李文哲，殷麗麗，王明，劉爽，劉丹，李晶宇

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

底物濃度對餐廚廢棄物與牛糞混合產(chǎn)氫發(fā)酵的影響

李文哲，殷麗麗，王明，劉爽，劉丹，李晶宇

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

文章探討餐廚廢棄物與牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫時，底物濃度對發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫率的影響，以餐廚廢棄物與牛糞1∶1（TS/TS）混合作為厭氧發(fā)酵底物，在溫度為（35±1）℃條件下，進行批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫試驗?？疾榈孜餄舛葘Σ蛷N廢棄物與牛糞混合產(chǎn)氫發(fā)酵時揮發(fā)性固體產(chǎn)氫率、pH、液相末端產(chǎn)物等影響。結(jié)果表明，當?shù)孜餄舛葹?0 g·L-1時，揮發(fā)性固體產(chǎn)氫率達到最大值為31.05 mL·g-1，累積產(chǎn)氫量為672 mL，此時揮發(fā)性固體去除率最大為29.34%。厭氧發(fā)酵體系pH在5.48～5.81范圍內(nèi)，乙酸和丁酸為主要的液相末端產(chǎn)物，可用作后續(xù)產(chǎn)甲烷厭氧發(fā)酵底物。

氫氣；牛糞；餐廚廢棄物；厭氧發(fā)酵

餐廚廢棄物為城市有機生活垃圾的主要組成成分，其富含碳水化合物，同時含有蛋白質(zhì)、脂類、無機鹽和少量氮、磷、鉀、鈣、鈉、鎂、鐵等微量元素，易于降解，是一種理想的厭氧發(fā)酵原料[1-3]。利用厭氧發(fā)酵技術(shù)，能同時實現(xiàn)有機廢棄物的減量化、能源化和資源化，是處理餐廚廢棄物和畜禽糞便的有效手段[4-6]。厭氧發(fā)酵過程在降解有機廢棄物的同時還會伴有大量混合氣體產(chǎn)生，主要有氫氣、甲烷、氮氣、二氧化碳和硫化氫等。其中氫氣和甲烷可作為二次能源。通過人為調(diào)控的厭氧發(fā)酵技術(shù)可有效產(chǎn)生大量氫氣，但不同于產(chǎn)甲烷發(fā)酵，產(chǎn)氫發(fā)酵對底物營養(yǎng)成分有嚴格要求，需要淀粉、脂肪和蛋白含量較高而纖維類物質(zhì)含量較低的原材料作為產(chǎn)氫發(fā)酵底物，如餐廚廢棄物。餐廚廢棄物不僅作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫底物[7]，而且其流出液可繼續(xù)被用來進行產(chǎn)甲烷發(fā)酵，實現(xiàn)原料開發(fā)利用最大化。影響餐廚廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫因素有基質(zhì)營養(yǎng)比例、pH、溫度、水力停留時間和底物濃度等[8-10]。其中，基質(zhì)營養(yǎng)比例和底物濃度是影響產(chǎn)氫發(fā)酵重要因素[11-12]。底物濃度是影響厭氧發(fā)酵的重要因素之一，濃度過低，不利于微生物繁殖，發(fā)酵體系容積負荷過低，減少容積產(chǎn)氣率，降低體系利用率；底物濃度過高，增大傳質(zhì)阻力，不利于微生物與原料接觸，氨、重金屬、揮發(fā)性有機酸等抑制物濃度隨之升高，影響厭氧微生物活性。另外，底物濃度過高會給攪拌過程帶來困難。所以，適宜的底物濃度不僅有助于細菌活動，而且還會降低物質(zhì)在發(fā)酵液中的傳質(zhì)阻力。本研究以牛糞與餐廚廢棄物按1∶1（TS/TS）混合作為底物，探討不同底物濃度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程影響，以期獲得最大VS產(chǎn)氫率和有效容積產(chǎn)氫率下最佳厭氧發(fā)酵底物濃度。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗所用牛糞取自東北農(nóng)業(yè)大學香坊實驗實習基地。餐廚廢棄物收集于某高校學生餐廳，主要由饅頭、米飯、蔬菜、肉類等組成。取回后，首先挑揀出木牙簽、紙杯、塑料杯（袋）、骨頭等雜物，然后用食物粉碎機粉碎，裝入塑料瓶中，放入4℃冷柜中保存?zhèn)溆?。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫所用接種物取自東北農(nóng)業(yè)大學生物質(zhì)能工程技術(shù)研發(fā)中心的產(chǎn)甲烷反應器[反應器參數(shù)為：罐體積：500 L；有效容積：400 L；消化底物：牛糞；TS：6%～8%；容積產(chǎn)氣率：1～1.5 m3·d-1；底物VS產(chǎn)甲烷率：180～220 L·kg-1；水力停留時間：20 d；連續(xù)運行100 d以上，運行溫度為：（35±1）℃]的流出液，取回后放入4℃冰箱內(nèi)保存待用。本試驗所用產(chǎn)氫接種物來自本試驗所用沼液，經(jīng)過一定預處理得到。首先將沼液裝入3 L錐形瓶中放入4℃冷柜靜止，1個星期后取出錐形瓶，將瓶內(nèi)懸浮液傾倒入另一個錐形瓶中并將原錐形瓶中沉淀物棄去。再將裝有懸浮液的錐形瓶放入100℃沸水浴加熱30 min，其目的是殺滅產(chǎn)甲烷菌，富集產(chǎn)氫細菌。待錐形瓶冷卻至室溫，放入4℃冷柜中保存?zhèn)溆?。以上物料理化參?shù)見表1，每個樣品重復測量3次，結(jié)果取平均值。

