接種比對(duì)廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵性能影響

秦丞志,張虹瑩,張 奇,劉青鑫,趙建偉,*,孫英杰

(1.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,青島 266525;2.青島潔寶生態(tài)科技有限公司,青島 266113)

廚余垃圾是生活垃圾的重要組成部分,由餐廳垃圾、菜市場(chǎng)垃圾、家庭廚房垃圾等組成。如何妥善處理日益增長(zhǎng)的廚余垃圾成為了當(dāng)今世界面臨的重大挑戰(zhàn)。據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境署(UNEP)發(fā)布的《2021年食物浪費(fèi)指數(shù)報(bào)告》預(yù)計(jì),全球每年有1/3的食物被浪費(fèi),約為13 億 t,其中,中國(guó)家庭食物浪費(fèi)量每年高達(dá)9164.62 萬(wàn) t[1]。廚余垃圾具有含水量高、有機(jī)物質(zhì)含量豐富、容易出現(xiàn)腐爛變質(zhì)等特點(diǎn),如果不進(jìn)行有效的處理和處置,可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成許多有害影響[2]。厭氧發(fā)酵具有資源化、減量化和無(wú)害化的特征從而被認(rèn)為是廚余垃圾處理的重要技術(shù)[3]。相較于厭氧濕式發(fā)酵(含固率<10%),厭氧干式發(fā)酵(含固率>15%)具有承受有機(jī)負(fù)荷能力高、沼液產(chǎn)量低、沼氣產(chǎn)量高、耗能少、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[4],因此廚余垃圾厭氧干式發(fā)酵得到學(xué)者的廣泛關(guān)注。

厭氧發(fā)酵過(guò)程中,接種物為系統(tǒng)提供最初的微生物群,這些微生物群隨后將參與構(gòu)成有機(jī)物降解過(guò)程的反應(yīng)。它還含有幾種能積極影響酶活性和沼氣生產(chǎn)的大量營(yíng)養(yǎng)素[5]。付龍?jiān)频萚6]通過(guò)探究比較了10%,20%,30%和40%接種比(接種物與所有發(fā)酵物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)葉菜類尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)接種比過(guò)低時(shí)(10%和20%),發(fā)酵中會(huì)出現(xiàn)丙酸乙酸大量累積、pH值驟降、酸堿平衡失調(diào)的“過(guò)酸化”現(xiàn)象;當(dāng)接種比為30%和40%時(shí)最高沼氣日產(chǎn)量分別為2.95和3.17 L,累計(jì)產(chǎn)氣量分別為42.91和43.22 L,最高甲烷濃度分別為67.21%和67.33%。董姚君等[7]研究了不同接種量對(duì)芥菜渣厭氧消化產(chǎn)氣的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)接種物量為50%的實(shí)驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量為1998.33 mL,最高甲烷含量為57.77%,明顯好于其他實(shí)驗(yàn)組,是實(shí)驗(yàn)中最適宜芥菜渣發(fā)酵的濃度。CRISTINA等[8]通過(guò)探究不同接種比條件下的接種污泥對(duì)豬漿厭氧消化的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)豬糞與接種污泥比值為1時(shí),實(shí)驗(yàn)組內(nèi)產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)能夠更加快速地被降解利用,使用更高的比例可能會(huì)因?yàn)閂FA的積累而導(dǎo)致反應(yīng)器失衡,造成“酸抑制”現(xiàn)象。接種物對(duì)廚余垃圾干式發(fā)酵和濕式發(fā)酵的影響存在顯著差異:①干式發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)性差、物質(zhì)的傳遞效率受限;②干式發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)代謝產(chǎn)物易積累從而導(dǎo)致酸化現(xiàn)象。接種物混合比對(duì)廚余垃圾干式厭氧消化的影響鮮有探究,這阻礙了廚余垃圾干式厭氧消化技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

鑒于此,本文以廚余垃圾為發(fā)酵底物,在中溫條件下探究了接種比對(duì)廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響并揭示相關(guān)機(jī)制。首先探究了不同接種比對(duì)廚余垃圾干式厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣及累計(jì)產(chǎn)氣性能的影響,隨后分析接種比對(duì)廚余垃圾干式發(fā)酵內(nèi)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的影響,最后比較了不同接種比對(duì)廚余垃圾內(nèi)有機(jī)物生物轉(zhuǎn)化的影響并揭示了相關(guān)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

接種污泥:取自青島某污水處理廠二沉池的剩余污泥,該污水廠主要采用缺氧/好氧工藝生物脫氮。取回后的接種污泥首先用不銹鋼網(wǎng)(2.0 mm)過(guò)濾后去掉上清液并靜置24 h進(jìn)行濃縮。最后將濃縮后的污泥置于4 ℃冰箱內(nèi)貯存?zhèn)溆?。接種污泥的主要特征見(jiàn)表1。

