秋季果蔬類廢棄物產(chǎn)VFAs效果及應(yīng)用研究

孫雨清，何 晟，張昊巍，趙振振，殷 俊

（1.蘇州市環(huán)境衛(wèi)生管理處，江蘇 蘇州 215007；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；3.北京國環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司華東分院，江蘇 宜興 214213）

0 引言

果蔬類廢棄物的有著含水率高，難以處理的特點(diǎn)[1]。其含固率一般在5%～8%左右，有機(jī)質(zhì)含量高、熱值低，不適合于焚燒處理，但不具有毒性且重金屬含量極少。果蔬類廢棄物易腐爛，難貯運(yùn)，形狀與氣味都對環(huán)境衛(wèi)生產(chǎn)生惡劣影響[2]。

集中收集處理的方法對于果蔬類廢棄物而言是較為合理的。相比于普通餐飲垃圾不確定且分散的產(chǎn)生地點(diǎn)以及途徑，果蔬類廢棄的主要產(chǎn)生地點(diǎn)相對確定而固定，產(chǎn)生區(qū)域密集，包括種植園區(qū)、農(nóng)貿(mào)市場、集散貨倉等。以蘇州為例，僅市區(qū)就擁有大莊、寶帶橋、胥江、東環(huán)、獅山等十多個(gè)大型農(nóng)貿(mào)市場及以為數(shù)眾多的中小型農(nóng)貿(mào)市場。同時(shí)，隨著新農(nóng)業(yè)、采摘游等的興起，蘇州的種植園區(qū)數(shù)量也大幅增長。這些區(qū)域都是果蔬類廢棄物的主要產(chǎn)地。果蔬的種植生產(chǎn)、儲(chǔ)存、集散、運(yùn)輸和加工過程都會(huì)產(chǎn)生數(shù)量可觀的廢棄物，易于集中收集[3]。

果蔬類廢棄物有其獨(dú)特的有機(jī)組分。相比較一般餐廚垃圾，果蔬類廢棄物含油脂與鹽類較少，而纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量較高[4]。水果類廢棄物比蔬菜含有更高的糖分。有研究報(bào)道，果蔬類廢棄物的纖維素與木質(zhì)素含量可以達(dá)到15%，糖類與半纖維素含量可以達(dá)到75%，去除水分之后，N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～5%，TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%～0.5%之間[5]，K質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～6%。這些組分表明，果蔬類廢棄物相比起普通的餐廚垃圾，盡管可水解產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸的成分并不多，但可能具有更快的水解速度[6-7]。

1 果蔬類廢棄物特點(diǎn)及處理工藝

果蔬類廢棄物與普通餐廚垃圾差異較大，具體的比較見表1。

表1 果蔬類廢棄物與普通餐廚垃圾比較

利用厭氧消化技術(shù)處理果蔬類廢棄物有著一定的優(yōu)勢，其具體表現(xiàn)與比較見表2。

表2 果蔬類廢棄物處理處置技術(shù)工藝比選

由表2可以看出，選擇厭氧消化技術(shù)工藝是因?yàn)槠渚哂蟹磻?yīng)周期短、工藝簡單、占地小、投資少的優(yōu)勢，比起填埋、焚燒等傳統(tǒng)技術(shù)方法，是一種更好的實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾及果蔬類廢棄物減量化、無害化、資源化的方法[8-9]。

而厭氧消化產(chǎn)生的VFAs（揮發(fā)性脂肪酸）可以用作反硝化碳源，達(dá)到以廢制廢的目的。

從碳源需求上看，僅以蘇州七子山垃圾填埋場滲瀝液處理站為例，其進(jìn)水ρ（BOD）/ρ（TN）僅為1.33，嚴(yán)重低于生物脫氮的碳氮比需求，目前，部分地依靠價(jià)格高昂的商品碳源如甲醇來解決反硝化的碳源需求。七子山垃圾填埋場滲瀝液處理進(jìn)水水質(zhì)和出水要求見表3。

表3 蘇州七子山垃圾填埋場滲瀝液處理進(jìn)水水質(zhì)和出水要求mg·L-1

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 果蔬類廢棄物來源及性質(zhì)

