餐廚垃圾與污泥聯(lián)合兩步厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸階段條件優(yōu)化試驗_龔詠梅_

1、第30卷第4期2011年4月環(huán)境化學ENVIRONMENTAL CHEMISTRYVol30，No4April 20112010年4月27日收稿*重慶市科技攻關計劃項目(CSTC ，2008AC7013 及西南大學資源環(huán)境學院“光炯創(chuàng)新基金”2008年資助通訊聯(lián)系人，E-mail :zxlswueducn餐廚垃圾與污泥聯(lián)合兩步厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸階段條件優(yōu)化試驗*龔詠梅1木曉麗1趙秀蘭1，2(1西南大學資源環(huán)境學院，重慶市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究重點實驗室，重慶，400716; 2教育部三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境研究重點實驗室，重慶，400715摘要以污水處理廠活性污泥為接種物，以餐廚垃圾為發(fā)酵底物進行兩步厭氧發(fā)酵產(chǎn)

2、氣試驗，考察了產(chǎn)酸階段初始pH 值、溫度及發(fā)酵物的預處理方法對兩步發(fā)酵產(chǎn)氣的影響結果表明，產(chǎn)酸階段的初始pH 值以50最佳，氣體的累計產(chǎn)氣量最大，為1369mL g 1TVS ，產(chǎn)酸階段的溫度以65 最佳，產(chǎn)氣的累計產(chǎn)氣量最大，為7435mL g 1TVS熱預處理的累計產(chǎn)氣量高于酸處理、堿處理，為17238mL g 1TVS ，分別是酸預處理和堿預處理的185倍及165倍關鍵詞兩步厭氧發(fā)酵，城市污泥，餐廚垃圾餐廚垃圾包括家庭、食堂及餐飲行業(yè)等產(chǎn)生的食物加工下腳料(廚余 和食物殘余(又稱泔腳 1由于其含水率和有機物含量較高，餐廚垃圾在存放、收集、轉運過程中極易在較短時間內(nèi)腐爛發(fā)臭和滋生蚊蠅等，不

3、但給人們帶來了感官上的刺激，還極大地污染了周圍環(huán)境我國城市餐廚垃圾年產(chǎn)生量超過6000萬噸，產(chǎn)生量龐大，對其處理尤為迫切另一方面，餐廚垃圾含有高濃度的生物可降解有機化合物，在城市固體垃圾中是具有優(yōu)勢的可再生資源2，而厭氧發(fā)酵過程是從有機垃圾中高效再生能量的技術之一，是簡單有效地減少和穩(wěn)定有機垃圾的生物技術手段3采用厭氧發(fā)酵工藝對其進行處理，不僅能減輕餐廚垃圾對環(huán)境的危害，還可產(chǎn)生人類需要的能源，是餐廚垃圾處理的理想方法4厭氧消化分為水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)酸及產(chǎn)甲烷4個階段，所謂兩步厭氧發(fā)酵工藝(又稱兩相厭氧發(fā)酵工藝 ，是將前2個階段作為產(chǎn)酸過程，后2個階段作為產(chǎn)氣過程，在2個獨立的處理單元中各自形

4、成產(chǎn)酸發(fā)酵微生物和產(chǎn)氣發(fā)酵微生物的最佳生態(tài)條件，產(chǎn)酸菌在第一個單元中將底物諸如碳水化合物轉化為氫氣、二氧化碳和揮發(fā)性脂肪酸，氣體被排出后揮發(fā)性脂肪酸(VFAs 進入第二個單元，進一步被產(chǎn)甲烷菌轉化為甲烷和二氧化碳5，使兩單元分別發(fā)揮最大的代謝能力，避免了傳統(tǒng)的單項厭氧發(fā)酵工藝中微生物之間和代謝產(chǎn)物對微生物的抑制作用，從而使整個工藝達到最好的處理效果6該工藝自問世以來，已廣泛應用于釀酒、制糖、淀粉加工、飲料生產(chǎn)和造紙等工業(yè)廢水的處理7，在生物制能，特別是有機物的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣方面也進行了研究與實踐Ahlem 8等使用奶酪乳清作為發(fā)酵底物進行兩步發(fā)酵試驗，氣體產(chǎn)生量超過反應器容積10倍，其中甲烷含量

