底物濃度對(duì)餐廚廢棄物與牛糞混合產(chǎn)氫發(fā)酵的影響

李文哲，殷麗麗，王明，劉爽，劉丹，李晶宇

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

底物濃度對(duì)餐廚廢棄物與牛糞混合產(chǎn)氫發(fā)酵的影響

李文哲，殷麗麗，王明，劉爽，劉丹，李晶宇

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

文章探討餐廚廢棄物與牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫時(shí)，底物濃度對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫率的影響，以餐廚廢棄物與牛糞1∶1（TS/TS）混合作為厭氧發(fā)酵底物，在溫度為（35±1）℃條件下，進(jìn)行批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫試驗(yàn)。考查底物濃度對(duì)餐廚廢棄物與牛糞混合產(chǎn)氫發(fā)酵時(shí)揮發(fā)性固體產(chǎn)氫率、pH、液相末端產(chǎn)物等影響。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?0 g·L-1時(shí)，揮發(fā)性固體產(chǎn)氫率達(dá)到最大值為31.05 mL·g-1，累積產(chǎn)氫量為672 mL，此時(shí)揮發(fā)性固體去除率最大為29.34%。厭氧發(fā)酵體系pH在5.48～5.81范圍內(nèi)，乙酸和丁酸為主要的液相末端產(chǎn)物，可用作后續(xù)產(chǎn)甲烷厭氧發(fā)酵底物。

氫氣；牛糞；餐廚廢棄物；厭氧發(fā)酵

餐廚廢棄物為城市有機(jī)生活垃圾的主要組成成分，其富含碳水化合物，同時(shí)含有蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、無(wú)機(jī)鹽和少量氮、磷、鉀、鈣、鈉、鎂、鐵等微量元素，易于降解，是一種理想的厭氧發(fā)酵原料[1-3]。利用厭氧發(fā)酵技術(shù)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的減量化、能源化和資源化，是處理餐廚廢棄物和畜禽糞便的有效手段[4-6]。厭氧發(fā)酵過(guò)程在降解有機(jī)廢棄物的同時(shí)還會(huì)伴有大量混合氣體產(chǎn)生，主要有氫氣、甲烷、氮?dú)?、二氧化碳和硫化氫等。其中氫氣和甲烷可作為二次能源。通過(guò)人為調(diào)控的厭氧發(fā)酵技術(shù)可有效產(chǎn)生大量氫氣，但不同于產(chǎn)甲烷發(fā)酵，產(chǎn)氫發(fā)酵對(duì)底物營(yíng)養(yǎng)成分有嚴(yán)格要求，需要淀粉、脂肪和蛋白含量較高而纖維類(lèi)物質(zhì)含量較低的原材料作為產(chǎn)氫發(fā)酵底物，如餐廚廢棄物。餐廚廢棄物不僅作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫底物[7]，而且其流出液可繼續(xù)被用來(lái)進(jìn)行產(chǎn)甲烷發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)原料開(kāi)發(fā)利用最大化。影響餐廚廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫因素有基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)比例、pH、溫度、水力停留時(shí)間和底物濃度等[8-10]。其中，基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)比例和底物濃度是影響產(chǎn)氫發(fā)酵重要因素[11-12]。底物濃度是影響厭氧發(fā)酵的重要因素之一，濃度過(guò)低，不利于微生物繁殖，發(fā)酵體系容積負(fù)荷過(guò)低，減少容積產(chǎn)氣率，降低體系利用率；底物濃度過(guò)高，增大傳質(zhì)阻力，不利于微生物與原料接觸，氨、重金屬、揮發(fā)性有機(jī)酸等抑制物濃度隨之升高，影響厭氧微生物活性。另外，底物濃度過(guò)高會(huì)給攪拌過(guò)程帶來(lái)困難。所以，適宜的底物濃度不僅有助于細(xì)菌活動(dòng)，而且還會(huì)降低物質(zhì)在發(fā)酵液中的傳質(zhì)阻力。本研究以牛糞與餐廚廢棄物按1∶1（TS/TS）混合作為底物，探討不同底物濃度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程影響，以期獲得最大VS產(chǎn)氫率和有效容積產(chǎn)氫率下最佳厭氧發(fā)酵底物濃度。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)所用牛糞取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地。餐廚廢棄物收集于某高校學(xué)生餐廳，主要由饅頭、米飯、蔬菜、肉類(lèi)等組成。取回后，首先挑揀出木牙簽、紙杯、塑料杯（袋）、骨頭等雜物，然后用食物粉碎機(jī)粉碎，裝入塑料瓶中，放入4℃冷柜中保存?zhèn)溆?。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫所用接種物取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)能工程技術(shù)研發(fā)中心的產(chǎn)甲烷反應(yīng)器[反應(yīng)器參數(shù)為：罐體積：500 L；有效容積：400 L；消化底物：牛糞；TS：6%～8%；容積產(chǎn)氣率：1～1.5 m3·d-1；底物VS產(chǎn)甲烷率：180～220 L·kg-1；水力停留時(shí)間：20 d；連續(xù)運(yùn)行100 d以上，運(yùn)行溫度為：（35±1）℃]的流出液，取回后放入4℃冰箱內(nèi)保存待用。本試驗(yàn)所用產(chǎn)氫接種物來(lái)自本試驗(yàn)所用沼液，經(jīng)過(guò)一定預(yù)處理得到。首先將沼液裝入3 L錐形瓶中放入4℃冷柜靜止，1個(gè)星期后取出錐形瓶，將瓶?jī)?nèi)懸浮液傾倒入另一個(gè)錐形瓶中并將原錐形瓶中沉淀物棄去。再將裝有懸浮液的錐形瓶放入100℃沸水浴加熱30 min，其目的是殺滅產(chǎn)甲烷菌，富集產(chǎn)氫細(xì)菌。待錐形瓶冷卻至室溫，放入4℃冷柜中保存?zhèn)溆谩Ｒ陨衔锪侠砘瘏?shù)見(jiàn)表1，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫采用批式試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以500 mL錐形瓶作為反應(yīng)器，有效容積為400 mL，牛糞與餐廚廢棄物按1∶1（TS/TS）混合作為產(chǎn)氫發(fā)酵底物。該試驗(yàn)共設(shè)置10組處理，每組物料配比如表2所示，牛糞和餐廚廢棄物的添加量由3.2 g逐漸增加到32 g，而每組接種物添加量均為80 g，然后用自來(lái)水補(bǔ)齊到工作體積為止。厭氧消化溫度為中溫發(fā)酵，即（35±1）℃，恒溫?fù)u床振蕩頻率為150 r·min-1條件下培養(yǎng)至所有處理組停止產(chǎn)氣為止。每個(gè)處理做3個(gè)平行，結(jié)果取平均值。

