pH值演變對(duì)果蔬垃圾厭氧發(fā)酵效能的影響研究

石 川， 劉 越， 羅 娟， 吳厚凱， 王凱軍*， 周岳溪,2.3,*

(1.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084； 2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心, 北京 100084； 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

2021年，我國(guó)頒布的《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)了我國(guó)資源利用效率大幅提升的目標(biāo)，明確了資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，我國(guó)為應(yīng)對(duì)氣候變化、環(huán)境污染、能源資源緊缺等問(wèn)題，做出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)承諾。在規(guī)劃和政策推動(dòng)下，高效處理生物質(zhì)廢棄物，資源化利用其富含的生物質(zhì)能源資源，實(shí)現(xiàn)其可再生利用成為新的研究熱點(diǎn)。中國(guó)每年約有1億t的果蔬垃圾產(chǎn)生[1]，但只有不到20%的果蔬廢棄物能夠得到適宜的處理處置。一方面，由于高含水量和易降解性的特性，果蔬垃圾不當(dāng)處理易造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，如惡臭和對(duì)土壤、水和空氣的污染[2]。另一方面，通過(guò)厭氧發(fā)酵技術(shù)將果蔬垃圾進(jìn)行處理，可實(shí)現(xiàn)天然氣、電能等能量轉(zhuǎn)化利用。據(jù)報(bào)道，95.6萬(wàn)t的生活垃圾經(jīng)厭氧發(fā)酵技術(shù)處理后可轉(zhuǎn)化為300×106Nm3甲烷，相當(dāng)于北京市天然氣消耗量的3.35%[3]。因此，在“十四五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)重要時(shí)期，果蔬垃圾厭氧發(fā)酵性能的研究與提升具有重大意義。

厭氧發(fā)酵是一種綠色環(huán)保，符合可持續(xù)發(fā)展的廢棄物處理技術(shù)。厭氧發(fā)酵過(guò)程包含有機(jī)物水解、酸化和產(chǎn)甲烷等3個(gè)階段，最終實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的降解、轉(zhuǎn)化和循環(huán)利用。除產(chǎn)物甲烷外，厭氧發(fā)酵的發(fā)酵液富含酸化產(chǎn)物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。據(jù)研究，底物中65.8%的碳源存留在發(fā)酵液中[4]，剩余碳源轉(zhuǎn)化為甲烷或流失，可見(jiàn)以沼氣為目標(biāo)產(chǎn)物，資源利用率較低。比較而言，厭氧發(fā)酵所產(chǎn)的脂肪酸(Yolatile Fatty Acids)具有更高的能量密度，運(yùn)儲(chǔ)安全方便，具有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和更大的市場(chǎng)需求[5]。在此基礎(chǔ)上，更多研究關(guān)注于厭氧發(fā)酵所產(chǎn)脂肪酸類產(chǎn)物的產(chǎn)能等生產(chǎn)應(yīng)用。

