王佳明 ,蔣建國,2,3*,宮常修,張玉靜,李夢露 (.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 00084；2.清華大學(xué)固體廢物處理與環(huán)境安全教育部重點實驗室,北京 00084；3.清華大學(xué)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 00084)

超聲波預(yù)處理對餐廚垃圾產(chǎn)VFAs的影響

王佳明1,蔣建國1,2,3*,宮常修1,張玉靜1,李夢露1(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084；2.清華大學(xué)固體廢物處理與環(huán)境安全教育部重點實驗室,北京 100084；3.清華大學(xué)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100084)

采用超聲波預(yù)處理餐廚垃圾以提高產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)產(chǎn)率.結(jié)果表明,在超聲強度720W/L下處理15min后,餐廚垃圾SCOD含量比原樣中SCOD提高了1倍,其中有機質(zhì)中碳水化合物溶出量最大,由原樣中8.2g/L提高到處理后的43.5g/L;在pH=6、溫度35℃條件下,對含固率約為12%的餐廚垃圾進行厭氧發(fā)酵,未預(yù)處理和超聲處理后的餐廚垃圾產(chǎn)生的VFAs最大值分別達到33.4,42.5g/L,經(jīng)超聲預(yù)處理的餐廚垃圾產(chǎn)VFAs的量提高了27.2%.

餐廚垃圾；超聲波；揮發(fā)性脂肪酸；厭氧消化

目前餐廚垃圾問題對環(huán)境和人們的日常生活影響日趨嚴重,餐廚垃圾的減量化、無害化、資源化成為大家關(guān)注的焦點[1].餐廚垃圾因其富含可以轉(zhuǎn)化為能量的大量有機物,是一種寶貴的資源[2],因此以資源化為導(dǎo)向處理和處置餐廚垃圾是重點考慮的問題[3].

目前我國城鎮(zhèn)污水碳氮比偏低,為了滿足脫氮除磷的要求,污水處理廠需投加大量的外加碳源.甲醇、乙酸等常規(guī)外加碳源成本高昂,利用餐廚等廢棄物水解酸化液作為外加碳源不僅能夠大幅降低成本,而且酸化液生化性更好,脫氮除磷的效率更高.其中餐廚垃圾水解酸化液中揮發(fā)性脂肪酸的被利用率較高,所以需要盡可能將餐廚垃圾定向產(chǎn)酸.眾多研究采用厭氧消化來處理污泥、化工污水和餐廚垃圾等[4-10].其中厭氧發(fā)酵的底料大多以顆粒形式存在,Zeikus[11]認為水解階段通常是反應(yīng)的限速步驟.為了加快厭氧消化的過程,縮短發(fā)酵時間或在一定時間內(nèi)增加發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量,通常需要對反應(yīng)底料進行必要的預(yù)處理.由于超聲波可以用來破解有機物結(jié)構(gòu),已經(jīng)廣泛用來作為污泥的預(yù)處理[12-13],但是采用超聲波作為餐廚垃圾預(yù)處理手段提高其水解程度的研究很少[14-15],Elbeshbishy等[16]研究了超聲波輔助的厭氧消化餐廚垃圾一階段和兩階段處理技術(shù),但是他的主要目的在于提高餐廚垃圾的產(chǎn)氫量.本文開展了餐廚垃圾在機械破碎混合前提下,通過超聲波預(yù)處理提高產(chǎn)酸效果的研究.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用餐廚垃圾自配,即按照米飯35%(質(zhì)量分數(shù))、蔬菜(鮮重,大白菜)45%、豬肉 16%、豆腐4%的配比進行實驗,其中蔬菜、豬肉和豆腐來自附近菜市場,米飯來自學(xué)校食堂.將蔬菜、豆腐、米飯、豬肉混合,按照質(zhì)量比2:1加入自來水,滿足約 12%的含固率要求后放入攪拌機粉碎,并于 4℃下保存,接種污泥取自于北京某污水處理廠厭氧階段回流污泥,取回儲存于4 ℃條件下備用.餐廚垃圾和接種污泥的性質(zhì)見表1.