1.3 分析方法

TS、VS采用電熱鼓風(fēng)干燥箱、箱式電阻爐，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[13]。

表1 底物及接種物的性質(zhì)Table 1 Characteristics of substrates and inoculum

表2 每個(gè)處理的物料組成Table 2 Composition of each treatment

總固體含量（Total solids，TS）又稱(chēng)為蒸發(fā)總殘留物，主要包括溶解性和不溶性固體，通常是將待測(cè)樣在一定溫度下烘干一段時(shí)間至恒重時(shí)剩余的物質(zhì)即為總固體。揮發(fā)性固體含量（Volatile solids，VS）是指總固體（TS）中能在550℃高溫下充分揮發(fā)的那部分物質(zhì)，而高溫灼燒后的殘余物稱(chēng)為灰分。因此，揮發(fā)性固體（VS）含量等于總固體含量減去灰分。

總固體含量（TS）、揮發(fā)性固體含量（VS）的具體測(cè)定步驟如下：

①將待用的瓷坩堝洗凈后放在馬弗爐中灼燒1 h（600℃），待爐溫降到100℃取出，置于干燥皿中冷卻至室溫并稱(chēng)重，記為m1，單位g，精確到mg。

②將待測(cè)料液加入到已稱(chēng)重的坩堝中，約二分之一處。然后放入電子天平內(nèi)稱(chēng)重，記為m2，單位g，精確到mg。

③將第二步中稱(chēng)完重量獲得的含有樣品的坩堝放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在105℃下干燥至恒重，約為5 h。取出，置于干燥皿中冷卻至室溫并稱(chēng)重，記為m3，單位g，精確到mg。

