鹽度對厭氧消化脂肪酸的抑制研究

徐家英，王楠楠

（青島市環(huán)境衛(wèi)生發(fā)展中心，山東 青島 266003）

餐廚垃圾具有有機質含量高、高鹽高油脂、易腐爛變質而滋生病毒的特點[1-2]。隨著垃圾分類的進行，越來越多的餐廚垃圾處理工程采用厭氧消化技術進行單獨處理。在濕式厭氧消化處理過程中，餐廚垃圾的高鹽度增加了發(fā)酵工藝穩(wěn)定及高效產能的難度[3]。甲烷菌對鹽類較為敏感，一定質量范圍內，鹽分屬于有機物厭氧消化過程的毒性抑制劑，研究表明，餐廚垃圾中NaCl的存在影響了甲烷的最大產生量[4]。在運行過程中，循環(huán)水的使用和進料濃度的增高都會引起發(fā)酵過程中鈉鹽濃度的累計增加，厭氧消化的正常運行會受到沖擊[5]，因此鈉鹽對厭氧消化的影響引起了學術界的注意[6-8]。鈉鹽對甲烷化影響的研究表明，鈉鹽對甲烷化過程的抑制作用主要與陽離子有關而不是陰離子[9]，對微生物具有毒性的主要是陽離子，Na+能夠破壞細胞內外滲透壓，甚至造成質壁分離。蔣彬[10]在探究Na+對餐廚垃圾厭氧消化的影響時發(fā)現(xiàn)Na+同樣能夠抑制甲烷產生，而且甲烷抑制效率與Na+質量濃度相關。本試驗主要通過餐廚垃圾的鹽度毒性抑制試驗，探討Na+對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程的影響，從而為餐廚垃圾發(fā)酵過程的鹽度抑制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 餐廚垃圾理化性質

試驗所用餐廚垃圾取自青島某大學學術交流中心，垃圾成分包括米飯、蔬菜、豬肉、魚蝦、貝類和油脂等。將垃圾中雜質（貝殼、骨頭、紙巾、牙簽等）剔除后，使用家用絞肉機粉碎打漿，所有垃圾打漿完畢后混合均勻，經測定，其總固體（TS）含量為19.2%，揮發(fā)性組分（VS）為18.6%。試驗所用接種物為餐廚垃圾厭氧消化降解殘渣，接種物固含率為6%，COD含量為6 288 mg/L，堿度含量為3 728 mg/L，pH為6.2。

1.2 試驗裝置

試驗中使用2 000 mL儲水瓶作為厭氧消化反應器，儲水瓶帶丁基橡膠塞，在橡膠塞原有兩個孔的基礎上再打一個孔，即每個橡膠塞上有3個孔。其中，第一個孔通入試劑瓶底部，用于通氮氣，第二個孔通入試劑瓶中間位置，用于吸取液體，第三個孔通入試劑瓶上部空間，用于取氣。

1.3 試驗方案

將4個瓶子進行編號，分別是A反應器、B反應器、C反應器和D反應器；反應體系以有效體積1 500 mL計算，每個試劑瓶中加入900 mL已馴化好的接種物和133 g垃圾，使垃圾固含率達到2%；設置4個鹽濃度，分別向4個試劑瓶中加入適量鹽，調節(jié)至相應濃度，即A反應器是不加鹽，只有900 mL接種物+133 g垃圾，B反應器是加灼燒后的NaCl 15.252 4 g，相當于加入4 g/L的Na+，C反應器是加灼燒后的NaCl 30.504 8 g，相當于加入8 g/L的Na+；D反應器是加灼燒后的NaCl 45.757 2 g，相當于加入12 g/L的Na+；加水至1 500 mL，通入氮氣，將空氣排凈，封閉瓶塞，調節(jié)pH，進行馴化培養(yǎng)，每天測定一次pH，并取一定量的液體冷凍保藏，用于測定脂肪酸組分，每天測定一次氣體濃度和氣體成分；每個樣品設置2個平行樣，試驗運行21 d，運行平穩(wěn)，測定反應過程中物料pH、堿度、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和氨氮等。

1.4 理化指標及分析方法

化學需氧量（COD）測定使用標準重鉻酸鉀法，氨氮測定使用蒸餾和滴定法，揮發(fā)性脂肪酸測定采用氣相色譜法，氣體產量測定使用排水取氣法，鹽度測定使用鹽度測定儀，pH測定使用精密pH試紙，堿度測定使用酸堿指示劑滴定法。

