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我國的餐廚垃圾產(chǎn)生量與日俱增,2016年全國餐廚垃圾產(chǎn)生量高達(dá)9731萬噸,日均產(chǎn)量達(dá)26萬噸口;并且隨著時(shí)間的增長,其數(shù)量以每年10%的速度增長2。餐廚垃圾具有高油脂和鹽分、高含水率、易發(fā)生厭氧腐爛等特點(diǎn)35,沼氣池厭氧消化技術(shù)是能夠資源化處理餐廚垃圾的重要手段之一6。沼氣池水解酸化

過程作為沼氣池厭氧消化的限速步驟,對后續(xù)的甲烷化過程影響顯著。在此過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)8種類復(fù)雜,產(chǎn)甲烷菌對有機(jī)酸的代謝次序?yàn)橐宜?gt;丁酸>丙酸,乙醇介于乙酸和丁酸之間。其  中丙酸的大量存在會引起系統(tǒng)的酸化甚至酸敗問題,  且更難被產(chǎn)甲烷菌利用和轉(zhuǎn)化0-1。相比于其他有

機(jī)酸,丁酸和乙酸較容易產(chǎn)生和利用,所以常常將丁酸型發(fā)酵(丁酸和乙酸占VFAs的70%~90%)作為餐廚垃圾沼氣池沼氣池水解酸化性能優(yōu)良的評價(jià)指標(biāo)。

VFAs的成分受很多環(huán)境因子的影響,包括溫度、F/M(Food/Mud)、初始pH值、有機(jī)負(fù)荷(OL)以及水力停留時(shí)間(HRT)等,不同的因子影響不同的發(fā)酵類型131-51。其中,FM反映了餐廚垃圾和接種物的相互作用,可直接影響餐廚垃圾酸化過程中發(fā)酵類型的種類0,同時(shí)也影響產(chǎn)氣性能。較低的F/M可以為微生物提供優(yōu)越的產(chǎn)酸和產(chǎn)氣條件但厭氧發(fā)酵潛力有限。過高的F/M會導(dǎo)致過量的有機(jī)酸積累,使產(chǎn)氣性能受抑制。因此,選擇合適的F/M提高沼氣池厭氧消化的酸化效率至關(guān)重要。

筆者誦過研究了餐廚垃圾沼氣池厭氧消化中不同F(xiàn)/M

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

在限定影響因子水平(污泥負(fù)荷、初始pH值、溫度、水力停留時(shí)間)內(nèi),對F/M進(jìn)行考察,確定餐廚垃圾沼氣池厭氧消化酸化階段最優(yōu)F/M的取值范圍。設(shè)置F/M分別0.5,1.0,2.0,2.5,3.0,4.0,每隔16h取1次樣。設(shè)定工藝參數(shù)為:污泥負(fù)荷15gvs·L1,初始pH值為7,溫度35℃,水力停留時(shí)間96h。反應(yīng)裝置為1L藍(lán)蓋瓶,瓶頂端安裝接頭,通過硅膠管與集水瓶連接,藍(lán)蓋瓶置于溫度為35℃±1℃恒溫水箱中。測定酸化過程中出料pH值,堿度,VFAs含量,產(chǎn)氣成分以及產(chǎn)氣量。

1.3分析方法

采用排水法計(jì)量試驗(yàn)日產(chǎn)氣量,產(chǎn)氣成分(H2,N2,CH4,CO2)使用氣相色譜(SP2100, BeifenruiliCo, Beijing, China)分析測定,揮發(fā)性脂肪酸VFAs和乙醇含量采用氣相色譜(GC2014, Shimadzu co,Japan)測定,具體分析乙醇、乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸戊酸含量變化,堿度和pH值測定參照標(biāo)準(zhǔn)方法,堿度采用電位滴定法,pH值采用電極法用pH計(jì)( Thermo868, Thermo Orion,Us)測定。2結(jié)果與分析

