便攜式紅外線(xiàn)氣體分析系統(tǒng)在厭氧堆肥過(guò)程中的應(yīng)用

　　摘要：為了更好地利用厭氧處理產(chǎn)生的氣體，本文在介紹模擬厭氧堆肥實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用便攜式紅外分析系統(tǒng)對(duì)厭氧堆肥過(guò)程中產(chǎn)氣狀況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在厭氧堆肥開(kāi)始階段，甲烷產(chǎn)率只有7.8%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于32.8%的二氧化碳產(chǎn)率；而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，甲烷產(chǎn)率逐漸高于二氧化碳產(chǎn)率，并于第90d左右時(shí)達(dá)到zui高值42.0%；此后二氧化碳及甲烷產(chǎn)率都逐漸降低，但甲烷產(chǎn)率始終高于二氧化碳產(chǎn)率。
　　
　　1、概述
　　
　　目前推廣的垃圾處理方法主要有三種：衛(wèi)生填埋、堆肥、和焚燒。隨著城市生活垃圾處理過(guò)程中循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的提出，堆肥法作為城市生活垃圾減量化、資源化、無(wú)害化的一條重要途徑，具有強(qiáng)大的生命力。由于好氧堆肥過(guò)程中需要通入大量的氧氣，需要消耗大量的能源，而厭氧消化不僅不需要消耗大量的能源，而且還能收集沼氣作為清潔能源。因此從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，是一種理想的處理方法。
　　
　　厭氧堆肥過(guò)程中產(chǎn)氣量是一個(gè)很重要的指標(biāo)，為了更好地利用厭氧處理產(chǎn)生的氣體，本研究利用便攜式紅外分析系統(tǒng)對(duì)生活垃圾厭氧堆肥產(chǎn)氣進(jìn)行了分析。在研究分析中發(fā)現(xiàn)，生活垃圾厭氧堆肥產(chǎn)氣中，甲烷產(chǎn)率并不是一開(kāi)始就高于二氧化碳產(chǎn)率，而是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，才在某一時(shí)間后高于二氧化碳產(chǎn)率的。本文在介紹模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，著重對(duì)厭氧堆肥產(chǎn)甲烷的基本特性進(jìn)行了研究。
　　
　　2、實(shí)驗(yàn)部分
　　
　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料
　　
　　生活垃圾來(lái)自武漢市華中科技大學(xué)生活區(qū)垃圾點(diǎn)，其基本組成見(jiàn)表1　　
　　2.2 實(shí)驗(yàn)裝置
　　
　　模擬實(shí)驗(yàn)裝置為圓柱型，直徑600mm，高1200mm，外包保溫棉用于保溫。其底部設(shè)滲濾液收集口；頂部?jī)蓚€(gè)開(kāi)口，一個(gè)連真空泵抽真空，另一個(gè)用于測(cè)產(chǎn)氣率；側(cè)壁設(shè)左右兩個(gè)開(kāi)口，一個(gè)插溫度計(jì)測(cè)溫度，另一個(gè)用于取樣。反應(yīng)裝置如圖1所示。　　
　　2.3 實(shí)驗(yàn)儀器
　　
　　本實(shí)驗(yàn)中使用的主要儀器為北京市華云分析儀器研究所生產(chǎn)的9000D型便攜式4組分紅外線(xiàn)分析系統(tǒng)。
　　
　　9000D型便攜式4組分紅外線(xiàn)分析系統(tǒng)是為測(cè)量垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生的CO、CO2、CH4和O2而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。分取樣系統(tǒng)和主機(jī)兩部分。測(cè)量時(shí)將取樣探頭從厭氧堆肥裝置頂部伸入內(nèi)部過(guò)半處，由取樣器中的抽氣泵將被測(cè)氣體抽入取樣器，經(jīng)濾塵、冷凝、流量調(diào)節(jié)后送入主機(jī)進(jìn)行分析，由主機(jī)面板的四個(gè)三位半LCD液晶顯示器直接將濃度值顯示出來(lái)，響應(yīng)速度快，數(shù)值準(zhǔn)確并且能進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)工作。主機(jī)中CO、CO2、CH4用不分光紅外法，O2用電化學(xué)法，其中CO的光學(xué)部件采用了氣體濾波相關(guān)技術(shù)。該系統(tǒng)的氣體分析流程圖見(jiàn)圖2。該氣體分析系統(tǒng)解決了以往氣袋取樣分析獲得數(shù)據(jù)較慢、容易產(chǎn)生傳遞誤差和二次污染等缺點(diǎn)，是一種精度高、性能可靠的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。　　　　
