脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷及其影響因素研究

孔立志

(山東省環(huán)境保護科學(xué)研究設(shè)計院，山東 濟南 250013)

脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷及其影響因素研究

孔立志

(山東省環(huán)境保護科學(xué)研究設(shè)計院，山東 濟南 250013)

油脂降解緩慢是影響餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的重要原因。應(yīng)用脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷，探究了脂肪酶投加量、溫度和pH對產(chǎn)甲烷的影響。結(jié)果表明，脂肪酶能夠促進餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的水解和酸化，為產(chǎn)甲烷菌提供物質(zhì)基質(zhì)，還能提高脫氫酶的活性。脂肪酶最佳投加量為0.4g/L，最適溫度為35 ℃，最適pH為7.0。

餐廚垃圾 厭氧發(fā)酵 脂肪酶 溫度pH甲烷

隨著人們生活水平的不斷提高，餐廚垃圾的產(chǎn)生量越來越大。據(jù)報道，我國每年的餐廚垃圾產(chǎn)生量為6.0×107t，呈逐年上升趨勢[1-3]。由于餐廚垃圾中含有較高的水分、鹽分和油脂，因此不適合用填埋、焚燒、堆肥等傳統(tǒng)的處理方法處理。此外，餐廚垃圾中還攜帶大量的細菌等病原體。由此可見，若餐廚垃圾處理不當會引起環(huán)境污染、影響人體健康[4-6]。

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵不僅可以實現(xiàn)餐廚垃圾的無害化、減量化，而且還能回收甲烷，因此厭氧發(fā)酵被認為是一種理想的餐廚垃圾處理方法[7-8]。在厭氧微生物的作用下，油脂首先被分解成甘油和長鏈脂肪酸(LCFA)，再被產(chǎn)甲烷菌所利用而生產(chǎn)甲烷[9]。餐廚垃圾中油脂的質(zhì)量分數(shù)一般可以達到22.8%～31.5%，但油脂降解過程緩慢是限制餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的重要原因。此外，油脂還會包裹在厭氧微生物表面，阻止其進行物質(zhì)交換。

由于餐廚垃圾厭氧發(fā)酵所需時間長、設(shè)施占地面積大、產(chǎn)氣效率及產(chǎn)氣量低，超聲、熱水解、微波、生物酶等被用于強化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵[10]。其中，生物酶的應(yīng)用最為廣泛。脂肪酶是生物酶的一種，能夠催化分解油脂類物質(zhì)，有利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷反應(yīng)的進行。LUSTE等[11]研究發(fā)現(xiàn)，脂肪酶能夠顯著降低屠宰廢水中油脂的含量。ADULKAR等[12]研究表明，超聲聯(lián)合脂肪酶能夠降低乳制品廢水的COD含量。因此，本研究嘗試應(yīng)用脂肪酶催化降解油脂以強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷，并探究了脂肪酶投加量、溫度和pH的影響，為脂肪酶在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的實際工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

餐廚垃圾取自山東濟南某餐廳，厭氧發(fā)酵前人工剔除一次性筷子、玻璃殘渣等不易發(fā)酵的物質(zhì)。為了便于餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵，將其磨成漿糊狀。

接種污泥取自某污水處理廠的厭氧發(fā)酵反應(yīng)罐排泥口。接種污泥取回后過2 mm篩以去除大顆粒物質(zhì)。餐廚垃圾和接種污泥的基本性質(zhì)如表1所示。

1.2 脂肪酶投加量對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的影響

向5個有效容積為1.0 L的廣口瓶中分別投加600 mL漿糊狀的餐廚垃圾和400 mL接種污泥，脂肪酶投加量分別控制為0、0.1、0.2、0.4、0.8 g/L，調(diào)節(jié)pH=7.0±0.1。向廣口瓶中充純度為99%的氮氣5 min排凈氧氣，保證厭氧環(huán)境，用丁基橡膠瓶塞和鋁封封口，在35 ℃、120 r/min下厭氧發(fā)酵。

表1 餐廚垃圾和接種污泥的基本性質(zhì)1)

注：1)TSS和VSS以餐廚垃圾中的質(zhì)量分數(shù)計；糖類、蛋白質(zhì)和油脂以VSS中的質(zhì)量分數(shù)計；C/N為質(zhì)量分數(shù)。

