pH值对餐厨垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响

中国环境科学2013,33(4)：680~684ChinaEnvironmentalSciencepH值对餐厨垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响张玉静1,蒋建国1,2*,王佳明1(1.清华大学环境学院,北京100084；2.固体废物处理与环境安全教育部重点实验室,北京100084)摘要：通过间歇实验研究了中温条件下pH值对餐厨垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸(VFA)的影响.考察了pH值为5.0、6.0、7.0及不控制pH值下的有机酸浓度及组成情况.结果表明,当控制反应器中pH值为6.0时,餐厨垃圾水解酸化效果最好,比其他pH值条件下产生更多的有机酸.pH值为6.0时,VFA浓度与单位VS产酸量在第68h达到最大值,分别为40.89g/L和0.328gVFA/gVS,是不控制pH值时的8倍.pH值对发酵产物组成影响显著.不控制pH值时,反应器内的pH值在24h内由6.6迅速下降到3.8,乙醇为主要的发酵产物,占59.8%,表现为典型的乙醇型发酵.当控制pH值为5.0、6.0、7.0时,均为丁酸型发酵.但pH值为5.0时,乙酸为主要产物;pH值为6.0时,丁酸为主要产物;pH值为7.0时,乙酸与丁酸比例相当.试验表明,餐厨垃圾厌氧发酵产酸的最佳pH值为6.0.关键词：酸化；VFA；餐厨垃圾；pH值中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1000-6923(2013)04-0680-05EffectofpHvalueonVFAconcentrationandcompositionduringanaerobicfermentationofkitchenwaste.ZHANGYu-jing1,JIANGJian-guo1,2*,WANGJia-ming1(1.SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China；2.KeyLaboratoryforSolidWasteManagementandEnvironmentSafety,MinistryofEducation,Beijing100084,China).ChinaEnvironmentalScience,2013,33(4)：680~684Abstract：Undermesophilicconditions(35℃),batchexperimentswerecarriedouttodeterminetheeffectofpHvalueonvolatilefattyacid(VFA)concentrationandcompositionduringanaerobicacidogenesisofkitchenwastes.ThepHvaluewasuncontrolledinonereactorandcontrolledat5.0,6.0,7.0inotherreactors.TheresultsshowedthatthegreatestdegreeofhydrolysisandacidogenesiswasobtainedandmoreorganicacidwasproducedwhenthepHvaluewascontrolledat6.0.WhenthepHvaluewascontrolledat6.0,themaximumVFAconcentrationandyieldsof40.89g/Land0.328gVFA/gVSwasobtainedinthe68thhour,andwas8timesofthatwhenthepHvaluewasnotcontrolled.TheproductcompositionintheacidreactorstronglydependedonthepHvalue.ThepHvalueoftheuncontrolledreactordroppedfrom6.6to3.8quicklywithin24hours.Ethanolwasthemainproduct,accountedfor59.8%oftotalendproducts.Sothetypicalethanol-typefermentationoccurredwhenthepHvaluewasnotcontrolled.Itwasbutyricacid-typefermentationwhenthepHvaluewascontrolledat5.0,6.0and7.0.AceticacidwasmainproductatpH5.0,butyricacidwasdominantatpH6.0,proportionofaceticacidandbutyricacidwassimilartoeachotheratpH7.0.TheoptimumpHvalueofhydrolysisandacidogenesisofkitchenwasteswas6.0.Keywords：acidogenesis；volatilefattyacid(VFA)；kitchenwaste；pHvalue餐厨垃圾在我国城市生活垃圾中占有较大的比重,达到40%~60%[1],且随着社会的发展,餐厨垃圾的产量也逐年增加[2].餐厨垃圾具有含水率高、有机物含量高、容易腐败等特点,如处理不当,必然造成资源的浪费和环境的污染.因此,如何对餐厨垃圾进行减量化、无害化、资源化处理已成为普遍关注的问题[3-5].采用厌氧消化技术处理餐厨垃圾,既可以实现餐厨垃圾的减量化,也能够实现资源的回收,逐渐受到国内外研究者的青睐.厌氧消化一般包括水解发酵、产氢产乙酸、产甲烷3个阶段.