1.5 其他控制條件

本試驗采用恒溫箱來控溫，反應溫度設置為35 ℃±1 ℃。采用人工攪拌，每日運行時間歇攪拌2次，使發(fā)酵物料混合均勻，并使氣體順利產出。發(fā)酵接種物與底物比例為50∶50（VS比）。

2 試驗結果與分析

2.1 鹽度對發(fā)酵過程中氨氮的影響

不同的反應器類型、不同的微生物種群和不同的反應條件能夠承受的氨氮抑制性濃度是不同的，一般說來，單相濕式系統(tǒng)容易受到氨氮的抑制[11]。在厭氧消化過程中，氨氮是微生物重要的氮源。對于一個長期運行的厭氧消化系統(tǒng)，其內部微生物群落經過長期馴化后，對氨氮的承受能力已趨于穩(wěn)定與飽和，在氨氮濃度超過某一限值后，產甲烷菌的活性受到嚴重抑制[12]。研究表明，氨氮濃度為1 700 mg/L[13]，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與產氣能力開始降低。

從圖1可以看出，雖然Na+的濃度不同，但到發(fā)酵期21 d結束時，4個反應器的氨氮濃度基本都保持在1 000～1 150 mg/L，差距不大，都低于1 700 mg/L。從試驗結果來看，鈉離子沒有對氨氮產生明顯的影響。

圖1 不同鹽度影響下氨氮濃度變化

2.2 鹽度對發(fā)酵過程中pH的影響

pH強烈地影響酶的活性，每種酶都在一個特定和狹窄的pH范圍內產生活性，并有一個最佳pH[14]。大多數(shù)產甲烷菌適合的pH范圍為6.7～7.4，當pH低于6.3或高于7.8時，產甲烷效率會明顯下降。圖2顯示不同鹽度下的厭氧發(fā)酵過程pH變化，從圖中可以看出，4個反應器開始時pH較高，調節(jié)pH到相同的值8.01，在啟動階段，反應器內的pH由啟動時的8.01迅速下降，到第3天，4個反應器的pH都下降到最低值，然后呈現(xiàn)相同的變化趨勢，開始逐漸回升，到發(fā)酵期21 d結束時，pH都恢復到大于7.0。

圖2 不同鹽度影響下pH變化

A反應器和B反應器的pH分別下降到6.2和6.1，而后開始逐步回升，試驗期結束時，pH分別達到7.8和7.6。A反應器和B反應器的pH介于6.1～7.8，基本屬于適合發(fā)酵的pH范圍，對產氣量沒有明顯的影響，也就是說，A反應器和B反應器沒有明顯抑制厭氧發(fā)酵的正常進行。

對于C反應器和D反應器，pH變化很大。C反應器pH在第3天降到5.59，然后緩慢回升，到反應期結束，pH恢復到7.3。D反應器pH在第3天降到5.30，而后緩慢回升，到反應期結束pH恢復到7.02。對于C反應器和D反應器，發(fā)酵過程已經開始出現(xiàn)抑制，發(fā)酵氣體間斷性出現(xiàn)，說明高濃度的鹽已經開始抑制產甲烷菌的生長，發(fā)酵系統(tǒng)的pH急劇下降，回升緩慢。需要注意的是，雖然出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，但發(fā)酵系統(tǒng)可以自行調節(jié)；雖然恢復緩慢，但可以慢慢恢復。

2.3 鹽度對發(fā)酵過程中堿度的影響

有試驗認為[15]，餐飲有機垃圾處理宜采用間歇攪拌，堿度可大于5 000 mg/L，以確保體系的pH緩沖能力。圖3反映了不同濃度Na+對發(fā)酵過程中堿度的影響，從圖中可以看出，雖然Na+的起始濃度不同，但4個反應器的堿度都是從反應開始便呈現(xiàn)上升趨勢。到發(fā)酵期21 d結束時，A反應器、B反應器、C反應器和D反應器的堿度分別為6 147.74、5 846.54、5 560.80、5 546.54 mg/L，4個反應器的堿度呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，但總體來說差距不大，A反應器和D反應器的堿度僅差10%，很顯然這樣的堿度相對于高濃度的脂肪酸難以起到足夠的緩沖作用。

