厌氧发酵生物技术处理果蔬废弃物的研究

1 厌氧发酵生物技术处理果蔬废弃物分析及展望 基于对北京新发地批发市场的调查 刘松毅 1 2 李 伟1 2 李文进1 2 3 苏 鑫1 2 刘旭明1 2 1 国家蛋品工程技术研究中心 北京 102115 2 北京德青源农业科技股份有限公司 北京 100081 3 北京化工大学 北京 100029 摘 要 新发地作为北京市交易规模最大的农产品专业批发市场 其产生的垃圾 主要为果蔬垃圾 日益增加 已经严重影响附近居民的生活 通过对新发地市场实地调查 分析该地垃圾 主要为果蔬垃圾 的产生数量 成分 和目前的处理方式 充分验证处理新发地垃圾的急迫性和重要性 以及厌氧发酵处理的可行性和优越性 此外 对 新发地垃圾进行批式厌氧发酵产气实验 在添加底物为 3gVS L 污泥负荷 F M 为 0 5 下 经过 35d 的发酵反应 累计产气量达 701mL g VS VS 去除率为 80 实验表明新发地垃圾产气潜力大 为实际解决新发地垃圾问题提供 了理论保障 关键词 新发地 果蔬垃圾 厌氧发酵 Anaerobic Digestion of Fruit and Vegetable Wastes and Its Future Prospect Based on the investigation of Beijing Xinfadi wholesale market Liu Songyi1 2 Li Wei1 2 Li Wenjin1 2 3 Su Xin1 2 Liu Xuming1 2 1 Chinese National Egg Engineering Research Center Beijing 102115 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 of 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 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 reaction 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 北京新发地批发市场于 1988 年建成 位于北京市南四环马家楼桥南 1 2km 处 京开高速公路 新发地北桥西侧 经过了 24 年的建设与发展 新发地市场已经成为北京市交易规模最大的农产品 收稿日期 2013 08 09 基金项目 国家科技支撑计划课题 2011BAD15B01 北京市科技计划课题 Z111105076111001 国家科技支撑计 划课题 2012BAC25B06 作者简介 刘松毅 1990 男 江西定南人 本科 研究方向为微生物厌氧发酵 E mail liusongyi 通信作者 李文进 1984 男 河北平山人 博士 研究方向为生物质能源工程 E mail li wj 2 批发市场 其中蔬菜 果品类交易占了相当一部分份额 所以市场内产生的垃圾大部分为果蔬垃圾 由于新发地批发市场规模宏大 其产生的垃圾数量令人惊叹 已经严重影响周边居民生活 急需提 出更为优越的处理方式 对于固体废弃物而已 通常的处理方法有卫生填埋 焚烧 堆肥 厌氧发酵等 而果蔬垃圾具 有含水量高 有机成分含量高等特点 1 因其热值较低 焚烧处理投资大 而且尾气排放受限制等 也难于广泛应用 2 若采用卫生填埋法 不仅造成了果蔬垃圾中有机物的损失 而且将会放出大量 的温室气体污染环境 同时 产生的渗滤液不仅会污染地下水 而且造成土壤的污染 3 韩国从 2005 年起就禁止填埋 4 堆肥法可以实现减量化 但垃圾中各类杂质含量较高 重金属等有毒有害 的痕量物质难以探究 所以处理难度较大 技术达标困难 然而 厌氧发酵技术处理果蔬垃圾具有 很大的优势 不仅可以达到减量化效果 而且可以获得清洁能源沼气 因此 本文在对新发地批发 市场垃圾的产生及特性分析的同时 对其进行厌氧发酵实验 验证厌氧发酵处理新发地果蔬垃圾的 可行性及优越性 1 北京新发地批发市场垃圾的产生及处理情况调研 1 1 调研目的 本次调研主要在于了解新发地批发市场垃圾的产生量 以及现有的采集 