④將第三步干燥后的坩堝再置于馬弗爐中，在550～600℃下灼燒2 h后，待爐溫降至100℃以下取出，置于干燥皿中冷卻至室溫后稱(chēng)重，記為m4，單位g，精確到mg。

⑤計(jì)算公式為（1）和（2）：

式中，m1-坩堝重量（g）；m2-樣品加坩堝的重量（g）；m3-105℃干燥后樣品加坩堝的重量（g）；m4-550℃干燥后樣品加坩堝的重量（g）。

pH采用實(shí)驗(yàn)室用數(shù)顯酸度計(jì)PHS-3C測(cè)定。氨態(tài)氮（NH4+）采用Foss Kjeltec 2300全自動(dòng)凱式定氮分析儀根據(jù)儀器標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)定。

采用1 L鋁箔集氣袋（大連海得）收集氣體，體積測(cè)定采用排水法。氣體組成成分及含量分析采用GC-6890N（安捷倫，美國(guó)）氣相色譜測(cè)定，裝載TDX-01型填充柱和熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）。色譜條件如下：氬氣作為載氣，其流量設(shè)置為40 mL·min-1；進(jìn)樣口溫度120℃，柱箱溫度170℃，檢測(cè)器溫度220℃。

試驗(yàn)中所得的累計(jì)產(chǎn)氫量和揮發(fā)性固體產(chǎn)氫量計(jì)算公式為（3）和（4）：

式中，VH,i-CH,i試驗(yàn)在i時(shí)刻的混合氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)（%）；Vi-試驗(yàn)i時(shí)刻的混合氣體的體積（mL）；V0-集氣袋的體積（mL）；VH,i-試驗(yàn)在i時(shí)刻得到的累計(jì)產(chǎn)氫量（mL）；VH-試驗(yàn)累計(jì)的產(chǎn)氫量（mL）；VS0-發(fā)酵底物的揮發(fā)性固體含量（g）；V'H-試驗(yàn)所得揮發(fā)性固體產(chǎn)氫量（mL·g-1）。

發(fā)酵液中的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs，包括乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸和異戊酸）以及乙醇含量用GC-6890N（安捷倫，美國(guó)）氣相色譜測(cè)定。此時(shí)色譜儀采用毛細(xì)管柱（Agilent 1909/N-133 HP-INNOWAX Polyethylene Glycol）和氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）。色譜條件如下：氮?dú)庾鳛檩d氣和尾吹氣，載氣采用187 kPa恒壓模式，尾吹氣流量為30 mL·min-1；進(jìn)樣口溫度為220℃，初始爐溫為60℃，開(kāi)始運(yùn)行后以15℃·min-1的速度升至140℃并維持2 min，檢測(cè)器溫度為250℃。整個(gè)測(cè)定時(shí)間為7.33 min。

乳酸采用高效液相色譜測(cè)定（WATERS 600E-2487），采用紫外檢測(cè)器（210 nm）和250 mm×4.6 mm C18色譜柱，以乙腈和磷酸（體積比為2.5∶97.5）為流動(dòng)相。

用于測(cè)定VFA的發(fā)酵液樣品先在5 000 r·min-1下離心10 min，取上清液用25%HPO3以酸液比為1∶10進(jìn)行酸化，然后再于15 000 r·min-1下離心10 min，取上清過(guò)0.45 μm濾膜后，直接進(jìn)樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 底物濃度對(duì)產(chǎn)氫性能的影響

