高負(fù)荷條件下pH調(diào)控對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響*

韓丹，鄭明月，王凱軍

（1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100082；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

高負(fù)荷條件下pH調(diào)控對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響*

韓丹1，2，鄭明月2，王凱軍2

（1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100082；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

通過對果蔬垃圾的連續(xù)流厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，考察了控制溫度為35℃，控制pH（4.0、5.0、5.5、6.0），產(chǎn)酸相發(fā)酵產(chǎn)物組分的變化規(guī)律；考察了控制pH高負(fù)荷條件下不同有機(jī)負(fù)荷對酸化類型的影響。結(jié)果表明：負(fù)荷逐漸提高，酸化類型不變，酸化產(chǎn)物濃度基本不變；高負(fù)荷下控制pH=4能夠形成穩(wěn)定的乙醇化產(chǎn)物，但總體酸化率較低。

高負(fù)荷；厭氧發(fā)酵類型；pH；果蔬垃圾

水果蔬菜廢棄物在我國城市垃圾中占有較大的比例，由于其自身較高的含水率以及含量較高的有機(jī)成分，采用厭氧消化工藝是處理這些廢棄物的合理選擇。酸化過程是果蔬垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷與二氧化碳的首要步驟。在實(shí)際垃圾的厭氧處理過程中，常規(guī)的產(chǎn)酸相反應(yīng)器中的微生物均為混合菌種，這些種群間存在生態(tài)位的相互補(bǔ)充和重疊，導(dǎo)致它們之間存在種群間的協(xié)作和競爭，不同的酸化產(chǎn)物和乙醇在酸化反應(yīng)器中生成。由于酸化產(chǎn)物的組成影響后續(xù)甲烷相的處理效果，選擇合適的操作參數(shù)和負(fù)荷，控制酸化相的產(chǎn)物組成對果蔬垃圾的厭氧消化尤為重要［1］。

產(chǎn)酸發(fā)酵過程受多種因素影響，主要有溫度、pH、ORP、HRT及有機(jī)負(fù)荷等生態(tài)因子。通過對以上生態(tài)因子的調(diào)控，可以影響產(chǎn)酸相的末端發(fā)酵產(chǎn)物以及發(fā)酵類型。pH對產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌的發(fā)酵末端產(chǎn)物組成影響很大，是發(fā)酵過程中最重要的生態(tài)因子之一。研究表明，pH的高低影響參與代謝過程中酶的活性，從而影響代謝活動的正常進(jìn)行［2］。何品晶等［3］研究了pH對有機(jī)垃圾厭氧水解和酸化速率的影響，發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵液pH=7時(shí)最有利于微生物的合成代謝；堿性條件會抑制有機(jī)垃圾的酸化速率。李楊等［4］研究了pH對剩余污泥厭氧酸化的影響，發(fā)現(xiàn)堿性條件剩余污泥的酸化率大于酸性條件。鄭明月等［5］考察了控制pH時(shí)果蔬垃圾發(fā)酵產(chǎn)物組分的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)物隨pH變化明顯。對于有機(jī)負(fù)荷對產(chǎn)酸發(fā)酵過程的影響方面，尚缺乏系統(tǒng)研究。而且通過對乙醇型反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)乙醇濃度隨著負(fù)荷提高而提高，說明發(fā)酵類型與有機(jī)負(fù)荷密切相關(guān)，但是負(fù)荷最高達(dá)到10 g/（L/d），仍然為較低負(fù)荷水平。本研究通過果蔬垃圾連續(xù)厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，考察高負(fù)荷條件下，控制pH和溫度，對發(fā)酵產(chǎn)物組成和發(fā)酵類型的影響，比較不同pH條件下發(fā)酵產(chǎn)物的分布及隨負(fù)荷變化的演變規(guī)律，為果蔬垃圾的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)行控制提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

