餐厨垃圾与污泥联合两步厌氧发酵产酸阶段条件优化试验_龚咏梅_

1、第30卷第4期2011年4月环境化学ENVIRONMENTAL CHEMISTRYVol30，No4April 20112010年4月27日收稿*重庆市科技攻关计划项目(CSTC ，2008AC7013 及西南大学资源环境学院“光炯创新基金”2008年资助通讯联系人，E-mail :zxlswueducn餐厨垃圾与污泥联合两步厌氧发酵产酸阶段条件优化试验*龚咏梅1木晓丽1赵秀兰1，2(1西南大学资源环境学院，重庆市农业资源与环境研究重点实验室，重庆，400716; 2教育部三峡库区生态环境研究重点实验室，重庆，400715摘要以污水处理厂活性污泥为接种物，以餐厨垃圾为发酵底物进行两步厌氧发酵产

2、气试验，考察了产酸阶段初始pH 值、温度及发酵物的预处理方法对两步发酵产气的影响结果表明，产酸阶段的初始pH 值以50最佳，气体的累计产气量最大，为1369mL g 1TVS ，产酸阶段的温度以65 最佳，产气的累计产气量最大，为7435mL g 1TVS热预处理的累计产气量高于酸处理、碱处理，为17238mL g 1TVS ，分别是酸预处理和碱预处理的185倍及165倍关键词两步厌氧发酵，城市污泥，餐厨垃圾餐厨垃圾包括家庭、食堂及餐饮行业等产生的食物加工下脚料(厨余 和食物残余(又称泔脚 1由于其含水率和有机物含量较高，餐厨垃圾在存放、收集、转运过程中极易在较短时间内腐烂发臭和滋生蚊蝇等，不

3、但给人们带来了感官上的刺激，还极大地污染了周围环境我国城市餐厨垃圾年产生量超过6000万吨，产生量庞大，对其处理尤为迫切另一方面，餐厨垃圾含有高浓度的生物可降解有机化合物，在城市固体垃圾中是具有优势的可再生资源2，而厌氧发酵过程是从有机垃圾中高效再生能量的技术之一，是简单有效地减少和稳定有机垃圾的生物技术手段3采用厌氧发酵工艺对其进行处理，不仅能减轻餐厨垃圾对环境的危害，还可产生人类需要的能源，是餐厨垃圾处理的理想方法4厌氧消化分为水解、酸化、产氢产酸及产甲烷4个阶段，所谓两步厌氧发酵工艺(又称两相厌氧发酵工艺 ，是将前2个阶段作为产酸过程，后2个阶段作为产气过程，在2个独立的处理单元中各自形

4、成产酸发酵微生物和产气发酵微生物的最佳生态条件，产酸菌在第一个单元中将底物诸如碳水化合物转化为氢气、二氧化碳和挥发性脂肪酸，气体被排出后挥发性脂肪酸(VFAs 进入第二个单元，进一步被产甲烷菌转化为甲烷和二氧化碳5，使两单元分别发挥最大的代谢能力，避免了传统的单项厌氧发酵工艺中微生物之间和代谢产物对微生物的抑制作用，从而使整个工艺达到最好的处理效果6该工艺自问世以来，已广泛应用于酿酒、制糖、淀粉加工、饮料生产和造纸等工业废水的处理7，在生物制能，特别是有机物的厌氧发酵产气方面也进行了研究与实践Ahlem 8等使用奶酪乳清作为发酵底物进行两步发酵试验，气体产生量超过反应器容积10倍，其中甲烷含量

5、高于70%郑明霞9等以蔬菜废物作为发酵底物进行两步批式厌氧消化产气实验，结果表明，采用两步批式厌氧发酵工艺，蔬菜废弃物产气量是常规批式厌氧发酵工艺的9倍，最高甲烷体积分数可达839%可见两步厌氧发酵工艺有利于提高容积负荷率，减小反应器容积，增加运行稳定性7本研究利用污水处理厂脱水污泥与餐厨垃圾联合进行两步发酵，考察了产酸阶段初始pH 值、温度及预处理对产气的影响，为餐厨垃圾及污泥资源化处理提供技术支撑1材料与方法11菌种制备产酸阶段接种物:取重庆市某污水处理厂经机械脱水的活性污泥泥饼，过125mm 筛除大颗粒杂质产气阶段接种物:取上述菌种置于水浴锅内于100 加热15min 后获得12试验材料

