鹽分對餐廚垃圾厭氧消化的影響

劉研萍， 王 瑋， 陳 雪， 袁海榮， 鄒德勛， 朱保寧， 李秀金

(1.北京化工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系， 北京 100029； 2.北京國能中電節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限責(zé)任公司， 北京 100020)

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鹽分對餐廚垃圾厭氧消化的影響

劉研萍1， 王 瑋1， 陳 雪2， 袁海榮1， 鄒德勛1， 朱保寧1， 李秀金1

(1.北京化工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系， 北京 100029； 2.北京國能中電節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限責(zé)任公司， 北京 100020)

高鹽分對餐廚垃圾厭氧消化具有一定影響作用。文章采用批式試驗，考察了不同Na+濃度下，厭氧消化產(chǎn)氣量，甲烷含量，VFA，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量等的變化，分析了不同Na+濃度對餐廚垃圾厭氧消化過程的影響，同時考察了連續(xù)式反應(yīng)器(CSTR)中Na+濃度的變化趨勢。試驗結(jié)果表明，Na+濃度越高對餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氣性能的抑制越嚴(yán)重。當(dāng)Na+濃度為5 g·L-1時，累積產(chǎn)氣量為對照累積產(chǎn)氣量的51%；而當(dāng)Na+含量為10 g·L-1時，累積產(chǎn)氣量為對照組累積產(chǎn)氣量的1%；隨著Na+濃度的升高，VFA大量積累；通過熒光顯微鏡觀察到，Na+濃度升高后，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量有所下降。在餐廚垃圾厭氧消化連續(xù)運行過程中，隨著負(fù)荷的升高和運行天數(shù)的延續(xù)，反應(yīng)體系中Na+不斷累積，Na+累積速率亦逐漸升高。

Na+濃度； 餐廚垃圾； 厭氧消化； 抑制作用

隨著經(jīng)濟持續(xù)增長和城市化進程，我國城市餐廚垃圾產(chǎn)生量不斷攀升，目前，年產(chǎn)生量已達6000多萬噸，并持續(xù)增長[1]。餐廚垃圾的特點是有機物含量高(80%～90%)、含有多種復(fù)雜組分(蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、無機鹽類等)、含水率高(75%～90%)，相對于衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥等處理處置方式，厭氧消化更適合有機物含量和含水率高的生物質(zhì)廢物的處理與能源化轉(zhuǎn)化[2]。它通過厭氧微生物的分解代謝活動，把餐廚垃圾中的有機組分轉(zhuǎn)化為生物氣體，從而實現(xiàn)餐廚垃圾的無害化處理和生物能源轉(zhuǎn)化，具有廣闊發(fā)展?jié)摿Α?/p>

文章主要針對食堂餐廚垃圾，研究了Na+濃度變化對單相中溫厭氧消化過程的影響，通過產(chǎn)氣性能，產(chǎn)物組成，VFA的變化分析，以及熒光顯微鏡對產(chǎn)甲烷菌的觀察分析，探索了影響中溫厭氧消化的Na+濃度范圍及影響趨勢，為餐廚垃圾厭氧消化的鹽分控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用餐廚垃圾取自北京化工大學(xué)招待餐廳，包括蔬菜、肉、米飯、魚、豆制品、水果等。將餐廚垃圾中大塊的雜質(zhì)如果核、骨頭、紙巾，一次性餐具等分揀出來?；旌现笥檬澄锢幚砥鞔蛩槌闪郊s5～10 mm左右。

接種物為北京小紅門污水處理廠中溫(35℃)厭氧消化污泥。為保證試驗的接種比，批式試驗的接種污泥靜置沉淀后，采用3000 r·min-1，5 min離心后的離心污泥；連續(xù)攪拌反應(yīng)器(continuous stirred tank reactor，CSTR)接種泥為自然沉降后的厭氧污泥。

試驗原料和接種物性質(zhì)見表1。

表1 試驗原料和接種物基本性質(zhì) (%)

1.2 試驗裝置

批式試驗反應(yīng)器容積為1 L，采用排水集氣法，反應(yīng)器置于可控溫?fù)u床中，搖床溫度設(shè)置為35℃±2℃，轉(zhuǎn)速為120 r·min-1。

