初始pH对生活垃圾和污泥混合物料厌氧发酵产沼气的影响

摘要：【目的】研究pH值对生活垃圾和脱水污泥混合物料厌氧发酵产沼气的影响，为促进厌氧发酵产沼气提供实验参数和理论依据。【方法】从整个发酵过程pH值的变化、产物生成和原料利用3个方面评价不同初始pH值对于物料厌氧发酵产沼气的影响。【结果】当发酵液初始pH值为7.5时，生活垃圾发酵产沼气的量最高，且其中甲烷平均含量达53.65%以上，累积产气量22　632mL；pH7.75时，在25d～35d内，产气量增加迅速，仅次于pH7.5，为21　962mL；pH值为7.25时发酵液中TS、VS降低程度最大，分别为38.5%和56%。【结论】控制发酵体系的pH值在7.25～7.75范围内，使产甲烷菌处于最适生存状态，是提高生活垃圾厌氧发酵产沼气的关键。

关键词：初始pH值；污泥；生活垃圾；厌氧发酵；产气量

中图分类号：Ｘ７０５文献标识码：Ａ

作为一种可回收能源的有机废物处理方法，厌氧发酵在城市生活垃圾的处理方面越来越受到青睐，但由于厌氧过程是一个非常复杂的生物过程，因此如何提高城市生活垃圾厌氧发酵系统产气的稳定性是一个非常重要的课题。pH值是厌氧发酵过程中的一个重要的控制参数，pH值的大小及其稳定性对产气效果有很大影响。赵洪等以新鲜猪粪为原料，研究了pH值对于沼气产生量的影响，结论为，当发酵体系pH值为6.5～7.0时，发酵启动快，产气量大，产气的峰值明显，CH4含量高，提高了产沼气的质量［１］。王永泽等研究了pH值对水稻秸秆厌氧发酵产沼气的影响，发现在发酵液起始pH值为7.0时，稻草秸秆发酵产沼气的量最高［２］。

本实验采用调控初始pH值的方法，进行中温批量厌氧发酵对照试验，初步研究了pH值对于生活垃圾厌氧发酵产沼气的影响，以期能够对实际生产提供可靠的实验数据和理论依据。

１材料与方法

１.１材料与接种物

生活垃圾：取自内蒙古鄂尔多斯市东胜区城市生活垃圾综合处理车间有机物皮带上的物料；污泥：污泥取自东胜区北郊污水处理厂脱水污泥，加一定量水过胶体磨；接种物：采用板框压滤机压滤出的沼渣经实验室培养驯化后的污泥。调pH试剂：20%　NaOH、10%　HCl。物料特性见表１。

１.３实验方法

试验分为两组，采用恒温35℃批量发酵工艺，接种物和发酵原料按质量比为3∶7的比例调配（接种物300g，污泥：生活垃圾＝4∶6，700g），用20%　NaOH和10%　HCl试剂将厌氧发酵装置中发酵液的初始pH值分别调至：6.50、6.75、7.00、7.25、7.50、7.75，并用等量水替酵原料做对照，为避免因取样所造成的产气量误差，一组取样，一组取气。后装入厌氧发酵瓶中置于恒温水浴锅厌氧发酵，直至不再产气为止。每天晃动搅拌两次（8∶00，18∶00），每次5分钟，采用排水法每天定时测定日产气量；每3天取样测定发酵液的理化指标，每6天测定1次气体成分，连续发酵61d，统计日产气量、甲烷含量、累积产气量。

１.４分析方法

总固体（TS）、挥发性固体（VS）、COD、氨氮、碱度、pH值均采用标准方法确定，生物气成分（氢气、氧气、甲烷、二氧化碳）由GC112A型气相色谱仪测定，产气量采用排水集气法测定。

２结果与分析

２.１发酵过程中pH值的变化

厌氧消化体系的酸碱性受复杂的微生物过程和化学过程控制，体系的pH值是气、液相间的CO2平衡、液相内的酸碱平衡以及固、液相间的溶解平衡共同作用的结果［３］。在水解酸化阶段，碳水化合物分解为低分子量的有机酸，在此阶段产酸进行的很快，在此阶段不饱和的脂肪酸加氢成为饱和的脂肪酸，此时料液中累积了相当数量的脂肪酸，致使料液pH迅速下降。酸化阶段之后，有机酸和溶解的含氮化合物分解成氨、胺、碳酸盐和少量的CO2、N2、CH4和H2，在此阶段中pH上升。

由图２看出，在发酵前期的0d～5d中，各个体系中的pH值均急剧下降，随着发酵过程的进行，在25d～30d左右，pH值回升，在发酵的最后阶段（55d以后），各个体系中的pH值变化范围不大，基本稳定7.75左右，这也说明系统的酸碱度对脂肪酸的积累有足够的缓冲能力［４］，由最终的pH值也可看出，随着初始pH值的升高，发酵完成后体系的最终pH值也有所升高。