接種所用污泥為北京市小紅門污水處理廠污泥消化池厭氧污泥，厭氧消化污泥VSS濃度為10.0 g/L。發(fā)酵的原料為西瓜、蘋果、土豆按4∶2∶1的比例經(jīng)垃圾處理器破碎混勻而成，冷凍保存?zhèn)溆?，其pH=4.5，TS為9.9%，VS為8.75%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

試驗(yàn)采用4個(gè)直徑為13.5 cm，高為14 cm的有機(jī)玻璃反應(yīng)器，有效容積為1.5 L，4個(gè)反應(yīng)器均使用pH控制器通過啟動加酸加堿泵自動調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)pH在設(shè)定范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)pH使用8%的NaOH溶液和1 mol/L的HCl溶液。采用磁力攪拌器對污泥進(jìn)行攪拌，攪拌速度為490 r/min，反應(yīng)裝置于35℃恒溫室內(nèi)運(yùn)行。4個(gè)反應(yīng)器pH分別設(shè)為4.0、5.0、5.5、6.0，每天進(jìn)出料1次，污泥接種后使反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度VSS達(dá)到10.0 g/L，反應(yīng)器啟動和運(yùn)行條件見表1。

表1 反應(yīng)器運(yùn)行條件

1.3 測定項(xiàng)目和分析方法

有機(jī)物含量（Volatile Solid，VS）、污泥揮發(fā)性懸浮固體（Volatile Suspended Solids，VSS）含量均采用重量法測量［6］，pH使用pH測定儀測定（美國HACH，sension1）。TCOD、SCOD使用微回流消解比色法測定［6］。氣體產(chǎn)量使用濕式流量計(jì)測定。使用氣相色譜方法測定揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFAs）和乙醇。樣品預(yù)處理方法：以15 000 r/min低溫離心15 min，上清液pH加磷酸調(diào)節(jié)到小于2，再先后過0.45 μm和0.22 μm濾膜。氣相色譜儀（美國Agilent，7890A）：FID檢測器，毛細(xì)管柱，柱溫由70℃升溫到180℃，恒定柱流量2.77 mL/min。

2 結(jié)果分析和討論

2.1 反應(yīng)器pH變化規(guī)律

4個(gè)反應(yīng)器H1、H2、H3、H4使用pH控制器對其pH不間斷調(diào)控，每隔24 h進(jìn)出料1次，并測定其pH，結(jié)果如圖1所示。

圖1 反應(yīng)器內(nèi)pH變化規(guī)律

從圖1可以看出，通過pH的不間斷調(diào)控，H1、H2、H3、H4的pH分別穩(wěn)定在4.0、5.0、5.5、6.0左右。

2.2 不同pH條件下酸化產(chǎn)物的變化規(guī)律

采用連續(xù)運(yùn)行方式，對pH分別為4.0、5.0、5.5、6.0條件下VFA濃度隨發(fā)酵時(shí)間的變化進(jìn)行了為期3個(gè)月的連續(xù)測定，分別為3個(gè)階段，結(jié)果見圖2～6。

果蔬垃圾厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生的VFA主要為乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸，圖2為不同pH條件下VFA產(chǎn)量隨時(shí)間的變化。

