CN107145725A - 一种分析餐厨垃圾厌氧消化产甲烷能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分析餐厨垃圾厌氧消化产甲烷能力的方法，属于有机固体废弃物处理技术领域。本发明采用特征辅助策略分析餐厨垃圾厌氧消化过程，并基于餐厨垃圾本身特性建立了相关模型，该模型能够很好地模拟和预测餐厨垃圾产甲烷过程。本发明提供的评估餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的动力学模型能够根据餐厨垃圾的淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素含量评估其产甲烷的过程及最大产甲烷量，以动力学模型评估的餐厨垃圾甲烷产量理论值与实际产量的相对误差可达0.14％，评估结果准确。

Description

一种分析餐厨垃圾厌氧消化产甲烷能力的方法

技术领域

本发明涉及一种分析餐厨垃圾厌氧消化产甲烷能力的方法，属于有机固体废弃物处理技术领域。

背景技术

餐厨垃圾的主要成分是糖类、蛋白质类、脂肪类和纤维素类物质，因为地域、季节和饮食习惯的不同，餐厨垃圾中各组分的含量可能有很大差别，其产甲烷性能也存在差异。另外，各组分的产甲烷特性相对稳定，可以通过测定某一实际餐厨垃圾中各组分的含量来模拟和预测其产甲烷特性。尽管有些文献报道了关于餐厨垃圾及其组分的产气研究，但是鲜有关于各组分对餐厨垃圾产气的影响以及相关模型的研究报道。

为获得有机物的产甲烷潜力，传统方法是进行产甲烷潜力实验，但是该实验耗时较长，通常需要30-60天。而采用数学模型可以快速获得产甲烷潜力的结果，比如Buswell公式，它根据底物的化学特性计算理论的产甲烷量，然而该类模型不能提供有关底物降解的动力学信息。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种评估餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的动力学模型，包括(a)，(b)，(c)，(d)，(e)；

(a)，y(t)＝8.66+1.63×B₁×P₁(t)+1.01×B₂×P₂(t)+1.16×B₃×P₃(t)+1.3×B₄×P₄(t)；

(b)P₁(t)＝496.94×(1-e^-0.147×t)；

(c)P₂(t)＝422.06×(1-e^-0.122×t)；

(d)P₃(t)＝431.25×(1-e^-0.178×t)；

(e)

P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)、P₄(t)分别表示淀粉、纤维素、蛋白质和脂肪在t时刻的产气量；y(t)表示t时刻餐厨垃圾的产甲烷量；B_i(i＝1,2,3,4)分别表示餐厨垃圾中淀粉、蛋白质、纤维素和脂肪的百分含量；e为自然对数；t为消化反应时间。

本发明的第二个目的是提供一种评估餐厨垃圾产甲烷能力的方法，所述方法是应用所述动力学模型，根据餐厨垃圾中淀粉、蛋白质、脂肪和纤维素的百分含量，代入所述动力学模型中，计算餐厨垃圾产甲烷量随时间的变化以及最大的甲烷产量。

在本发明的一种实施方式中，所述餐厨垃圾TS为20～30％，VS为20～25％，淀粉含量为20～40％，蛋白质含量为15～25％，脂肪含量为15～25％，纤维素含量为15～30％。

在本发明的一种实施方式中，所述餐厨垃圾TS为24.13％，VS为22.60％，淀粉含量为31.87g/gTS，蛋白质含量为21.02g/gTS，脂肪含量为17.56g/gTS，纤维素含量为23.21g/gTS。

在本发明的一种实施方式中，所述餐厨垃圾TS为25.95g/gTS，VS为24.46g/gTS，淀粉含量为35.61g/gTS，蛋白质含量为18.72g/gTS，脂肪含量为19.11g/gTS，纤维素含量为20.82g/gTS。

