pH對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響

固廢網(wǎng)訊:摘要:餐廚垃圾的主要處置方式有焚燒、填埋、飼料化和生物處理技術(shù)。焚燒、填埋餐廚垃圾會導(dǎo)致大量有機物的浪費，同時還會因燃燒不充分而產(chǎn)生二噁英等，造成環(huán)境的二次污染。許多國家和地區(qū)（如美國、歐盟、韓國和日本等）已經(jīng)嚴(yán)禁將餐廚垃圾進行填埋和焚燒處置。另外，飼料化技術(shù)處理餐廚垃圾很難保證將餐廚垃圾中的動物源成分徹底轉(zhuǎn)化，可能導(dǎo)致蛋白同源性污染問題。因此，生物處理技術(shù)是現(xiàn)階段處理餐廚垃圾的主流工藝。

關(guān)鍵詞：pH；餐廚垃圾；厭氧發(fā)酵；產(chǎn)氫過程；影響

1材料與方法

1.1材料來源及基本特性

接種物取自湘潭市河西污水處理廠二沉池的剩余污泥，將取回的污泥于常溫下靜置分層60min，棄去上層清液后置于4℃冰箱中保存?zhèn)溆?，作為天然產(chǎn)氫菌源；底物取自長沙市聯(lián)合餐廚垃圾處理廠經(jīng)高溫蒸煮的餐廚垃圾（可認(rèn)為無菌），在室溫下冷卻后，置于4℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2試驗方法

1.2.1試驗裝置及儀器

采用有效容積為100mL的厭氧發(fā)酵瓶作為反應(yīng)容器；通過恒溫磁力攪拌水浴鍋控制厭氧反應(yīng)溫度，保持在37℃，同時加入B310磁力轉(zhuǎn)子，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速120r·min-1，底物與接種物質(zhì)量比為4∶1，總質(zhì)量為60g，用氮氣吹脫3min保持發(fā)酵體系的厭氧環(huán)境。

1.2.2測定方法

氣相組分由氣相色譜儀（GC-9790，浙江福立分析儀器有限公司）測定，采用熱導(dǎo)檢測器（TCD），色譜柱為1m×3mm的TDX-01，進樣器溫度為120℃，檢測器溫度為120℃，柱溫為80℃，以高純氬氣為載氣，流量為30mL·min-1。采用外標(biāo)法定量分析氣體中各組分的含量，所產(chǎn)生的氣體采用排水法收集和計量。發(fā)酵液組分采用安捷倫1200InfinityLC液相色譜儀測定，以10mmol·L-1磷酸二氫鈉溶液和甲醇溶液混合（體積比78∶22）作為流動相，檢測器為二極管陣列，XDB-C18色譜柱規(guī)格為150mm×4.6mm×5µm，波長為210nm，流速為1.00mL·min-1，柱溫為30℃，進樣量為10μL。氣體體積采用排飽和食鹽水法測定；可溶性化學(xué)需氧量（SCOD）、總有機碳（TOC）、總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、總磷（TP）、總氮（TN）的測定參照國家標(biāo)準(zhǔn)方法（魏復(fù)盛，2002）；脫氫酶活性的測定采用TTC-脫氫酶活性檢測方法。

2結(jié)果與分析

2.1pH對產(chǎn)氣量的影響

pH是影響餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程中最重要的因素之一，產(chǎn)氣量是厭氧發(fā)酵過程中一個重要參數(shù)，能直觀地反映厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能，是判斷厭氧發(fā)酵過程好壞的重要依據(jù)。不同初始pH值對蒸煮餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫量的影響如圖所示；初始pH為9.0時，整個厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)氣量與pH隨時間的變化如圖所示。

隨著初始pH的增加，產(chǎn)氫量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在初始pH為9.0時，發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣總量最多，達371mL。這表明較低或者較高的pH均不利于產(chǎn)氫菌發(fā)酵產(chǎn)氫，可能是因為pH的提高增強了產(chǎn)氫酶的活性，產(chǎn)氫菌群占據(jù)優(yōu)勢（陳琛等，2011）；同時加快了底物中大分子有機物的水解、酸化速率，為產(chǎn)氫菌產(chǎn)氫提供了充足的營養(yǎng)物質(zhì)（趙明星等，2009）；但過高的初始pH會引起微生物結(jié)團，影響傳質(zhì)過程和可溶性有機物的吸收。初始pH在5.0~11.0范圍內(nèi)，發(fā)酵初期（0~8h），產(chǎn)氫量較少，此時產(chǎn)氫菌處于停滯期；8~24h，產(chǎn)氫菌處于對數(shù)生長期，新陳代謝旺盛，產(chǎn)氫量迅速增加；24~28h，產(chǎn)氫速率較為平緩、穩(wěn)定，產(chǎn)氫菌處于穩(wěn)定期；28h以后，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫量幾乎為零。由此可見，厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)氫量的積累趨勢與微生物生長繁殖各階段的趨勢一致。