為避免厭氧條件下甲烷的大量生成，采用pH值調(diào)控的手段可抑制甲烷生成并引導(dǎo)產(chǎn)生多種脂肪酸類產(chǎn)物[6]。pH值參數(shù)的變化決定體系內(nèi)微生物群落的生態(tài)位，影響細(xì)胞內(nèi)外酶活，進(jìn)而調(diào)節(jié)不同酸化產(chǎn)物的代謝途徑[7]。因此，為獲得不同酸化產(chǎn)物的產(chǎn)量和產(chǎn)率，pH值調(diào)控是一種重要手段。Wang[8]等發(fā)現(xiàn)在pH值為8.0和10.0的條件下，酸化產(chǎn)物總量明顯高于pH值 3.0和7.0的酸化產(chǎn)物產(chǎn)量。Chen[9]等發(fā)現(xiàn)以污泥為底物時(shí)，堿性條件pH 值10.0能夠提高酸化產(chǎn)物產(chǎn)量達(dá)到最高值。另外，不同底物在不同pH值條件下，產(chǎn)物組分也表現(xiàn)出不同的形式。任南琪[10]等在以糖類廢水為底物的高有機(jī)負(fù)荷環(huán)境中，大量且連續(xù)獲得乙酸和乙醇混合產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)并提出乙醇型發(fā)酵類型。吳遠(yuǎn)遠(yuǎn)[11]等在果蔬垃圾厭氧發(fā)酵pH值調(diào)控4.0的條件下，首次發(fā)現(xiàn)大量乳酸的生成，產(chǎn)量可達(dá)10 g·L-1。經(jīng)研究，pH值向堿性方向調(diào)控，是有助于乙酸和丁酸等產(chǎn)物生成的。pH值從4.0～4.5調(diào)節(jié)到4.4～4.9是有利于乙醇型發(fā)酵向丁酸型轉(zhuǎn)變[12]。李永峰[13]等投加碳酸氫鈉控制進(jìn)水pH值在6.75～7.15范圍內(nèi)。20天后，系統(tǒng)處于混合型發(fā)酵類型，酸化產(chǎn)物組分為乙醇9.9%、乙酸23.9%、丙酸51.8%和丁酸14.4%。目前，針對(duì)果蔬垃圾厭氧發(fā)酵的pH值調(diào)控策略和發(fā)酵性能的研究還不完善，仍有研究空間去提升和導(dǎo)向酸化產(chǎn)物的生成。本研究通過(guò)比較果蔬垃圾不同pH值調(diào)控條件下的性能和細(xì)胞狀態(tài)，分析酸、堿性果蔬垃圾厭氧發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)，為果蔬垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)物目標(biāo)性轉(zhuǎn)化和資源化利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)接種污泥為厭氧絮狀污泥取自北京市高碑店污水處理廠厭氧池，取回后放置于35℃ 環(huán)境保存。