1.2 試驗設計

厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫采用批式試驗設計，以500 mL錐形瓶作為反應器，有效容積為400 mL，牛糞與餐廚廢棄物按1∶1（TS/TS）混合作為產(chǎn)氫發(fā)酵底物。該試驗共設置10組處理，每組物料配比如表2所示，牛糞和餐廚廢棄物的添加量由3.2 g逐漸增加到32 g，而每組接種物添加量均為80 g，然后用自來水補齊到工作體積為止。厭氧消化溫度為中溫發(fā)酵，即（35±1）℃，恒溫搖床振蕩頻率為150 r·min-1條件下培養(yǎng)至所有處理組停止產(chǎn)氣為止。每個處理做3個平行，結(jié)果取平均值。

1.3 分析方法

TS、VS采用電熱鼓風干燥箱、箱式電阻爐，并根據(jù)標準方法測定[13]。

表1 底物及接種物的性質(zhì)Table 1 Characteristics of substrates and inoculum

表2 每個處理的物料組成Table 2 Composition of each treatment

總固體含量（Total solids，TS）又稱為蒸發(fā)總殘留物，主要包括溶解性和不溶性固體，通常是將待測樣在一定溫度下烘干一段時間至恒重時剩余的物質(zhì)即為總固體。揮發(fā)性固體含量（Volatile solids，VS）是指總固體（TS）中能在550℃高溫下充分揮發(fā)的那部分物質(zhì)，而高溫灼燒后的殘余物稱為灰分。因此，揮發(fā)性固體（VS）含量等于總固體含量減去灰分。

總固體含量（TS）、揮發(fā)性固體含量（VS）的具體測定步驟如下：

①將待用的瓷坩堝洗凈后放在馬弗爐中灼燒1 h（600℃），待爐溫降到100℃取出，置于干燥皿中冷卻至室溫并稱重，記為m1，單位g，精確到mg。

②將待測料液加入到已稱重的坩堝中，約二分之一處。然后放入電子天平內(nèi)稱重，記為m2，單位g，精確到mg。

③將第二步中稱完重量獲得的含有樣品的坩堝放入鼓風干燥箱內(nèi)，在105℃下干燥至恒重，約為5 h。取出，置于干燥皿中冷卻至室溫并稱重，記為m3，單位g，精確到mg。

