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廚餘何處去?與豬糞尿共醱酵產甲烷

2019-12-17

張家銘 專案經理

逢甲大學綠能科技暨生技產業發展研究中心


台灣近5年之平均廚餘產量達每年近202萬噸,當中僅約75萬噸回收使用,於此37%回收之廚餘中,六成供養豬業餵養豬隻,其餘三成則用於堆肥。因非洲豬瘟疫情,廚餘養豬議題再次受到討論,每日近1,000噸廚餘若不供養豬,勢必需發展因應之處理方式,目前提出五種替代方式,其優缺點彙整如下:

1.堆肥場
將原本僅占三成之堆肥方式用餘處理全部廚餘,目前全台共計69做堆肥場,每日可處理4,160噸,但堆肥廠製程耗時,堆肥空間需求大且易產生異味。
2.掩埋場
以垃圾掩沒方式處理,處理量大,但目前掩埋場之容量皆已接近飽和。
3.焚化廠
以垃圾焚燒方式處理,每日可處理900噸,但此法為最下策,因廚餘高含水量與高含鹽分,焚燒會影響焚化爐壽命,且可能產生戴奧辛。
4.化製廠
透過再製程將廚餘製成肥料或飼料使用,但目前僅雲林與屏東具足量之化製廠進行廚餘處理,且製程過程亦有空氣污染與臭味之問題仍無法解決。
5.生質能廠
將廚餘做為生質燃料進行發電,於台北、桃園、台中、台南、高雄及宜蘭規劃各建置一座生質能廠,每日共可處理800噸廚餘,但目前僅台中建置完成。

 

廚餘與豬糞尿共醱酵產甲烷流程示意圖

 

逢甲大學團隊以豬糞尿與廚餘混合進行甲烷潛能測試,經反應後之結果顯示二者之混合比例對於酸化產氫或進入甲烷化階段有所影響,當廚餘與豬糞尿比例相同時,產出之氣體以氫氣為主,隨廚餘所占比例降低,氫氣比例亦隨之降低,甲烷累積產量則隨之增加;對應至pH值隨時間變化趨勢,廚餘與豬糞尿比例相同時, pH值於反應開始20小時後已降至約5.5,該pH值已抑制甲烷生成;廚餘所占比例降低後之pH值則皆穩定維持7.0,故其可有較高之甲烷量產出。

進一步引進廚餘前處理技術,分別以澱粉分解酵素、纖維分解酵素及脂質分解酵素,以2-24小時進行酵素水解前處理後之廚餘再與豬糞尿進行共醱酵之甲烷潛能測試,並以未經前處理之廚餘與豬糞尿共醱酵及純豬糞尿醱酵作為對照組。甲烷潛能測試結果顯示,以脂質分解酵素進行水解前處理者,經12小時之水解反應後,其甲烷產率可達近320 ml/g VS,相較於未經酵素水解前處理者之甲烷產量提升2倍。水質分析結果則顯示,添加三種酵素進行前處理後與豬糞尿共醱酵之起始還原醣濃度隨前處理時間增加而有增加之趨勢,經反應後,還原醣幾近可被完全代謝降解。各條件之pH值可控制中性範圍,則於反應前後皆無顯著變化。短鏈有機酸分析之結果顯示,純豬糞尿中含揮發性脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸),並無測得乳酸;添加廚餘共醱酵者,無論是否經前處理,皆有相當高之乳酸含量,但於反應代謝後,乳酸幾可被完全代謝分解。揮發性脂肪酸部分,無論是否添加廚餘,於反應後則略有增加。

 

  二種前處理方式與豬糞尿共醱酵反應前後之短鏈有機酸濃度變化

   (a)廚餘未經前處理

 

(b)廚餘以酵素進行水解前處理

 

(c)廚餘以廚餘合宜之菌欉進行兼氧水解前處理

 

同時亦以廚餘自身所富含之微生物菌欉於兼氧條件下進行水解反應,同以2-24小時進行前處理,經前處理後之廚餘再與豬糞尿共醱酵進行甲烷潛能測試,操作皆與以酵素水解前處理者相同,經甲烷潛能測試之結果顯示,廚餘經兼氧水解之堆肥處理後與豬糞尿共醱酵之甲烷產量與前處理時間成正相關,於8小時達最大值(245 ml/g VS)。後隨處理時間增加,甲烷產量則維持在240-245 ml/g VS。顯示廚餘自身所含帶之菌欉進行兼氧堆肥前處理時間為8小時即可有其最大產甲烷效益。由水質分析之結果顯示,經共醱酵反應代謝後,還原醣幾近可被完全降解;pH值於醱酵前後無顯著差異。短鏈有機酸分析之結果顯示,與採用酵素水解前處理者相同,共醱酵反應前亦含大量乳酸,且於反應後幾近代謝降解,揮發性脂肪酸部分亦皆於反應後有略為增加。