接種污泥初始性質(zhì)經(jīng)檢測(cè)如下：總固體(TS)為22.11±1.50 g·L-1；總揮發(fā)性固體(VS)為11.93±0.68 g·L-1；總化學(xué)需氧量(TCOD)為28325±18.6 g·L-1；溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)為4381.75±0.1 g·L-1;pH值為 6.4±0.1。試驗(yàn)中采用人工模擬配制的果蔬垃圾作為基質(zhì)。模擬的果蔬垃圾組成包括蘋果、西瓜、菠菜、生菜和土豆(購(gòu)買于北京市海淀區(qū)清華大學(xué)清河農(nóng)貿(mào)市場(chǎng))，其中蘋果、西瓜、菠菜、生菜和土豆按照3∶6∶4∶3∶3的質(zhì)量比例破碎混勻。模擬果蔬垃圾采用垃圾處理器(In-Sink-Erator company, Model 55,410W,USA)進(jìn)行破碎處理[14]，具體操作將切塊后的果蔬置于粉碎機(jī)中，粉碎20 min，破碎混勻后的固液混合物，置于-20℃的冰箱冷凍保存。為了方便使用，用密封袋分裝，每次進(jìn)料前，于-4℃條件下化凍后使用。該模擬果蔬垃圾底物性質(zhì)檢測(cè)如下：總固體(TS)為10.58 %±0.5 %，總揮發(fā)性固體(VS)為9.81 %±0.4%，總化學(xué)需氧量(TCOD)為36575±64 g·L-1; 溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)為33873.4±18.9 g·L-1, pH值為4.4±0.2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)考察pH值穩(wěn)定演變對(duì)厭氧發(fā)酵體系的效能影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：以接種泥和果蔬垃圾混合后有機(jī)負(fù)荷為6 gVS·L-1·d-1，水力停留時(shí)間為4 d，反應(yīng)溫度35℃為設(shè)置條件，將400 mL 接種泥和150 mL 模擬果蔬垃圾底物進(jìn)行混合，置于反應(yīng)器中反應(yīng)，使用氮?dú)?80 mL·min-1)曝氣10 min以保證整體厭氧環(huán)境。通過(guò)pH值控制器連續(xù)穩(wěn)定改變反應(yīng)體系pH值，其中酸性演變反應(yīng)器R1從pH值 7.0±0.1(標(biāo)記為R1-7)降至 pH 值2.0±0.1(標(biāo)記為R1-2)，堿性演變反應(yīng)器R2從pH值 8.0±0.1(標(biāo)記為R2-8)升至 pH 值12.0±0.1(標(biāo)記為R2-12)，試驗(yàn)共連續(xù)運(yùn)行95 d。同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比。反應(yīng)器取樣采用半連續(xù)方式運(yùn)行，每天進(jìn)出料，每隔2日檢測(cè)出料性質(zhì)。具體實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