④將第三步干燥后的坩堝再置于馬弗爐中，在550～600℃下灼燒2 h后，待爐溫降至100℃以下取出，置于干燥皿中冷卻至室溫后稱重，記為m4，單位g，精確到mg。

⑤計算公式為（1）和（2）：

式中，m1-坩堝重量（g）；m2-樣品加坩堝的重量（g）；m3-105℃干燥后樣品加坩堝的重量（g）；m4-550℃干燥后樣品加坩堝的重量（g）。

pH采用實驗室用數(shù)顯酸度計PHS-3C測定。氨態(tài)氮（NH4+）采用Foss Kjeltec 2300全自動凱式定氮分析儀根據(jù)儀器標準分析方法測定。

采用1 L鋁箔集氣袋（大連海得）收集氣體，體積測定采用排水法。氣體組成成分及含量分析采用GC-6890N（安捷倫，美國）氣相色譜測定，裝載TDX-01型填充柱和熱導檢測器（TCD）。色譜條件如下：氬氣作為載氣，其流量設置為40 mL·min-1；進樣口溫度120℃，柱箱溫度170℃，檢測器溫度220℃。

試驗中所得的累計產(chǎn)氫量和揮發(fā)性固體產(chǎn)氫量計算公式為（3）和（4）：

式中，VH,i-CH,i試驗在i時刻的混合氣體中氫氣的體積分數(shù)（%）；Vi-試驗i時刻的混合氣體的體積（mL）；V0-集氣袋的體積（mL）；VH,i-試驗在i時刻得到的累計產(chǎn)氫量（mL）；VH-試驗累計的產(chǎn)氫量（mL）；VS0-發(fā)酵底物的揮發(fā)性固體含量（g）；V'H-試驗所得揮發(fā)性固體產(chǎn)氫量（mL·g-1）。

發(fā)酵液中的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs，包括乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸和異戊酸）以及乙醇含量用GC-6890N（安捷倫，美國）氣相色譜測定。此時色譜儀采用毛細管柱（Agilent 1909/N-133 HP-INNOWAX Polyethylene Glycol）和氫火焰離子化檢測器（FID）。色譜條件如下：氮氣作為載氣和尾吹氣，載氣采用187 kPa恒壓模式，尾吹氣流量為30 mL·min-1；進樣口溫度為220℃，初始爐溫為60℃，開始運行后以15℃·min-1的速度升至140℃并維持2 min，檢測器溫度為250℃。整個測定時間為7.33 min。

乳酸采用高效液相色譜測定（WATERS 600E-2487），采用紫外檢測器（210 nm）和250 mm×4.6 mm C18色譜柱，以乙腈和磷酸（體積比為2.5∶97.5）為流動相。

用于測定VFA的發(fā)酵液樣品先在5 000 r·min-1下離心10 min，取上清液用25%HPO3以酸液比為1∶10進行酸化，然后再于15 000 r·min-1下離心10 min，取上清過0.45 μm濾膜后，直接進樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 底物濃度對產(chǎn)氫性能的影響