圖2 不同pH條件下VFA產(chǎn)量的變化

圖3 H1（pH=4.0）酸化產(chǎn)物各組分變化情況

圖4 H2（pH=5.0）酸化產(chǎn)物各組分變化情況

圖5 H3（pH=5.5）酸化產(chǎn)物各組分變化情況

圖6 H4（pH=6.0）酸化產(chǎn)物各組分變化情況

有機(jī)負(fù)荷13 g/L，不同pH條件下的酸化產(chǎn)物組成如圖2所示，調(diào)控pH能夠使主要酸化產(chǎn)物比例發(fā)生變化。從圖3可以看出，pH=4.0，有機(jī)負(fù)荷為13 g/L，連續(xù)運(yùn)行26 d，發(fā)酵液的主要揮發(fā)酸組分為乙醇和乙酸，運(yùn)行到第10天，乙醇濃度達(dá)到最大值18 g/L，乙醇乙酸含量占總揮發(fā)酸的98.9%，乙醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到51.77%，為典型的乙醇型發(fā)酵，高濃度乙醇產(chǎn)量維持14 d，隨后降低。由于產(chǎn)甲烷相微生物對底物的轉(zhuǎn)化速率依次為乙醇＞戊酸＞丁酸＞乙酸＞丙酸［7］，乙醇最容易轉(zhuǎn)化，且產(chǎn)生的乙醇可通過提純用做燃料，所以乙醇型發(fā)酵為最佳發(fā)酵類型。

從圖4可以看出，pH控制在5.0，酸化產(chǎn)物的主要成分為乙酸和丁酸，含有少量的乙醇、丙酸和戊酸，乙酸和丁酸在總酸中的質(zhì)量比分別為20%和30%，其余3種酸在總酸中的質(zhì)量比都為10%，呈現(xiàn)出混合酸發(fā)酵的特點(diǎn)。在反應(yīng)的第5天，單酸濃度都達(dá)到最大值，隨后就穩(wěn)定在一定濃度范圍。所以控制pH為5.0可以形成穩(wěn)定的混合酸發(fā)酵。由于含有一定量的丙酸和戊酸，所以混合酸發(fā)酵不適于工業(yè)應(yīng)用。

從圖5可以看出，控制pH為5.5，酸化產(chǎn)物的主要成分為丁酸和乙酸，含有少量的丙酸，基本不含乙醇。在反應(yīng)的前15 d，累積丁酸濃度逐漸增加，隨后穩(wěn)定在15 g/L，丁酸和乙酸在總酸中所占質(zhì)量比為70%～80%，為典型的丁酸型發(fā)酵。

從圖6可以看出，控制pH為6.0，酸化產(chǎn)物的主要成分同樣為丁酸和乙酸，含有少量的丙酸和極少量的乙醇。在反應(yīng)的第12天，丁酸濃度達(dá)到最大值，隨后就穩(wěn)定在13 g/L，丁酸和乙酸在總酸中所占質(zhì)量比為70%～90%，為典型的丁酸型發(fā)酵。說明pH在5.5～6.0可以形成穩(wěn)定的丁酸型發(fā)酵，且pH增高，丁酸濃度減少，乙酸濃度增加。這與趙丹等［8］的研究一致。在pH=5.5條件下，既可發(fā)生丁酸型發(fā)酵，又可發(fā)生丙酸型發(fā)酵。此條件下，系統(tǒng)處于微生物生長和代謝的非穩(wěn)定狀態(tài)，各個(gè)種群微生物對環(huán)境中ORP干擾較敏感。丁酸型發(fā)酵的優(yōu)勢菌種多為專性厭氧菌，ORP較低的條件下，進(jìn)行丁酸型發(fā)酵的頂極群落與環(huán)境相適應(yīng)，而丙酸型發(fā)酵的細(xì)菌往往為兼性厭氧菌，適于在較高的ORP條件下生存［9］。這也解釋了pH控制在5.5沒有形成丙酸型發(fā)酵的原因。雖然pH=6.0酸化效果較好，有易分解的丁酸產(chǎn)生，但為了維持pH，需要不斷投加堿性物質(zhì)，增加運(yùn)行成本，不宜采用。