采用CSTR 厭氧消化反應(yīng)器及pH值控制器聯(lián)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖1)。反應(yīng)器有效體積為800 mL(總體積為1 L)。反應(yīng)器的反應(yīng)溫度通過(guò)恒溫室加熱器維持在35℃±2 ℃。此外，反應(yīng)器通過(guò)磁力攪拌的方式，將發(fā)酵原料和微生物充分混合。磁力攪拌器的攪拌速度設(shè)為200 rpm，確保反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)體系充分混合。為防止反應(yīng)器漏氣，反應(yīng)器各出口進(jìn)行了密封，并連接集氣袋以收集產(chǎn)氣。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，pH值控制器(Clear, pH500)控制各反應(yīng)器的pH值參數(shù)處在設(shè)定值±0.1范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)反應(yīng)器pH值的酸性物質(zhì)為鹽酸溶液(2M)和堿性溶液氫氧化鈉溶液(2M)。

圖1 pH值控制CSTR反應(yīng)器裝置圖

1.4 檢測(cè)方法

本研究中的水解率、酸化率和VFA轉(zhuǎn)化率見(jiàn)公式(1)～(3)。其中，酸化率計(jì)算公式中的總VFA為各個(gè)代謝物質(zhì)轉(zhuǎn)化為COD后的濃度之和。

水解率=SCOD/TCOD×100%

(1)

酸化率=總VFA(以COD計(jì))/TCOD×100%

(2)

VFA轉(zhuǎn)化率=總VFA(以COD計(jì))/SCOD×100%

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 果蔬垃圾自然厭氧發(fā)酵性能

果蔬垃圾在無(wú)pH值調(diào)控自然發(fā)酵情況下，其pH值和酸化產(chǎn)物變化如圖2。由圖2可知，果蔬垃圾自然厭氧發(fā)酵過(guò)程中pH值為酸性，波動(dòng)范圍在3.0～5.0。發(fā)酵第1天～第6天，pH值主要穩(wěn)定在4.5左右。從第7天～第47天，pH值開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，平均維持在3.8。第47天開(kāi)始，pH值出現(xiàn)波動(dòng)，pH值后期維持在3.6。隨著pH值變化，果蔬垃圾自然厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵過(guò)程中丙酮酸、乙酸、乳酸和乙醇等產(chǎn)物的產(chǎn)量有明顯變化。反應(yīng)前15 d產(chǎn)物變化趨勢(shì)無(wú)明顯變化，可看作是厭氧發(fā)酵馴化穩(wěn)定期。此穩(wěn)定期乙酸產(chǎn)量占比最大，平均產(chǎn)量可達(dá)4416.26±111.46 mg·L-1。其次，丙酮酸產(chǎn)量平均可達(dá)3787.91±106.27 mg·L-1。從第16天開(kāi)始，乳酸產(chǎn)量明顯上升成為特征產(chǎn)物，最高可達(dá)14885.09±61.28 mg·L-1。從第47天開(kāi)始，乙醇產(chǎn)量明顯提高，相比前期乙醇產(chǎn)量至少提高了99.89%，最高產(chǎn)量可達(dá)6389.52±2.64 mg·L-1。丙酮酸為碳水類化合物代謝的中間產(chǎn)物，糖類物質(zhì)酵解為丙酮酸后，再根據(jù)不同代謝途徑生成乙醇、乳酸、乙酸和丁酸等酸化產(chǎn)物[16]。丙酮酸產(chǎn)量可以標(biāo)志糖酵解進(jìn)入到厭氧代謝酸化途徑的程度。果蔬垃圾自然厭氧發(fā)酵條件下，丙酮酸產(chǎn)量無(wú)明顯波動(dòng)，產(chǎn)量維持在2298.34±131.17 mg·L-1，乳酸平均產(chǎn)量為8412.92±159.46 mg·L-1，乙酸平均產(chǎn)量為2557.89±83.39 mg·L-1。