表1 餐廚垃圾與接種污泥的性質(zhì)Table 1 Characteristics of the food waste and tested sludge

1.2 實驗方法

圖1 探頭式超聲波反應(yīng)器[17]Fig.1 The probe type ultrasonic reactor

采用超聲波細胞粉碎儀,結(jié)構(gòu)示意如圖 1所示.超聲波細胞粉碎儀具有自動諧振點和強度控制、60min過程控制定時器、剩余顯示、獨立開/關(guān)脈沖定時器、開和關(guān)循環(huán)均可從 1、4、8s、連續(xù)選擇設(shè)定等功能.

總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)采用重量法測定,碳水化合物采用硫酸-苯酚法[18]測定,粗脂肪采用索氏脂肪抽提法[19]測定,蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍染色法[19]測定.溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)經(jīng)過預(yù)處理后測定.處理方法為:將樣品以15000r/min離心15min,上清液采用0.45μm濾膜過濾.SCOD采用重鉻酸鉀法測定[18],VFA采用氣相色譜法測定.測試條件:進樣口溫度為 220℃,檢測器溫度為 250℃,不分流進樣,色譜柱為毛細柱stabliwax-DA,柱溫由60℃以7℃/min的速率升至150℃,保持5min,后以20℃/min速率升至230℃,保持10min.

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲時間對餐廚垃圾COD溶出的影響

以SCOD含量變化作為指標,衡量超聲波預(yù)處理對餐廚垃圾中有機質(zhì)溶出的影響.在考察超聲時間對餐廚垃圾中有機質(zhì)溶出的影響時,先固定超聲功率為額定功率的 80%,即為 960W,改變超聲時間,考察餐廚垃圾中SCOD含量變化.

圖2 超聲時間(0～120min)對餐廚垃圾SCOD的影響Fig.2 The influence of ultrasound action time (0～120min)to produce SCOD

通過圖 2可以看出,固定超聲強度 960W/L,隨著超聲時間的增加,SCOD含量迅速增加.在實驗 0～20min,SCOD含量增加的速率明顯大于實驗 20～120min階段.原樣 SCOD 含量(27.85±0.77)g/L,經(jīng)超聲 20min后 SCOD含量達到(53.72±0.44)g/L,增加了 0.93倍.通過線性擬合可以看出,隨著超聲時間增加SCOD增加速率緩慢.為進一步研究,將超聲時間范圍縮短,結(jié)果如圖3.對超聲時間(0～12min)與SCOD含量進行線性擬合得出 Y=19.24+2.36X,其中 R2=0.9794.同時,將超聲15～30min后超聲時間與SCOD含量作線性擬合,得到 Y=0.65X+45.95,其中 R2=0.8863.很顯然,K1=2.36>K2=0.65,即前半段 SCOD 增長速率明顯快于后半段SCOD增長速率.

圖3 超聲時間(0～30min)對餐廚垃圾SCOD的影響Fig.3 The influence of ultrasound action time (0～30min)to produce SCOD

2.2 超聲強度對餐廚垃圾COD溶出的影響

綜合考慮超聲強度960W/L ,超聲時間15min是有利于餐廚垃圾 SCOD 含量的增加,為此,設(shè)定超聲時間為15min,改變超聲強度,可以得出超聲強度的改變對餐廚垃圾SCOD的影響,見圖4.

圖4 超聲強度對餐廚垃圾SCOD的影響Fig.4 The influence of ultrasound action power to produce SCOD

由圖4可見,超聲強度0～480W/L階段,SCOD含量基本無變化,超聲作用對餐廚垃圾中 SCOD影響不大;480～720W/L階段,SCOD含量有明顯增長,SCOD含量從32.26g/L增長至65.70g/L,提高了1.04倍;720～1200W/L階段,SCOD含量有一定增長.對圖4中后2階段的超聲強度與SCOD含量作線性擬合對比斜率,并綜合經(jīng)濟因素可以得出超聲強度720W/L、超聲時間15min能夠很好地促進餐廚垃圾中 SCOD含量的溶出,從32.26g/L增長至65.70g/L,提高了1倍.

2.3 超聲作用對餐廚垃圾SCOD中有機質(zhì)溶出的影響

超聲強度720W/L、超聲時間15min條件下非常有利于餐廚垃圾SCOD的溶出,在此基礎(chǔ)上,深入分析餐廚垃圾 SCOD中脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物的變化,見表2.