5、高于70%鄭明霞9等以蔬菜廢物作為發(fā)酵底物進行兩步批式厭氧消化產(chǎn)氣實驗，結果表明，采用兩步批式厭氧發(fā)酵工藝，蔬菜廢棄物產(chǎn)氣量是常規(guī)批式厭氧發(fā)酵工藝的9倍，最高甲烷體積分數(shù)可達839%可見兩步厭氧發(fā)酵工藝有利于提高容積負荷率，減小反應器容積，增加運行穩(wěn)定性7本研究利用污水處理廠脫水污泥與餐廚垃圾聯(lián)合進行兩步發(fā)酵，考察了產(chǎn)酸階段初始pH 值、溫度及預處理對產(chǎn)氣的影響，為餐廚垃圾及污泥資源化處理提供技術支撐1材料與方法11菌種制備產(chǎn)酸階段接種物:取重慶市某污水處理廠經(jīng)機械脫水的活性污泥泥餅，過125mm 篩除大顆粒雜質(zhì)產(chǎn)氣階段接種物:取上述菌種置于水浴鍋內(nèi)于100 加熱15min 后獲得12試驗材料

6、餐廚垃圾取自西南大學楠園學生食堂，剔除其中的骨頭等硬物后用食物粉碎機將其粉碎至2mm 左右活性污泥取自重慶市某污水處理廠的脫水污泥，去除大顆粒雜質(zhì)餐廚垃圾與污泥的基本特性如表1所示餐廚垃圾和活性污泥按7030 的比例混合，作為產(chǎn)酸階段發(fā)酵物表1餐廚垃圾與污泥基本特性(%Table 1The basic characteristics of food residue and sewage sludge工業(yè)分析(重量 含水率揮發(fā)性固體灰分元素分析(干基C N P 餐廚垃圾7297762623744385155034污泥855948235177407656904913試驗裝置及方法131試驗裝置試驗

7、裝置如圖1所示，主要由發(fā)酵瓶、集氣瓶、量筒和恒溫箱等部分組成采用1000mL 廣口瓶作為發(fā)酵瓶，用鉆有輸氣孔的橡膠塞封口，使用玻璃導管和橡膠軟管導氣集氣瓶與發(fā)酵瓶構成相同，后接1000mL 量筒構成集氣裝置工作過程為:發(fā)酵物與接種物混合后裝入裝置1中進行產(chǎn)酸階段發(fā)酵，產(chǎn)酸穩(wěn)定后將上清液(酸液 傾倒入裝置2，置于恒溫箱中進行產(chǎn)氣階段發(fā)酵發(fā)酵產(chǎn)生的氣體經(jīng)導氣管輸入集氣瓶，通過將飽和食鹽水排入量筒進行體積計量 圖1試驗裝置示意圖Fig1Schematic132實驗方法(1 產(chǎn)酸階段不同初始pH 值對兩步厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響在裝置1中分別加入100g 產(chǎn)酸階段發(fā)酵物，用去離子水稀釋至500mL ，調(diào)節(jié)發(fā)

8、酵液初始pH 值分別為50、60、70、80，用氮氣吹脫1min 后在室溫厭氧條件下進行水解酸化根據(jù)類似研究4，9，酸化階段穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)上清液pH 值至70，將酸液轉入裝置2中，并與20g 接種物充分攪拌混合，用氮氣吹脫1min ，在350 恒溫遮光厭氧環(huán)境下進行發(fā)酵產(chǎn)氣，其間不斷晃動發(fā)酵瓶使酸液與接種物充分混合，并定時測定產(chǎn)氣體積(2 產(chǎn)酸階段不同反應溫度對兩步厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響調(diào)節(jié)裝置1產(chǎn)酸階段發(fā)酵物初始pH 值為50(為上一試驗中獲得的最適pH 值 ，置于25 、35 、65 恒溫水浴中，在厭氧條件下進行酸化，其余操作同上(3 不同預處理方法對兩步厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響預處理方法設酸處理、堿