本发明的第三个目的是提供一种产甲烷的方法，所述方法是应用所述动力学模型，根据餐厨垃圾中淀粉、蛋白质、脂肪和纤维素的百分含量，代入所述动力学模型中，计算餐厨垃圾产甲烷量为最大甲烷产量80～100％所需的发酵时间，并在35～37℃下发酵相应时间。

在本发明的一种实施方式中，所述方法接种污泥进行厌氧发酵；所述污泥的性质为TS13～18％，VS 11～16％。

在本发明的一种实施方式中，所述方法接种污泥进行厌氧发酵；所述污泥的性质为TS16.21％，VS 14.22％。

在一种实施方式中，所述厌氧消化是在37℃下进行。

在一种实施方式中，所述接种物/底物的TS比为2.66，含固率为8.06％，初始pH为8.87。

在一种实施方式中，所述调节含固率是用水调节；调整pH是用NaOH溶液和/或HCl溶液调节。

在一种实施方式中，所述发酵在产甲烷潜力测试系统(AMPTSⅡ)中进行。

在一种实施方式中，所述底物量为8gTS，所述底物为米饭、肉和蔬菜。

本发明还提供所述动力学模型在降解餐厨垃圾方面的应用。

有益效果：本发明提供的评估餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的动力学模型能够根据餐厨垃圾的淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素含量评估其产甲烷的过程及最大产甲烷量，以动力学模型评估的餐厨垃圾甲烷产量理论值与实际产量的相对误差可达0.14％，评估结果准确。

附图说明

图1为淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素等特征组分的产气及拟合情况；

图2为餐厨垃圾各组分反应速率情况；

图3为餐厨垃圾各组分含量及产气情况；

图4为模拟餐厨垃圾产气及拟合情况；

图5为实际餐厨垃圾产气及拟合情况。

具体实施方式

实验装置采用全自动甲烷潜力分析系统(AMPTS)，接种TS 16.21％，VS 14.22％的污泥进行厌氧发酵；接种物与底物的TS比为2.66，用水调节含固率为8±1％，调节初始pH为8。0～9.0；反应温度为37℃，气体体积由AMPTS v5.0软件统计。淀粉、蛋白质、脂类、纤维素含量分别采用GB 5009.9-2016，GB50095-2010，GB5009.6-85,GBT5009.10-2003文件中的方法进行测定。

表1为不同组分底物的组分及组成情况，共分为两组：一组为特征物质实验，分别以米饭(R1)、豆腐(R2)、肥肉(R3)和青菜(R4)为底物进行厌氧消化反应；另一组以餐厨垃圾为特征物质，分别以两种来源的实际餐厨垃圾(R5、R6)和三种模拟餐厨垃圾(R7、R8、R9)为底物进行厌氧消化反应。其中，餐厨垃圾R5的淀粉含量为31.87g/gTS，蛋白质含量为21.02g/gTS，脂肪含量为17.56g/gTS，纤维素含量为23.21g/gTS；餐厨垃圾R6的淀粉含量为35.61g/gTS，蛋白质含量为18.72g/gTS，脂肪含量为19.11g/gTS，纤维素含量为20.82g/gTS。

表1不同组分底物的组分及组成情况

用修正Gompertz模型或一级动力学模型对特征物质原料的累积产气情况的拟合结果。

P(t)＝P×(1-exp(-k×t)) (1)

以上式子中P(t)-t时刻累积甲烷产量，mL/gTS；P-最大甲烷产量，mL/gTS；R_m-最大产甲烷速率，mL/gTS/d；e-自然对数，为2.718；λ-延滞期；t-消化反应时间；k-一级底物降解速率。

此外，对甲烷产量而言，用一级动力学常数描述反应速率。

实施例1

表2、表3分别为修正Gompertz模型和一级动力学模型对不同特征物质原料的累积产气情况的拟合结果。

表2修正Gompertz模型参数

表3一级动力学模型参数

由修正Gompertz模型和一级动力学模型拟合，淀粉、纤维素、蛋白质和脂肪的累积产气情况可分别用如下式子表示：

P₁(t)＝496.94×(1-e^-0.147×t) (3)；

P₂(t)＝422.06×(1-e^-0.122×t) (4)；

P₃(t)＝431.25×(1-e^-0.178×t) (5)；

式中P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)、P₄(t)分别表示淀粉、纤维素、蛋白质和脂肪在t时刻的产气量。