底物濃度對(duì)VS產(chǎn)氫量的影響規(guī)律如圖1所示，VS產(chǎn)氫率是累積產(chǎn)氫量同發(fā)酵開(kāi)始時(shí)所添加揮發(fā)性固體質(zhì)量的比值，反映微生物利用原料產(chǎn)氫的效率。當(dāng)?shù)孜餄舛茸兓秶鸀?0～200 g·L-1時(shí)，其揮發(fā)性固體產(chǎn)氣率分別為18.51、27.01、31、31.05、26.85、19、14.05、7.53、2.65和0.9 mL·g-1。當(dāng)?shù)孜餄舛葟?0 g·L-1增加至60 g·L-1時(shí)，VS產(chǎn)氫量呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。底物濃度為60～80 g·L-1范圍內(nèi)，VS產(chǎn)氫率無(wú)變化，維持在30 mL·g-1。底物濃度增至100 g·L-1以后，VS產(chǎn)氫率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到120 g·L-1時(shí)，VS產(chǎn)氫率明顯降低，預(yù)示此時(shí)底物濃度可能已達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行上限。在底物濃度大于120 g·L-1以后，由圖1可知，底物濃度完全抑制厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵。

底物濃度對(duì)累計(jì)產(chǎn)氫量的影響如圖2所示，過(guò)低或過(guò)高底物濃度的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫體系累計(jì)產(chǎn)氫量很低。當(dāng)?shù)孜餄舛茸兓秶鸀?0～200 g·L-1時(shí)，其累計(jì)產(chǎn)氣量分別為101、294、506、672、733、620、535、327、129和48 mL，當(dāng)?shù)孜餄舛葟?0 g·L-1增加至100 g·L-1時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氫量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。且當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到100 g·L-1時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氫量達(dá)到最大729 mL。當(dāng)?shù)孜餄舛壤^續(xù)升高時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氫量卻急劇下降，到底物濃度為200 g·L時(shí)，幾乎無(wú)氫氣產(chǎn)生。因此當(dāng)?shù)孜餄舛葹?00 g·L時(shí)，體系產(chǎn)氫效率最高。

圖1 底物濃度對(duì)揮發(fā)性固體產(chǎn)氫率的影響Fig.1 Effect of substrate concentration on VS hydrogen production rate

圖2 底物濃度對(duì)累計(jì)產(chǎn)氫量的影響Fig.2 Effect of substrate concentration on accumulative hydrogen yield

由圖2可知，當(dāng)葡萄糖濃度為5 g·L時(shí)，得到最大累積產(chǎn)氫量為3 500 mL·L-1，而萬(wàn)偉等在葡萄糖濃度為25 g·L-1時(shí)獲得的最大累積產(chǎn)氫量為4 268 mL·L-1[14]，這一結(jié)果與湯桂蘭等[15]試驗(yàn)結(jié)果一致。可見(jiàn)對(duì)于混菌發(fā)酵產(chǎn)氫即使都采用單純?cè)希鶕?jù)試驗(yàn)條件不同，產(chǎn)氫性能存在較大差異。雖然本研究得到的累積產(chǎn)氫量略低于湯桂蘭[15]結(jié)果，但由于本研究采用的原料是餐廚廢棄物和牛糞按照相等TS比例混合物，其中牛糞幾乎不含糖，餐廚廢棄物含糖量約為T(mén)S 25%，按照此比例計(jì)算底物濃度80 g·L-1相當(dāng)于10 g·L-1葡萄糖，因此產(chǎn)氫能力與萬(wàn)偉[14]結(jié)果相近。

2.2 底物濃度對(duì)液相產(chǎn)物和pH的影響

在產(chǎn)酸產(chǎn)氫厭氧發(fā)酵過(guò)程中，液相末端產(chǎn)物（乙醇和揮發(fā)性脂肪酸）可為產(chǎn)甲烷相中的產(chǎn)甲烷菌提供新陳代謝的影響物質(zhì)，其組分不同對(duì)產(chǎn)甲烷發(fā)酵的效率有很大影響。因此，對(duì)產(chǎn)氫相流出液的組成成分進(jìn)行考查能夠反映整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的能源化潛力，是厭氧發(fā)酵過(guò)程中重要指標(biāo)[16]。本研究中產(chǎn)氫發(fā)酵的液相代謝產(chǎn)物主要為氨氮、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乳酸。底物濃度對(duì)液相代謝產(chǎn)物產(chǎn)量及分布的影響見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，隨著底物濃度從20 g·L-1提升10倍至200 g·L-1時(shí)，液相代謝產(chǎn)物有機(jī)酸總濃度明顯升高。在本試驗(yàn)的底物濃度范圍內(nèi)，發(fā)酵體系的各種代謝產(chǎn)物的分布比較均衡。

