接种比对厨余垃圾干式厌氧发酵性能影响

时间：2024-07-29

秦丞志,张虹莹,张奇,刘青鑫,赵建伟,*,孙英杰

(1.青岛理工大学环境与市政工程学院,青岛 266525;2.青岛洁宝生态科技有限公司,青岛 266113)

厨余垃圾是生活垃圾的重要组成部分,由餐厅垃圾、菜市场垃圾、家庭厨房垃圾等组成。如何妥善处理日益增长的厨余垃圾成为了当今世界面临的重大挑战。据联合国环境署(UNEP)发布的《2021年食物浪费指数报告》预计,全球每年有1/3的食物被浪费,约为13 亿 t,其中,中国家庭食物浪费量每年高达9164.62 万 t[1]。厨余垃圾具有含水量高、有机物质含量丰富、容易出现腐烂变质等特点,如果不进行有效的处理和处置,可能会对环境造成许多有害影响[2]。厌氧发酵具有资源化、减量化和无害化的特征从而被认为是厨余垃圾处理的重要技术[3]。相较于厌氧湿式发酵(含固率<10%),厌氧干式发酵(含固率>15%)具有承受有机负荷能力高、沼液产量低、沼气产量高、耗能少、操作简单等特点[4],因此厨余垃圾厌氧干式发酵得到学者的广泛关注。

厌氧发酵过程中,接种物为系统提供最初的微生物群,这些微生物群随后将参与构成有机物降解过程的反应。它还含有几种能积极影响酶活性和沼气生产的大量营养素[5]。付龙云等[6]通过探究比较了10%,20%,30%和40%接种比(接种物与所有发酵物料的质量分数)对叶菜类尾菜厌氧发酵产沼气性能的影响,结果发现接种比过低时(10%和20%),发酵中会出现丙酸乙酸大量累积、pH值骤降、酸碱平衡失调的“过酸化”现象;当接种比为30%和40%时最高沼气日产量分别为2.95和3.17 L,累计产气量分别为42.91和43.22 L,最高甲烷浓度分别为67.21%和67.33%。董姚君等[7]研究了不同接种量对芥菜渣厌氧消化产气的影响,结果发现接种物量为50%的实验组累计产气量为1998.33 mL,最高甲烷含量为57.77%,明显好于其他实验组,是实验中最适宜芥菜渣发酵的浓度。CRISTINA等[8]通过探究不同接种比条件下的接种污泥对猪浆厌氧消化的影响,结果发现当猪粪与接种污泥比值为1时,实验组内产生的挥发性脂肪酸(VFA)能够更加快速地被降解利用,使用更高的比例可能会因为VFA的积累而导致反应器失衡,造成“酸抑制”现象。接种物对厨余垃圾干式发酵和湿式发酵的影响存在显著差异:①干式发酵系统内介质流动性差、物质的传递效率受限;②干式发酵系统内代谢产物易积累从而导致酸化现象。接种物混合比对厨余垃圾干式厌氧消化的影响鲜有探究,这阻碍了厨余垃圾干式厌氧消化技术的推广与应用。

鉴于此,本文以厨余垃圾为发酵底物,在中温条件下探究了接种比对厨余垃圾干式厌氧发酵产气性能的影响并揭示相关机制。首先探究了不同接种比对厨余垃圾干式厌氧发酵日产气及累计产气性能的影响,随后分析接种比对厨余垃圾干式发酵内关键运行参数的影响,最后比较了不同接种比对厨余垃圾内有机物生物转化的影响并揭示了相关机制。

1 材料与方法

1.1 实验材料

接种污泥:取自青岛某污水处理厂二沉池的剩余污泥,该污水厂主要采用缺氧/好氧工艺生物脱氮。取回后的接种污泥首先用不锈钢网(2.0 mm)过滤后去掉上清液并静置24 h进行浓缩。最后将浓缩后的污泥置于4 ℃冰箱内贮存备用。接种污泥的主要特征见表1。

表1 接种污泥与沼渣的理化性质

接种沼渣:取自青岛某固体废物处理厂(采用厨余垃圾为原料)厌氧消化罐出料,除去杂物后放在4 ℃冰箱中备用。沼渣的主要特征见表1。

表2为接种污泥和接种沼渣含固率测定参数。

表2 接种污泥与沼渣含固率测定参数

厨余垃圾:依据青岛理工大学某学生餐厅厨余垃圾的成分人工配制厨余垃圾。具体配比如表3所示。

表3 人工配置厨余垃圾厨余垃圾主要组成(湿基) %

1.2 实验装置

实验反应装置为青岛理工大学固体废物与污染控制实验室自制的小型厌氧反应器,由3个部分组成:500 mL锥形瓶、专用集气袋和恒温振荡培养箱。将厌氧反应器放入恒温振荡培养箱中,反应温度控制在35 ℃,反应器有效体积为0.5 L。发酵瓶用带穿孔管的橡胶塞密封,穿孔管连接采样气袋。实验装置在组装后需向瓶内通入N2,以排除发酵起始阶段残留O2对厌氧发酵反应的影响。