連續(xù)攪拌反應(yīng)器(CSTR)有效容積為8 L，置于35℃±2℃的恒溫箱中，攪拌器每隔2小時攪拌5 min，攪拌速率為3000 r·min-1。

1.3 試驗方案

批式試驗中設(shè)置7個Na+濃度水平，分別為對照組(不外加Na+)，2 g·L-1，4 g·L-1，6 g·L-1，8 g·L-1和10 g·L-1，通過添加NaCl實現(xiàn)。餐廚垃圾的進料負(fù)荷為15 gVS·L-1，F(xiàn)/M(以VS計)為0.5。設(shè)置純接種污泥試驗組以了解接種污泥對產(chǎn)氣率的貢獻。

CSTR起始負(fù)荷為1.0 gVS·L-1.d-1，穩(wěn)定后以0.5 gVS·L-1.d-1遞增，反應(yīng)器連續(xù)運行110天。

1.4 分析方法

試驗原料總固體(TS)，揮發(fā)性固體(VS)均采用重量法，參考標(biāo)準(zhǔn)分別為CJ/T 3039-1995和CJ/T 96-1999。pH值采用玻璃電極法(Orion 3-star，美國)。氨氮測定采用納氏比色法，使用儀器為分光光度計(UV-2000，unico，上海)。Na+濃度的測定采用原子火焰光度計法(日立Z-8000，日立，日本)。產(chǎn)甲烷菌的觀察使用Olympus BX51顯微鏡。氣體成分采用氣象色譜法測定(GC，SP-2100，北京北分，中國)，檢測器：TCD；載氣：氬氣；流量：20 mL·min-1；填充柱：3 m長TDX-02柱，柱溫：100℃；TCD溫度：120℃；進樣口溫度：100℃；電流：65mA；進樣：采用手動進樣，進樣量為1 mL。揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)采用氣相色譜法測定(GC，GC2010，島津，日本)，檢測器和溫度：FID，250℃；載氣和流速：氮氣/空氣，30 mL·min-1；色譜柱：2 m長玻璃填充柱；柱溫：程序升溫(180℃，6 min，230℃，20 min)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽分對厭氧消化影響的批式試驗

2.1.1 對日產(chǎn)氣量的影響

不同Na+濃度對餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)日產(chǎn)氣量的影響情況見圖1。

在厭氧消化的第1天，不同Na+濃度的底物都出現(xiàn)了產(chǎn)氣的第一個高峰。Na+濃度與首日產(chǎn)氣量是成反比例關(guān)系，Na+濃度越高，峰值越小。整體看來，加Na+后的底物產(chǎn)氣高峰比不外加Na+的產(chǎn)氣高峰要滯后數(shù)天，且產(chǎn)氣高峰值也隨Na+濃度的增加而降低。對照組的產(chǎn)氣高峰在第10天出現(xiàn)，日產(chǎn)氣量為1540 mL，產(chǎn)氣周期為25天；Na+濃度為2 g·L-1時，產(chǎn)氣高峰在第13天出現(xiàn)，日產(chǎn)氣量為1290 mL，由于產(chǎn)氣高峰的延后，產(chǎn)氣周期為27天；當(dāng)Na+濃度為8 g·L-1時，產(chǎn)氣高峰在第24天出現(xiàn)，日產(chǎn)氣量為150 mL，日產(chǎn)氣量僅為對照組的9.7%；當(dāng)Na+濃度為10 g·L-1時，產(chǎn)氣周期僅為8天，且每天僅有10 ～ 20 mL微量產(chǎn)氣?？梢钥闯?，隨著Na+濃度的升高，產(chǎn)氣高峰有延后的趨勢，且產(chǎn)氣量有所下降。

圖1 日產(chǎn)氣量的變化

2.1.2 對VS累計產(chǎn)氣率的影響

不同Na+濃度條件下，餐廚垃圾厭氧消化VS累計產(chǎn)氣率的變化見圖2。從圖2可以看出，底物中Na+濃度對厭氧消化的VS累積產(chǎn)氣量的影響顯著。對照組的累積產(chǎn)氣量為391 mL·g-1VS，當(dāng)Na+濃度為5 g·L-1時，累積產(chǎn)氣量為198 mL·g-1VS，為對照組累積產(chǎn)氣量的51%；而當(dāng)Na+濃度為10 g·L-1時，累積產(chǎn)氣量為5 mL·g-1VS，僅為對照組累積產(chǎn)氣量的1%。