图1为特征物质累积产气及对应模型的拟合情况，各特征物质用相应的模型拟合效果很好，所有的R²均在0.99以上。厌氧反应22天后，淀粉、纤维素、蛋白质和脂肪的实际累积产量分别是467.44mL/gTS、383.91mL/gTS、424.53mL/gTS、334.57mL/gTS，采用式3～6预测甲烷量分别为477.36mL/gTS、392.60mL/gTS、422.66mL/gTS、338.52mL/gTS，相对误差分别为2.12％、2.26％、0.44％、1.18％，预测最大的甲烷潜力分别为496.94mL/gTS、422.06mL/gTS、431.25mL/gTS、410.28mL/gTS，生物降解能力分别为94.06％、90.97％、98.44％、81.55％。

实施例2

图2为各组原料的水解速率k值和最终的累积甲烷产量。由图2可知，模拟餐厨垃圾的累积甲烷产量明显高于各特征物质的累积甲烷产量。R8的累积产甲烷量为535.69mL/gTS，比R7和R9的累积产甲烷量分别提高5.21％和2.51％，同时，与R7和R9相比，R8具有更高的k值，为0.129。餐厨垃圾的累积产甲烷能力在500-540mL/gTS范围内，而特征物质的累积产甲烷量在330-470mL/gTS范围内，餐厨垃圾的产甲烷量明显高于特征物质的产甲烷量。由图2还可以发现，虽然餐厨垃圾的产甲烷量比特征物质高，但是，动力学常数并不都高于特征物质，有些甚至低于特征物质，模拟餐厨垃圾的动力学常数在0.1～0.13之间，低于米饭和豆腐的k值，而实际餐厨垃圾的k值为0.168和0.189。实际餐厨垃圾的产甲烷量和模拟餐厨垃圾的产甲烷量差别不大。

实施例3

将餐厨垃圾的组分分为碳水化合物、蛋白质和脂肪三类，随着碳水化合物的含量增加，餐厨垃圾的产甲烷量增加，但当碳水化合物的含量达到70％时，随着碳水化合物含量的增加，餐厨垃圾的产甲烷量反而降低。当脂肪的含量低于30％时，餐厨垃圾的产甲烷量与脂肪含量呈正比，而超过30％时，餐厨垃圾的产甲烷量与脂肪含量呈反比。碳水化合物的含量为50％-70％，蛋白质的含量为25％-50％，脂肪在20％-30％时，餐厨垃圾的产甲烷量较高。

实施例4

将3组自制餐厨垃圾t时刻的产甲烷数据与对应餐厨垃圾中各组分理论产甲烷量数据，共3×23＝69组数据进行主效应相关性分析得到，米饭、豆腐、肥肉、青菜的理论产甲烷量与餐厨垃圾的产甲烷量的Pearson相关性值分别为0.925、0.922、0.846、0.902，说明它们与餐厨垃圾的产甲烷量呈强相关性。因此，使用方程式(7)进行多元线性回归方程拟合分析，得到相应参数如表4所示。

y(t)＝A₀+A₁×B₁×P₁(t)+A₂×B₂×P₂(t)+A₃×B₃×P₃(t)+A₄×B₄×P₄(t) (7)

其中，y(t)-t时刻餐厨垃圾的产甲烷量；A_i-多元线性回归系数；B_i-餐厨垃圾中淀粉、蛋白质、纤维素和脂肪的百分含量；P_i(t)-t时刻淀粉、蛋白质、纤维素和脂肪的产甲烷量；