2.1不同F(xiàn)/M對酸化的影響

通過分析酸化產(chǎn)物濃度、單位負(fù)荷產(chǎn)酸率、乙醇

下的酸化效果及產(chǎn)氣狀態(tài),分析酸化期間乙醇及VFAs變化趨勢;利用相同時(shí)間內(nèi)單位負(fù)荷產(chǎn)生乙醇和VFAs的特性,判斷不同F(xiàn)/M對產(chǎn)酸效果的影響;并結(jié)合pH值與堿度,判斷系統(tǒng)酸化程度。通過以上研究,確定不同F(xiàn)/M下的酸化類型及系統(tǒng)穩(wěn)定性,為后續(xù)甲烷化提供目標(biāo)性產(chǎn)物。

材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用餐廚垃圾原料取自北京化工大學(xué)食堂,經(jīng)手工分揀后,打碎成漿狀,放于-20℃冰箱冷凍儲存待用。沼氣池厭氧消化試驗(yàn)所用接種物為北京市順義區(qū)某沼氣站的進(jìn)料。餐廚垃圾和接種污泥的基本性質(zhì)參見表1。

和VFAs百分含量隨時(shí)間變化規(guī)律,研究餐廚垃圾  沼氣池厭氧消化沼氣池水解酸化階段,不同F(xiàn)/M對發(fā)酵類型的影響

不同F(xiàn)/M條件下,VFAs的主要成分中乙醇、乙  酸、丙酸、丁酸濃度隨時(shí)間變化如圖1~圖4所示。  沼氣池水解酸化96h時(shí)間內(nèi),F/M為3和4時(shí),乙醇濃度  較高,且明顯高于其它組別,但隨著時(shí)間的增加逐漸降低,沼氣池最高濃度發(fā)生在16h,分別為8169.51mg·L和11560.23mg·L-。F/M為2和2.5條件下,乙酸濃度隨時(shí)間增加,且FM為2.5時(shí)的增長速率不斷增大,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為96h時(shí),乙酸濃度達(dá)到最大,為4913.11mg·L-。F/M為0.5和1時(shí),丙酸含量有明顯的積累,通過對比表3和表4中產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量發(fā)現(xiàn),F/M為0.5和1的產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量相對較高,這是因?yàn)镕/M較低,產(chǎn)甲烷菌活性較強(qiáng),使乙醇和VFAs(丙酸除外)迅速消耗,造成了丙酸濃度的大量積累。F/M為2和2.5時(shí),pH值>5.6,丁酸濃度(4500~8000mg·L1)高于其它組別(<3000mg·L),且隨著時(shí)間的增加,出現(xiàn)了波動,含量相對穩(wěn)定,為丁酸型發(fā)酵,且發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定

不同F(xiàn)M下,乙醇和VFAs單位負(fù)荷產(chǎn)酸率隨時(shí)間變化如圖5~圖10所示。F/M為0.5和1時(shí),隨著隨時(shí)間的增加,單位負(fù)荷產(chǎn)酸率逐漸降低,到96h時(shí)分別降低40%和33%;F/M為2和2.5時(shí),單位負(fù)荷產(chǎn)酸率基本保持不變,且高于其它F/M;F/M為3和4時(shí),前48h單位負(fù)荷產(chǎn)酸率基本保持不變,48h后單位負(fù)荷產(chǎn)酸率隨時(shí)間逐漸較低,96h時(shí)二者均降低了31%,這是因?yàn)檫^高的F/M,使VFAs累積,導(dǎo)致系統(tǒng)pH值降低,影響了微生物的

活性。

根據(jù)乙醇和主要VFAs的含量,可以將發(fā)酵分為乙醇型發(fā)酵、丁酸型發(fā)酵、丙酸型發(fā)酵等。為了探究不同F(xiàn)M對發(fā)酵類型的影響,研究了各種發(fā)酵類型主要成分在不同F(xiàn)/M下,隨時(shí)間的變化如表2所示(A~E分別代表發(fā)酵時(shí)間為16~96h單位產(chǎn)酸變化,時(shí)間間隔為16h)。乙酸含量在各組中