為能驗證操作條件之再現性,再次蒐集二種不同來源之廚餘,於相同操作條件下同時進行。結果顯示,添加脂質分解酵素進行酵素水解前處理者,無論廚餘來源,經與豬糞尿共醱酵後,其甲烷產量皆能較未處理者增加56-66%;以廚餘熱篩後自身所含帶之菌欉堆肥進行兼氧水解前處理者,於二種廚餘來源表現上,應受二種廚餘來源之組成與菌欉特性影響,致甲烷產能有所較為顯著之差異,亦及穩定性不佳,顯示若要採用堆肥前處理,合宜之菌叢開發與培養應需進一步探討。

 

不同廚餘來源經相同前處理後與豬糞尿共醱酵甲烷隨時間累積圖

(a)便當店廚餘

 

(b)校園廚餘

 

對比多數研究之甲烷多達30天(或以上),逢甲大學團隊之研究成果顯示,經脂質分解酵素前處理12小時或以廚餘合宜之菌欉進行兼氧堆肥8小時處理後者,僅需7天共醱酵反應時間,甲烷產量已接近(或超過)多數文獻(180-387 ml/g VS),Neves等人(2008)之研究指出,將廚餘以脂質分解酵素處理後,理論上需耗時14.8天,使產出沼氣之甲烷含量達50%;逢甲大學團隊研究之結果,將未經前處理之廚餘與豬糞尿共醱酵僅需7天,甲烷占沼氣比例即可達50%,若以脂質分解酵素進行酵素水解前處理,其比例可達55%,以廚餘合宜之菌欉進行兼氧堆肥方式前處理者,甲烷比例則可達近60%。由Karthikeyan 與Visvanathan(2013)之研究,經脂質分解酵素處理之廚餘,其理論甲烷潛能可達1014 Nm3/tonne VS,而對照逢甲大學團隊以脂質分解酵素處理廚餘後與豬糞尿共醱酵之甲烷潛能僅近320 Nm3/ton VS,顯示於甲烷潛能上尚有進一步優化之空間。

廚餘經前處理後與豬糞尿共醱酵於實驗室規模有其發展性,放大至實場規模之設備可於現有之養豬場架設,相較於集中式生質能廠具其可行性,建製時間與成本亦較少,是為解決現有以廚餘養豬業者廚餘問題可參考之方法,值得進一步深思、開發及優化。

 

逢甲大學團隊研究結果與文獻比較
(Ref. 1: Garcia et al., 2011;Ref. 2: Jeoh et al., 2007;Ref. 3: Velmurugan and Ramanujam, 2011;Ref. 4: Li et al., 2009;Ref. 5: Zhai et al., 2015;Ref. 6: Tian et al., 2015;Ref. 7:馬等,2015)

 


參考資料

  • Detman A, Mielecki D, Pleśniak Ł, Bucha M, Janiga M, Matyasik I, Chojnacka A, Jędrysek MO, Błaszczyk MK, Sikora A. (2018). Methane-yielding microbial communities processing lactate-rich substrates: a piece of the anaerobic digestion puzzle. Biotechnol Biofuels. Vol. 11. pp.116.
  • Li R, Chen S, Li X, Saifullah Lar J, He Y, Zhu B. (2009). Anaerobic codigestion of kitchenwaste with cattle manure for biogas production. Energy Fuels. Vol.23. pp.2225–8.
  • Lin L., Xu F., Ge X. and Li Y. (2018). Improving the sustainability of organic waste management practices in the food-energy-water nexus: A comparative review of anaerobic digestion and composting. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 89 pp. 151–167.
  • Mottet, A., Steyer, Garcia-Peña E, Parameswaran P, Kang D, Canul-Chan M, Krajmalnik-Brown R. (2011) Anaerobic digestion and co-digestion processes of vegetable and fruit residues: process and microbial ecology. Bioresour Technol. Vol.102. pp.9447–55.
  • Ren Y., Yu M., Wu C., Wang Q., Gao M., Huang Q. (2018) A comprehensive review on food waste anaerobic digestion: Research updates and tendencies. Bioresource Technology. Vol. 247. pp.1069–1076
  • Tian H., Duan N., Lin C., Li X., and Zhong M. (2015). Anaerobic co-digestion of kitchen waste and pig manure with different mixing ratios. Journal of Bioscience and Bioengineering. Vol. 120 No. 1. pp.51-57
  • Velmurugan B and Ramanujam RA. (2011). Anaerobic digestion of vegetable wastes for biogas production in a fed-batch reactor. Int J Emerg Sci. Vol.1. pp.478–86.
  • Zhai N, Zhang T, Yin D, Yang G, Wang X, Ren G, et al. (2015). Effect of initial pH on anaerobic co-digestion of kitchen waste and cow manure. Waste Manag. Vol.38. pp.126–31.
  • 馬強,劉研萍,袁海榮,鄒德勛,朱保寧,李秀金 (2015),生活垃圾快速好氧醱酵預處理及其對厭氧消化影響的動力學研究,中國沼氣,Vol. 33(1),pp. 7-12。
  • The News Lens關健評論 全台1000公噸廚餘拉警報:不能餵豬,送去這「5個地方」有救嗎?黃筱歡,游承穎(2019/01/18)