底物濃度對VS產(chǎn)氫量的影響規(guī)律如圖1所示，VS產(chǎn)氫率是累積產(chǎn)氫量同發(fā)酵開始時所添加揮發(fā)性固體質(zhì)量的比值，反映微生物利用原料產(chǎn)氫的效率。當?shù)孜餄舛茸兓秶鸀?0～200 g·L-1時，其揮發(fā)性固體產(chǎn)氣率分別為18.51、27.01、31、31.05、26.85、19、14.05、7.53、2.65和0.9 mL·g-1。當?shù)孜餄舛葟?0 g·L-1增加至60 g·L-1時，VS產(chǎn)氫量呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。底物濃度為60～80 g·L-1范圍內(nèi)，VS產(chǎn)氫率無變化，維持在30 mL·g-1。底物濃度增至100 g·L-1以后，VS產(chǎn)氫率呈現(xiàn)下降趨勢。當?shù)孜餄舛冗_到120 g·L-1時，VS產(chǎn)氫率明顯降低，預示此時底物濃度可能已達到系統(tǒng)穩(wěn)定運行上限。在底物濃度大于120 g·L-1以后，由圖1可知，底物濃度完全抑制厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵。

底物濃度對累計產(chǎn)氫量的影響如圖2所示，過低或過高底物濃度的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫體系累計產(chǎn)氫量很低。當?shù)孜餄舛茸兓秶鸀?0～200 g·L-1時，其累計產(chǎn)氣量分別為101、294、506、672、733、620、535、327、129和48 mL，當?shù)孜餄舛葟?0 g·L-1增加至100 g·L-1時，累計產(chǎn)氫量呈增長趨勢。且當?shù)孜餄舛冗_到100 g·L-1時，累計產(chǎn)氫量達到最大729 mL。當?shù)孜餄舛壤^續(xù)升高時，累計產(chǎn)氫量卻急劇下降，到底物濃度為200 g·L時，幾乎無氫氣產(chǎn)生。因此當?shù)孜餄舛葹?00 g·L時，體系產(chǎn)氫效率最高。

圖1 底物濃度對揮發(fā)性固體產(chǎn)氫率的影響Fig.1 Effect of substrate concentration on VS hydrogen production rate

圖2 底物濃度對累計產(chǎn)氫量的影響Fig.2 Effect of substrate concentration on accumulative hydrogen yield

由圖2可知，當葡萄糖濃度為5 g·L時，得到最大累積產(chǎn)氫量為3 500 mL·L-1，而萬偉等在葡萄糖濃度為25 g·L-1時獲得的最大累積產(chǎn)氫量為4 268 mL·L-1[14]，這一結(jié)果與湯桂蘭等[15]試驗結(jié)果一致?？梢妼τ诨炀l(fā)酵產(chǎn)氫即使都采用單純原料，根據(jù)試驗條件不同，產(chǎn)氫性能存在較大差異。雖然本研究得到的累積產(chǎn)氫量略低于湯桂蘭[15]結(jié)果，但由于本研究采用的原料是餐廚廢棄物和牛糞按照相等TS比例混合物，其中牛糞幾乎不含糖，餐廚廢棄物含糖量約為TS 25%，按照此比例計算底物濃度80 g·L-1相當于10 g·L-1葡萄糖，因此產(chǎn)氫能力與萬偉[14]結(jié)果相近。

2.2 底物濃度對液相產(chǎn)物和pH的影響

在產(chǎn)酸產(chǎn)氫厭氧發(fā)酵過程中，液相末端產(chǎn)物（乙醇和揮發(fā)性脂肪酸）可為產(chǎn)甲烷相中的產(chǎn)甲烷菌提供新陳代謝的影響物質(zhì)，其組分不同對產(chǎn)甲烷發(fā)酵的效率有很大影響。因此，對產(chǎn)氫相流出液的組成成分進行考查能夠反映整個發(fā)酵系統(tǒng)的能源化潛力，是厭氧發(fā)酵過程中重要指標[16]。本研究中產(chǎn)氫發(fā)酵的液相代謝產(chǎn)物主要為氨氮、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乳酸。底物濃度對液相代謝產(chǎn)物產(chǎn)量及分布的影響見表3。由表3可見，隨著底物濃度從20 g·L-1提升10倍至200 g·L-1時，液相代謝產(chǎn)物有機酸總濃度明顯升高。在本試驗的底物濃度范圍內(nèi)，發(fā)酵體系的各種代謝產(chǎn)物的分布比較均衡。