pH值在厭氧發(fā)酵中是影響產(chǎn)物組分的關(guān)鍵參數(shù)[17]。酸性條件下，乳酸和乙醇是果蔬垃圾厭氧發(fā)酵的主要產(chǎn)物。關(guān)聯(lián)分析圖2中pH值和產(chǎn)物組分的關(guān)系，可得到pH 值3.8～4.5范圍內(nèi)，乳酸的產(chǎn)量明顯高于乙醇，呈現(xiàn)乳酸型發(fā)酵。當(dāng)pH值繼續(xù)酸化低于3.8，乙醇產(chǎn)量明顯提高，呈現(xiàn)乳酸-乙醇共發(fā)酵類型。因此，果蔬垃圾自然厭氧發(fā)酵pH 值呈酸性且會(huì)持續(xù)下降，產(chǎn)物組分會(huì)由乳酸為主轉(zhuǎn)化為乙醇和乳酸共同發(fā)酵。丙酮酸的產(chǎn)量變化也與酸化產(chǎn)物的總量變化具有一致性。

圖2 果蔬垃圾自然厭氧發(fā)酵pH值及性能變化

2.2 pH值演變條件下酸化產(chǎn)物組分

通過(guò)pH 值控制器，將酸性反應(yīng)器中pH值由7.0 穩(wěn)定調(diào)節(jié)至2.0，堿性反應(yīng)器中pH 值由8.0 穩(wěn)定調(diào)節(jié)至12.0，具體酸化發(fā)酵產(chǎn)物如圖3。由圖可知，在酸性3.0～5.0條件下，主要產(chǎn)物為乙醇和乳酸。其中，pH值為4.0時(shí)，乳酸產(chǎn)量最大，高達(dá)18291.46±97.84 mg·L-1。當(dāng)pH值降至3.0時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物以乙醇為主，其產(chǎn)量可達(dá)4197.71±7.73 mg·L-1。在pH 值6.0～10.0條件下，果蔬垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)物主要由乙酸、丙酸和丁酸組成。在pH值由5.0向 6.0演變時(shí)，乳酸產(chǎn)量下降，乙酸和丁酸產(chǎn)量明顯提升，平均分別可達(dá)6459.90±2.88 mg·L-1和1866.81±111.22 mg·L-1。隨著pH值升至10.0，乙酸產(chǎn)量升到最高，平均產(chǎn)量為10283.94±111.15 mg·L-1。其他產(chǎn)物如丙酸產(chǎn)量為1128.33±97.06 mg·L-1，丁酸產(chǎn)量為770.06±105.34 mg·L-1。當(dāng)pH值保持在11.0和12.0的堿性條件下，酸化產(chǎn)物產(chǎn)量降低，主要產(chǎn)物為乙酸，產(chǎn)量?jī)H為3938.89±134.70 mg·L-1。同時(shí)，丙酮酸產(chǎn)量在pH值為2.0、11.0和12.0 條件下也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，標(biāo)志強(qiáng)堿和強(qiáng)酸環(huán)境中糖類物質(zhì)向丙酮酸轉(zhuǎn)化速率降低，進(jìn)而導(dǎo)致丙酮酸向其他酸化產(chǎn)物的代謝受到抑制。厭氧反應(yīng)體系中pH值下降，細(xì)胞生長(zhǎng)以及代謝化合物的生長(zhǎng)受到抑制[18]。在pH值穩(wěn)定調(diào)控的厭氧發(fā)酵體系中，產(chǎn)物產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定。總體上，在pH 值3.0～5.0 范圍，主要酸化產(chǎn)物如乳酸和乙酸平均產(chǎn)量分別為9198.54±148.11 mg·L-1和3908.53±436.50 mg·L-1，均高于果蔬垃圾自然厭氧發(fā)酵的產(chǎn)量。相比其他文獻(xiàn)報(bào)道[19]，本實(shí)驗(yàn)中乳酸產(chǎn)量較低。以廚余垃圾為底物進(jìn)行厭氧發(fā)酵更有助于乳酸產(chǎn)量的提高，可達(dá)到52400 mg·L-1。廚余垃圾中含有大量的淀粉、葡萄糖等物質(zhì)，且大部分產(chǎn)乳酸菌的有機(jī)碳來(lái)源于此[20]。因此，有較多的研究發(fā)現(xiàn)廚余垃圾更適合乳酸的生成。另外，與其他文獻(xiàn)相比，本實(shí)驗(yàn)中乙醇產(chǎn)量合理。以果蔬垃圾為底物的厭氧發(fā)酵中，乙醇產(chǎn)量處于3500～16500 mg·L-1范圍，主要變化取決于pH值和有機(jī)負(fù)荷[17]。一些研究表明，丁酸主要是蛋白質(zhì)類物質(zhì)的酸化代謝產(chǎn)物[21]，在以廚余垃圾為底物的厭氧發(fā)酵中產(chǎn)量較大。