1.3 实验方案

在整个发酵过程中,每隔24 h测定集气袋中体积分数,每隔48 h测定反应器中VFAs以及氨氮的浓度。

1.4 监测指标与分析方法

氨氮参考《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度计法》(HJ 535—2009)[9]测定; pH值使用pH检测仪测定;气体体积采用抽气法测定;含固率(TS)参考《生活垃圾采样和分析方法》(CJ/T 313—2009)[10]测定;实验过程中料液里的挥发性脂肪酸(VFAs)含量采用滴定法[11]测定;多糖采用硫酸苯酚法[12]测定。

2 结果与分析

2.1 接种比对产气性能的影响

图1为不同接种比对厨余垃圾干式厌氧消化日产气的影响。需要注意的是除R2外,其他4组反应器皆只有2次产气高峰。第1次产气高峰出现的原因可能是由于厨余垃圾中的糖类、蛋白质等物质首先被快速酸化降解,随着酸化作用不断累积,系统pH降低,产甲烷菌的活性受到一定的影响,从而产气量达到最大值后逐渐下降[13];而第2次产气高峰的出现则是因为随反应不断进行,挥发酸不断被消耗,产甲烷菌适应了所处的环境,活性又有所恢复。

由图1可知,在发酵过程初期,相较于只添加接种污泥(R1)作为接种底物的反应器,其他4组的产气峰值均出现在第2 d,分别为435.2,796.3,1104.3,801.3 mL,而只将污泥作为接种底物的反映组第1次产气峰值则出现在第8 d,为601.5 mL。这可能是由于接种沼渣中厌氧微生物的活性比较高,能够适应新的厌氧环境并进行厌氧发酵。而以接种污泥作接种底物的实验组,产气趋势相对较为缓慢,可能是接种物含有的微生物群落、活性等有所差异,进而导致所具有的接种能力也有所差异[14]。

各实验组厌氧发酵累计产气量的变化情况如图2所示,随着时间的增长厨余垃圾厌氧消化的累计产气量也随之增加。累计产气量的总体变化趋势是先快速增长,接着增长速率逐渐减小,最后趋于稳定。5个实验组在发酵2 d后的累计产气量分别为36.0,754.0,1279.8,1618.0,1305.6 mL,此后,5个实验组的累计产气量差值逐步拉大,厌氧消化到达30 d后,R1累计产气量值最低,为2027.9 mL。R2累计产气量最高,达到3228.9 mL,比只添加污泥作为接种物的实验组产气量提升约59.22%。其次是R3和R4,分别为3020.2和3010.6 mL,相较于只接种污泥的实验组累计产气量提升约为48.93%和48.46%,两组累计产气量没有较大差距。实验组R5提升效果最差,累计产气量为2453.3 mL,相较于只接种污泥的实验组累计产气量提升约20.98%。

由实验结果可知,添加发酵沼渣为接种底物的实验组累计产气量明显高于只添加污泥作为接种底物的实验组。但随着接种沼渣浓度的增高,累计产气量呈现出先增加后减少的现象,这与袁存亮的研究结果[15]相同,接种沼渣占比量高时,产气量低,是因为有机物质占比量相对减少导致营养物质不足。

2.2 接种比对pH的影响

不同接种比条件下的厨余垃圾厌氧发酵过程中的pH变化如图3所示,各组pH变化呈现出先迅速下降后出现小幅度上升最后趋于稳定的趋势。由图3可知,在反应器运行阶段初期,R1—R5中,R1的pH最低,随着接种沼渣比重的增加,初始pH呈现先增加后下降的趋势,这是由于接种沼渣含有高浓度的氨氮,使得反应器内的初始pH具有更高的水平。