表1 接種污泥與沼渣的理化性質(zhì)

接種沼渣:取自青島某固體廢物處理廠(采用廚余垃圾為原料)厭氧消化罐出料,除去雜物后放在4 ℃冰箱中備用。沼渣的主要特征見(jiàn)表1。

表2為接種污泥和接種沼渣含固率測(cè)定參數(shù)。

表2 接種污泥與沼渣含固率測(cè)定參數(shù)

廚余垃圾:依據(jù)青島理工大學(xué)某學(xué)生餐廳廚余垃圾的成分人工配制廚余垃圾。具體配比如表3所示。

表3 人工配置廚余垃圾廚余垃圾主要組成(濕基) %

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置為青島理工大學(xué)固體廢物與污染控制實(shí)驗(yàn)室自制的小型厭氧反應(yīng)器,由3個(gè)部分組成:500 mL錐形瓶、專用集氣袋和恒溫振蕩培養(yǎng)箱。將厭氧反應(yīng)器放入恒溫振蕩培養(yǎng)箱中,反應(yīng)溫度控制在35 ℃,反應(yīng)器有效體積為0.5 L。發(fā)酵瓶用帶穿孔管的橡膠塞密封,穿孔管連接采樣氣袋。實(shí)驗(yàn)裝置在組裝后需向瓶?jī)?nèi)通入N2,以排除發(fā)酵起始階段殘留O2對(duì)厭氧發(fā)酵反應(yīng)的影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中,每隔24 h測(cè)定集氣袋中體積分?jǐn)?shù),每隔48 h測(cè)定反應(yīng)器中VFAs以及氨氮的濃度。

1.4 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與分析方法

氨氮參考《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度計(jì)法》(HJ 535—2009)[9]測(cè)定; pH值使用pH檢測(cè)儀測(cè)定;氣體體積采用抽氣法測(cè)定;含固率(TS)參考《生活垃圾采樣和分析方法》(CJ/T 313—2009)[10]測(cè)定;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中料液里的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)含量采用滴定法[11]測(cè)定;多糖采用硫酸苯酚法[12]測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 接種比對(duì)產(chǎn)氣性能的影響

圖1為不同接種比對(duì)廚余垃圾干式厭氧消化日產(chǎn)氣的影響。需要注意的是除R2外,其他4組反應(yīng)器皆只有2次產(chǎn)氣高峰。第1次產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)的原因可能是由于廚余垃圾中的糖類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)首先被快速酸化降解,隨著酸化作用不斷累積,系統(tǒng)pH降低,產(chǎn)甲烷菌的活性受到一定的影響,從而產(chǎn)氣量達(dá)到最大值后逐漸下降[13];而第2次產(chǎn)氣高峰的出現(xiàn)則是因?yàn)殡S反應(yīng)不斷進(jìn)行,揮發(fā)酸不斷被消耗,產(chǎn)甲烷菌適應(yīng)了所處的環(huán)境,活性又有所恢復(fù)。

由圖1可知,在發(fā)酵過(guò)程初期,相較于只添加接種污泥(R1)作為接種底物的反應(yīng)器,其他4組的產(chǎn)氣峰值均出現(xiàn)在第2 d,分別為435.2,796.3,1104.3,801.3 mL,而只將污泥作為接種底物的反映組第1次產(chǎn)氣峰值則出現(xiàn)在第8 d,為601.5 mL。這可能是由于接種沼渣中厭氧微生物的活性比較高,能夠適應(yīng)新的厭氧環(huán)境并進(jìn)行厭氧發(fā)酵。而以接種污泥作接種底物的實(shí)驗(yàn)組,產(chǎn)氣趨勢(shì)相對(duì)較為緩慢,可能是接種物含有的微生物群落、活性等有所差異,進(jìn)而導(dǎo)致所具有的接種能力也有所差異[14]。