表2 超聲處理前后有機質(zhì)含量的變化(g/L)Table 2 Organic matter content changes before and after ularasonic pre-treatment(g/L)

經(jīng)超聲波預(yù)處理后的餐廚垃圾溶出有機物含量效果顯著,碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)總量在預(yù)處理后提高了1.6倍.從表2中可以看出,3物質(zhì)溶出的效果碳水化合物>蛋白質(zhì)>脂肪,尤其是碳水化合物從8.2g/L增加至46g/L,增長幅度很大,而脂肪和蛋白質(zhì)含量降低,尤其是脂肪.油脂是餐廚垃圾處理過程中面臨的一大難題,但在本研究中超聲波預(yù)處理能夠有效地降低油脂含量,從1.6g/L降至0.3g/L,降低了81.2%.這是由于超聲波的高震蕩及其產(chǎn)生的空化效應(yīng),可以破壞細胞壁的維持力,并釋放出細胞內(nèi)容物,碳水化合物含量大幅度增加;同時超聲效應(yīng)有利于促進油脂水解的進行;超聲波的熱機制使溶液溫度升高,導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性,后容易被水解,從而含量降低.

2.4 超聲波強化預(yù)處理對餐廚垃圾產(chǎn)VFAs的促進作用

在超聲強度720W/L、超聲時間15min條件下,餐廚垃圾SCOD以及SCOD中碳水化合物易于溶出.結(jié)合張玉靜等[20]對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸的影響研究(厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸最佳條件:pH6.0,溫度35℃)進一步驗證超聲波強化預(yù)處理對餐廚垃圾產(chǎn)VFAs量的影響.

圖5 產(chǎn)酸量隨發(fā)酵時間的變化Fig.5 Production of VFAs during food waste fermentation time

圖5是餐廚垃圾產(chǎn)酸量隨發(fā)酵時間的變化,未經(jīng)超聲處理的餐廚垃圾在48h后產(chǎn)VFAs達到最大值33.4g/L.超聲處理后的餐廚垃圾在72h后達到最大值 42.5g/L.因此,超聲波預(yù)處理(優(yōu)化條件:超聲強度720W/L、超聲時間15min)能夠有利于提高產(chǎn)酸總量,提高了27.2%.

3 結(jié)論

3.1 對超聲強度和超聲時間兩因素進行研究表明:超聲強度720W/L、超聲15min能夠有效地促進餐廚垃圾溶出有機質(zhì),SCOD含量能提高1倍.其中碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)三者總量在經(jīng)超聲波強化預(yù)處理后提高了 1.6倍,碳水化合物溶出量最大.同時,超聲波作用能夠有效去除餐廚垃圾中的脂肪含量.

3.2 經(jīng)過超聲波預(yù)處理后,餐廚垃圾產(chǎn)VFAs量高于未預(yù)處理的餐廚垃圾,相比提高了27.2%.

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Effects of ultrasonic pre-treatment on the production of VFAs from food waste.

WANG Jia-ming1, JIANG Jianguo1,2,3*, ZHANG Yu-jing1, LI Meng-lu1(1.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Key Laboratory for Solid Waste Management and Environment Safety, Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China；3.Collaborative Innovation Center for Regional Environmental Quality, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1207～1211

The study aims at improving the efficiency producing volatile fatty acids (VFAs)by ultrasonic pre-treatment and meanwhile overcomes the disadvantages such as the complexity of components and inequality of particles. Under the condition of treatment time of 15min, and ultrasonic intensity of 720W/L, the SCOD dissolution significantly increased,which was twice as the results of original samples. Among the SCOD dissolved, carbohydrate had the highest dissolution,which was increased from 8.2g/L to 43.5g/L. Under the condition of pH of 6and temperature of 35℃, the maximum values of VFAs from untreated and ultrasonic-treated food waste with solid content ration of around 12% were 33.4,42.5g/L, separately. VFAs from food waste after ultrasonic treatment were increased by 27.2%.

food waste；ultrasonic；volatile fatty acids (VFAs)；anaerobic digestion

X705

A

1000-6923(2014)05-1207-05

2013-09-16

國家水體污染控制與治理科技專項基金資助(2012ZX07301-001)

* 責(zé)任作者, 教授, jianguoj@tsinghua.edu.cn

王佳明(1988-),男,四川北川人,清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院碩士研究生,主要從事固體廢物處理處置方面的研究.