9、處理和熱處理三種酸處理即將廚余垃圾和活性污泥在pH 值為50的條件下浸泡24h ; 堿處理即將廚余垃圾和活性污泥在pH 值為90的條件下浸泡24h ; 熱處理即將廚余垃圾和活性污泥在60 的條件下用去離子水浸泡24h將經(jīng)過預處理的廚余垃圾和污泥按7030 的比例混合作為產(chǎn)酸階段發(fā)酵物裝入發(fā)酵裝置1，調(diào)節(jié)初始pH 值為50，置于65 (溫度影響試驗中獲得的最適溫度 水浴中，于厭氧環(huán)境下進行酸化其余操作同上14分析方法總固體(TS 、揮發(fā)性固體(VS 和含水率分別按照城市生活垃圾采樣和物理分析方法(CJ /T303995 、城市污水處理廠污泥檢驗方法(CJ /T2212005 ，以烘干法測定; p

10、H 值采用PHS-3C 型酸度計測定; 氣體體積采用排飽和食鹽水法收集氣體，測量排出水體積確定產(chǎn)氣體積; COD 使用重鉻酸鉀法測定; VFA 濃度使用蒸餾法測定; 還原糖濃度使用DNS 法測定2結果與討論21產(chǎn)酸階段不同初始pH 值對兩步發(fā)酵產(chǎn)氣的影響根據(jù)末端代謝產(chǎn)物可將發(fā)酵過程的代謝類型分為丁酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、乙醇發(fā)酵和混合酸發(fā)酵等10，初始pH 是影響厭氧發(fā)酵過程最重要的因素之一，可通過調(diào)控厭氧發(fā)酵污泥中微生物的種群比例及微生物體內(nèi)的代謝途徑而影響發(fā)酵代謝類型此外pH 值還使發(fā)酵產(chǎn)物以不同形態(tài)存在，形成不同程度的產(chǎn)物抑制效應，影響水解酸化階段產(chǎn)物的產(chǎn)量和組成11不同初始pH 值條件下酸化

11、階段發(fā)酵液pH 值及COD 變化情況如圖2所示酸化階段發(fā)酵液pH 值在前12h 迅速降低，24h 到36h 時又有升高的趨勢，COD 的變化趨勢與pH 值趨于一致，說明酸化階段在發(fā)酵開始12h 內(nèi)，發(fā)酵底物中的大分子物質(zhì)經(jīng)過水解生成易溶于水的小分子物質(zhì)，隨著水解過程的進行，產(chǎn)生大量VFA 和乙醇等酸化產(chǎn)物，而24h 到36h 之間可能由于存在優(yōu)勢菌種的轉換，導致反應體系中的部分酸被消耗，更加準確的轉折時間有待于進一步的試驗研究酸化階段最終pH 值都呈酸性，數(shù)值差異不明顯，但有隨著初始pH 值的增加而提高的趨勢 圖2不同初始pH 條件，發(fā)酵液pH 值和COD 的變化Fig2pH and COD

12、change in the acidification phase with different initral pH values由于產(chǎn)氣階段是微生物利用酸化階段產(chǎn)生的VFA (包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸等 產(chǎn)生生物氣體的過程，酸化階段產(chǎn)物類型、組成比例及產(chǎn)生量直接關系到下一階段的產(chǎn)氣量本試驗對酸化階段穩(wěn)定后各系統(tǒng)VFA 產(chǎn)生量進行了測定，結果如圖3所示產(chǎn)酸階段初始pH 值為50的系統(tǒng)VFA 產(chǎn)量最高，其次是初始pH 值為80的系統(tǒng)，而初始pH 值偏中性(60、70 的系統(tǒng)VFA 產(chǎn)量反而不高，說明偏酸和偏堿的初始環(huán)境較利于產(chǎn)酸菌生成代謝產(chǎn)物本研究出現(xiàn)的“中低兩高”現(xiàn)象與聶艷