圖3 果蔬垃圾厭氧發(fā)酵pH值演變下酸化效能變化

不同發(fā)酵體系可呈現(xiàn)不同發(fā)酵類型，獲得不同的特征產(chǎn)物。根據(jù)定義[22]，乙醇代謝產(chǎn)物在發(fā)酵組分中比例大于30%，且乙醇和乙酸共占比大于50%，則為乙醇型發(fā)酵；乙酸濃度為主，其他產(chǎn)物(如丙酸、丁酸等)濃度差異不大，則為混合酸型發(fā)酵；丁酸占比大于30%，且丁酸和乙酸共占比大于50%，則為丁酸型發(fā)酵。另外，乳酸型發(fā)酵雖未有明確定義，但已有多篇文獻(xiàn)證明乳酸型發(fā)酵在酸性發(fā)酵條件下呈現(xiàn)[11, 20]。在不同pH 值調(diào)控條件下，發(fā)酵體系呈現(xiàn)不同的發(fā)酵類型如圖4:在pH值 2.0、4.0、5.0、10.0和11.0厭氧體系中分別呈現(xiàn)為乙醇型、乳酸型、混合型、乙酸型和丁酸型發(fā)酵。整體而言，酸性條件下厭氧發(fā)酵產(chǎn)物主要由乙醇、乳酸和乙酸組成；堿性條件下，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)物為乙酸、丙酸和丁酸。不同pH值條件下，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)物主要由微生物組分和代謝途徑中所需輔因子(如能量ATP、氧化還原力NADH/NAD+和酶活)決定。發(fā)酵類型的演變與pH值穩(wěn)定演變具有相關(guān)性[23]，pH值可作為實(shí)現(xiàn)不同發(fā)酵類型的操控因子。不同pH值條件下微生物群落會(huì)進(jìn)行演變，但不利pH值因子不會(huì)導(dǎo)致某一物種完全消失。除了微生物群落變化，胞外pH值也影響胞內(nèi)參與代謝途徑的輔因子的抑制與激活[24]。這些輔因子是調(diào)控糖酵解代謝途徑的主要操控因子，可抑制和激活不同代謝中間產(chǎn)物的生成[25]。另外，pH值、優(yōu)勢(shì)菌群和產(chǎn)物之間存在的關(guān)系，也是產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌種群生理生態(tài)學(xué)的一種呈現(xiàn)。許多文獻(xiàn)通過(guò)人為控制pH值參數(shù)得到了不同的產(chǎn)物組分，檢測(cè)出已形成了不同的優(yōu)勢(shì)種群。本質(zhì)上，形成不同的優(yōu)勢(shì)種群與呈現(xiàn)不同發(fā)酵類型是微生物代謝的因果。任南琪[26]等發(fā)現(xiàn)乙醇型發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)種群主要為擬桿菌屬等專性厭氧菌，丁酸型發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)種群主要為梭狀芽孢桿菌。不同pH值條件下，微生物的生存耐性和代謝活動(dòng)有差異，導(dǎo)致了不同微生物發(fā)酵代謝末端產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率不同，進(jìn)而形成了不同發(fā)酵類型。在pH值演變的過(guò)程中，不同的優(yōu)勢(shì)菌群接替占據(jù)主導(dǎo)位置，其主要代謝產(chǎn)物反映為不同發(fā)酵類型。代謝末端不同產(chǎn)率本質(zhì)原因在于離子物質(zhì)(如H+、OH-等)影響了微生物細(xì)胞膜運(yùn)輸性能及細(xì)胞內(nèi)酸堿敏感成分穩(wěn)定性(如DNA、ATP等)。且基于微生物的不同生理結(jié)構(gòu)和耐受能力，微生物代謝能力呈現(xiàn)差異。因此，隨著pH值的變化，微生物群落中不同種群的競(jìng)爭(zhēng)演替，形成了不同生態(tài)位，形成了優(yōu)勢(shì)種群，出現(xiàn)了發(fā)酵產(chǎn)物差異。本文中pH 值2.0、4.0、5.0、10.0和11.0的厭氧體系所形成的不同發(fā)酵類型，也是體現(xiàn)了相應(yīng)優(yōu)勢(shì)種群在該適宜pH值條件下生存和代謝能力較有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

圖4 不同pH值演變下厭氧體系的VFAs組分影響

2.3 pH值演變條件下厭氧水解酸化速率

在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，水解率和酸化率標(biāo)志發(fā)酵過(guò)程中糖類物質(zhì)水解和酸類產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的程度。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，水解率是厭氧發(fā)酵過(guò)程中的主要限速步驟[27]。在不同pH值條件下，水解率、酸化率和VFA轉(zhuǎn)化率如圖5。酸性條件下，水解率較低處于35.89%～47.08%，酸化率處于35.21%～42.29%。中性偏堿性條件下，水解率和酸化率明顯提升。在pH值為9.0時(shí)，水解率最高為84.94%，酸化率最高為75.18%。VFA轉(zhuǎn)化率可體現(xiàn)VFA產(chǎn)物占溶解性COD的比例。酸性條件下，溶解性有機(jī)物質(zhì)主要成分為VFA,比例高達(dá)99.20%。堿性條件下，溶解性有機(jī)物質(zhì)中VFA比例可占到31.27%～97.10%。堿性條件可促進(jìn)蛋白質(zhì)類物質(zhì)水解，經(jīng)堿處理的污泥中蛋白質(zhì)含量明顯高于未處理組[28]。污泥堿性發(fā)酵體系中水解程度普遍高于酸性，主要原因是堿性條件溶解了細(xì)胞膜導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)流出，且水解微生物的活性更高，水解酶活更高，能夠更高效地水解有機(jī)物。