运输 处理等过程 对存在的问题进行实际考察 提出合理的解决方案和意见 1 2 调研方法与地点 资料与信息主要来自于实际调研的数据 网络资料 采样分析等 通过调查员与新发地批发市 场相关垃圾处理人员直接对话交流 并现场参观与记录 然后采样分析 本次现场调研在北京市新发地绿色有机垃圾处理厂 地处北京市丰台区京开高速速与京良路交 叉口东行 200 米 1 3 调研内容 调研内容主要包括垃圾来源 日产垃圾量 垃圾主要成分 现有垃圾处理方式以及处理费用 垃圾季节性变化情况 收运方式 以及目前面临的问题等 1 3 1 垃圾来源以及产生情况 新发地批发市场的所有垃圾倒入新发地绿色有机垃圾处理厂 大部分为果蔬垃圾 有极少部分 的包装垃圾 约占 1 以及商户的生活垃圾 所占比例不足 1 垃圾的产生伴随季节性变化 在每年的 5 10 月为水果 蔬菜的生产销售高峰 这段时间为垃圾产生的旺季 日产垃圾量约为 200t 其他时节及春冬季节为淡季 日产垃圾量为 70 80t 1 3 2 垃圾成分 新发地市场的垃圾绝大部分为应季的果蔬垃圾 通常占 90 以上 其他垃圾不足 10 主要为 商户日常生活中的生活垃圾和包装果蔬产品所带来的包装垃圾等 如塑料 泡沫 一次性筷子 木 板 烟头等 本次调研于现场随机进行取样分选调查其垃圾含量 时为秋季 能充分反应秋季新发 地市场垃圾的主要成分 表 1 并对分选完的果蔬垃圾进行相关物性分析 表 2 3 表 1 垃圾的主要成分 Table1 the main component of waste 成分质量 kg 比例 果蔬垃圾 葱 桔子 西瓜 圆白菜 木瓜 葱 甘蓝 苹果 香瓜 菜叶 梨 桃 哈密瓜等 18 80192 80 包装纸 1 1375 61 塑料 0 1920 95 其他杂质 线手套 一次性筷子 泡沫 烟头 石子 木板等 0 1300 64 其他垃圾 小计 1 4597 20 总计 20 260100 00 表 2 果蔬垃圾的物化特性 Table2 physical and chemical characteristics of fruit waste 指标名称 物料名称 MCTSVSFSVS TSpH 果蔬垃圾 81 71 18 29 14 07 4 22 76 93 4 46 注 1 TS 的测定方法为 105 下 恒温 24h 2 VS 的测定方法为 550 下 恒温 3h 1 3 3 垃圾目前的收运与处理 新发地批发市场的垃圾每天于早上 4 00 10 00 以及傍晚 15 00 20 00 由北京新发地绿色 有机垃圾处理厂的卫生队集中运到垃圾处理厂 所用车辆为载重 5t 的翻斗车 每天早上 4 00 9 30 由丰台区环卫局所派车辆将垃圾处理厂的垃圾运往卢沟桥大堤填埋场填埋 所用车辆为环卫 压缩车 载重 8t 北京新发地绿色有机垃圾处理厂的垃圾存量规模为 250t 以前将垃圾进行高温 堆肥发酵 后停产 全部垃圾进行填埋处理 1 3 4 目前新发地垃圾处理所面临问题 新发地市场垃圾现在全部填埋 不能得到有效的资源化利用 之前的堆肥处理也取消 原因在 于 早年的设备比较落后 自动化程度太低 人工分选杂质和堆肥有机垃圾 导致垃圾利用率极低 分选后用于堆肥的垃圾不足 20 硬质的果蔬垃圾 如甘蔗 秸秆 枝叶等 无法粉碎利用 三 由于垃圾臭味重 而且大部分的工作都是人工进行 导致工人长期工作在恶臭中 无人愿意工作 四 垃圾成分复杂 用于堆肥后 有毒有害物质对土地和植物造成巨大影响 现在使用填埋的方法处理新发地市场垃圾 虽然卫生填埋具有投资少 易操作等特点 但其占 用大量土地 而且蔬菜废物含水率高 在填埋过程中会产生大量渗滤液 处理困难 同时在填埋过 程中会产生填埋气 其甲烷含量可达 50 70 如处理不当 容易引起爆炸危险 5 欧盟 日 本和美国等国家的有关政策 都提出了进一步限制进入填埋场垃圾有机物含量的规定 6 1 4 调研结果分析 从新发地市场垃圾的来源和产量来看 新发地市场垃圾产量大 且较为集中 就地处理将会是 降低处理成本的重要手段 但是 由于垃圾分类概念还未充分深入群众 目前所有垃圾未经分类 直接运往处理厂堆放 经过研究员人工分选垃圾的结果分析 新发地市场垃圾实则果蔬垃圾 占 