隨著底物濃度的提高，氨濃度由25.95 mmol·L-1提升至89.78 mmol·L-1，由于隨著底物濃度增加，蛋白質(zhì)、尿素、尿酸等含氮物質(zhì)也相應(yīng)增加，所以氨濃度明顯上升。但氨在液相代謝產(chǎn)物中所占比例卻逐漸下降。原因?yàn)橐皇翘穷?lèi)和蛋白類(lèi)底物的競(jìng)爭(zhēng)作用，氨化過(guò)程是氨化菌分解蛋白質(zhì)等含氮有機(jī)物作為能源的過(guò)程，當(dāng)?shù)孜餄舛忍岣邥r(shí)糖類(lèi)物質(zhì)濃度顯著提高，使氨化菌對(duì)蛋白質(zhì)分解代謝能力減弱。二是代謝產(chǎn)物抑制作用，在氨態(tài)氮濃度較高時(shí)，游離態(tài)氨濃度顯著提高。研究表明游離態(tài)氨可通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)部，抑制細(xì)胞活性。

隨著底物濃度提高，總有機(jī)酸濃度自然呈逐漸升高趨勢(shì)。但各種酸成分比例卻呈不同變化趨勢(shì)，底物濃度在20～80 g·L-1時(shí)，總有機(jī)酸中丁酸、乙酸含量逐漸上升，同時(shí)VS產(chǎn)氫率也逐漸升高，此時(shí)發(fā)酵體系發(fā)生如方程（5）、（6）所示的代謝反應(yīng)。

當(dāng)?shù)孜餄舛雀哂?00 g·L-1并逐漸上升時(shí)，液相末端產(chǎn)物中丁酸、乙酸所占含量較少，VS產(chǎn)氫率也很少，但乳酸含量卻逐漸升高，此時(shí)厭氧發(fā)酵體系的代謝正向方程（7）進(jìn)行轉(zhuǎn)變。

在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，所有處理組pH變化不明顯，在底物濃度小于80 g·L-1時(shí)，pH維持在5.70～6.01之間，雖然厭氧發(fā)酵體系pH隨底物濃度的升高呈降低趨勢(shì)，但在比較適宜的產(chǎn)氫范圍內(nèi)（pH＞5.0）[17]?？梢?jiàn)添加牛糞可有效緩解餐廚廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中易酸化致使pH下降導(dǎo)致產(chǎn)氫過(guò)程停止問(wèn)題。

2.3 底物濃度對(duì)底物降解的影響

底物的揮發(fā)性固體去除率如圖3所示，呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)孜餄舛鹊陀?0 g·L-1時(shí)，VS降解率隨底物濃度提高略有上升；在適當(dāng)?shù)牡孜餄舛确秶鷥?nèi)，隨著底物濃度的升高，微生物活性增強(qiáng)，從而提高揮發(fā)性物質(zhì)的去除率。在底物濃度為80 g·L-1時(shí)，VS降解率達(dá)到最大值29.34%；但當(dāng)?shù)孜餄舛瘸^(guò)80 g·L-1后，VS降解率隨底物濃度增加快速下降，最終當(dāng)?shù)孜餄舛葹?00 g·L-1時(shí)，VS降解率僅為14%；底物濃度過(guò)高，會(huì)增大傳質(zhì)阻力不利于微生物與原料接觸，影響厭氧微生物活性。所以，適宜的底物濃度有助于細(xì)菌活動(dòng)。上述結(jié)果表明牛糞和餐廚廢棄物混合濃度適當(dāng)可顯著提高底物降解率。

圖3 不同底物濃度下?lián)]發(fā)性固體去除率Fig.3 VS degradation rate at different substrate concentration