圖5 不同pH值演變下厭氧體系水解率、酸化率和VFAs轉(zhuǎn)化率的變化

2.4 pH值演變條件下氮磷營(yíng)養(yǎng)釋放

圖6 不同pH值演變下厭氧體系氮磷元素釋放情況

2.5 pH值演變對(duì)細(xì)胞能量濃度及VFAs產(chǎn)量影響

不同pH值調(diào)控條件下厭氧發(fā)酵過(guò)程中VFAs總濃度和能量變化如圖7所示。酸性條件下，細(xì)胞裂解后的ATP 含量都較低，平均發(fā)光強(qiáng)度為85.4±5.65 RLU。當(dāng)厭氧發(fā)酵體系調(diào)控在堿性條件下，ATP的含量逐漸提高。在弱堿性條件，ATP含量水平可達(dá) 196.33±4.83 RLU。然而，在pH值為12.0時(shí)，ATP含量顯著提高，可能是堿性條件下細(xì)胞破裂，造成細(xì)胞裂解液中單位ATP含量較高。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，通過(guò)添加外源抑制劑，降低光滑球擬酵母 CCTCC M202019中的胞內(nèi)ATP含量43%，可促進(jìn)葡萄糖消耗速度360%，提高丙酮酸生成速度17%。胞內(nèi)能量ATP含量降低能夠提高糖酵解速率，主要原因是提高了磷酸果酸激酶和丙酮酸激酶的活性[31]。如圖7中，能量濃度和VFAs總濃度呈負(fù)相關(guān)性。當(dāng)能量濃度處在68～200 RLU范圍時(shí)，酸化產(chǎn)物的總量可實(shí)現(xiàn)11471.71～20902.24 mg·L-1。然而，能量濃度再次提高至200 RLU以上，酸化產(chǎn)物總量顯著減低。當(dāng)能量濃度達(dá)1003.5 RLU時(shí)，總VFAs產(chǎn)量?jī)H為6811.76 mg·L-1。在pH值 6.0和9.0時(shí)，總VFAs產(chǎn)量最高，分別是20235.67mg·L-1和20902.24 mg·L-1。

圖7 不同pH值演變下厭氧體系的能量與VFAs產(chǎn)物濃度

3 結(jié)論

(1)果蔬垃圾自然厭氧發(fā)酵過(guò)程中，由于酸化產(chǎn)物不斷生成，pH值會(huì)不斷下降。果蔬垃圾自然厭氧發(fā)酵體系中主要產(chǎn)物由乳酸轉(zhuǎn)化為乙醇。丙酮酸產(chǎn)量變化趨勢(shì)與酸化產(chǎn)物產(chǎn)量變化一致。

(2)果蔬垃圾厭氧發(fā)酵中pH值調(diào)控可穩(wěn)定發(fā)酵類型和產(chǎn)物產(chǎn)量。當(dāng)pH值穩(wěn)定在2.0、4.0、10.0和11.0時(shí)，發(fā)酵體系形成乙醇型、乳酸型、乙酸型和丁酸型發(fā)酵。其中，各發(fā)酵類型中特征產(chǎn)物產(chǎn)量分別為乙醇4106.31±260.13 mg·L-1, 乳酸11619.99±169.08 mg·L-1，乙酸10284.16±111.15 mg·L-1和丁酸 1017.55±124.30 mg·L-1。

(3)不同pH值調(diào)控的果蔬垃圾厭氧發(fā)酵體系中，堿性條件下的水解速率和酸化速率高于酸性條件。然而，酸性條件下，溶解性有機(jī)物主要為酸化產(chǎn)物。厭氧體系中氨氮釋放量高于磷酸鹽的釋放，pH 值2.0條件下，氨氮和磷酸鹽含量最高。強(qiáng)堿條件下，能量濃度較高，總VFAs產(chǎn)量較低，而在pH 值6.0和9.0的條件下，酸化產(chǎn)物的總產(chǎn)量較理想。