試驗結(jié)果表明，消化系統(tǒng)中Na+濃度的變化對餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氣量的影響顯著。Na+濃度較低(2 g·L-1)時，對系統(tǒng)影響不大；Na+濃度超過4 g·L-1時，產(chǎn)氣量開始急劇下降，這可能是因為外部環(huán)境中高濃度的Na+改變了厭氧微生物的滲透壓，阻礙了微生物的代謝活動，甚至導(dǎo)致微生物大量死亡[9]。

圖2 VS累積產(chǎn)氣量的變化

2.1.3 對甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響

不同Na+濃度條件下，甲烷體積分?jǐn)?shù)如圖3所示。隨著Na+含量的增加，不僅產(chǎn)氣出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象，甲烷體積分?jǐn)?shù)達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間也呈延后的現(xiàn)象。對照組的甲烷含量在第6天后基本穩(wěn)定在70%～78%之間；當(dāng)Na+濃度為5g·L-1時，甲烷含量達到穩(wěn)定的時間變?yōu)?0天，體積分?jǐn)?shù)在70%～75%之間甲烷含量在第8天后基本穩(wěn)定在70%～77%之間；當(dāng)Na+濃度為8 g·L-1時，甲烷含量達到穩(wěn)定的時間變?yōu)?5天，體積分?jǐn)?shù)在40%～46%之間；當(dāng)Na+濃度為10 g·L-1時，8天以后已經(jīng)不再產(chǎn)氣，且甲烷含量的最高為24%。可以看出，當(dāng)Na+濃度在5 g·L-1左右時，與對照組相比，系統(tǒng)中的微生物需要更長的時間適應(yīng)高鹽的環(huán)境；當(dāng)Na+濃度超過5 g·L-1，甚至達到10 g·L-1時，由于系統(tǒng)中微生物，尤其是產(chǎn)甲烷菌受到不可逆的沖擊，微生物活性下降，甚至大量死亡，導(dǎo)致甲烷體積分?jǐn)?shù)急劇下降[10]。

圖3 甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化

2.1.4 對TS和VS去除率的影響

隨著Na+濃度的增加，TS和VS去除率均逐漸減少，如圖4所示。當(dāng)Na+濃度為2 g·L-1時，TS和VS去除率分別為24.59%和36.82%；當(dāng)Na+濃度為10 g·L-1時，TS和VS去除率分別為13.45%和15.45%?？梢姡琋a+濃度的增加，TS和VS去除率逐漸降低，底物中有機組分的降解也因厭氧代謝受阻受到了影響[11]。

圖4 TS和VS的變化

2.1.5 對pH值和VFA的影響

餐廚垃圾厭氧消化反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)器中pH值和揮發(fā)性脂肪酸(Volatile Fatty Acid，VFA)的變化見圖5。當(dāng)Na+濃度為5g·L-1時，VFA總量為對照組中VFA總量的3倍；當(dāng)Na+濃度為10g·L-1時，VFA總量約為對照組中VFA總量的5倍。可以看出，隨著Na+濃度的增加，反應(yīng)器中微生物的代謝，尤其是產(chǎn)甲烷菌，受到抑制的程度不斷增大，導(dǎo)致VFA無法作為底物被利用，從而發(fā)生大量累積，導(dǎo)致pH值下降。

圖5 pH值和VFA的變化

2.1.6 甲烷菌的定性觀察

輔酶F420是產(chǎn)甲烷菌所特有的物質(zhì)，能夠在420 nm波長的入射光激發(fā)下，發(fā)出藍綠色熒光，這一特點被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)甲烷菌的定性鑒定[12]。圖6，圖7分別為對照組和5g·L-1Na+試驗組的發(fā)酵液在激發(fā)波長為420 nm的熒光顯微鏡下的照片。從圖6，圖7可以看出，兩圖中發(fā)藍綠色熒光的為產(chǎn)甲烷菌。其中，對照組產(chǎn)甲烷菌數(shù)量較多且分布廣泛；5 g·L-1Na+試驗組中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量明顯減少。Na+濃度的升高對產(chǎn)甲烷菌有抑制作用，濃度過高時甚至可能產(chǎn)生毒害作用[13]。