對(duì)葡萄糖濃度影響產(chǎn)氫生物產(chǎn)氫的研究結(jié)果表明[17]，當(dāng)?shù)孜餄舛鹊陀?5 g·L-1時(shí)濃度的增加對(duì)底物降解率影響不大。但在本研究中底物濃度在20～80 g·L-1范圍內(nèi)時(shí)，VS降解率卻隨底物濃度增加而提高，這可能是因?yàn)槿f(wàn)偉等[14]所使用的原料是以葡萄糖為主的營(yíng)養(yǎng)液，易于被發(fā)酵微生物降解，而本研究中的原料是牛糞和餐廚廢棄物的混合物，不但成分復(fù)雜而且難于降解，需要較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能使發(fā)酵體系中的微生物數(shù)量達(dá)到一定水平，發(fā)揮出混合微生物群落的協(xié)同作用。在批式發(fā)酵時(shí)，微生物生長(zhǎng)一般要經(jīng)歷延遲期、加速期、指數(shù)生長(zhǎng)期、減速期、靜止期和死亡期等階段。而當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)很快被耗盡，微生物只經(jīng)歷短暫的指數(shù)生長(zhǎng)期即停止增殖，無(wú)法形成數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，導(dǎo)致VS降解率較低。當(dāng)?shù)孜餄舛戎饾u提高時(shí)，發(fā)酵微生物得到充足養(yǎng)分，可經(jīng)歷較長(zhǎng)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，發(fā)酵體系能獲得較高微生物密度，代謝活性也較高，可產(chǎn)生大量酶，獲得較高的VS降解率。但是當(dāng)?shù)孜餄舛冗M(jìn)一步提高時(shí)，一方面發(fā)酵過(guò)程的傳質(zhì)效率降低，使微生物無(wú)法與底物充分接觸；另一方面，發(fā)酵體系離子活度降低，滲透壓升高，抑制微生物生長(zhǎng)；伴隨氫氣產(chǎn)生的有機(jī)酸會(huì)對(duì)底物的降解起反饋抑制作用，降低酶活性，達(dá)到一定限度后會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵微生物死亡和VS降解率降低。

3 討論

3.1 底物濃度對(duì)產(chǎn)氫性能的影響

本試驗(yàn)共設(shè)置10種不同的濃度水平，其取值范圍為20～200 g·L-1，覆蓋在厭氧發(fā)酵實(shí)際生產(chǎn)中常用的所有濃度范圍。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，底物濃度過(guò)高容易增加發(fā)酵體系的傳質(zhì)阻力，不利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與微生物的充分接觸；相反，底物濃度過(guò)低會(huì)增加原料稀釋用水量和加熱體系的耗能量，還會(huì)增加污水排放量，給實(shí)際生產(chǎn)造成難題。所以，選擇適合的底物濃度，無(wú)論是對(duì)發(fā)酵條件優(yōu)化還是對(duì)實(shí)際生產(chǎn)需要都至關(guān)重要。在本試驗(yàn)中，底物濃度不同產(chǎn)氣率有較大差異，結(jié)果表明，底物濃度過(guò)低或過(guò)高都不利于厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫。當(dāng)?shù)孜餄舛仍?0～100 g·L-1變化時(shí)，底物的產(chǎn)氫率相差不大，具體為當(dāng)?shù)孜餄舛确謩e為40、60、80和100 g·L-1時(shí)累計(jì)產(chǎn)氫量分別為294、506、672和729 mL，VS產(chǎn)氫量分別為27.01、31、31.05和26.85 mL·g-1。當(dāng)?shù)孜餄舛葹?0 g·L-1累計(jì)產(chǎn)氫量很低，不宜用于實(shí)際生產(chǎn)中。當(dāng)?shù)孜餄舛葟?0到100 g·L-1變化時(shí)累計(jì)產(chǎn)氫量逐漸增大，VS產(chǎn)氫率卻呈下降趨勢(shì)。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，常常要綜合考慮累計(jì)產(chǎn)氫量和VS產(chǎn)氫率來(lái)確定生產(chǎn)工藝，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?0和100 g·L-1時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氫量和VS產(chǎn)氫量均較高，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了有效降低產(chǎn)氫發(fā)酵成本應(yīng)進(jìn)一步考查該兩組試驗(yàn)水平組合。