在初始pH為9.0時，隨著發(fā)酵的進行，pH逐漸降低，0~8h，pH迅速由9.0下降至6.73，這可能是因為在堿性條件下底物中的大分子有機物迅速水解、酸化產(chǎn)生大量可溶性機物造成的；8~24h，發(fā)酵液中pH在6.73~5.94之間，此時產(chǎn)氣量和產(chǎn)氫量顯著增加，分別增加了425mL和253.5mL，12~16h內(nèi)氫氣占總氣體體積的80.5%，可能是因為此時產(chǎn)氫菌體內(nèi)GAD、DHA等酶活性較強，產(chǎn)氫菌群處于優(yōu)勢地位；28~36h，揮發(fā)性有機酸的大量積累導(dǎo)致pH降到6.0以下，從而抑制產(chǎn)氫菌的活性，使產(chǎn)氫速率減慢。在整個發(fā)酵產(chǎn)氣過程中，總產(chǎn)氣量和總產(chǎn)氫量分別為748mL和371mL，平均產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氫速率分別為20.7mL·h-1和10.3mL·h-1，單位產(chǎn)氫量（以VS計）為72.9mL·g-1。因此，pH對微生物厭氧發(fā)酵影響較大，過高或過低的pH可能不利于微生物的生長與繁殖，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率降低。

2.2pH對VFA組分與比產(chǎn)氫速率的影響

VFA是厭氧發(fā)酵過程中有機質(zhì)水解酸化的重要產(chǎn)物，同時也是產(chǎn)氫菌的底物，影響著厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程。隨著餐廚垃圾水解酸化過程的進行，pH下降迅速，大量VFA產(chǎn)物積累，發(fā)酵初期pH下降迅速。根據(jù)末端代謝產(chǎn)物的組成，可將發(fā)酵類型分為丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫、乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫、丙酸型發(fā)酵產(chǎn)氫和混合酸型發(fā)酵產(chǎn)氫。不同發(fā)酵類型主要由厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中優(yōu)勢菌群決定。厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中存在多種微生物，每種微生物對外界環(huán)境的耐受性不同，因此在特定環(huán)境條件下，不同優(yōu)勢菌群會造成不同產(chǎn)物的大量產(chǎn)生。

丁酸型發(fā)酵制氫的菌類主要是一些厭氧菌和兼性厭氧菌，主要優(yōu)勢種群是梭菌屬（Clostridium），如丁酸梭狀芽孢桿菌（C.butyricum）等。丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫過程的末端產(chǎn)物主要是丁酸、乙酸、H2、CO2和少量丙酸。許多可溶性的碳水化合物（如葡萄糖、蔗糖、淀粉等）以丁酸型發(fā)酵為主。這些物質(zhì)在嚴(yán)格的厭氧細(xì)菌或兼性厭氧菌的作用下，經(jīng)過三羧酸循環(huán)生成丙酮酸，丙酮酸在丙酮酸鐵氧還蛋白氧化還原酶催化作用下脫酸，羥乙基結(jié)合到酶的TPP上，生成乙酞輔酶A，脫下的氫使鐵氧還蛋白還原，而還原型鐵氧還蛋白在氫化酶的作用下被還原同時釋放出H2。在初始pH為9.0時，乙酸和丁酸是揮發(fā)性酸中主要的組成部分，占總揮發(fā)性酸的80%以上，同時含有少量的丙酸。由此可見，產(chǎn)氫過程屬于典型的丁酸型發(fā)酵。隨著發(fā)酵時間的延長，發(fā)酵底物中丁酸比例先增大后減小，乙酸比例先減小后增大。其中，丁酸/乙酸的值可以作為衡量產(chǎn)氫效率的一個重要指標(biāo)，其比值越大，產(chǎn)氫速率越快（Vanetal.，2002；Hawkesetal.，2002）。在整個厭氧發(fā)酵的過程中丁酸/乙酸的值先增大后變小，其比值范圍在0.9~2.1之間，當(dāng)發(fā)酵進行到16h時丁酸/乙酸為2.1，此時丁酸/乙酸的值顯著高于其他時間段，單位比產(chǎn)氫速率（以VS計）最高，達3.77mL·h-1·g-1。本試驗表明丁酸與乙酸的比值確實可以作為衡量產(chǎn)氫效率的重要指標(biāo)。

結(jié)論

整個厭氧發(fā)酵過程中底物VS和TS含量均呈下降趨勢。VS和TS的去除率與發(fā)酵過程中產(chǎn)氫量的變化基本一致，且隨著發(fā)酵的進行，VS和TS去除率逐漸增大，最大去除率分別達到34.4%和26.6%，這說明厭氧發(fā)酵可以實現(xiàn)餐廚垃圾減量化并提高產(chǎn)氫效率。

參考文獻：

[1]曹先艷,袁玉玉,趙由才,牛冬杰.溫度對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016(07):942-945+950.

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原標(biāo)題:pH對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響