隨著底物濃度的提高，氨濃度由25.95 mmol·L-1提升至89.78 mmol·L-1，由于隨著底物濃度增加，蛋白質(zhì)、尿素、尿酸等含氮物質(zhì)也相應增加，所以氨濃度明顯上升。但氨在液相代謝產(chǎn)物中所占比例卻逐漸下降。原因為一是糖類和蛋白類底物的競爭作用，氨化過程是氨化菌分解蛋白質(zhì)等含氮有機物作為能源的過程，當?shù)孜餄舛忍岣邥r糖類物質(zhì)濃度顯著提高，使氨化菌對蛋白質(zhì)分解代謝能力減弱。二是代謝產(chǎn)物抑制作用，在氨態(tài)氮濃度較高時，游離態(tài)氨濃度顯著提高。研究表明游離態(tài)氨可通過擴散作用進入到細胞內(nèi)部，抑制細胞活性。

隨著底物濃度提高，總有機酸濃度自然呈逐漸升高趨勢。但各種酸成分比例卻呈不同變化趨勢，底物濃度在20～80 g·L-1時，總有機酸中丁酸、乙酸含量逐漸上升，同時VS產(chǎn)氫率也逐漸升高，此時發(fā)酵體系發(fā)生如方程（5）、（6）所示的代謝反應。

當?shù)孜餄舛雀哂?00 g·L-1并逐漸上升時，液相末端產(chǎn)物中丁酸、乙酸所占含量較少，VS產(chǎn)氫率也很少，但乳酸含量卻逐漸升高，此時厭氧發(fā)酵體系的代謝正向方程（7）進行轉(zhuǎn)變。

在整個發(fā)酵過程中，所有處理組pH變化不明顯，在底物濃度小于80 g·L-1時，pH維持在5.70～6.01之間，雖然厭氧發(fā)酵體系pH隨底物濃度的升高呈降低趨勢，但在比較適宜的產(chǎn)氫范圍內(nèi)（pH＞5.0）[17]?？梢娞砑优＜S可有效緩解餐廚廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程中易酸化致使pH下降導致產(chǎn)氫過程停止問題。

2.3 底物濃度對底物降解的影響

底物的揮發(fā)性固體去除率如圖3所示，呈現(xiàn)先升后降的趨勢，當?shù)孜餄舛鹊陀?0 g·L-1時，VS降解率隨底物濃度提高略有上升；在適當?shù)牡孜餄舛确秶鷥?nèi)，隨著底物濃度的升高，微生物活性增強，從而提高揮發(fā)性物質(zhì)的去除率。在底物濃度為80 g·L-1時，VS降解率達到最大值29.34%；但當?shù)孜餄舛瘸^80 g·L-1后，VS降解率隨底物濃度增加快速下降，最終當?shù)孜餄舛葹?00 g·L-1時，VS降解率僅為14%；底物濃度過高，會增大傳質(zhì)阻力不利于微生物與原料接觸，影響厭氧微生物活性。所以，適宜的底物濃度有助于細菌活動。上述結(jié)果表明牛糞和餐廚廢棄物混合濃度適當可顯著提高底物降解率。

圖3 不同底物濃度下?lián)]發(fā)性固體去除率Fig.3 VS degradation rate at different substrate concentration

