張國華,黃 黃,黃江麗,張志紅,王東升,丁建南

(江西省科學(xué)院生物資源研究所，330029，南昌)

熱處理對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

張國華,黃 黃,黃江麗,張志紅,王東升,丁建南*

(江西省科學(xué)院生物資源研究所，330029，南昌)

餐廚垃圾中有機(jī)物含量高，以沼渣為產(chǎn)氫菌種來源，利用餐廚垃圾為原料研究厭氧發(fā)酵制備氫氣，研究通過熱處理沼渣對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響。結(jié)果表明，餐廚垃圾是理想的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫底物，熱處理能夠有效的抑制耗氫微生物的活性，提高產(chǎn)氫氣濃度。未加熱處理發(fā)酵產(chǎn)氣量大，氫氣最大濃度為29%；100 ℃加熱處理15 min發(fā)酵產(chǎn)氫氣最大濃度為38%，產(chǎn)氣量大；100 ℃加熱處理30 min發(fā)酵產(chǎn)氫氣最大濃度為35%，產(chǎn)氣量下降。以餐廚垃圾為發(fā)酵底物微生物產(chǎn)氫發(fā)酵的最佳pH值為5.0～6.0。

餐廚垃圾; 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫；沼渣; 熱處理

0 引言

能源與環(huán)境雙重危機(jī)使綠色可再生能源的開發(fā)研究成為當(dāng)今各國工作的重點。氫氣作為清潔高效的能源，在國民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域中具有十分重要的用途，其開發(fā)與利用受到高度重視[1]。目前，制氫技術(shù)主要有物化法和生物法，物化法包括水電解法、甲烷裂化法和水煤氣轉(zhuǎn)化法等，存在能耗高，成本高，產(chǎn)生污染等缺陷；生物法主要有光合制氫和厭氧發(fā)酵制氫。厭氧發(fā)酵制氫是近年來興起的技術(shù)，有機(jī)物厭氧消化一般可分為水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四個階段，根據(jù)厭氧發(fā)酵機(jī)理，抑制產(chǎn)甲烷階段利用有機(jī)物制備氫氣在理論上是可行的[2]。國內(nèi)對厭氧發(fā)酵制氫的研究起步較晚，還處在初級階段，目前主要集中在單一組分的基質(zhì)產(chǎn)氫研究，產(chǎn)氫微生物的研究，厭氧發(fā)酵制氫影響因子和過程調(diào)控的研究以及厭氧發(fā)酵制氫裝置的研究等[3]。本試驗以餐廚垃圾復(fù)雜基質(zhì)為底物，以沼渣來源的混合產(chǎn)氫微生物作為產(chǎn)氫菌進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的可行性研究，試驗結(jié)果可以為今后厭氧生物制氫的機(jī)理研究以及餐廚垃圾的資源化利用等提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1餐廚垃圾及預(yù)處理

試驗用餐廚垃圾收集于江西省科學(xué)院職工食堂，主要成分為米飯、蔬菜、肉類、骨頭、湯汁、紙巾等。將餐廚垃圾中的骨頭等分揀出，稱重、烘干、粉碎后備用。將餐廚垃圾中的紙巾、筷子、牙簽等雜物分揀出計重。分揀后的餐廚垃圾利用濕熱法去除其中的油脂[4]，去油后的餐廚垃圾利用粉碎機(jī)粉碎，攪拌均勻，為免發(fā)生變質(zhì)腐敗，于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2產(chǎn)氫菌種及預(yù)處理

產(chǎn)氫菌種取自于農(nóng)戶老沼氣池中的沼渣，將沼渣分成3份，放置于高溫滅菌鍋中，設(shè)置高溫滅菌鍋工作溫度100 ℃，打開放氣閥，分別進(jìn)行0 min、15 min、30 min加熱處理，冷卻后備用[2]。

1.3試驗裝置

試驗裝置由1 000 mL廣口消化瓶、1 000 mL集氣瓶和1 000 mL集水瓶組成，并由硅膠管進(jìn)行密封連接。試驗裝置置于(35±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中，每天定時量取集水瓶中排水體積[5]。

1.4試驗操作

取4組1 000 mL廣口消化瓶，分別編號為①、②、③、④，在①號消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐廚垃圾，加入300 g熱處理0 min的沼渣，加入300 g蒸餾水調(diào)節(jié)體系含水率為90%左右，混勻后調(diào)節(jié)體系pH值為6.0左右；在②號消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐廚垃圾，加入300 g熱處理15 min的沼渣，加入300 g蒸餾水調(diào)節(jié)體系含水率為90%左右，混勻后調(diào)節(jié)體系pH值為6.0左右；在③號消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐廚垃圾，加入300 g熱處理30 min的沼渣，加入300 g蒸餾水調(diào)節(jié)體系含水率為90%左右，混勻后調(diào)節(jié)體系pH值為6.0左右；在④號消化瓶中加入600 g未經(jīng)熱處理的沼渣，加入300 g蒸餾水調(diào)節(jié)體系含水率為90%左右，混勻后調(diào)節(jié)體系pH值為6.0左右，作為試驗對照組。將4個消化瓶按照1.3中所述分別組裝好厭氧發(fā)酵裝置，并檢查裝置的氣密性。將發(fā)酵裝置置于(35±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行厭氧發(fā)酵培養(yǎng)，每天定時量取集水瓶中排水體積。