在反应器运行阶段初期,由于水解酸化作用,厨余垃圾中,蛋白质、淀粉、纤维素、脂类大分子首先被分解为氨基酸、糖和脂肪酸。经过酸化阶段,这些物质再转化为VFA、H2、CO2和醇类等物质,产生的有机酸与反应系统中部分碱发生中和反应,使得各个反应器在发酵初期pH显著降低,由图3可以看出,各组实验在第17 d pH降到最低,之后出现小幅度的回升,最后趋于稳定状态直至反应结束。由实验结果可知,虽然接种沼渣中含有更多的产酸微生物,能够更快地将大分子有机物分解为脂肪酸,但是反应器中也含有更多的产甲烷菌能够更快地将脂肪酸分解产生甲烷,使得反应器中的pH能够更早趋于稳定,接种物中沼渣对于酸化现象有一定的缓解作用。

2.3 接种比对VFA积累的影响

实验周期内,各组内挥发性脂肪酸含量的变化如图4所示,与pH变化(图3)相比,两者之间的变化呈现出负相关。

在厌氧消化的酸化过程中产生的VFA如果不能及时被产甲烷菌所利用,就会使得厌氧体系内VFA大量积累,造成反应系统的酸化现象;若VFA产量不足时,则产甲烷菌所需要的原料不足,也会进一步限制甲烷的产生[16]。如图4所示,5组厌氧反应器内VFA的变化基本呈现出先上升后下降再上升的趋势。5个实验组VFA累计含量分别为0.149,0.199,0.208,0.200,0.104 g/L。在反应器启动初期,随着接种沼渣占比的增加,反应器中所含有的VFA的含量有所增加。R5由于含有更多的接种物,能提供更多的产酸微生物,所以在厌氧反应前期,该反应器产生VFA的效率更高。只接种污泥的反应器内所含有的接种物相较于其他实验组数量较低,提供的产酸微生物相对较少,所以反应器中VFA的含量相对比较低。

由实验结果(图4)可知,随着接种沼渣占比的升高,系统中含有更多的产酸微生物,使得VFA浓度更高,但VFA的浓度不足以对整个系统产生抑制作用,只会为产甲烷菌提供物质基础,促进产甲烷菌产甲烷进程。

2.4 接种比对氨氮释放的影响

厌氧反应器中的氨氮浓度对于维持整个厌氧反应系统所需要的碱度起着重要作用,厌氧消化过程中氨氮主要来自被微生物分解的蛋白质、氨基酸等含氮大分子有机物。5组反应器氨氮浓度变化如图5所示,各组反应器氨氮浓度范围分别为:0.177～0.258,0.367～0.599,0.402～0.778,0.448～0.809,0.405～0.867 g/L。由此可见,随着接种沼渣占比增加,氨氮浓度相对增加。

此外,5组反应器内氨氮浓度的变化基本呈现出先上升后下降的趋势,这是因为在厌氧消化初期,微生物群落能够将蛋白质、氨基酸等含氮大分子有机物快速地降解为无机态的氨氮物质,从而使反应系统中的氨氮浓度一开始有所上升;随着氨氮浓度的升高,厌氧消化过程中所产生的挥发性脂肪酸与之发生中和反应,避免“酸化”现象的产生,同时,随着厌氧消化反应的进一步进行,大量的氨氮被产甲烷菌利用,使得氨氮浓度进一步下降。由于接种沼渣越高,系统中氨氮浓度也越高。当达到一定的氨氮浓度时,产甲烷菌会受到抑制作用,从而影响厌氧消化反应的进行[17]。有研究表明氨氮浓度在1.7～14 g/L时,甲烷的产量会减少50%[18],所以相较于R2—R4,R5内高浓度的氨氮对于产甲烷菌有一定的抑制作用,导致产甲烷效率降低。

2.5 接种比对有机物释放特征的影响

厨余垃圾中的主要成分为碳水化合物、蛋白质、脂肪等物质,厨余垃圾中总糖或碳水化合物的含量占干物质量的50%以上[19]。在反应器运行阶段初期,厨余垃圾中碳水化合物等物质经过水解作用转换成多糖,反应器内的多糖含量进一步升高,随着反应的进一步进行,反应器中的多糖水解成单糖被微生物利用,使得反应器中的多糖含量逐渐降低。5组反应器中多糖含量变化如图6所示,多糖含量随时间的增加呈现出先增加后降低的趋势,分别在第5,5,7,9,5 d时,反应器中多糖含量达到最高。

由图6可知,在反应初期,R1的多糖含量峰值最高,为172.584 μg/mL,这是由于接种污泥中的微生物相较于接种沼渣中的微生物能够更快地响应厨余垃圾中的有机物,能够更快地对厨余垃圾中的有机物进行分解;而接种沼渣中的微生物经过一定适应期后,逐渐适应了周围的环境,与厨余垃圾中的有机物反应,促进了有机物的释放,使得在反应的中后期R2—R5组中多糖浓度高于R1组。