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pH對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響

分類:固廢觀察 > 固廢處理    發(fā)布時間:2018年10月23日 17:22    作者:    文章來源:北極星固廢網(wǎng)

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(jī)物的浪費(fèi),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(jìn)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(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)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?dú)獯得?min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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jī)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。

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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(dá)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?yàn)閜H的提高增強(qiáng)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(jī)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(tuán),影響傳質(zhì)過程和可溶性有機(jī)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(jìn)行,pH逐漸降低,0~8h,pH迅速由9.0下降至6.73,這可能是因?yàn)樵趬A性條件下底物中的大分子有機(jī)物迅速水解、酸化產(chǎn)生大量可溶性機(jī)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?yàn)榇藭r產(chǎn)氫菌體內(nèi)GAD、DHA等酶活性較強(qiáng),產(chǎn)氫菌群處于優(yōu)勢地位;28~36h,揮發(fā)性有機(jī)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(jì))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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jì))最高,達(dá)3.77mL·h-1·g-1。本試驗(yàn)表明丁酸與乙酸的比值確實(shí)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(jìn)行,VS和TS去除率逐漸增大,最大去除率分別達(dá)到34.4%和26.6%,這說明厭氧發(fā)酵可以實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾減量化并提高產(chǎn)氫效率。

參考文獻(xiàn):

[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(jì)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

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