在水解发酵阶段,不溶性的大分子有机物首先被转化为能被细菌所利用的小分子有机物,之后在发酵细菌的作用下,转化为长链脂肪酸、糖类、氨基酸等物质,最终形成以短链挥发性有机酸(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等)、乙醇为主的末端收稿日期：2012-08-30基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07301-001)*责任作者,教授,[e-mail]4期张玉静等：pH值对餐厨垃圾厌氧发酵VFA浓度及组分的影响681发酵产物[6].餐厨垃圾发酵过程产生的VFA可以用作污水处理工艺中脱氮除磷的碳源[7-8].同时,在发酵产酸阶段也可能产生大量氢气[9-10],实现了资源的回收.水解酸化产物及其组成受各种因素影响.pH值作为一个重要的环境因素,不仅能够影响微生物酶的活性,也能够决定挥发酸的存在形态,研究表明[11-13],pH值是影响发酵产物组成的重要因素,但所采用的并非餐厨垃圾.有学者[14-16]通过对餐厨垃圾进行厌氧发酵发现,pH值对VFA浓度及组分有影响,但所采用的实验装置均为锥形瓶,且通常是间隔12h或24h进行pH值的人工调节.何品晶等[17]发现,餐厨垃圾酸化极易实现,在pH值不控制条件下,发酵液的pH值迅速下降到4.0以下.这必然会造成对产酸菌的抑制,从而抑制VFA的产生.可见,有必要对反应器内的pH值实时连续调控,以保证反应器内pH值的稳定,从而促进VFA的高效产出.因此,本研究采用自动化程度较高的实验装置,通过实时连续控制反应器内pH值,研究pH值对餐厨垃圾厌氧发酵过程中VFA浓度及组成的影响,从而寻求餐厨垃圾发酵产酸的最适pH值.1材料与方法1.1实验材料实验所用餐厨垃圾为自行配制,主要成分为米饭、白菜、猪肉与豆腐,质量分数分别为35%、45%、16%和4%.4种组分经混合后,放入食物搅拌机搅碎,之后储存于4℃冰箱中待用.试验时,用自来水将餐厨垃圾稀释至总固体浓度(TS)为16.1%.稀释后餐厨垃圾的VS为15.8%,C/N为13.4,溶解性化学需氧量(SCOD)为64.20g/L,挥发性脂肪酸(VFA)浓度为718mg/L,pH值为4.42.接种污泥取自北京高碑店污水处理厂厌氧消化污泥,经自然存放3d后倒出上清液使用.污泥TS为4.5%,VS为2.2%,C/N为8.5,SCOD为1775mg/L,pH值为6.34.1.2实验装置与实验方法实验装置为高硼硅玻璃制成,有效容积为4.5L,高径比为2.2:1,见图1.将3L餐厨垃圾与800mL接种污泥混合倒入反应器中进行批式发酵.温度通过传感器控制在(35.0±1.0)℃,搅拌由可编程逻辑控制器(PLC)控制在200r/min,实时监测反应器内氧化还原电位(ORP).通过传感器实时加入HCl(5mol/L)和NaOH(5mol/L),将3个反应器的pH值分别控制在5.0、6.0、7.0,另外一个反应器不控制pH值.将物料加入反应器中,用高纯氮气吹脱1min以驱除反应器内的空气.实验过程中,每隔24h用蠕动泵取样,直到水解酸化过程达到稳定状态,即水解酸化液中VFA浓度变化幅度在5%以内.温度探头pH值控制器HClNaOHpH探头ORP探头搅拌器缓冲瓶气体流量计蠕动泵取样管罐子架图1实验装置示意Fig.1Schematicdiagramofanaerobicfermentation1.3分析方法TS、VS采用重量法[18]测定,ORP采用梅特勒pt4805-DPAS-Sc-K8S/225测定,C/N采用EAI公司CE-440型快速元素分析仪测定,SCOD、VFA、乙醇等经过预处理后测定.预处理方法为将样品以15000r/min离心15min,上清液采用0.45µm过滤.其中SCOD以重铬酸钾法[14]测定,VFA(乙酸、丁酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸)和乙醇采用气相色谱法测定.所用仪器为岛津GC-2010plus,测试条件为进样口温度220℃,检测器温度250℃,不分流进样,柱子为毛细管柱stabliwax-DA,柱温由60℃以7℃/min的速率升到150℃,保持5min,之后以20℃/min速率升高到230℃,保持10min.682中国环境科学33卷2结果与讨论2.1VFA浓度随pH值的变化由图2可以看出,随着发酵时间的延长,各处理VFA浓度均为先迅速增加后逐步趋于平稳.从总量上看(表1),pH值为6.0时VFA浓度及单位VS(反应器初始VS)产酸量最多,在第68h达到最大值,分别为40.89gVFA/L和0.328gVFA/gVS,明显高于其他报道中的VFA浓度[14,19-20],这可能是由于本实验所采用的自配垃圾,在成分上与实际餐厨垃圾有所区别,更易发酵产生VFA,也可能是由于接种污泥的活性更高,接种比例更为合适.pH值为5.0、6.0、7.0时,发酵液中VFA浓度均比不控制pH值时大,说明控制pH值能够显著提高发酵液的VFA浓度.尤其在pH值为6.0时,其最高VFA浓度是不控制pH值的8倍.01020304004080120160200不控制pH5.0PH7.0PH6.0发酵时间(h)VFA浓度(g/L)图2不同pH值下VFA浓度随时间的变化Fig.2VariationofVFAconcentrationsatdifferentpHvalue在发酵后期,pH值为6.0与7.0两种条件下水解液VFA浓度比较接近,均为37g/L左右.但在发酵前期,即第68h以前,pH值为6.0的产酸速率明显高于pH7.0时,这是因为pH值为7.0时,更易于产甲烷菌的生长,不利于VFA的积累.从工程角度分析,控制pH值为7.0需要消耗更多的NaOH,从而增加运行成本.因此,从VFA产量及经济效益等角度考虑,控制pH值为6.0更适合实际应用.不控制pH值、控制pH值为5.0、6.0、7.0情况下,乙醇浓度分别为7.60,2.38,1.61,5.27g/L.VFA是由厌氧产酸细菌在代谢过程中所产生的,而pH值则通过影响产酸细菌的代谢过程间接的影响VFA浓度.在较低pH值下,非离子态的有机酸会抑制产酸菌的活性,从而抑制VFA的产生[21].表1不同pH值下最大VFA浓度及产酸量Table1MaximumVFAconcentrationandyieldatdifferentpHvaluepH值浓度(gVFA/L)