圖3 不同鹽度影響下堿度變化

2.4 鹽度對發(fā)酵過程中脂肪酸濃度的影響

揮發(fā)性脂肪酸是有機質經過水解和酸化形成的主要產物，主要成分為乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等，這些酸化產物在產甲烷相作為甲烷菌的底物，最終降解轉化為甲烷和二氧化碳[16]。因此，VFA的代謝平衡是厭氧反應器穩(wěn)定運行的關鍵，當產生的揮發(fā)性脂肪酸不能及時轉化為甲烷時，整個發(fā)酵系統(tǒng)就會出現(xiàn)VFA累積而受到抑制[17]。圖4、圖5、圖6反映了不同鹽度影響下的各脂肪酸變化狀況。

圖4顯示了不同鹽度對乙酸濃度的影響，4個反應器的乙酸濃度均呈現(xiàn)出先增加后緩慢降落的過程。其中，A反應器乙酸濃度增長平穩(wěn)，但降解速度快，產甲烷量高。C反應器與D反應器的乙酸濃度增長迅速，濃度高，但降解緩慢，其中，D反應器到試驗期結束，乙酸濃度仍然保持在1 633.24 mg/L。乙酸是厭氧發(fā)酵產氣的底物，C反應器和D反應器乙酸濃度增加很快，但是引起累積，沒有及時轉化為甲烷，發(fā)酵系統(tǒng)產氣量降低，說明高濃度的Na+抑制了乙酸的轉化。

圖4 發(fā)酵過程中乙酸的變化曲線

圖5反映了不同鹽度對丙酸濃度的影響，4個反應器的丙酸濃度呈先增長然后逐漸降低最后又上升的變化過程，整個過程的丙酸濃度增長平穩(wěn)。C反應器、D反應器的丙酸濃度高于A反應器，到發(fā)酵期結束時，丙酸濃度最高分別可達1 121.5 mg/L和1 161.8 mg/L，表明高鹽度對丙酸的轉化有抑制作用，但是沒有對乙酸的抑制明顯。

圖5 發(fā)酵過程中丙酸的變化曲線

圖6反映了不同鹽度對丁酸濃度的影響，A反應器和B反應器的丁酸濃度在發(fā)酵后第6天達到最高峰，但很快降解，到發(fā)酵期結束時，丁酸濃度分別達到50.6 mg/L和190.6 mg/L，基本降解。但是，C反應器和D反應器情況不同，到試驗期結束時，丁酸雖然有降解，但濃度仍分別高達656.32 mg/L和838.7 mg/L，說明在高鹽度影響下，丁酸明顯出現(xiàn)積累。

圖6 發(fā)酵過程中丁酸濃度的變化曲線

不同鹽度對發(fā)酵反應系統(tǒng)各種脂肪酸的影響存在差異。當鹽度從4 000 mg/L增加到12 000 mg/L時，脂肪酸濃度明顯出現(xiàn)積累。主要原因是高鹽度的抑制作用導致產甲烷菌喪失活性，但產酸細菌生長較快且對環(huán)境變化不敏感，造成脂肪酸積累，從而使C反應器和D反應器的pH長期處于酸性狀態(tài)，到試驗期結束時，pH都逐漸恢復，產氣量有所增加，沒有達到完全恢復。

3 結論

Na+濃度從1 000 mg/L逐漸增加到12 000 mg/L，到發(fā)酵期21 d結束時，4個反應器的氨氮濃度基本都保持在1 000～1 150 mg/L，差距不大，都低于1 700 mg/L，從本試驗的結果來看，鈉離子沒有對氨氮產生明顯的影響。從試驗可以得出，高濃度的鹽已經開始抑制產甲烷菌的生長，發(fā)酵系統(tǒng)的pH急劇下降，回升緩慢。需要注意的是，雖然出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，但發(fā)酵系統(tǒng)可以自行調節(jié)；雖然恢復緩慢，但可以慢慢恢復。

由于高濃度Na+的抑制作用，4個反應器的堿度呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，但總體來說差距不大，A反應器和D反應器的堿度僅差10%，很顯然，這樣的堿度相對于高濃度的脂肪酸難以起到足夠的緩沖作用。在4個反應器中，乙酸含量最高，其次是丁酸和丙酸。在C反應器和D反應器中，高濃度Na+抑制了脂肪酸的轉化，減少了甲烷氣體的產生。Na+可以引起發(fā)酵系統(tǒng)的抑制，但Na+在沒有達到完全抑制濃度時，系統(tǒng)可以再行緩慢恢復，產氣量和對照組相比明顯減少。在系統(tǒng)運行過程中，應加強鹽度的監(jiān)測和控制，減少和控制循環(huán)用水的使用。