　　2.4 實(shí)驗(yàn)方法
　　
　　首先對(duì)收集來(lái)的生活垃圾進(jìn)行人工分選，將其中的塑料、玻璃、金屬等不能降解的物質(zhì)剔除；然后用四分法采樣，將500kg垃圾裝入?yún)捬醵逊恃b置；由于測(cè)定混合垃圾含水率為30%，所以人工加水至含水率為45%后，加蓋密封；試驗(yàn)期間，對(duì)堆肥過(guò)程中甲烷及二氧化碳產(chǎn)率利用紅外線(xiàn)分析系統(tǒng)測(cè)定。
　　
　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
　　
　　實(shí)驗(yàn)垃圾裝入?yún)捬醵逊恃b置時(shí)，初期屬好氧環(huán)境，隨著分子氧、SO42-和NO3-的消耗及人工抽真空，裝置內(nèi)開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)所必需的厭氧狀態(tài)，開(kāi)始產(chǎn)生甲烷及二氧化碳。第15d開(kāi)始用紅外線(xiàn)分析系統(tǒng)測(cè)定裝置內(nèi)的甲烷及二氧化碳產(chǎn)率，此后每隔15測(cè)一次，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

　　　　
　　從表2可以看出，厭氧堆肥過(guò)程所產(chǎn)生的氣體中，二氧化碳產(chǎn)率是隨著時(shí)間而降低的，而甲烷產(chǎn)率是先升高后降低的。在試驗(yàn)開(kāi)始階段，甲烷產(chǎn)率只有7.8%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于32.8%的二氧化碳產(chǎn)率；隨著時(shí)間的推移，甲烷產(chǎn)率逐漸升高，二氧化碳產(chǎn)率逐漸降低，直到反應(yīng)進(jìn)行到70d左右時(shí)，甲烷產(chǎn)率才逐漸高于二氧化碳產(chǎn)率，并于第90d左右時(shí)達(dá)到zui高值42.0%；此后二氧化碳及甲烷產(chǎn)率都逐漸降低，但甲烷產(chǎn)率始終高于二氧化碳產(chǎn)率。這是由于厭氧消化過(guò)程先經(jīng)過(guò)水解酸化階段，而后才能進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。垃圾堆肥罐開(kāi)始產(chǎn)甲烷后，甲烷菌隨時(shí)間推移迅速繁衍，甲烷產(chǎn)率逐漸增加。當(dāng)產(chǎn)甲烷速率上升到一定水平后，垃圾中可降解部分因發(fā)生水解、產(chǎn)甲烷反應(yīng)而逐漸減少，水解產(chǎn)物越來(lái)越少，因而甲烷產(chǎn)率也隨時(shí)間逐漸減少。到180d時(shí)，垃圾堆肥罐的產(chǎn)甲烷率僅有13.4%。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)的同一個(gè)階段，溫度越高，甲烷產(chǎn)率越大。
　　
　　另外在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用該系統(tǒng)測(cè)得CO產(chǎn)量甚微，可能與該系統(tǒng)對(duì)CO設(shè)置的量程偏大有關(guān)。
　　
　　3、結(jié)論
　　
　　實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)厭氧堆肥過(guò)程進(jìn)行約
　　
　　1個(gè)月的時(shí)候，CO2產(chǎn)率達(dá)到zui高值34.7%，進(jìn)行到約三個(gè)月的時(shí)候，CH4產(chǎn)率達(dá)到zui高值42.0%，此后CH4產(chǎn)率一直高于CO2產(chǎn)率并直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
　　
　　（2）厭氧堆肥不僅可以較好的回收能源，而且還能獲得有機(jī)肥，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益還是環(huán)境效益的角度來(lái)看，都是一種值得提倡的方法。
　　
　　（3）便攜式紅外分析系統(tǒng)為厭氧過(guò)程中氣體的日常監(jiān)測(cè)甚至是在線(xiàn)監(jiān)測(cè)提供了一種精度高、性能可靠的手段。