pH值是餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的一個重要影響因素，pH值主要通過對微生物體內(nèi)NADH/NAD+動態(tài)平衡及各種細(xì)菌生理活性的影響，而影響發(fā)酵代謝過程和產(chǎn)氫效果。據(jù)文獻(xiàn)報道，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫適宜的pH值為4.5～6.5之間，酸性環(huán)境有利于抑制產(chǎn)甲烷菌等微生物的生長，但是體系pH值不能太低，當(dāng)體系pH<4.5時，產(chǎn)氫菌自身的活性也會受到抑制，產(chǎn)氫效果將顯著下降[6]。因此，試驗中采取適時調(diào)節(jié)體系pH值于5.5左右。

1.5分析方法

餐廚垃圾及沼渣中的含水率、總固體物質(zhì)含量(TS)采用烘干法測定，總揮發(fā)性物質(zhì)(VS)、灰分含量采用馬弗爐灼燒法測定，含油率采用酸水解法測定，pH值采用pHS-3C型精密pH計測定[7-8]。

氣體成分采用美國安捷倫公司Micro-GC 3000A便攜式氣相色譜儀測定。色譜條件：plot分子篩柱；柱溫、氣化室以及檢測器(TCD)溫度分別為110 ℃、100 ℃、110 ℃；氬氣為載氣[7-8]。

2 結(jié)果與分析

2.1餐廚垃圾及沼渣特性

采集自江西省科學(xué)院職工食堂的餐廚垃圾經(jīng)分揀計重后，各組分的占比見表1。

表1 餐廚垃圾分類

沼渣與經(jīng)分揀粉碎后餐廚垃圾，測得含水率、總固體物質(zhì)含量(TS)、總揮發(fā)性物質(zhì)(VS)、灰分、含油率等參數(shù)見表2。

表2 餐廚垃圾與沼渣參數(shù)測定

2.2厭氧發(fā)酵體系pH值變化

厭氧發(fā)酵裝置放置(35±1)℃恒溫培養(yǎng)箱后，①、②、③號試驗組pH值下降劇烈，體系pH值在12 h內(nèi)均由6.0下降到4.5左右，產(chǎn)氣較少。④號對照組pH值變化比較平穩(wěn)，產(chǎn)氣較少。分析認(rèn)為①、②、③號試驗組由于餐廚垃圾的存在，餐廚垃圾酸化水解速度很快，造成體系pH值下降劇烈，而較低的pH值又抑制了產(chǎn)氫菌的活性。④號對照組中沒有餐廚垃圾的快速酸化水解，體系pH值變化較平穩(wěn)，由于沒有發(fā)酵底物，因而產(chǎn)氣較少。

第一次測量排水后，調(diào)節(jié)①、②、③號試驗組pH值于5.5左右，①、②、③號試驗組進(jìn)入產(chǎn)氣階段，產(chǎn)氣量大；之后①、②、③號試驗組體系pH值變化波動不大，一直保持在5.0～6.0之間，直至產(chǎn)氫結(jié)束。體系pH值變化如圖1所示。

圖1 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫pH值變化

2.3餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫變化

①、②、③號試驗組在餐廚垃圾酸化水解結(jié)束調(diào)節(jié)體系pH值于5.5左右后進(jìn)入快速產(chǎn)氣階段。日產(chǎn)氣量與累積產(chǎn)氣量分別見圖2和圖3。從圖2中可見，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫迅速，在72 h內(nèi)產(chǎn)氫完成，在48 h內(nèi)達(dá)到產(chǎn)氣高峰期。從圖3中可見，④號對照組產(chǎn)氣量較少。從圖2和圖3中可見，累積產(chǎn)氣量①號試驗組>②號試驗組>③號試驗組>④號對照組，得出，加熱處理菌種來源的沼渣對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫有一定的影響。

隨著厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的進(jìn)行，氫氣的濃度隨著發(fā)酵時間的延長而逐漸升高，當(dāng)達(dá)到產(chǎn)氫高峰期時，氫氣濃度也達(dá)到最大值，產(chǎn)氣高峰期結(jié)束后，氫氣的濃度也隨著下降。①號試驗組氫氣濃度最高值達(dá)到29%，②號試驗組氫氣濃度最高值達(dá)到38%，③號試驗組氫氣濃度最高值達(dá)到35%，④號試驗組產(chǎn)氣量少難以收集到氣體而未進(jìn)行測定。同時，①號試驗組在產(chǎn)氫初期氣體成分中檢測到甲烷成分，甲烷濃度為0.2%，之后隨著發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行①號試驗組產(chǎn)氣氣體成分中未檢測到甲烷。而②、③號試驗組產(chǎn)氣氣體中一直未檢測到甲烷成分。