6、餐厨垃圾取自西南大学楠园学生食堂，剔除其中的骨头等硬物后用食物粉碎机将其粉碎至2mm 左右活性污泥取自重庆市某污水处理厂的脱水污泥，去除大颗粒杂质餐厨垃圾与污泥的基本特性如表1所示餐厨垃圾和活性污泥按7030 的比例混合，作为产酸阶段发酵物表1餐厨垃圾与污泥基本特性(%Table 1The basic characteristics of food residue and sewage sludge工业分析(重量 含水率挥发性固体灰分元素分析(干基C N P 餐厨垃圾7297762623744385155034污泥855948235177407656904913试验装置及方法131试验装置试验

7、装置如图1所示，主要由发酵瓶、集气瓶、量筒和恒温箱等部分组成采用1000mL 广口瓶作为发酵瓶，用钻有输气孔的橡胶塞封口，使用玻璃导管和橡胶软管导气集气瓶与发酵瓶构成相同，后接1000mL 量筒构成集气装置工作过程为:发酵物与接种物混合后装入装置1中进行产酸阶段发酵，产酸稳定后将上清液(酸液 倾倒入装置2，置于恒温箱中进行产气阶段发酵发酵产生的气体经导气管输入集气瓶，通过将饱和食盐水排入量筒进行体积计量 图1试验装置示意图Fig1Schematic132实验方法(1 产酸阶段不同初始pH 值对两步厌氧发酵产气的影响在装置1中分别加入100g 产酸阶段发酵物，用去离子水稀释至500mL ，调节发

8、酵液初始pH 值分别为50、60、70、80，用氮气吹脱1min 后在室温厌氧条件下进行水解酸化根据类似研究4，9，酸化阶段稳定后，调节上清液pH 值至70，将酸液转入装置2中，并与20g 接种物充分搅拌混合，用氮气吹脱1min ，在350 恒温遮光厌氧环境下进行发酵产气，其间不断晃动发酵瓶使酸液与接种物充分混合，并定时测定产气体积(2 产酸阶段不同反应温度对两步厌氧发酵产气的影响调节装置1产酸阶段发酵物初始pH 值为50(为上一试验中获得的最适pH 值 ，置于25 、35 、65 恒温水浴中，在厌氧条件下进行酸化，其余操作同上(3 不同预处理方法对两步厌氧发酵产气的影响预处理方法设酸处理、碱

9、处理和热处理三种酸处理即将厨余垃圾和活性污泥在pH 值为50的条件下浸泡24h ; 碱处理即将厨余垃圾和活性污泥在pH 值为90的条件下浸泡24h ; 热处理即将厨余垃圾和活性污泥在60 的条件下用去离子水浸泡24h将经过预处理的厨余垃圾和污泥按7030 的比例混合作为产酸阶段发酵物装入发酵装置1，调节初始pH 值为50，置于65 (温度影响试验中获得的最适温度 水浴中，于厌氧环境下进行酸化其余操作同上14分析方法总固体(TS 、挥发性固体(VS 和含水率分别按照城市生活垃圾采样和物理分析方法(CJ /T303995 、城市污水处理厂污泥检验方法(CJ /T2212005 ，以烘干法测定; p

10、H 值采用PHS-3C 型酸度计测定; 气体体积采用排饱和食盐水法收集气体，测量排出水体积确定产气体积; COD 使用重铬酸钾法测定; VFA 浓度使用蒸馏法测定; 还原糖浓度使用DNS 法测定2结果与讨论21产酸阶段不同初始pH 值对两步发酵产气的影响根据末端代谢产物可将发酵过程的代谢类型分为丁酸发酵、丙酸发酵、乙醇发酵和混合酸发酵等10，初始pH 是影响厌氧发酵过程最重要的因素之一，可通过调控厌氧发酵污泥中微生物的种群比例及微生物体内的代谢途径而影响发酵代谢类型此外pH 值还使发酵产物以不同形态存在，形成不同程度的产物抑制效应，影响水解酸化阶段产物的产量和组成11不同初始pH 值条件下酸化

11、阶段发酵液pH 值及COD 变化情况如图2所示酸化阶段发酵液pH 值在前12h 迅速降低，24h 到36h 时又有升高的趋势，COD 的变化趋势与pH 值趋于一致，说明酸化阶段在发酵开始12h 内，发酵底物中的大分子物质经过水解生成易溶于水的小分子物质，随着水解过程的进行，产生大量VFA 和乙醇等酸化产物，而24h 到36h 之间可能由于存在优势菌种的转换，导致反应体系中的部分酸被消耗，更加准确的转折时间有待于进一步的试验研究酸化阶段最终pH 值都呈酸性，数值差异不明显，但有随着初始pH 值的增加而提高的趋势 图2不同初始pH 条件，发酵液pH 值和COD 的变化Fig2pH and COD

