新發(fā)地果蔬垃圾的可行性及優(yōu)越性。1 北京新發(fā)地批發(fā)市場垃圾的產(chǎn)生及處理情況調(diào)研1.1 調(diào)研目的本次調(diào)研主要在于了解新發(fā)地批發(fā)市場垃圾的產(chǎn)生量，以及現(xiàn)有的采集、運輸、處理等過程，對存在的問題進行實際考察，提出合理的解決方案和

10、意見。1.2 調(diào)研方法與地點資料與信息主要來自于實際調(diào)研的數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)資料、采樣分析等。通過調(diào)查員與新發(fā)地批發(fā)市場相關(guān)垃圾處理人員直接對話交流，并現(xiàn)場參觀與記錄，然后采樣分析。本次現(xiàn)場調(diào)研在北京市新發(fā)地綠色有機垃圾處理廠，地處北京市豐臺區(qū)京開高速速與京良路交叉口東行200米。1.3 調(diào)研內(nèi)容調(diào)研內(nèi)容主要包括垃圾來源，日產(chǎn)垃圾量，垃圾主要成分，現(xiàn)有垃圾處理方式以及處理費用，垃圾季節(jié)性變化情況，收運方式，以及目前面臨的問題等。1.3.1 垃圾來源以及產(chǎn)生情況 新發(fā)地批發(fā)市場的所有垃圾倒入新發(fā)地綠色有機垃圾處理廠，大部分為果蔬垃圾，有極少部分的包裝垃圾（約占1%），以及商戶的生活垃圾（所占比例不足1%

11、）。垃圾的產(chǎn)生伴隨季節(jié)性變化，在每年的510月為水果、蔬菜的生產(chǎn)銷售高峰，這段時間為垃圾產(chǎn)生的旺季，日產(chǎn)垃圾量約為200t，其他時節(jié)及春冬季節(jié)為淡季，日產(chǎn)垃圾量為7080t。1.3.2 垃圾成分 新發(fā)地市場的垃圾絕大部分為應(yīng)季的果蔬垃圾，通常占90%以上，其他垃圾不足10%，主要為商戶日常生活中的生活垃圾和包裝果蔬產(chǎn)品所帶來的包裝垃圾等，如塑料、泡沫、一次性筷子、木板、煙頭等。本次調(diào)研于現(xiàn)場隨機進行取樣分選調(diào)查其垃圾含量，時為秋季，能充分反應(yīng)秋季新發(fā)地市場垃圾的主要成分（表1），并對分選完的果蔬垃圾進行相關(guān)物性分析（表2）。表1 垃圾的主要成分Table1 the main component

12、 of waste成分質(zhì)量（kg）比例（%）果蔬垃圾 蔥、桔子、西瓜、圓白菜、木瓜、蔥、甘藍、蘋果、香瓜、菜葉、梨、桃、哈密瓜等18.80192.80其他垃圾包裝紙1.1375.61塑料0.1920.95 其他雜質(zhì)（線手套、一次性筷子、泡沫、煙頭、石子、木板等）0.1300.64小計1.4597.20總計20.260100.00表2 果蔬垃圾的物化特性Table2 physical and chemical characteristics of fruit waste物料名稱指標名稱MCTSVSFSVS/TSpH果蔬垃圾81.71%18.29%14.07%4.22%76.93%4.46注：1.

13、TS的測定方法為105下，恒溫24h；2.VS的測定方法為550下，恒溫3h1.3.3 垃圾目前的收運與處理 新發(fā)地批發(fā)市場的垃圾每天于早上4:0010:00以及傍晚15:0020:00，由北京新發(fā)地綠色有機垃圾處理廠的衛(wèi)生隊集中運到垃圾處理廠，所用車輛為載重5t的翻斗車；每天早上4:009:30，由豐臺區(qū)環(huán)衛(wèi)局所派車輛將垃圾處理廠的垃圾運往盧溝橋大堤填埋場填埋，所用車輛為環(huán)衛(wèi)壓縮車，載重8t。北京新發(fā)地綠色有機垃圾處理廠的垃圾存量規(guī)模為250t，以前將垃圾進行高溫堆肥發(fā)酵，后停產(chǎn)，全部垃圾進行填埋處理。1.3.4 目前新發(fā)地垃圾處理所面臨問題 新發(fā)地市場垃圾現(xiàn)在全部填埋，不能得到有效的資源化