２.２初始pH值对产气量的影响

不同起始pH值对日产气量的影响结果见图２，由图可知，起始pH值为7.5和7.75时出现两个产气高峰，第1个高峰出现在厌氧发酵过程第25d～30d左右，第2个高峰出现在33d～40d左右，结合图４不同初始pH值体系发酵过程中pH值变化情况，第1次出现产气高峰的时间阶段与各个体系中pH值的急速上升阶段重合，第2次出现产气高峰的时间阶段处于各个发酵体系中pH值稳定在7.25～7.75。

在日产气量的基础上，对于初始pH值对累积产气量的影响也做了统计分析，图３显示可知，初始pH值为7.5时，发酵产生的气体量最多，达到了22　632mL，且在25d～40d内，产气量急剧增加，之后增长趋势变得缓慢；初始pH值为7.75时，在25d～35d内，产气量的增加迅速，产气量仅次于pH7.5，为21　962mL，而当初始pH值为6.5、6.75、7.0、7.25时，产气相对缓慢，累积产气量远低于初始pH7.5。从5d～25d内，初始pH值对于累积产气量的影响不明显，几乎没有增加，这可能与体系中的pH值的变化有关，由图１显示，累积产气量的变化趋势和体系中pH值的变化趋势基本一致，在5d～25d内，各个体系中的pH值均达到最低，这是因为生活垃圾在发酵过程中很容易产生“酸化”现象［５］，而产甲烷菌对生长环境的pH值较为敏感，其最适pH值约为6.8～7.5，因此，产甲烷菌在发酵第5天左右活动力最低，表现为累积产气量几乎没有增加。随着厌氧发酵过程的进行，产甲烷菌的数量增加，对于产酸阶段的产物（如乙酸）的利用率也随之提高，当有机酸被逐渐消耗时，各个体系中的pH值逐渐上升趋于中性，产甲烷菌的活动力增强［６］，这也表现为25d后累积产气量持续升高，此阶段，pH值的大小与累积产气量成正相关。

２.３初始pH值对CH4含量的影响

沼气是以甲烷为主的一种混合型可燃气体［７］，当厌氧发酵过程稳定时，沼气的主要成分是CH4和CO2，还有少量的H2、O2等气体［８］，该实验用气相色谱法分析沼气中CH4含量的百分含量变化。

由图５显示，纵向分析：随着厌氧消化反应过程的进行，各个体系中的CH4含量均有增加的现象，且变化趋势相似，从45d开始，CH4含量趋于稳定阶段，这与图１中pH值的稳定阶段基本重合，表明体系中pH值的稳定对CH4含量有重要作用；横向分析：数据显示，当pH=7.5时，甲烷含量最高达83.72%，最低3.98%，平均含量53.65%，当pH=7.25和7.75时，甲烷的平均含量次之（52.83%，52.45%），与其他初始pH值条件下相比，略有优势。

２.４发酵前后发酵液成分的变化

通过测定不同初始pH值条件下发酵液发酵前后物料的TS和VS变化情况，可以大致确定发酵液中有机成分的降解程度，从底物的消耗的角度上，定性的来评价初始pH值的变化对于厌氧发酵过程产气的影响，发酵前后发酵液中TS和VS的量，结果见表２。表２发酵前后发酵液TS和VS的值

初始

参考文献

［１］赵洪，邓攻成，等.pH值对沼气产生量的影响［Ｊ］．安徽农业科学，2008（06）.

［２］王永泽，邵明胜，等.pH值对水稻秸秆厌氧发酵产沼气的影响［Ｊ］．安徽农业科学，2009（31）.

［３］施安辉，刘尔尊.生物工程处理醋糟无废物技术的探讨［Ｊ］．中国酿造，1996（06）.

［４］刘瑞光，马海乐，等.初始pH值对醋糟厌氧发酵产氢的影响［Ｊ］．中国酿造，2009（02）.

［５］刘存芳.城市有机垃圾厌氧消化pH控制动力学研究［Ｊ］．农业工程学报，2009（06）.

［６］何光设，蒋恩臣，等.厌氧发酵过程中pH值的数学模型研究［Ｊ］．太阳能学报，2008（01）.

［７］赵明星，严群，等.pH值调控对厨余物厌氧发酵产沼气的影响［Ｊ］．生物加工过程，2008（07）.

［８］李东，袁振宏，等.生活有机垃圾厌氧发酵联产氢气和甲烷［Ｊ］．农业工程学报，2009（06）.