對葡萄糖濃度影響產(chǎn)氫生物產(chǎn)氫的研究結(jié)果表明[17]，當?shù)孜餄舛鹊陀?5 g·L-1時濃度的增加對底物降解率影響不大。但在本研究中底物濃度在20～80 g·L-1范圍內(nèi)時，VS降解率卻隨底物濃度增加而提高，這可能是因為萬偉等[14]所使用的原料是以葡萄糖為主的營養(yǎng)液，易于被發(fā)酵微生物降解，而本研究中的原料是牛糞和餐廚廢棄物的混合物，不但成分復雜而且難于降解，需要較多的營養(yǎng)物質(zhì)才能使發(fā)酵體系中的微生物數(shù)量達到一定水平，發(fā)揮出混合微生物群落的協(xié)同作用。在批式發(fā)酵時，微生物生長一般要經(jīng)歷延遲期、加速期、指數(shù)生長期、減速期、靜止期和死亡期等階段。而當?shù)孜餄舛容^低時，營養(yǎng)物質(zhì)很快被耗盡，微生物只經(jīng)歷短暫的指數(shù)生長期即停止增殖，無法形成數(shù)量優(yōu)勢，導致VS降解率較低。當?shù)孜餄舛戎饾u提高時，發(fā)酵微生物得到充足養(yǎng)分，可經(jīng)歷較長的對數(shù)生長期，發(fā)酵體系能獲得較高微生物密度，代謝活性也較高，可產(chǎn)生大量酶，獲得較高的VS降解率。但是當?shù)孜餄舛冗M一步提高時，一方面發(fā)酵過程的傳質(zhì)效率降低，使微生物無法與底物充分接觸；另一方面，發(fā)酵體系離子活度降低，滲透壓升高，抑制微生物生長；伴隨氫氣產(chǎn)生的有機酸會對底物的降解起反饋抑制作用，降低酶活性，達到一定限度后會導致發(fā)酵微生物死亡和VS降解率降低。

3 討論

3.1 底物濃度對產(chǎn)氫性能的影響

本試驗共設置10種不同的濃度水平，其取值范圍為20～200 g·L-1，覆蓋在厭氧發(fā)酵實際生產(chǎn)中常用的所有濃度范圍。在厭氧發(fā)酵過程中，底物濃度過高容易增加發(fā)酵體系的傳質(zhì)阻力，不利于營養(yǎng)物質(zhì)與微生物的充分接觸；相反，底物濃度過低會增加原料稀釋用水量和加熱體系的耗能量，還會增加污水排放量，給實際生產(chǎn)造成難題。所以，選擇適合的底物濃度，無論是對發(fā)酵條件優(yōu)化還是對實際生產(chǎn)需要都至關(guān)重要。在本試驗中，底物濃度不同產(chǎn)氣率有較大差異，結(jié)果表明，底物濃度過低或過高都不利于厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫。當?shù)孜餄舛仍?0～100 g·L-1變化時，底物的產(chǎn)氫率相差不大，具體為當?shù)孜餄舛确謩e為40、60、80和100 g·L-1時累計產(chǎn)氫量分別為294、506、672和729 mL，VS產(chǎn)氫量分別為27.01、31、31.05和26.85 mL·g-1。當?shù)孜餄舛葹?0 g·L-1累計產(chǎn)氫量很低，不宜用于實際生產(chǎn)中。當?shù)孜餄舛葟?0到100 g·L-1變化時累計產(chǎn)氫量逐漸增大，VS產(chǎn)氫率卻呈下降趨勢。因為在實際生產(chǎn)中，常常要綜合考慮累計產(chǎn)氫量和VS產(chǎn)氫率來確定生產(chǎn)工藝，當?shù)孜餄舛葹?0和100 g·L-1時，累計產(chǎn)氫量和VS產(chǎn)氫量均較高，因此，在實際生產(chǎn)中，為了有效降低產(chǎn)氫發(fā)酵成本應進一步考查該兩組試驗水平組合。