3.2 底物濃度對(duì)液相產(chǎn)物和pH的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，為實(shí)現(xiàn)有機(jī)底物利用率的最大化，常將產(chǎn)氫發(fā)酵體系的流出液用作產(chǎn)甲烷相的底物繼續(xù)發(fā)酵，而產(chǎn)甲烷菌幾乎不能消化乳酸，主要利用乙酸、丁酸等的裂解進(jìn)行產(chǎn)甲烷代謝。因此，探討產(chǎn)氫相液相產(chǎn)物組成對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。如表3所示，當(dāng)?shù)孜餄舛鹊陀?00g·L-1時(shí)，液相代謝產(chǎn)物中乙酸+丁酸的含量均占總有機(jī)酸的50%以上。在較高的底物濃度下，產(chǎn)氫發(fā)酵體系產(chǎn)生乳酸的量更多，而丁酸、乙酸的量相對(duì)較少。因此，在底物濃度低于100 g·L-1時(shí)，產(chǎn)氫相流出液更適合作為后續(xù)產(chǎn)甲烷發(fā)酵的底物。

3.3 底物濃度對(duì)底物降解率的影響

本試驗(yàn)中，較低底物濃度下，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程均可獲得較高底物降解效率。在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足或較少的情況下，微生物可在有效時(shí)間內(nèi)對(duì)其分解利用。反觀(guān)底物濃度較高的處理組，即100 g·L-1以上底物降解率明顯降低，說(shuō)明底物濃度過(guò)高時(shí)、微生物不能對(duì)其充分利用，原料利用率下降。因此，本試驗(yàn)選擇底物濃度范圍不超過(guò)80 g·L-1為宜。

4 結(jié)論

底物濃度顯著影響餐廚廢棄物與牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫率。當(dāng)?shù)孜餄舛葹?0 g·L-1時(shí)VS產(chǎn)氫率最高為31.05 mL·g-1，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?00 g·L-1時(shí)累積產(chǎn)氫量最高為729 mL。隨著底物濃度升高，發(fā)酵體系微生物代謝途徑發(fā)生變化，液相中有機(jī)酸組分比例開(kāi)始由乙酸、丁酸逐漸向乳酸轉(zhuǎn)化。當(dāng)?shù)孜餄舛鹊陀?00 g·L-1時(shí)，液相代謝產(chǎn)物中乙酸+丁酸的含量均占總有機(jī)酸50%以上，有利于將產(chǎn)氫相流出液繼續(xù)用于產(chǎn)甲烷發(fā)酵。因此，綜合體系產(chǎn)氫效率和液相中有機(jī)酸組分比例兩方面因素，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)將底物濃度設(shè)置為80或100 g·L-1為宜，該濃度下可實(shí)現(xiàn)有機(jī)底物最大化開(kāi)發(fā)利用。

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Effect of substrate concentration on the anaerobic hydrogen fermentation with a mixture of food waste and cattle manure

LI Wenzhe,YIN Lili, WANG Ming,LIU Shuang,LIU Dan,LI Jingyu(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

In order to improve the ability of anaerobic hydrogen co-digestion,a batch experiments with food waste and cattle manure mixed according to the 1∶1(basis∶dry matter)as the substrance of anaerobic digestion was conducted under(35±1)℃for hydrogen production.The effect of substrance concentration on the specific hydrogen production rate,pH,and liquid products was investigated.As a result,the maximums of hydrogen yield,the volumetric hydrogen yield and the VS degradation rate (31.05 mL·g-1,672 mL·L-1and 29.34%,respectively)were obtained at the substrates concentration of 80 g·L-1.The pH was maintained in the range of 5.48-5.81,acetic and butyric acids which can be as the substance of methane fermentation were the main liquid products.

hydrogen;cattle manure;food waste;anaerobic fermentation

X71；TQ920.6

A

1005-9369（2014）05-0103-07

2013-12-03

“十二五”國(guó)家支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAD15B04）

李文哲（1955-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)轉(zhuǎn)化與利用。E-mail:liwenzhe9@163.com

時(shí)間2014-5-12 9:02:12[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140512.0902.024.html

李文哲,殷麗麗,王明,等.底物濃度對(duì)餐廚廢棄物與牛糞混合產(chǎn)氫發(fā)酵的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(5):103-109.

Li Wenzhe,Yin Lili,Wang Ming,et al.Effect of substrate concentration on the anaerobic hydrogen fermentation with a mixture of food waste and cattle manure[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(5):103-109.(in Chinese with English abstract)