各實(shí)驗(yàn)組厭氧發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)氣量的變化情況如圖2所示,隨著時(shí)間的增長(zhǎng)廚余垃圾厭氧消化的累計(jì)產(chǎn)氣量也隨之增加。累計(jì)產(chǎn)氣量的總體變化趨勢(shì)是先快速增長(zhǎng),接著增長(zhǎng)速率逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定。5個(gè)實(shí)驗(yàn)組在發(fā)酵2 d后的累計(jì)產(chǎn)氣量分別為36.0,754.0,1279.8,1618.0,1305.6 mL,此后,5個(gè)實(shí)驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)氣量差值逐步拉大,厭氧消化到達(dá)30 d后,R1累計(jì)產(chǎn)氣量值最低,為2027.9 mL。R2累計(jì)產(chǎn)氣量最高,達(dá)到3228.9 mL,比只添加污泥作為接種物的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣量提升約59.22%。其次是R3和R4,分別為3020.2和3010.6 mL,相較于只接種污泥的實(shí)驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量提升約為48.93%和48.46%,兩組累計(jì)產(chǎn)氣量沒(méi)有較大差距。實(shí)驗(yàn)組R5提升效果最差,累計(jì)產(chǎn)氣量為2453.3 mL,相較于只接種污泥的實(shí)驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量提升約20.98%。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,添加發(fā)酵沼渣為接種底物的實(shí)驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量明顯高于只添加污泥作為接種底物的實(shí)驗(yàn)組。但隨著接種沼渣濃度的增高,累計(jì)產(chǎn)氣量呈現(xiàn)出先增加后減少的現(xiàn)象,這與袁存亮的研究結(jié)果[15]相同,接種沼渣占比量高時(shí),產(chǎn)氣量低,是因?yàn)橛袡C(jī)物質(zhì)占比量相對(duì)減少導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足。

2.2 接種比對(duì)pH的影響

不同接種比條件下的廚余垃圾厭氧發(fā)酵過(guò)程中的pH變化如圖3所示,各組pH變化呈現(xiàn)出先迅速下降后出現(xiàn)小幅度上升最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。由圖3可知,在反應(yīng)器運(yùn)行階段初期,R1—R5中,R1的pH最低,隨著接種沼渣比重的增加,初始pH呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì),這是由于接種沼渣含有高濃度的氨氮,使得反應(yīng)器內(nèi)的初始pH具有更高的水平。

在反應(yīng)器運(yùn)行階段初期,由于水解酸化作用,廚余垃圾中,蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素、脂類大分子首先被分解為氨基酸、糖和脂肪酸。經(jīng)過(guò)酸化階段,這些物質(zhì)再轉(zhuǎn)化為VFA、H2、CO2和醇類等物質(zhì),產(chǎn)生的有機(jī)酸與反應(yīng)系統(tǒng)中部分堿發(fā)生中和反應(yīng),使得各個(gè)反應(yīng)器在發(fā)酵初期pH顯著降低,由圖3可以看出,各組實(shí)驗(yàn)在第17 d pH降到最低,之后出現(xiàn)小幅度的回升,最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)直至反應(yīng)結(jié)束。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,雖然接種沼渣中含有更多的產(chǎn)酸微生物,能夠更快地將大分子有機(jī)物分解為脂肪酸,但是反應(yīng)器中也含有更多的產(chǎn)甲烷菌能夠更快地將脂肪酸分解產(chǎn)生甲烷,使得反應(yīng)器中的pH能夠更早趨于穩(wěn)定,接種物中沼渣對(duì)于酸化現(xiàn)象有一定的緩解作用。

2.3 接種比對(duì)VFA積累的影響

實(shí)驗(yàn)周期內(nèi),各組內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸含量的變化如圖4所示,與pH變化(圖3)相比,兩者之間的變化呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。

在厭氧消化的酸化過(guò)程中產(chǎn)生的VFA如果不能及時(shí)被產(chǎn)甲烷菌所利用,就會(huì)使得厭氧體系內(nèi)VFA大量積累,造成反應(yīng)系統(tǒng)的酸化現(xiàn)象;若VFA產(chǎn)量不足時(shí),則產(chǎn)甲烷菌所需要的原料不足,也會(huì)進(jìn)一步限制甲烷的產(chǎn)生[16]。如圖4所示,5組厭氧反應(yīng)器內(nèi)VFA的變化基本呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢(shì)。5個(gè)實(shí)驗(yàn)組VFA累計(jì)含量分別為0.149,0.199,0.208,0.200,0.104 g/L。在反應(yīng)器啟動(dòng)初期,隨著接種沼渣占比的增加,反應(yīng)器中所含有的VFA的含量有所增加。R5由于含有更多的接種物,能提供更多的產(chǎn)酸微生物,所以在厭氧反應(yīng)前期,該反應(yīng)器產(chǎn)生VFA的效率更高。只接種污泥的反應(yīng)器內(nèi)所含有的接種物相較于其他實(shí)驗(yàn)組數(shù)量較低,提供的產(chǎn)酸微生物相對(duì)較少,所以反應(yīng)器中VFA的含量相對(duì)比較低。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)可知,隨著接種沼渣占比的升高,系統(tǒng)中含有更多的產(chǎn)酸微生物,使得VFA濃度更高,但VFA的濃度不足以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用,只會(huì)為產(chǎn)甲烷菌提供物質(zhì)基礎(chǔ),促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷進(jìn)程。