本文研究的果蔬類廢棄物大部分來自于種植園區(qū)和農(nóng)貿(mào)市場等地，產(chǎn)生原因主要是搬運(yùn)損耗及存貨腐爛等。

采用人工配制的秋季時(shí)令蔬果[10]作為實(shí)驗(yàn)用果蔬類廢棄物。本實(shí)驗(yàn)的取樣原則為：對于蔬菜，其莖與葉為實(shí)驗(yàn)采用的主要部分；對于實(shí)驗(yàn)原料中的瓜果，基本保留其瓜瓤/果肉與外皮。用食物料理攪拌機(jī)對原料進(jìn)行破碎攪拌。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M出與實(shí)際生活中果蔬類廢棄物的組分相近的實(shí)驗(yàn)原料，并且兼顧果蔬種類的多樣性，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研以及實(shí)地考察的結(jié)果，配比中的水果和蔬菜的比例各占50%，具體的組分和比例（質(zhì)量比）見圖1。

圖1 秋季果蔬廢棄物組成

2.2 接種污泥

實(shí)驗(yàn)用污泥取自高碑店污水處理廠厭氧消化池，自然沉降3 d后，選取下部濃縮污泥使用，以降低污水含水率。

2.3 試驗(yàn)測試指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)中需要測定與分析影響厭氧發(fā)酵效果的指標(biāo)，包括：pH 值、總固體（TS）[12]、揮發(fā)性固體（VS）、揮發(fā)性懸浮固體（VSS）、NH3-N[13]、溶解性 COD（SCOD）[14]、乙醇及揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）等。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用2個(gè)由高硼硅玻璃制作的透明發(fā)酵罐，單個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)徑16 cm，高度34 cm，總?cè)莘e為5 L，其中有效容積4.5 L。

3 結(jié)果與討論

3.1 果蔬廢棄物組分

實(shí)驗(yàn)所用的果蔬類廢棄物的TS，VS，VS/TS等參數(shù)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定見表4。

表4 果蔬類廢棄物基本組分

從表4可以看出，秋季的水果蔬菜都具有相當(dāng)高的含水率，而ρ（VS）/ρ（TS）較高，說明果蔬類廢棄物的有機(jī)質(zhì)（可揮發(fā)性組分）含量相對較高。

3.2 秋季果蔬類廢棄物產(chǎn)VFAs總量效果

VFAs是各種有機(jī)酸的混合物，在果蔬類廢棄物產(chǎn)酸發(fā)酵的過程中產(chǎn)生的，大部分是含2～5個(gè)碳原子的有機(jī)酸，如乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸等[15-16]。秋季果蔬類廢棄物產(chǎn)VFAs總量-時(shí)間變化見圖2。

圖2 秋季果蔬類廢棄物產(chǎn)VFAs總量-時(shí)間變化

由圖2可知，秋季果蔬類廢棄物產(chǎn)生的VFAs濃度總量在整個(gè)水解產(chǎn)酸過程呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的規(guī)律。在發(fā)酵的初期，第14小時(shí)，VFAs質(zhì)量濃度為4 425.1 mg/L。隨著時(shí)間的增長以及水解產(chǎn)酸的不斷進(jìn)行，VFAs質(zhì)量濃度在第82小時(shí)達(dá)到8 062.9 mg/L。

3.3 秋季果蔬類廢棄物產(chǎn)VFAs組分比例研究

秋季果蔬廢棄物發(fā)酵水解酸化液中VFAs以及乙醇的濃度隨時(shí)間的變化見圖3。

圖3 秋季果蔬廢棄物產(chǎn)酸及乙醇-時(shí)間

由圖3可以看出，主要發(fā)酵產(chǎn)物是乙酸、乙醇，而丁酸、戊酸、異戊酸、丙酸的濃度較低。采樣從發(fā)酵的第14天到第82天，在發(fā)酵的初始階段，每6～8 h進(jìn)行1次采樣，在發(fā)酵過程進(jìn)行比較充分后，每10～12 h進(jìn)行1次采樣。

