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

第30卷第4期2011年4月环境化学ENVIRONMENTALCHEMISTRYVol．30，No．4April20112010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:[e-mail]．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5．0最佳，气体的累计产气量最大，为13．69mL·g－1TVS，产酸阶段的温度以65℃最佳，产气的累计产气量最大，为74．35mL·g－1TVS．热预处理的累计产气量高于酸处理、碱处理，为172．38mL·g－1TVS，分别是酸预处理和碱预处理的1．85倍及1．65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83．9%．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1．1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1．25mm筛除大颗粒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857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．1．2试验材料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70∶30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(%)Table1Thebasiccharacteristicsoffoodresidueandsewagesludge工业分析(重量)含水率挥发性固体灰分元素分析(干基)CNP餐厨垃圾72．9776．2623．7443．851．550．34污泥85．5948．2351．7740．765．690．491．3试验装置及方法1．3．1试验装置试验装置如图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Fig．1Schematic1．3．2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，调节发酵液初始pH值分别为5．0、6．0、7．0、8．0，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7．0，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35．0℃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5．0(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5．0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9．0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70∶30的比例混合作为产酸阶段发酵物装入发酵装置1，调节初858环境化学30卷始pH值为5．0，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．1．4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/T3039—95)、《城市污水处理厂污泥检验方法》(CJ/T221—2005)，以烘干法测定;pH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2．1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Fig．2pHandCODchangeintheacidificationphasewithdifferentinitralpHvalues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5．0的系统VFA产量最高，其次是初始pH值为8．0的系统，而初始pH值偏中性(6．0、7．0)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8．0的系统累计产气量最高，初始pH值为5．0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5．0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5．0的系统，产气量为13．69mL·g－1TVS，其次是初始pH值为8．0的系统，产气量为12.39mL·g－1TVS，初始pH值为6．0的系统，产气量为10．96mL·g－1TVS;产气量最小的是初始pH值为7．0的系统，产气量仅为9．93mL·g－1TVS．累计产气量的分布与酸化阶段稳定后VFA产量分布一致．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859图3酸化阶段不同初始pH条件VFA产生情况Fig．3VFAproductionwithdifferentinitialpHintheacidificationphase图4酸化阶段初始pH值对累计产气量的影响Fig．4EffectofinitialpHvalueintheacidificationphaseonthecumulativegasyield2．2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Fig．5pHandCODchangeintheacidificationphaseatdifferenttemperatures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