2.4 接種比對(duì)氨氮釋放的影響

厭氧反應(yīng)器中的氨氮濃度對(duì)于維持整個(gè)厭氧反應(yīng)系統(tǒng)所需要的堿度起著重要作用,厭氧消化過(guò)程中氨氮主要來(lái)自被微生物分解的蛋白質(zhì)、氨基酸等含氮大分子有機(jī)物。5組反應(yīng)器氨氮濃度變化如圖5所示,各組反應(yīng)器氨氮濃度范圍分別為:0.177～0.258,0.367～0.599,0.402～0.778,0.448～0.809,0.405～0.867 g/L。由此可見(jiàn),隨著接種沼渣占比增加,氨氮濃度相對(duì)增加。

此外,5組反應(yīng)器內(nèi)氨氮濃度的變化基本呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì),這是因?yàn)樵趨捬跸跗?微生物群落能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)、氨基酸等含氮大分子有機(jī)物快速地降解為無(wú)機(jī)態(tài)的氨氮物質(zhì),從而使反應(yīng)系統(tǒng)中的氨氮濃度一開(kāi)始有所上升;隨著氨氮濃度的升高,厭氧消化過(guò)程中所產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸與之發(fā)生中和反應(yīng),避免“酸化”現(xiàn)象的產(chǎn)生,同時(shí),隨著厭氧消化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行,大量的氨氮被產(chǎn)甲烷菌利用,使得氨氮濃度進(jìn)一步下降。由于接種沼渣越高,系統(tǒng)中氨氮濃度也越高。當(dāng)達(dá)到一定的氨氮濃度時(shí),產(chǎn)甲烷菌會(huì)受到抑制作用,從而影響厭氧消化反應(yīng)的進(jìn)行[17]。有研究表明氨氮濃度在1.7～14 g/L時(shí),甲烷的產(chǎn)量會(huì)減少50%[18],所以相較于R2—R4,R5內(nèi)高濃度的氨氮對(duì)于產(chǎn)甲烷菌有一定的抑制作用,導(dǎo)致產(chǎn)甲烷效率降低。

2.5 接種比對(duì)有機(jī)物釋放特征的影響

廚余垃圾中的主要成分為碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì),廚余垃圾中總糖或碳水化合物的含量占干物質(zhì)量的50%以上[19]。在反應(yīng)器運(yùn)行階段初期,廚余垃圾中碳水化合物等物質(zhì)經(jīng)過(guò)水解作用轉(zhuǎn)換成多糖,反應(yīng)器內(nèi)的多糖含量進(jìn)一步升高,隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行,反應(yīng)器中的多糖水解成單糖被微生物利用,使得反應(yīng)器中的多糖含量逐漸降低。5組反應(yīng)器中多糖含量變化如圖6所示,多糖含量隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),分別在第5,5,7,9,5 d時(shí),反應(yīng)器中多糖含量達(dá)到最高。

由圖6可知,在反應(yīng)初期,R1的多糖含量峰值最高,為172.584 μg/mL,這是由于接種污泥中的微生物相較于接種沼渣中的微生物能夠更快地響應(yīng)廚余垃圾中的有機(jī)物,能夠更快地對(duì)廚余垃圾中的有機(jī)物進(jìn)行分解;而接種沼渣中的微生物經(jīng)過(guò)一定適應(yīng)期后,逐漸適應(yīng)了周圍的環(huán)境,與廚余垃圾中的有機(jī)物反應(yīng),促進(jìn)了有機(jī)物的釋放,使得在反應(yīng)的中后期R2—R5組中多糖濃度高于R1組。

3 結(jié)論

1) 接種沼渣添加比例低,厭氧消化過(guò)程中容易出現(xiàn)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的過(guò)度積累,導(dǎo)致pH驟降,降低產(chǎn)氣量;接種沼渣添加比例高,反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)氨氮和VFA積累量高,同樣不利于沼氣產(chǎn)生。

2) 分析了接種污泥與接種沼渣質(zhì)量比為2/0,2/1,1/1,1/2,0/2對(duì)廚余垃圾厭氧消化反應(yīng)的影響,通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),在不同接種比條件下接種沼渣質(zhì)量比的提升對(duì)廚余垃圾厭氧消化影響顯著。相較于只接種污泥,接種沼渣有助于提高廚余垃圾厭氧消化產(chǎn)氣效率。

3) 只將污泥作為接種物的實(shí)驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量為2027.9 mL,對(duì)于接種污泥與接種沼渣質(zhì)量比為2/1,1/1,1/2,0/2的實(shí)驗(yàn)組,累計(jì)產(chǎn)氣量分別為3228.9,3020.2,3010.6,2453.3 mL,分別提升了59.22%,48.93%,48.46%和20.98%。