92 8 由于分类 不当所含的垃圾完全可以通过垃圾分类宣传而得以实现专门针对果蔬垃圾的处理工艺处理新发地批 4 发市场垃圾 通过对分选完后的果蔬垃圾进行物化特性分选 新发地果蔬垃圾具有含水率高 81 71 有 机营养物含量高 VS TS 为 76 93 的果蔬垃圾普遍性特点 厌氧消化是一种利用微生物作用的能量转化技术 尤其适合于高含水率 易降解有机物的处理 厌氧消化工艺有很多的优点 1 厌氧消化不需要氧气 可以减少动力消耗 节约能源 减少成 本 2 有机负荷承受力强 反应器效能高 容积小 占地面积小 可降低基建成本 又能达到 很好的处理效果 3 厌氧过程中没有与氧相随的微生物合成 因此剩余污泥量少 减少了处置 费用且生成的污泥较稳定 4 能够产生清洁的能源沼气 可用于发电和供热 同时减少 CO2的 排放 5 其消化后的产物经简单处理后即可作为优质的肥料 在生产清洁能源的同时达到 零 排放 由此可见 利用厌氧消化技术处理新发地果蔬垃圾是实现其 无害化 减量化与资源化 的有 效途径 2 果蔬垃圾产气潜力分析 本次研究对分选后的果蔬垃圾进行了厌氧消化产气潜力的分析 可为该技术的工程化提供很好 的理论基础 2 1 试验材料及装置 果蔬垃圾 将分选后的果蔬垃圾用食物粉碎机粉碎制浆后置于 20 的冰箱中保存待用 接种 物 取自德青源厌氧发酵罐 将沼液密闭静置 24 小时后 去上清液 取下层浓缩物做为接种物 本试验装置所用装置由史氏发酵管 广口瓶 橡皮塞 橡皮管 恒温水浴锅 集水箱等组成 采用排水法集气 史氏发酵管内水用盐酸将 pH 调至 3 0 以下 以降低沼气中二氧化碳在水中的溶 解 连接好试验装置 检查装置的气密性后 装入物料 将发酵瓶置于 38 的恒温水浴锅内进行 发酵试验 图 1 本实验同时做 3 组平行样 容积负荷为 3gVS L 污泥负荷 F M 为 0 5 反应 周期为 35d 图 1 发酵装置 Fig 1 Fermentation device 2 2 试验结果与分析 果蔬垃圾厌氧发酵日产气量及累积产气量如图 2 图 3 所示 产气开始的第 1d 果蔬垃圾的产 气量已经达到最高峰 为 142mL gVS 之后产气量逐渐减少 并在第 9d 开始停止产气 之后为间 5 歇性产气 但产气量均很少 并最终在第 30d 停止产气 直至 35d 实验终止 果蔬垃圾的累计产气 量在前 9d 不断上升 上升趋势逐渐缓慢 从第 9d 开始 累计产气量趋于水平 即产气量极少 最终累计产气量为 701mL gVS 图 2 新发地果蔬垃圾厌氧发酵日产气量 Fig 2 The daily biogas yield of fruit waste 图 3 新发地果蔬垃圾厌氧发酵累计产气量 Fig 3 The cumulative biogas yield of fruit waste 从实验结果可分析得出 新发地果蔬垃圾的厌氧发酵在第 1d 就达到产气高峰 主要因为果蔬 本身含有大量的单糖 二糖等小分子有机物 使得微生物厌氧发酵快速完成产酸阶段 并进入甲烷 阶段开始产气 从第 1d 到第 9d 随着微生物可利用的有机物不断降低 产气量逐渐减少 果蔬垃 圾中同样存在难降解的木质素 纤维素等大分子有机物 使得这些物质经过长时间的水解之后 才 转化为小分子有机物 被微生物利用产气 所以在果蔬中已有的小分子物质迅速产气之后 从第 9d 开始有少量气体产生 但产气量特别少 前 9d 的累计产气量为 559 mL gVS 占总累计产气量 701 mL gVS 的 79 7 作为工程实际应用 即第 9d 之后产气量少 产气时间长 时间成本比较高 所以前 9d 的累计产气量可视为新发地果蔬垃圾的产气潜力 6 3 展望 调研结果显示 新发地果蔬垃圾的产生量极大 已经对周围的环境造成巨大影响 因此 未来 需要尽快找到突破点 寻求垃圾处理措施 科学合理开发和利用资源 力争变废为宝 3 1 政府加强对垃圾分类宣传和垃圾回收管理 新发地批发市场垃圾主要由果蔬垃圾组成 但是也存在大量杂质 由于大量杂质的存在 将会 加大垃圾的处理的难度 因此 政府需要大力宣传垃圾分类 从而可以集中处理新发地批发市场中 的果蔬垃圾 同时政府需要出台相关的制度 保障垃圾分类的有效