含量較高(除F/M為3和4試驗(yàn)組),將乙酸含量計(jì)算在內(nèi)的其它組分含量隨時(shí)間變化不明顯。對比4組不同VFAs和乙醇含量比較來看,百分含量最高的時(shí)乙醇+乙酸,其次時(shí)丁酸+乙酸,丙酸+乙酸含量相對較少,這種乙醇和VFAs組成說明餐廚垃圾在沼氣池厭氧消化酸化階段的發(fā)酵類型是比較復(fù)雜的,且不同F(xiàn)/M對應(yīng)不同的發(fā)酵類型?？梢钥闯?F/M為0.5和1時(shí),丙酸+乙酸含量較高,且隨著時(shí)間的增加而逐漸積累;F/M為2和2.5時(shí),丁酸+乙酸含量較高,為77%~85%(除個(gè)別組別外),屬于丁酸型發(fā)酵;F/M為3和4時(shí),乙醇+乙酸含量最高,達(dá)到80%~92%,屬于乙醇型發(fā)酵。但結(jié)合單位VS產(chǎn)酸率可知,F/M為3和4的單位產(chǎn)酸效果較其它FM低

2.2不同F(xiàn)/M下的酸化產(chǎn)氣特性

酸化階段產(chǎn)生甲烷并不利于乙醇和VFAs的積累,使乙醇、乙酸、丁酸被提前利用,導(dǎo)致丙酸含  量升高,使后續(xù)甲烷化進(jìn)程受到阻礙。筆者通過研

究不同F(xiàn)/M下酸化階段的產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量隨時(shí)  間的變化,結(jié)合乙醇和VFAs積累情況,以確定甲烷化適宜的F/M范圍。

不同F(xiàn)/M條件下,產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量如表3和表4所示,pH值和堿度的變化如圖3所示。當(dāng)F/M為3和4時(shí),酸化階段的pH值較低(4.3~5.0)。這是由于有機(jī)負(fù)荷較高,造成了沼氣池水解酸化產(chǎn)生的VFAs過量積累,致使pH值降低,阻礙了沼氣池水解酸化及后續(xù)甲烷化進(jìn)程。當(dāng)FM為2和2.5時(shí),反應(yīng)體系pH值為5.63~5.82,在沼氣池水解酸化細(xì)菌的活性范圍內(nèi)(pH值5.3~6.2),合理的pH值促進(jìn)了沼氣池水解酸化細(xì)菌對于有機(jī)物的降解效率,沼氣池水解酸化程度較高,  產(chǎn)生了大量的ⅤFAs;另一方面,在此范圍內(nèi),幾乎沒有甲烷的產(chǎn)生,說明VFAs的大量積累抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性,可為后續(xù)甲烷化進(jìn)程提供目標(biāo)性產(chǎn)物。  當(dāng)F/M為0.5和1時(shí),乙醇和ⅤFAs積累量不高(見  圖1),產(chǎn)甲烷水平相對較高,最高達(dá)到了50.38  mg·LˉVS,這是由于較低的有機(jī)負(fù)荷,使得水解酸  化產(chǎn)生的VFAs還未積累,就被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生甲

烷,系統(tǒng)中的pH值也有利于產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生存。但產(chǎn)甲烷菌使得乙醇、乙酸、丁酸還未積累就被利用分解,造成丙酸的積累,且單位負(fù)荷產(chǎn)酸率不高,不利于后期甲烷化過程中甲烷的生成。