14、利用。之前的堆肥處理也取消，原因在于：早年的設(shè)備比較落后，自動化程度太低，人工分選雜質(zhì)和堆肥有機垃圾，導(dǎo)致垃圾利用率極低，分選后用于堆肥的垃圾不足20%；硬質(zhì)的果蔬垃圾（如甘蔗、秸稈、枝葉等）無法粉碎利用；三，由于垃圾臭味重，而且大部分的工作都是人工進行，導(dǎo)致工人長期工作在惡臭中，無人愿意工作；四，垃圾成分復(fù)雜，用于堆肥后，有毒有害物質(zhì)對土地和植物造成巨大影響。現(xiàn)在使用填埋的方法處理新發(fā)地市場垃圾，雖然衛(wèi)生填埋具有投資少、易操作等特點，但其占用大量土地，而且蔬菜廢物含水率高，在填埋過程中會產(chǎn)生大量滲濾液，處理困難，同時在填埋過程中會產(chǎn)生填埋氣，其甲烷含量可達5070，如處理不當，容易引起爆炸危

15、險5。歐盟、日本和美國等國家的有關(guān)政策，都提出了進一步限制進入填埋場垃圾有機物含量的規(guī)定6。1.4 調(diào)研結(jié)果分析從新發(fā)地市場垃圾的來源和產(chǎn)量來看，新發(fā)地市場垃圾產(chǎn)量大，且較為集中，就地處理將會是降低處理成本的重要手段。但是，由于垃圾分類概念還未充分深入群眾，目前所有垃圾未經(jīng)分類，直接運往處理廠堆放。經(jīng)過研究員人工分選垃圾的結(jié)果分析，新發(fā)地市場垃圾實則果蔬垃圾（占92.8%），由于分類不當所含的垃圾完全可以通過垃圾分類宣傳而得以實現(xiàn)專門針對果蔬垃圾的處理工藝處理新發(fā)地批發(fā)市場垃圾。通過對分選完后的果蔬垃圾進行物化特性分選，新發(fā)地果蔬垃圾具有含水率高（81.71%）、有機營養(yǎng)物含量高（VS/TS為

16、76.93%）的果蔬垃圾普遍性特點。厭氧消化是一種利用微生物作用的能量轉(zhuǎn)化技術(shù)，尤其適合于高含水率、易降解有機物的處理。厭氧消化工藝有很多的優(yōu)點：（1）厭氧消化不需要氧氣，可以減少動力消耗、節(jié)約能源、減少成本；（2）有機負荷承受力強，反應(yīng)器效能高，容積小，占地面積小，可降低基建成本，又能達到很好的處理效果；（3）厭氧過程中沒有與氧相隨的微生物合成，因此剩余污泥量少，減少了處置費用且生成的污泥較穩(wěn)定；（4）能夠產(chǎn)生清潔的能源沼氣，可用于發(fā)電和供熱，同時減少CO2的排放；（5）其消化后的產(chǎn)物經(jīng)簡單處理后即可作為優(yōu)質(zhì)的肥料，在生產(chǎn)清潔能源的同時達到“零排放”。由此可見，利用厭氧消化技術(shù)處理新發(fā)地果蔬

17、垃圾是實現(xiàn)其“無害化、減量化與資源化”的有效途徑。2 果蔬垃圾產(chǎn)氣潛力分析本次研究對分選后的果蔬垃圾進行了厭氧消化產(chǎn)氣潛力的分析，可為該技術(shù)的工程化提供很好的理論基礎(chǔ)。2.1 試驗材料及裝置果蔬垃圾：將分選后的果蔬垃圾用食物粉碎機粉碎制漿后置于-20的冰箱中保存待用；接種物：取自德青源厭氧發(fā)酵罐，將沼液密閉靜置24小時后，去上清液，取下層濃縮物做為接種物。本試驗裝置所用裝置由史氏發(fā)酵管、 廣口瓶、 橡皮塞、橡皮管、恒溫水浴鍋、集水箱等組成，采用排水法集氣（史氏發(fā)酵管內(nèi)水用鹽酸將pH調(diào)至3.0以下，以降低沼氣中二氧化碳在水中的溶解），連接好試驗裝置，檢查裝置的氣密性后，裝入物料，將發(fā)酵瓶置于38