3.2 底物濃度對液相產(chǎn)物和pH的影響

在實際生產(chǎn)中，為實現(xiàn)有機底物利用率的最大化，常將產(chǎn)氫發(fā)酵體系的流出液用作產(chǎn)甲烷相的底物繼續(xù)發(fā)酵，而產(chǎn)甲烷菌幾乎不能消化乳酸，主要利用乙酸、丁酸等的裂解進行產(chǎn)甲烷代謝。因此，探討產(chǎn)氫相液相產(chǎn)物組成對實際生產(chǎn)具有重要意義。如表3所示，當?shù)孜餄舛鹊陀?00g·L-1時，液相代謝產(chǎn)物中乙酸+丁酸的含量均占總有機酸的50%以上。在較高的底物濃度下，產(chǎn)氫發(fā)酵體系產(chǎn)生乳酸的量更多，而丁酸、乙酸的量相對較少。因此，在底物濃度低于100 g·L-1時，產(chǎn)氫相流出液更適合作為后續(xù)產(chǎn)甲烷發(fā)酵的底物。

3.3 底物濃度對底物降解率的影響

本試驗中，較低底物濃度下，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程均可獲得較高底物降解效率。在營養(yǎng)物質(zhì)不足或較少的情況下，微生物可在有效時間內(nèi)對其分解利用。反觀底物濃度較高的處理組，即100 g·L-1以上底物降解率明顯降低，說明底物濃度過高時、微生物不能對其充分利用，原料利用率下降。因此，本試驗選擇底物濃度范圍不超過80 g·L-1為宜。

4 結(jié)論

底物濃度顯著影響餐廚廢棄物與牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫率。當?shù)孜餄舛葹?0 g·L-1時VS產(chǎn)氫率最高為31.05 mL·g-1，當?shù)孜餄舛葹?00 g·L-1時累積產(chǎn)氫量最高為729 mL。隨著底物濃度升高，發(fā)酵體系微生物代謝途徑發(fā)生變化，液相中有機酸組分比例開始由乙酸、丁酸逐漸向乳酸轉(zhuǎn)化。當?shù)孜餄舛鹊陀?00 g·L-1時，液相代謝產(chǎn)物中乙酸+丁酸的含量均占總有機酸50%以上，有利于將產(chǎn)氫相流出液繼續(xù)用于產(chǎn)甲烷發(fā)酵。因此，綜合體系產(chǎn)氫效率和液相中有機酸組分比例兩方面因素，在實際生產(chǎn)中應將底物濃度設置為80或100 g·L-1為宜，該濃度下可實現(xiàn)有機底物最大化開發(fā)利用。

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Effect of substrate concentration on the anaerobic hydrogen fermentation with a mixture of food waste and cattle manure

LI Wenzhe,YIN Lili, WANG Ming,LIU Shuang,LIU Dan,LI Jingyu(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

In order to improve the ability of anaerobic hydrogen co-digestion,a batch experiments with food waste and cattle manure mixed according to the 1∶1(basis∶dry matter)as the substrance of anaerobic digestion was conducted under(35±1)℃for hydrogen production.The effect of substrance concentration on the specific hydrogen production rate,pH,and liquid products was investigated.As a result,the maximums of hydrogen yield,the volumetric hydrogen yield and the VS degradation rate (31.05 mL·g-1,672 mL·L-1and 29.34%,respectively)were obtained at the substrates concentration of 80 g·L-1.The pH was maintained in the range of 5.48-5.81,acetic and butyric acids which can be as the substance of methane fermentation were the main liquid products.

hydrogen;cattle manure;food waste;anaerobic fermentation

X71；TQ920.6

A

1005-9369（2014）05-0103-07

2013-12-03

“十二五”國家支撐計劃項目（2011BAD15B04）

李文哲（1955-），男，教授，博士生導師，研究方向為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與利用。E-mail:liwenzhe9@163.com

時間2014-5-12 9:02:12[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140512.0902.024.html

李文哲,殷麗麗,王明,等.底物濃度對餐廚廢棄物與牛糞混合產(chǎn)氫發(fā)酵的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2014,45(5):103-109.

Li Wenzhe,Yin Lili,Wang Ming,et al.Effect of substrate concentration on the anaerobic hydrogen fermentation with a mixture of food waste and cattle manure[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(5):103-109.(in Chinese with English abstract)