12、change in the acidification phase with different initral pH values由于产气阶段是微生物利用酸化阶段产生的VFA (包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸等 产生生物气体的过程，酸化阶段产物类型、组成比例及产生量直接关系到下一阶段的产气量本试验对酸化阶段稳定后各系统VFA 产生量进行了测定，结果如图3所示产酸阶段初始pH 值为50的系统VFA 产量最高，其次是初始pH 值为80的系统，而初始pH 值偏中性(60、70 的系统VFA 产量反而不高，说明偏酸和偏碱的初始环境较利于产酸菌生成代谢产物本研究出现的“中低两高”现象与聂艳

13、秋12等对酸化发酵初始pH 值对乙酸产量影响的研究结果一致，说明乙酸发酵过程可能在本试验中占优势产酸阶段不同初始pH 值条件下产气阶段累计产气量随时间的变化如图4所示在产气的前9h ，产酸阶段初始pH 值为80的系统累计产气量最高，初始pH 值为50的系统最低，9h 之后，各系统产气量都不同程度升高，其中初始pH 值为50的产气量增幅最大产气80. 5h 后，累计产气量最高的是初始pH 值为50的系统，产气量为1369mL g 1TVS ，其次是初始pH 值为80的系统，产气量为12. 39mL g 1TVS ，初始pH 值为60的系统，产气量为1096mLg 1TVS ; 产气量最小的是初始

14、pH 值为70的系统，产气量仅为993mLg 1TVS累计产气量的分布与酸化阶段稳定后VFA 产量分布一致 图3酸化阶段不同初始pH 条件VFA 产生情况Fig3VFA production with different initial pH in the acidificationphase图4酸化阶段初始pH 值对累计产气量的影响Fig4Effect of initial pH value in the acidification phase on the cumulative gas yield22产酸阶段不同温度对两步发酵的影响消化温度不仅影响甲烷的产生，还影响其含量，在一定范围内气体

15、的产生量是随温度的升高而增加的13一般微生物存在一个最适的温度范围，为达到较好的产气效果，酸化阶段与产气阶段的发酵温度是不同的在酸化阶段控制温度，将对系统中微生物的生长速率及活性产生影响，从而造成酸化产物种类及组成比例的不同，产气细菌利用这些酸化产物进行发酵，最终导致累计产气量的差异不同温度条件下酸化阶段pH 值及COD 变化情况如图5所示，从图5中可看出，恒定的温度控制使系统稳定性增加，导致pH 值与COD 在36h 内持续下降65 条件下的系统最终pH 值与COD 都明显高于室温和中温条件下系统的最终pH 值刘荣厚14等在对蔬菜废弃物沼气发酵特性的研究中得出，在高温(55 条件下产酸菌占据

16、了相对优势，生长旺盛，酸化产生的有机酸消耗较少，系统的pH 值维持在较室温和中温(35 更低的水平但本次试验结果与此不符，可能与本试验高温条件的温度更高，以及发酵底物的成分差异有关 图5不同温度下，酸化阶段pH 值和COD 的变化Fig5pH and COD change in the acidification phase at different temperatures酸化阶段稳定后各系统VFA 产生量如图6所示酸化阶段温度为65 的系统，VAF 产量高于其它两系统，且变化比控制酸化阶段初始pH 值时更明显，说明高温有利于微生物发酵产生酸性物质，且温度对酸化阶段优势微生物的生理活动的影响

17、较初始pH 值大但需注意VAF 的产生情况并不符合最终pH 值的分布，可能与产酸阶段末期产氨菌大量活动，蛋白质分解和脱氨作用的强烈进行使pH 值上升有关，而高温条件下氨化菌活性更高，温度与氨化率基本呈正相关关系，产生的碱性物质使系统的缓冲能力增强，在一定程度上消除了VFA 对微生物的抑制作用，使系统更加稳定15产酸阶段不同温度对两步发酵累计产气量的影响如图7所示产酸阶段温度为25 的系统，产气启动时间为21h ，35 的系统产气启动时间为10h 左右，而65 的系统在6h 之前已启动产气; 从产气持续时间来看，25 的系统产气持续24h ，35 的系统产气持续35h ，而65 的系统产气持续了

18、57h ; 从累计产气量看，3个温度条件下系统的产气量分别为1711mL g 1TVS 、1965mL g 1TVS 和74. 35mL g 1TVS表明随产酸阶段温度的提高，产气启动时间变短，持续时间变长，累计产气量也随之明显增高可见产酸阶段温度的影响较大，高温(65 能够更加明显提高产气阶段累计产气量但因在实际应用中还要考虑高温发酵的热能消耗和管理成本，故其应用不如中温发酵普遍 图6酸化阶段不同温度条件VFA 产生情况Fig6VFA production at different temperaturs in the acidificationphase图7酸化阶段温度对累计产气量的影响F