反應(yīng)體系的pH值和堿度是沼氣池厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)  定正常運(yùn)行不可缺少的重要評價(jià)指標(biāo)。圖11為發(fā)酵前后堿度和pH值變化,不同F(xiàn)/M下,發(fā)酵后堿度較發(fā)酵前堿度均有明顯升高,表明系統(tǒng)趨于穩(wěn)定化。其中F/M為2和2.5時(shí),堿度分別達(dá)到了4800mg·L和5650mg·L-,pH值分別為5.82和5.63,系統(tǒng)穩(wěn)定性良好,結(jié)合發(fā)酵產(chǎn)物,證明系統(tǒng)的丁酸型發(fā)酵穩(wěn)定。F/M為0.5,1,3,4時(shí),堿度在3000-4000mg·L之間,系統(tǒng)穩(wěn)定性相對較差,且F/M為3和4時(shí)發(fā)酵后的pH值僅為5和4.3,說明系統(tǒng)酸化現(xiàn)象嚴(yán)重。

綜合以上分析,在餐廚垃圾沼氣池厭氧消化的酸化階  段,當(dāng)F/M=0.5和1時(shí),丙酸+乙酸含量較高,并  伴有甲烷產(chǎn)生,這是因?yàn)橐宜岷投∷岜划a(chǎn)甲烷菌利  用產(chǎn)生甲烷,導(dǎo)致了丙酸的積累,丙酸+乙酸含量達(dá)

到了56%~80%,屬于丙酸型發(fā)酵,此發(fā)酵類型并不利于后續(xù)甲烷化進(jìn)程,且系統(tǒng)的堿度較低,穩(wěn)定性差;當(dāng)FM=2和2.5時(shí),酸化末端產(chǎn)物以乙酸和丁酸為主,丁酸+乙酸含量為77%-85%,屬于丁酸型發(fā)酵,幾乎沒有甲烷產(chǎn)生,可為后續(xù)積累大量可利用的VFAs,系統(tǒng)的堿度最高達(dá)到了5650mg·L-,證明此時(shí)的丁酸型發(fā)酵穩(wěn)定;當(dāng)F/M=3和4時(shí),乙酸和乙醇濃度較高,乙醇+乙酸含量為77%85%,為乙醇型發(fā)酵,堿度僅為3000mg·L-左右,系統(tǒng)穩(wěn)定性較差,此時(shí)的發(fā)酵系統(tǒng)不穩(wěn)定,較低pH值(5和4.3)會使甲烷化過程中產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制,而且單位負(fù)荷產(chǎn)酸率不高,影響后續(xù)甲烷的產(chǎn)生量。

3結(jié)論

(1)F/M對發(fā)酵類型影響顯著。當(dāng)F/M≤1時(shí)為丙酸型發(fā)酵,并伴有甲烷產(chǎn)生,該發(fā)酵類型并不利于后續(xù)甲烷化進(jìn)程;當(dāng)1<F/M≤2.5時(shí)為丁酸型發(fā)酵,單位負(fù)荷產(chǎn)酸率最高,可為后續(xù)甲烷化進(jìn)程提供可利用的VFAs;當(dāng)F/M>2.5時(shí),發(fā)酵類型為乙醇型發(fā)酵,但單位產(chǎn)酸率不高,會使后續(xù)甲烷化進(jìn)程受到阻礙

(2)F/M對餐廚垃圾酸化過程的產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量存在影響。F/M≤1時(shí),單位VS產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量較大,說明在沼氣池水解酸化階段就伴有甲烷化過程,并不利于酸化水解過程中VFAs的積累。

(3)F/M≤1和F/M>2.5時(shí),堿度在3000~4000mg·L-,單位產(chǎn)酸效率相對較低,系統(tǒng)穩(wěn)定性相對較差,且F/M>2.5時(shí)發(fā)酵后的pH值僅為5和4.3,超出了沼氣池水解酸化細(xì)菌的產(chǎn)酸活性范圍。1<F/M≤2.5時(shí),堿度達(dá)到了5650mg·L,系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

本文摘自《中國沼氣》2018第一期