13、秋12等對酸化發(fā)酵初始pH 值對乙酸產(chǎn)量影響的研究結果一致，說明乙酸發(fā)酵過程可能在本試驗中占優(yōu)勢產(chǎn)酸階段不同初始pH 值條件下產(chǎn)氣階段累計產(chǎn)氣量隨時間的變化如圖4所示在產(chǎn)氣的前9h ，產(chǎn)酸階段初始pH 值為80的系統(tǒng)累計產(chǎn)氣量最高，初始pH 值為50的系統(tǒng)最低，9h 之后，各系統(tǒng)產(chǎn)氣量都不同程度升高，其中初始pH 值為50的產(chǎn)氣量增幅最大產(chǎn)氣80. 5h 后，累計產(chǎn)氣量最高的是初始pH 值為50的系統(tǒng)，產(chǎn)氣量為1369mL g 1TVS ，其次是初始pH 值為80的系統(tǒng)，產(chǎn)氣量為12. 39mL g 1TVS ，初始pH 值為60的系統(tǒng)，產(chǎn)氣量為1096mLg 1TVS ; 產(chǎn)氣量最小的是初始

14、pH 值為70的系統(tǒng)，產(chǎn)氣量僅為993mLg 1TVS累計產(chǎn)氣量的分布與酸化階段穩(wěn)定后VFA 產(chǎn)量分布一致 圖3酸化階段不同初始pH 條件VFA 產(chǎn)生情況Fig3VFA production with different initial pH in the acidificationphase圖4酸化階段初始pH 值對累計產(chǎn)氣量的影響Fig4Effect of initial pH value in the acidification phase on the cumulative gas yield22產(chǎn)酸階段不同溫度對兩步發(fā)酵的影響消化溫度不僅影響甲烷的產(chǎn)生，還影響其含量，在一定范圍內(nèi)氣體

15、的產(chǎn)生量是隨溫度的升高而增加的13一般微生物存在一個最適的溫度范圍，為達到較好的產(chǎn)氣效果，酸化階段與產(chǎn)氣階段的發(fā)酵溫度是不同的在酸化階段控制溫度，將對系統(tǒng)中微生物的生長速率及活性產(chǎn)生影響，從而造成酸化產(chǎn)物種類及組成比例的不同，產(chǎn)氣細菌利用這些酸化產(chǎn)物進行發(fā)酵，最終導致累計產(chǎn)氣量的差異不同溫度條件下酸化階段pH 值及COD 變化情況如圖5所示，從圖5中可看出，恒定的溫度控制使系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，導致pH 值與COD 在36h 內(nèi)持續(xù)下降65 條件下的系統(tǒng)最終pH 值與COD 都明顯高于室溫和中溫條件下系統(tǒng)的最終pH 值劉榮厚14等在對蔬菜廢棄物沼氣發(fā)酵特性的研究中得出，在高溫(55 條件下產(chǎn)酸菌占據(jù)

16、了相對優(yōu)勢，生長旺盛，酸化產(chǎn)生的有機酸消耗較少，系統(tǒng)的pH 值維持在較室溫和中溫(35 更低的水平但本次試驗結果與此不符，可能與本試驗高溫條件的溫度更高，以及發(fā)酵底物的成分差異有關 圖5不同溫度下，酸化階段pH 值和COD 的變化Fig5pH and COD change in the acidification phase at different temperatures酸化階段穩(wěn)定后各系統(tǒng)VFA 產(chǎn)生量如圖6所示酸化階段溫度為65 的系統(tǒng)，VAF 產(chǎn)量高于其它兩系統(tǒng)，且變化比控制酸化階段初始pH 值時更明顯，說明高溫有利于微生物發(fā)酵產(chǎn)生酸性物質(zhì)，且溫度對酸化階段優(yōu)勢微生物的生理活動的影響