19、ig7Effect of temperature in the acidification phaseon the cumulative gas yield23发酵物的不同预处理方式对两步发酵的影响预处理可使产酸阶段发酵物中的纤维素、木质素等遭到破坏，转化为易被微生物所利用的有机物，提高发酵基质中还原糖含量，降低COD 浓度，并且还可以去除部分有毒物质，减少其对菌种生长的不利影响，提高发酵物的利用率，从而使产酸发酵的启动更加迅速，有利于产生更多的酸化产物用于产气阶段的发酵16本试验采用酸处理、碱处理、热处理3种方法分别处理发酵物，处理后发酵物还原糖含量见表23种方法预处理后发酵物中还原糖含量分

20、别提高至初始含量的1754%、1734%和2412%，以热处理提高幅度最大，表明热处理是一种更为有效地预处理方法表2预处理前后发酵物还原糖含量比较Table 2Comparison of the content of reducing sugar before and after pretreatment酸处理碱处理热处理初始含量/(gL 1 142173233处理后含量/(gL 1 249300562处理效率/%175417342412发酵物经不同方式预处理后酸化阶段pH 值及COD 变化情况如图8所示各种预处理方法间发酵液的pH 值在酸化阶段的12h 后出现差异，表现为热处理低于酸处理和碱

21、处理，但酸碱预处理间的差异不大发酵液的COD 变化则与pH 变化不同，表现为热处理高于酸碱处理 图8不同预处理酸化阶段pH 值和COD 的变化Fig8pH and COD change in acidification phase after different pretreatment酸化阶段稳定后反应产生的VFA 如图9所示，热处理发酵液VFA 含量分别高于酸处理与碱处理4期 龚咏梅等: 餐厨垃圾与污泥联合两步厌氧发酵产酸阶段条件优化试验 861 15 98 mg L 1 和 16 29 mg L 1 这是由于热处理更为有效地降解了发酵物中的大分子物质， 并且高温更 好地去除了与产酸菌形成

22、竞争的其它菌种， 或是抑 制 了 它 们 的 生 长， 提 高 了 产酸 菌 活性， 提 高 了 酸化产 物的产量， 这也可能是热处理酸化阶段稳定后发酵液 pH 低于酸碱处理的原因 产酸阶段发酵物不同预处理方法对累计产气量的影响如图 10 所示 发酵物经酸处理与 碱 处理 的 系 1 统在 7 0 h 后才 开 始 快 速 产 气， 产 气 持 续 时 间 均 为 84 h， 累 计 产 气 量 分 别 为 93 03 mLg TVS 和 103 94 mL g 1 TVS， 4 5h 以 后 累 计 产 气 量 明 显 增多， 而热处理的 系 统 产 气 启 动 较 快， 累计产气量为 1

23、172 38 mL g TVS， 产气开始 91 h 后继续产气 335 mL， 而此时发酵物经酸处理与碱处理的系统已停止 产气 最终累计产气量大小顺序为热处理 碱处理 酸 处理 由 此 可 知， 热处理发酵 物 得到了 最 佳 的产 气效果， 这主要是因 为 相 对 于 其 它 两 种 预 处理， 热处理 使 产酸 阶段 得到了 更 多 的 可 用 于 产 气 的 物 质 ( 图 9 图9 发酵物不同预处理方法各系统 VFA 产生情况 VFA production with different pretreatment methods of substrate 图 10 Fig 10 发酵物

24、预处理对累计产气量的影响 Effect of pretreated sewage in acidification phase on the cumulative gas yield Fig 9 3 结论 产酸阶段 的 初 始 pH 值 对 后 续 产 气 阶段有 显 著 影响， 初 始 pH 值为 5 0 时， 累 计 产 气 量 最 大， 为 1 13. 69 mL g TVS， 是产酸阶段最佳初始 pH 值 g 1 产酸阶段的温度对后续产气阶段也有显著影响， 温度为 65 时， 累计产气量最 大， 为 74 35 mL TVS， 是产酸阶段最佳温度 g 1 TVS， 发酵物经热处理 得到

25、 的 累 计 产 气 量 高 于 酸 处理、 碱 处理， 为 172 38 mL 是 酸 处理 的 1 85 倍， 是碱处理的 1 65 倍 从产气量看， 最佳的联合两步发酵产气条件应为热处理发酵物， 产酸阶段初始 pH 值为 5 0 ， 温 度为 1 65 ， g TVS 累计产气量为 172 38 mL 参 考 文 献 1 袁玉玉，曹先艳，牛东杰，等 厨余垃圾特性及处理技术 J 环境卫生工程， 2006 ， 12 ( 6 : 46-49 2 Wang H T，Nie Y F Municipal solid waste characteristics and management J Air

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