1.3 溫度對脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的影響

向3個有效容積為1.0 L的廣口瓶中分別投加600 mL漿糊狀的餐廚垃圾和400 mL接種污泥，脂肪酶投加量為0.4 g/L，調(diào)節(jié)pH=7.0±0.1。向廣口瓶充純度為99%的氮氣5 min排凈氧氣，保證厭氧環(huán)境，用丁基橡膠瓶塞和鋁封封口?？刂茰囟确謩e為15、25、35 ℃，在搖床轉(zhuǎn)速為120 r/min下厭氧發(fā)酵。

1.4 pH對脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的影響

向5個有效容積為1.0 L的廣口瓶中分別投加600 mL漿糊狀的餐廚垃圾和400 mL接種污泥，控制溫度為35 ℃，pH分別為6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，其他條件同1.3節(jié)，進行厭氧發(fā)酵。

1.5 分析方法

溶解性COD(SCOD)、VSS、TSS和pH參照國家有關(guān)標準分析[13]。蛋白質(zhì)采用福林酚試劑法測定，糖類采用蒽酮試劑法測定，C和N使用Vario EL cube型元素分析儀測定。揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、LCFA和甲烷采用氣相色譜法[14]分析。VFA的檢測儀器為GC112A型氣相色譜儀，GDX103+5%(質(zhì)量分數(shù))磷酸色譜柱，柱箱溫度為160 ℃；甲烷的檢測儀器為島津GC2010型氣相色譜儀，ParaPak-QX色譜柱，柱箱溫度為50 ℃；LCFA的檢測儀器為Agilent 6890氣相色譜儀，DB-WAXERTR色譜柱，程序升溫由180 ℃升到220 ℃，升溫速率為2 ℃/min。脫氫酶活性采用2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法[15]分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 脂肪酶投加量對餐廚垃圾水解的影響

有機物厭氧發(fā)酵的第1步是水解，水解速率與SCOD含量密切相關(guān)，可以用SCOD來表征水解程度。由圖1可知，不同脂肪酶投加量作用下SCOD均隨時間呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。脂肪酶投加量為0 g/L時，SCOD在第7天達到最大值(1 720 mg/L)。投加脂肪酶后，SCOD達到最大值的時間縮短至5 d。隨脂肪酶投加量的增加，SCOD最大值提高，脂肪酶投加量由0.1 g/L增加到0.4 g/L，SCOD最大值由1 925 mg/L增加到3 486 mg/L，而進一步增加脂肪酶投加量至0.8 g/L，SCOD最大值僅比脂肪酶投加量0.4 g/L時提高了88 mg/L。上述實驗結(jié)果表明，脂肪酶的存在能夠強化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的水解，脂肪酶的最佳投加量為0.4 g/L。

圖1 脂肪酶投加量對餐廚垃圾水解的影響Fig.1 Effect of lipase dosage on the process of hydrolysis of kitchen waste

2.2 脂肪酶投加量對餐廚垃圾酸化的影響

LCFA是酸化過程的中間產(chǎn)物，需在產(chǎn)酸菌的作用下轉(zhuǎn)化為VFA等小分子有機酸才能進一步被產(chǎn)甲烷菌利用生成甲烷。脂肪酶投加量對LCFA的影響如表2所示。在脂肪酶投加量為0 g/L時，十六酸和十八酸的質(zhì)量濃度分別為(658±36)、(589±19) mg/L；當脂肪酶投加量為0.4 g/L時，十六酸和十八酸的質(zhì)量濃度分別降至(450±26)、(324±14) mg/L；而當脂肪酶投加量繼續(xù)增加至0.8 g/L，十六酸和十八酸濃度降低不是很明顯。

VFA含量直接影響到后續(xù)甲烷的產(chǎn)生。圖2為脂肪酶投加量對酸化生成的VFA的影響。由圖2可知，VFA的變化趨勢與SCOD的變化趨勢一致，均隨時間呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當脂肪酶投加量為0 g/L時，VFA最大值為759 mg/L，而當脂肪酶投加量分別為0.1、0.2、0.4 g/L時，VFA最大值分別增加到952、1 256、1 685 mg/L，進一步提高脂肪酶投加量至0.8 g/L，VFA最大值僅比0.4 g/L時增加了36 mg/L。同時，脂肪酶的投加也能縮短VFA達到最大值的時間。

表2 脂肪酶投加量對LCFA的影響

圖2 脂肪酶投加量對VFA的影響Fig.2 Effect of lipase dosage on VFA

由此可見，脂肪酶的存在也能強化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的酸化，脂肪酶的最佳投加量也是0.4 g/L。