以上結(jié)果表明，pH可以有效地選擇發(fā)酵類型，pH=4.0可以形成乙醇乙酸為主的發(fā)酵，pH=5.0～6.0可以形成丙酸、丁酸、乙酸為主的發(fā)酵，pH越高，乙醇含量越少。pH除影響功能酶的活性外，還會導(dǎo)致發(fā)酵細(xì)菌代謝途徑的選擇，表現(xiàn)在酸化產(chǎn)物的種類和產(chǎn)生量的變化，并進(jìn)一步反饋抑制水解過程，另外pH會使酸化產(chǎn)物以不同形態(tài)（分子態(tài)或離子態(tài)）存在，從而形成不同程度的產(chǎn)物抑制。pH對發(fā)酵的影響主要是通過影響厭氧優(yōu)勢菌種和同一種群的代謝途徑實(shí)現(xiàn)［7］。

2.3 不同有機(jī)負(fù)荷對酸化產(chǎn)物濃度的影響

4個(gè)反應(yīng)器分別固定pH為4.0、5.0、5.5、6.0，通過調(diào)節(jié)不同階段有機(jī)負(fù)荷，考察不同pH條件下有機(jī)負(fù)荷對發(fā)酵類型的影響。實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)階段，如圖7，第一階段有機(jī)負(fù)荷為13 g/L，第二階段有機(jī)負(fù)荷為20g/L，第三階段有機(jī)負(fù)荷為30g/L。

圖7 不同階段有機(jī)負(fù)荷

從圖8可以看出，pH控制在4.0，3個(gè)階段的主要產(chǎn)物為乙醇和乙酸，且隨著負(fù)荷的提高，乙酸所占質(zhì)量比逐漸增大，乙醇所占質(zhì)量比逐漸減小。

圖8 pH=4.0不同負(fù)荷酸化產(chǎn)物分布情況

圖8顯示，在第一階段，運(yùn)行到第10天，乙醇濃度達(dá)到最大值18 g/L，維持14 d，隨后降低，第二、三階段乙醇含量一直維持在1 000～2 000 mg/L。說明在該條件下乙醇菌可以馴化出來但不能很好的存活，受氫分壓等環(huán)境因素的影響，乙醇很容易轉(zhuǎn)化成乙酸。3個(gè)階段乙醇乙酸含量分別占總揮發(fā)酸的98.5%、96%、95%，為乙醇型發(fā)酵。結(jié)果表明有機(jī)負(fù)荷的變化沒有對發(fā)酵類型產(chǎn)生影響，控制pH可以形成穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵，且從控制pH過程中的加酸加堿量可以判斷其穩(wěn)定性高于其他發(fā)酵類型。負(fù)荷在超過污泥所能承受的能力之后，會導(dǎo)致未降解的營養(yǎng)物質(zhì)的積累，使產(chǎn)乙醇菌的生存環(huán)境發(fā)生變化，抑制其產(chǎn)酸活性，使其酸化產(chǎn)量逐漸降低，但不會影響其發(fā)酵類型。

從圖9可以看出，控制pH為5.0，調(diào)控有機(jī)負(fù)荷，酸化產(chǎn)物濃度變化不大，在23～35 g/L范圍內(nèi)波動。有機(jī)負(fù)荷提高以后，單酸所占質(zhì)量比基本不變，乙酸和丁酸質(zhì)量比分別為20%和30%，其余3種酸質(zhì)量比都為10%，為混合酸發(fā)酵，說明有機(jī)負(fù)荷變化沒有影響其發(fā)酵類型，調(diào)控pH可以形成穩(wěn)定的混合酸發(fā)酵。