表4多元线性回归系数及拟合参数

由表4可知，模型拟合参数R²为0.99≈1，P值为0.0000<0.01，说明根据餐厨垃圾中淀粉、蛋白质、纤维素和脂肪的含量能够很好的预测餐厨垃圾的产气情况，预测表达式如方程式(8)所示。

y(t)＝8.66+1.63×B₁×P₁(t)+1.01×B₂×P₂(t)+1.16×B₃×P₃(t)+1.3×B₄×P₄(t) (8)

图4为模拟餐厨垃圾和实际餐厨垃圾的累积产气及用方程式(8)的拟合情况。由图4可知，方程式(8)可以很好地描述模拟餐厨垃圾的产甲烷过程。

采用方程式(8)对实际餐厨垃圾的产气情况进行拟合，与实际产气情况进行比对，结果如图5所示，方程式(8)可以很好地描述实际餐厨垃圾的产甲烷过程，两种实际餐厨垃圾的拟合R²分别为0.950和0.951，22天后餐厨垃圾A和餐厨垃圾B的累积产甲烷量分别为527.47mL/gTS和522.1mL/gTS，方程(8)拟合值分别为528.22mL/gTS和545.29mL/gTS，相对误差分别为0.14％和4.44％。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种分析餐厨垃圾产甲烷能力的方法，其特征在于，根据餐厨垃圾中淀粉、蛋白质、脂肪和纤维素的百分含量，代入动力学模型中，计算餐厨垃圾产甲烷量随时间的变化和/或最大的甲烷产量；所述动力学模型包括包括(a)，(b)，(c)，(d)，(e)；

(a)，y(t)＝8.66+1.63×B₁×P₁(t)+1.01×B₂×P₂(t)+1.16×B₃×P₃(t)+1.3×B₄×P₄(t)；

(b)，P₁(t)＝496.94×(1-e^-0.147×t)；

(c)，P₂(t)＝422.06×(1-e^-0.122×t)；

(d)，P₃(t)＝431.25×(1-e^-0.178×t)；

(e)，

P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)、P₄(t)分别表示淀粉、纤维素、蛋白质和脂肪在t时刻的产气量；y(t)表示t时刻餐厨垃圾的产甲烷量；B₁、B₂、B₃、B₄、分别表示餐厨垃圾中淀粉、蛋白质、纤维素和脂肪的百分含量；e为自然对数；t为消化反应时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述餐厨垃圾TS为20～30％，VS为20～25％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按质量百分比计，淀粉含量为20～40％，蛋白质含量为15～25％，脂肪含量为15～25％，纤维素含量为15～30％。

4.一种产甲烷的方法，其特征在于，测定餐厨垃圾中淀粉、蛋白质、脂肪和纤维素的百分含量，代入权利要求1所述的动力学模型中，计算产甲烷量为最大甲烷产量80～100％所需的时间，并在35～37℃厌氧发酵相应时间。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法接种污泥进行厌氧发酵；所述污泥的TS为13～18％，VS为11～16％。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，接种物与底物的TS比为2.5～2.8，含固率为6～10％。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，调节pH为6～9。

8.一种分析餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的动力学模型，其特征在于，包括(a)，(b)，(c)，(d)，(e)；

(a)，y(t)＝8.66+1.63×B₁×P₁(t)+1.01×B₂×P₂(t)+1.16×B₃×P₃(t)+1.3×B₄×P₄(t)；

(b)，P₁(t)＝496.94×(1-e^-0.147×t)；

(c)，P₂(t)＝422.06×(1-e^-0.122×t)；

(d)，P₃(t)＝431.25×(1-e^-0.178×t)；

(e)，

P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)、P₄(t)分别表示淀粉、纤维素、蛋白质和脂肪在t时刻的产气量；y(t)表示t时刻餐厨垃圾的产甲烷量；B₁、B₂、B₃、B₄、分别表示餐厨垃圾中淀粉、蛋白质、纤维素和脂肪的百分含量；e为自然对数；t为消化反应时间。

9.权利要求8所述的动力学模型在降解餐厨垃圾方面的应用。