圖2 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫日產(chǎn)氫氣量

圖3 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫累積產(chǎn)氫氣量

3 討論與結(jié)論

厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)是一種既能降解有機(jī)廢水或廢棄物，又能產(chǎn)出清潔能源的生物制氫工藝，具有巨大的發(fā)展?jié)摿凸こ虘?yīng)用前景。餐廚垃圾中有機(jī)物含量極高，營養(yǎng)成分豐富，配比均衡，十分容易被生物降解，是十分理想的厭氧發(fā)酵底物。

沼渣中含有種群豐富的厭氧菌種，可以作為產(chǎn)氫菌種很好的來源，但是其中同時存在數(shù)量豐富的耗氫微生物，如產(chǎn)甲烷菌、硫化細(xì)菌等，如果不抑制耗氫微生物的活性，厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣會迅速被消耗掉。本論文研究了通過熱處理方法控制耗氫微生物的活性，從2.3結(jié)果中可見，雖然①號試驗組接種沼渣未經(jīng)熱處理，累積產(chǎn)氣量較②、③號試驗組略高，但是①號試驗組氣體中檢測到了甲烷成分，而且氫氣濃度較②、③號試驗組氣體成分中氫氣濃度低。說明①號試驗組接種的沼渣未經(jīng)熱處理，沼渣中的耗氫菌消耗了部分產(chǎn)生的氫氣，即表明沼渣經(jīng)熱處理后較好的抑制了沼渣中耗氫微生物的活性。同時，試驗結(jié)果表明熱處理15 min較熱處理30 min厭氧發(fā)酵制氫產(chǎn)氣效果好。

pH值是影響餐廚垃圾厭氧產(chǎn)氫過程中一個重要的環(huán)境因子。從本論文研究的結(jié)果可見，以餐廚垃圾為發(fā)酵底物微生物產(chǎn)氫發(fā)酵的最佳pH值在5.0～6.0之間，產(chǎn)氫菌能承受的最低pH為4.5。

[1] 鄧心安,張應(yīng)祿.生物能源發(fā)展及對未來農(nóng)業(yè)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報,2008,10(2):1-5.

[2]孫巖斌.不同預(yù)處理對餐廚垃圾厭氧聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的影響及其機(jī)理研究[D].北京:北京化工大學(xué),2013:1-40.

[3]孫營軍,丁穎,吳偉祥,等.餐廚垃圾發(fā)酵生物制氫研究進(jìn)展[J].科技通報,2009,25(2):226-232.

[4]任連海,金宜英,劉建國,等.餐廚垃圾固相油脂液化及分離回收的影響因素[J].清華大學(xué)學(xué)報,2009,49(3):386-389.

[5]林云琴,武書彬,梁嘉晉.預(yù)處理對造紙污泥和餐廚垃圾混合發(fā)酵的影響[J].華南理工大學(xué)學(xué)報,2012,40(5):71-75.

[6]張玉靜,蔣建國,王佳明.pH值對餐廚垃圾厭氧產(chǎn)酸的影響[J].中國給水排水,2013,29(1):30-33.

[7]張國君.餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2011:1-15.

[8]楊力.餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生物制氫試驗研究[D].長沙:湖南大學(xué),2013:1-13.

TheInfluenceofHeatTreatmentonBio-hydrogenProductionUsingKitchenwasteViaAnaerobicFermentation

ZHANG Guohua,HUANG Huang,HUANG Jiangli,ZHANG Zhihong,WANG Dongsheng,DING Jiannan*

(Institute of Biological Resources,Jiangxi Academy of Science,330096,Nanchang,PRC)

High content of organic matter in kitchen waste,study on bio-hydrogen production using kitchen waste via anaerobic fermentation,as biogas residue for hydrogen production bacteria source,researched the effect of heat treatment on biogas residue for hydrogen production by anaerobic fermentation of kitchen waste.The results show that,kitchen waste is an ideal substrate for hydrogen production by anaerobic fermentation,heat treatment can effectively inhibit the hydrogen consumption microbial activity,enhancing the production of hydrogen concentration.Without heat treated fermentation gas production is large,the maximum concentration of hydrogen is 29%;The maximum concentration of hydrogen by anaerobic fermentation is 38% with large amount of gas,by heat treated in 100 ℃ with 15 min;The maximum concentration of hydrogen by anaerobic fermentation is 35% with gas production decreased,by heat treated in 100 ℃ with 30 min.The optimum pH of microbial fermentative hydrogen production is 5.0～ 6.0,as kitchen waste as the fermentation substrate.

kitchen waste;anaerobic fermentation;biogas residue;heat treatment

2014-08-02;

2014-09-22

張國華(1983-)，男，碩士，助理研究員，主要從事應(yīng)用微生物及廢棄資源再利用研究。

江西省科技計劃項目(編號:20111BBG70012-1)。

*通訊作者：丁建南(1955-)，男，博士，研究員，從事應(yīng)用微生物研究。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.006

X705

A

1001-3679(2014)06-0773-04