圖6 對照組產(chǎn)甲烷菌熒光照片

圖7 5 g·L-1Na+試驗組的產(chǎn)甲烷菌熒光照片

2. 2 鹽分對厭氧消化影響的連續(xù)試驗

為了考察餐廚垃圾厭氧消化長期運行過程中Na+變化規(guī)律和積累情況，進行了連續(xù)試驗。CSTR起始負(fù)荷為1.0 gVS·L-1d-1，pH值為7.4，系統(tǒng)穩(wěn)定后，進料有機負(fù)荷以0.5 gVS·L-1.d-1遞增，每日進出料，每隔2小時攪拌5 min，攪拌速率為3000 r·min-1，反應(yīng)器連續(xù)運行110天。

CSTR連續(xù)運行中Na+濃度的變化見圖8?？v觀厭氧消化的整個過程，Na+的濃度在逐漸增加。當(dāng)進料負(fù)荷低于2 g·L-1d-1時，Na+增加趨勢較緩慢，變化范圍在0.0008%～0.0012%。系統(tǒng)內(nèi)液相中Na+的積累速度緩慢，一方面可能是因為反應(yīng)器內(nèi)溶液對每天進料中Na+具有較大的稀釋作用；另一方面，可能因為反應(yīng)器中顆粒物或菌體對Na+具有一定吸附能力。從進料負(fù)荷達到2.5 g·L-1d-1后，Na+含量由0.0012%增至0.0019%。隨著進料負(fù)荷的不斷增加，Na+進入反應(yīng)器內(nèi)的量逐漸增大，顆粒的吸附達到飽和，則進料中的Na+多以游離態(tài)存在系統(tǒng)中，且增長速率逐漸提高。試驗連續(xù)運行過程中，未添加NaOH，NaHCO3等堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)pH值，若加入，則會導(dǎo)致Na+濃度進一步升高。

圖8 CSTR 反應(yīng)器中Na+濃度的變化

3 結(jié)論

(1)底物中Na+濃度對餐廚垃圾厭氧消化的累積產(chǎn)氣量的影響顯著。當(dāng)Na+濃度為5 g·L-1時，累積產(chǎn)氣量為對照累積產(chǎn)氣量的51%；而當(dāng)Na+含量為10 g·L-1時，累積產(chǎn)氣量為對照組累積產(chǎn)氣量的1%，抑制程度明顯。

(2)在餐廚垃圾的厭氧消化過程中，隨著Na+含量的增加，對反應(yīng)器內(nèi)微生物受抑制程度逐漸變大，導(dǎo)致VFA大量積累，pH值降低。Na+濃度為5 g·L-1時，VFA總量為對照組中VFA總量的3倍；當(dāng)Na+濃度為10 g·L-1時，VFA總量約為對照組中VFA總量的5倍。

(3)在餐廚垃圾厭氧消化連續(xù)式試驗中，隨著負(fù)荷的升高和運行天數(shù)的延續(xù)，反應(yīng)體系中Na+不斷累積，Na+的累積速率亦逐漸升高。

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Effect of Salinity Concentration on Anaerobic Digestion of Food Waste /

LIU Yan-ping1, WANG Wei1, CHEN Xue2, YUAN Hai-rong1, ZOU De-xun1, ZHU Bao-ning1, LI Xiu-jin1/

(1.Department of Environmental Science and Engineering，Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2.China Power Conservation & Environment Protection Co Ltd，Beijing 100020, China)

The effect of Na+on the anaerobic digestion process of food waste was experimented by adding different concentration of Na+, and the biogas yield, methane content, VFA, the quantity of methanogens were analyzed. The concentration of Na+in continuous stirred tank reactor was monitored. The results show that the higher the concentration of Na+, the more serious inhibition of anaerobic digestion appeared. When the concentration of Na+was 5 g·L-1, the gas production was 51% of the control, and it was only 1% of gas production of the control when the concentration of Na+was 10 g·L-1. Along with the increase of Na+concentration , the VFA in the system were accumulated, pH was reduced, and consequently the quantity of methanogens decreased. And along with the increase of organic loading and running time, more and more Na+accumulated and the accumulating speed were also gradually became more and more quick. and the rate of Na+accumulation was increased at the same time.

concentration of Na+; food waste; anaerobic digestion; inhibition

2016-01-11

項目來源： “十二五”科技支撐項目(2015BAD21B03，2014BAC24B01)

劉研萍(1972-)，女，博士，副教授，主要研究方向為固體廢物處理與資源化，E-mail: liushuihan@163.com

李秀金，E-mail: xjli@mail.buct.edu.cn

S216.4； X705

A

1000-1166(2016)02-0053-05