乙酸的濃度隨時(shí)間增長而上升，14 h時(shí)，質(zhì)量濃度為2 094.9 mg/L，之后在14～54 h，乙酸濃度逐漸上升，但增速逐漸放緩。54 h時(shí)乙酸質(zhì)量濃度為3 969.8 mg/L。隨后其乙酸濃度繼續(xù)上升，在54～74 h乙酸質(zhì)量濃度在4 000～5 000 mg/L的范圍內(nèi)。82 h時(shí)乙酸濃度有所上漲，質(zhì)量濃度為5 565.9 mg/L。

丙酸的濃度隨時(shí)間增長穩(wěn)步上升，14 h時(shí)，濃度為134.2 mg/L，82 h時(shí)，質(zhì)量濃度為785 mg/L。

丁酸的質(zhì)量濃度隨著時(shí)間一直在進(jìn)行小幅波動(dòng)，波動(dòng)范圍225.9～371.9 mg/L，未看出丁酸濃度和時(shí)間明顯的相關(guān)性。

乙醇的濃度變化規(guī)律與乙酸、丙酸和丁酸不同。從14～30 h，乙醇質(zhì)量濃度從1 193.3 mg/L上升到1 495.5 mg/L。從30～82 h，以乙醇質(zhì)量濃度以下降為主，中間略有反復(fù)，最終第82小時(shí)下降到838.6mg/L。

秋季果蔬廢棄物產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸的組成及各部分比例隨時(shí)間的變化見圖4。

圖4 秋季果蔬廢棄物產(chǎn)VFAs及乙醇組分比例

由圖4可以看出，從10～80 h的發(fā)酵產(chǎn)酸時(shí)間內(nèi)，乙酸占總VFAs濃度的較大比例，丁酸比例比較低。

乙酸濃度的比例在產(chǎn)酸初期就為47.34%，隨后逐漸上升，第82小時(shí)其比例占到總VFAs及乙醇總濃度的69%。

丁酸的相對比例大致上隨著產(chǎn)酸時(shí)間增長緩慢減少。第14小時(shí)，丁酸的比例為7.45%，第82小時(shí)下降到3.29%。

丙酸的比例在隨著產(chǎn)酸時(shí)間增長同步增加，14小時(shí)，丁酸的比例為3.03%，第82小時(shí)增加到9.74%。

乙醇濃度的比例一開始從第14小時(shí)的27.0%小幅上升到第30小時(shí)的28.6%，然后開始下降，到第80小時(shí)下降到10.4%。

秋季的果蔬廢棄物產(chǎn)酸類型為丁酸型發(fā)酵[17-18]。

3.4 秋季果蔬類廢棄物用于SBR配水反硝化效果

秋季果蔬類廢棄物用于SBR配水反硝化效果見圖5。

圖5 秋季果蔬類廢棄物用于SBR配水反硝化效果

由圖5可知，TN初始質(zhì)量濃度為35 mg/L，硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間成線性去除，在1 h后基本完全去除。亞硝氮在反硝化開始后快速積累，在1 h處質(zhì)量濃度達(dá)到最高值23mg/L，并在之后緩慢下降。反應(yīng)4 h后硝態(tài)氮未檢出，亞硝氮質(zhì)量濃度在10 mg/L左右，達(dá)到國家一級A排放標(biāo)準(zhǔn)[19-20]。

4 結(jié)論

采用自配果蔬類廢棄物，在間歇模式下探究了秋季時(shí)令果蔬組合厭氧水解產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸的效果，分析了VFAs濃度、組成以及轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)。

秋季果蔬的產(chǎn)酸濃度較低，VFAs質(zhì)量濃度在82 h時(shí)達(dá)到8 062.932 mg/L，其原因可能是因?yàn)榍锛緦?shí)驗(yàn)原料（冬瓜、茄子、白菜、梨）的含糖量低，難以降解、產(chǎn)酸效率低的組分含量很高。

本文選取秋季時(shí)令果蔬在pH值=6，溫度為35°C下的厭氧水解的產(chǎn)酸類型為丁酸型發(fā)酵。秋季果蔬產(chǎn)酸比例為：乙酸69.03%，丙酸9.73%，異丁酸0.19%，丁酸 3.29%，異戊酸 2.13%，戊酸 5.21%，乙醇10.04%。

利用產(chǎn)生的VFAs作反硝化外加碳源在SBR反應(yīng)器中處理人工配水，經(jīng)過4 h的處理后處理效果良好，達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。