18、的恒溫水浴鍋內(nèi)進行發(fā)酵試驗（圖1）。本實驗同時做3組平行樣，容積負荷為3gVS/L，污泥負荷（F/M）為0.5，反應(yīng)周期為35d。圖1 發(fā)酵裝置Fig.1 Fermentation device2.2 試驗結(jié)果與分析果蔬垃圾厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量及累積產(chǎn)氣量如圖2、圖3所示。產(chǎn)氣開始的第1d果蔬垃圾的產(chǎn)氣量已經(jīng)達到最高峰，為142mL/gVS，之后產(chǎn)氣量逐漸減少，并在第9d開始停止產(chǎn)氣，之后為間歇性產(chǎn)氣，但產(chǎn)氣量均很少。并最終在第30d停止產(chǎn)氣，直至35d實驗終止。果蔬垃圾的累計產(chǎn)氣量在前9d不斷上升，上升趨勢逐漸緩慢，從第9d開始，累計產(chǎn)氣量趨于水平（即產(chǎn)氣量極少），最終累計產(chǎn)氣量為701mL/g

19、VS。圖2 新發(fā)地果蔬垃圾厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量Fig.2 The daily biogas yield of fruit waste圖3 新發(fā)地果蔬垃圾厭氧發(fā)酵累計產(chǎn)氣量Fig.3 The cumulative biogas yield of fruit waste從實驗結(jié)果可分析得出：新發(fā)地果蔬垃圾的厭氧發(fā)酵在第1d就達到產(chǎn)氣高峰，主要因為果蔬本身含有大量的單糖、二糖等小分子有機物，使得微生物厭氧發(fā)酵快速完成產(chǎn)酸階段，并進入甲烷階段開始產(chǎn)氣；從第1d到第9d，隨著微生物可利用的有機物不斷降低，產(chǎn)氣量逐漸減少；果蔬垃圾中同樣存在難降解的木質(zhì)素、纖維素等大分子有機物，使得這些物質(zhì)經(jīng)過長時間的水解之后

20、，才轉(zhuǎn)化為小分子有機物，被微生物利用產(chǎn)氣，所以在果蔬中已有的小分子物質(zhì)迅速產(chǎn)氣之后，從第9d開始有少量氣體產(chǎn)生，但產(chǎn)氣量特別少；前9d的累計產(chǎn)氣量為559 mL/gVS，占總累計產(chǎn)氣量701 mL/gVS的79.7%，作為工程實際應(yīng)用，即第9d之后產(chǎn)氣量少，產(chǎn)氣時間長，時間成本比較高，所以前9d的累計產(chǎn)氣量可視為新發(fā)地果蔬垃圾的產(chǎn)氣潛力。3 展望調(diào)研結(jié)果顯示，新發(fā)地果蔬垃圾的產(chǎn)生量極大，已經(jīng)對周圍的環(huán)境造成巨大影響。因此，未來需要盡快找到突破點，尋求垃圾處理措施，科學合理開發(fā)和利用資源，力爭變廢為寶。3.1 政府加強對垃圾分類宣傳和垃圾回收管理新發(fā)地批發(fā)市場垃圾主要由果蔬垃圾組成，但是也存在大量雜質(zhì)，由于大量雜質(zhì)的存在，將會加大垃圾的處理的難度，因此，政府需要大力宣傳垃圾分類，從而可以集中處理新發(fā)地批發(fā)市場中的果蔬垃圾。同時政府需要出臺相關(guān)的制度，保障垃圾分類的有效進行。3.2 設(shè)備自動