17、較初始pH 值大但需注意VAF 的產(chǎn)生情況并不符合最終pH 值的分布，可能與產(chǎn)酸階段末期產(chǎn)氨菌大量活動，蛋白質(zhì)分解和脫氨作用的強烈進行使pH 值上升有關，而高溫條件下氨化菌活性更高，溫度與氨化率基本呈正相關關系，產(chǎn)生的堿性物質(zhì)使系統(tǒng)的緩沖能力增強，在一定程度上消除了VFA 對微生物的抑制作用，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定15產(chǎn)酸階段不同溫度對兩步發(fā)酵累計產(chǎn)氣量的影響如圖7所示產(chǎn)酸階段溫度為25 的系統(tǒng)，產(chǎn)氣啟動時間為21h ，35 的系統(tǒng)產(chǎn)氣啟動時間為10h 左右，而65 的系統(tǒng)在6h 之前已啟動產(chǎn)氣; 從產(chǎn)氣持續(xù)時間來看，25 的系統(tǒng)產(chǎn)氣持續(xù)24h ，35 的系統(tǒng)產(chǎn)氣持續(xù)35h ，而65 的系統(tǒng)產(chǎn)氣持續(xù)了

18、57h ; 從累計產(chǎn)氣量看，3個溫度條件下系統(tǒng)的產(chǎn)氣量分別為1711mL g 1TVS 、1965mL g 1TVS 和74. 35mL g 1TVS表明隨產(chǎn)酸階段溫度的提高，產(chǎn)氣啟動時間變短，持續(xù)時間變長，累計產(chǎn)氣量也隨之明顯增高可見產(chǎn)酸階段溫度的影響較大，高溫(65 能夠更加明顯提高產(chǎn)氣階段累計產(chǎn)氣量但因在實際應用中還要考慮高溫發(fā)酵的熱能消耗和管理成本，故其應用不如中溫發(fā)酵普遍 圖6酸化階段不同溫度條件VFA 產(chǎn)生情況Fig6VFA production at different temperaturs in the acidificationphase圖7酸化階段溫度對累計產(chǎn)氣量的影響F

19、ig7Effect of temperature in the acidification phaseon the cumulative gas yield23發(fā)酵物的不同預處理方式對兩步發(fā)酵的影響預處理可使產(chǎn)酸階段發(fā)酵物中的纖維素、木質(zhì)素等遭到破壞，轉化為易被微生物所利用的有機物，提高發(fā)酵基質(zhì)中還原糖含量，降低COD 濃度，并且還可以去除部分有毒物質(zhì)，減少其對菌種生長的不利影響，提高發(fā)酵物的利用率，從而使產(chǎn)酸發(fā)酵的啟動更加迅速，有利于產(chǎn)生更多的酸化產(chǎn)物用于產(chǎn)氣階段的發(fā)酵16本試驗采用酸處理、堿處理、熱處理3種方法分別處理發(fā)酵物，處理后發(fā)酵物還原糖含量見表23種方法預處理后發(fā)酵物中還原糖含量分

20、別提高至初始含量的1754%、1734%和2412%，以熱處理提高幅度最大，表明熱處理是一種更為有效地預處理方法表2預處理前后發(fā)酵物還原糖含量比較Table 2Comparison of the content of reducing sugar before and after pretreatment酸處理堿處理熱處理初始含量/(gL 1 142173233處理后含量/(gL 1 249300562處理效率/%175417342412發(fā)酵物經(jīng)不同方式預處理后酸化階段pH 值及COD 變化情況如圖8所示各種預處理方法間發(fā)酵液的pH 值在酸化階段的12h 后出現(xiàn)差異，表現(xiàn)為熱處理低于酸處理和堿

21、處理，但酸堿預處理間的差異不大發(fā)酵液的COD 變化則與pH 變化不同，表現(xiàn)為熱處理高于酸堿處理 圖8不同預處理酸化階段pH 值和COD 的變化Fig8pH and COD change in acidification phase after different pretreatment酸化階段穩(wěn)定后反應產(chǎn)生的VFA 如圖9所示，熱處理發(fā)酵液VFA 含量分別高于酸處理與堿處理4期 龔詠梅等: 餐廚垃圾與污泥聯(lián)合兩步厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸階段條件優(yōu)化試驗 861 15 98 mg L 1 和 16 29 mg L 1 這是由于熱處理更為有效地降解了發(fā)酵物中的大分子物質(zhì)， 并且高溫更 好地去除了與產(chǎn)酸菌形成