2.3 脂肪酶投加量對餐廚垃圾產(chǎn)甲烷的影響

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的主要目標是獲得能源物質(zhì)甲烷。圖3為脂肪酶投加量對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的最大甲烷產(chǎn)量的影響。由圖3可知，脂肪酶能夠促進餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的甲烷化，脂肪酶投加量越大，最大甲烷產(chǎn)量也越大。脂肪酶投加量為0 g/L時，最大甲烷產(chǎn)量是271 mL/g(以標準狀況下單位質(zhì)量VSS的甲烷體積計)。投加脂肪酶后，最大甲烷產(chǎn)量顯著增大，脂肪酶投加量由0.1 g/L增加到0.4 g/L，最大甲烷產(chǎn)量由314 mL/g增加到362 mL/g，然而當脂肪酶投加量進一步增加到0.8 g/L，最大甲烷產(chǎn)量卻無明顯變化。上述實驗結(jié)果表明，脂肪酶能夠促進甲烷的生成，脂肪酶的最佳投加量為0.4 g/L。

圖3 脂肪酶投加量對最大甲烷產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of lipase dosage on maximum methane production

2.4 脂肪酶對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程中關(guān)鍵酶的影響

產(chǎn)甲烷菌對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷離不開關(guān)鍵酶的調(diào)控，脫氫酶是厭氧發(fā)酵過程中的關(guān)鍵酶之一[16]。脂肪酶對脫氫酶活性的影響如圖4所示。不同脂肪酶投加量下脫氫酶活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，15 d時達到最大值。脂肪酶投加量越大，脫氫酶活性越高，當脂肪酶投加量從0 g/L增加到0.4 g/L時，脫氫酶的最大活性由5 260 U/g增加到了8 960 U/g，但脂肪酶投加量0.8 g/L時與0.4 g/L時差別不大。

圖4 脂肪酶投加量對脫氫酶活性的影響Fig.4 Effect of lipase dosage on the activities of dehydrogenase

2.5 溫度對脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的影響

溫度是影響餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的一個重要因素。圖5為溫度對脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的影響。由圖5可知，不同溫度下甲烷產(chǎn)量均隨時間的延長而增加，并且甲烷積累主要集中在前20 d。30 d時的最大甲烷產(chǎn)量隨溫度的升高而增大，當溫度由15 ℃升高到35 ℃時，最大甲烷產(chǎn)量由309 mL/g增加到了362 mL/g。35 ℃發(fā)酵有利于相關(guān)酶活性的提高，并且為產(chǎn)甲烷菌提供了良好的生存環(huán)境。李軼等[17]也曾報道，35 ℃有助于餐廚垃圾消化。

2.6 pH對脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的影響

圖5 溫度對脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的影響Fig.5 Effect of temperature on lipase enhanced anaerobic methane production of kitchen waste

pH同樣是影響餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的一個重要因素。圖6為pH對脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的影響。由圖6可知，不同pH下甲烷產(chǎn)量均隨時間的延長而增加。當pH=7.0時，最大甲烷產(chǎn)量最高，為362 mL/g，酸性或堿性條件均會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，進而影響甲烷產(chǎn)量。YUAN等[18]報道，強堿性環(huán)境(pH=10)會降低厭氧反應(yīng)過程中的甲烷產(chǎn)量。

圖6 pH對脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的影響Fig.6 Effect of pH on lipase enhanced anaerobic methane production of kitchen waste

3 結(jié) 論

研究了脂肪酶強化餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷，探究了脂肪酶投加量、溫度和pH對產(chǎn)甲烷的影響。結(jié)果顯示，脂肪酶能夠促進餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的水解、酸化和甲烷化。脂肪酶的最佳投加量為0.4 g/L，最適溫度是35 ℃，最適pH=7.0，最大甲烷產(chǎn)量可以達到362 mL/g。

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Lipaseenhancedanaerobicmethaneproductionofkitchenwasteanditsinfluencefactors

KONGLizhi.

(ShandongInstituteofEnvironmentalScience,JinanShandong250013)

The tardiness of lipid degradation limited the kitchen waste anaerobic fermentation. Lipase enhanced anaerobic methane production of kitchen waste was studied,and the effects of lipase dosage,temperature and pH on the production of methane were explored. Results showed that the presence of lipase promoted the processes of hydrolysis and acidification,thereby provided sufficient substrates for methane production bacteria. In addition,lipase improved the activities of dehydrogenase. The optimal lipase dosage was 0.4 g/L,the optimal temperature was 35 ℃ and the optimal pH was 7.0.

kitchen waste； anaerobic fermentation； lipase； temperature； pH； methane

2016-07-04)

作者：孔立志，男，1972年生，本科，高級工程師，研究方向為固體廢物資源化和有機污染物的降解。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.018