圖9 pH=5.0不同負(fù)荷酸化產(chǎn)物分布情況

結(jié)合圖10和圖11可以看出，pH分別控制為5.5和6.0，調(diào)控有機(jī)負(fù)荷，酸化產(chǎn)物濃度隨階段負(fù)荷的提高呈上升趨勢，有機(jī)負(fù)荷增大，營養(yǎng)物質(zhì)增多，水解酸化的菌體代謝增強(qiáng)，產(chǎn)酸總量上升。從圖10可以看出，pH控制在5.5，有機(jī)負(fù)荷經(jīng)過2次提高，酸化產(chǎn)物的主要成分同樣為丁酸和乙酸，占VFA總量的70%～80%，含有少量丙酸，為丁酸型發(fā)酵，說明負(fù)荷提高，發(fā)酵類型并未改變。圖中結(jié)果顯示，隨著負(fù)荷提高，丁酸含量明顯增大，3個(gè)階段質(zhì)量比分別為40%、60%、70%，丙酸含量降低，原因可能是營養(yǎng)液增加，丁酸型發(fā)酵菌體對其利用率加快，菌體代謝增強(qiáng)，使丁酸含量逐漸增加［10］。從圖11可以看出，pH控制在6.0，調(diào)控有機(jī)負(fù)荷，發(fā)酵的主要產(chǎn)物同樣為丁酸和乙酸，占VFA總量的70%～90%，依然呈現(xiàn)丁酸型發(fā)酵的特點(diǎn)，說明有機(jī)負(fù)荷提高，發(fā)酵類型沒有發(fā)生變化。其中乙酸含量占總量的10%～30%，高于pH控制在5.5條件下的乙酸產(chǎn)量。隨著負(fù)荷的提高，酸化產(chǎn)物中乙醇的含量升高，在負(fù)荷達(dá)到30 g/（L/d），乙醇含量最高達(dá)到20%，說明高負(fù)荷條件下，pH控制6.0會有乙醇產(chǎn)生。

圖10 pH=5.5不同負(fù)荷酸化產(chǎn)物分布情況

圖11 pH=6.0不同負(fù)荷酸化產(chǎn)物分布情況

所以，產(chǎn)酸發(fā)酵菌對提高有機(jī)負(fù)荷所造成的環(huán)境變化有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。有機(jī)負(fù)荷提高，控制pH，單酸及總酸濃度變化不大，有機(jī)負(fù)荷過高會使底物轉(zhuǎn)化率降低。污泥所能承受的負(fù)荷有一個(gè)極限值，當(dāng)超過極限值以后，酸化產(chǎn)物濃度增長率逐漸降低，直到達(dá)到恒定值［11］。因此，高負(fù)荷條件下，有機(jī)負(fù)荷提高，發(fā)酵類型不變。

3 結(jié)論

1）高負(fù)荷條件下，控制pH能夠有效地選擇酸化類型。pH=4.0為乙醇型發(fā)酵，pH=5.0為混合酸發(fā)酵，pH=5.5和6.0為丁酸型發(fā)酵，酸化產(chǎn)物濃度隨pH增大有升高趨勢。

2）控制pH，有機(jī)負(fù)荷分階段提高，酸化類型不變，在高負(fù)荷條件下控制pH可以形成穩(wěn)定的發(fā)酵類型。pH=4.0和pH=5.0條件下酸化產(chǎn)物濃度基本不變，pH=5.5和pH=6.0酸化產(chǎn)物濃度隨有機(jī)負(fù)荷提高而增大。

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Effects of pH Regulation on Acid Production by Anaerobic Fermentation under High Load

Han Dan1，2，Zheng Mingyue2，Wang Kaijun2
（1.Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.，Beijing100082；2.State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control，School of Environment，Tsinghua University，Beijing100084）

In this study，the changes of acid-phase fermentation at the control of temperature（35℃）and pH（4.0，5.0，5.5，6.0），and effects of different organic loads on acidification types at the control of pH under high load were studied by continuous anaerobic fermentation of fruit and vegetable wastes.The results showed that the acidification types and the concentration of acidified product kept unchanged as organic loads increased，and stable ethanolized products could be formed at pH=4，the acidification rate ofwhich waslow.

high load；anaerobic fermentation type；pH；fruit and vegetable waste

X833；TQ920.62

A

1005-8206（2017）04-0058-05

韓丹（1988—），助理工程師，主要從事污泥和給水工程設(shè)計(jì)。

E-mail：wkj@tsinghua.edu.cn。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2008AA062401）

2017-03-27