22、競爭的其它菌種， 或是抑 制 了 它 們 的 生 長， 提 高 了 產(chǎn)酸 菌 活性， 提 高 了 酸化產(chǎn) 物的產(chǎn)量， 這也可能是熱處理酸化階段穩(wěn)定后發(fā)酵液 pH 低于酸堿處理的原因 產(chǎn)酸階段發(fā)酵物不同預處理方法對累計產(chǎn)氣量的影響如圖 10 所示 發(fā)酵物經(jīng)酸處理與 堿 處理 的 系 1 統(tǒng)在 7 0 h 后才 開 始 快 速 產(chǎn) 氣， 產(chǎn) 氣 持 續(xù) 時 間 均 為 84 h， 累 計 產(chǎn) 氣 量 分 別 為 93 03 mLg TVS 和 103 94 mL g 1 TVS， 4 5h 以 后 累 計 產(chǎn) 氣 量 明 顯 增多， 而熱處理的 系 統(tǒng) 產(chǎn) 氣 啟 動 較 快， 累計產(chǎn)氣量為 1

23、172 38 mL g TVS， 產(chǎn)氣開始 91 h 后繼續(xù)產(chǎn)氣 335 mL， 而此時發(fā)酵物經(jīng)酸處理與堿處理的系統(tǒng)已停止 產(chǎn)氣 最終累計產(chǎn)氣量大小順序為熱處理 堿處理 酸 處理 由 此 可 知， 熱處理發(fā)酵 物 得到了 最 佳 的產(chǎn) 氣效果， 這主要是因 為 相 對 于 其 它 兩 種 預 處理， 熱處理 使 產(chǎn)酸 階段 得到了 更 多 的 可 用 于 產(chǎn) 氣 的 物 質(zhì) ( 圖 9 圖9 發(fā)酵物不同預處理方法各系統(tǒng) VFA 產(chǎn)生情況 VFA production with different pretreatment methods of substrate 圖 10 Fig 10 發(fā)酵物

24、預處理對累計產(chǎn)氣量的影響 Effect of pretreated sewage in acidification phase on the cumulative gas yield Fig 9 3 結論 產(chǎn)酸階段 的 初 始 pH 值 對 后 續(xù) 產(chǎn) 氣 階段有 顯 著 影響， 初 始 pH 值為 5 0 時， 累 計 產(chǎn) 氣 量 最 大， 為 1 13. 69 mL g TVS， 是產(chǎn)酸階段最佳初始 pH 值 g 1 產(chǎn)酸階段的溫度對后續(xù)產(chǎn)氣階段也有顯著影響， 溫度為 65 時， 累計產(chǎn)氣量最 大， 為 74 35 mL TVS， 是產(chǎn)酸階段最佳溫度 g 1 TVS， 發(fā)酵物經(jīng)熱處理 得到

25、 的 累 計 產(chǎn) 氣 量 高 于 酸 處理、 堿 處理， 為 172 38 mL 是 酸 處理 的 1 85 倍， 是堿處理的 1 65 倍 從產(chǎn)氣量看， 最佳的聯(lián)合兩步發(fā)酵產(chǎn)氣條件應為熱處理發(fā)酵物， 產(chǎn)酸階段初始 pH 值為 5 0 ， 溫 度為 1 65 ， g TVS 累計產(chǎn)氣量為 172 38 mL 參 考 文 獻 1 袁玉玉，曹先艷，牛東杰，等 廚余垃圾特性及處理技術 J 環(huán)境衛(wèi)生工程， 2006 ， 12 ( 6 : 46-49 2 Wang H T，Nie Y F Municipal solid waste characteristics and management J Air

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