李　凜， 張?jiān)骑w， 李　強(qiáng)， 鄧雅月， 鄧　宇， 尹小波， 賀 靜

(1. 成都理工大學(xué) 材化院生物工程系，成都　610059； 2. 農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都　610041)

?

廢棄食用油脂中溫厭氧發(fā)酵特性研究

李凜1， 張?jiān)骑w2， 李強(qiáng)2， 鄧雅月2， 鄧宇2， 尹小波2， 賀 靜2

(1. 成都理工大學(xué) 材化院生物工程系，成都610059； 2. 農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都610041)

為了研究廢棄食用油脂中溫厭氧發(fā)酵特性，對(duì)廢棄食用油脂進(jìn)行了中溫35 ℃±1 ℃批式發(fā)酵，主要考察了不同原料與接種物比(F/I)和碳氮比(C/N)條件下，甲烷產(chǎn)量和FVA的變化情況，并運(yùn)用修正的 Gompertz 模型對(duì)其產(chǎn)氣模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在中溫條件下，F(xiàn)/I比值為1∶6，1∶3，1∶2和 2∶3 時(shí)，廢棄油脂都能較好地進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷，最大產(chǎn)甲烷產(chǎn)量分別為737，418，342 和300 mL·g-1TS。采用修正 Gompertz 模型分別對(duì)1∶6，1∶3，1∶2和 2∶3 實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)甲烷曲線進(jìn)行擬合，得到產(chǎn)甲烷潛力分別為 823.68，461.12，379.43 和339.20 mL·g-1TS，最大產(chǎn)甲烷速率分別為 56.25，31.03，24.79 和20.63 mL ·d-1g-1TS 。C/N值為28∶1，14∶1，7∶1和4∶1時(shí)，隨著C/N減小最大產(chǎn)甲烷產(chǎn)量不斷增大，分別為185，308，395 和460 mL·g-1TS。

廢棄食用油脂； 厭氧發(fā)酵； Gompertz 模型

廢棄食用油脂主要是指在食品加工產(chǎn)業(yè)和餐飲業(yè)中產(chǎn)生的不可再食用油脂。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們生活水平隨之提高，廢棄食用油脂的產(chǎn)生量也在逐年上漲。我國(guó)每年的產(chǎn)生的廢棄食用油脂約在400～800萬(wàn)t，合理的處置和利用廢棄油脂對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境、緩解能源危機(jī)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面都將起到推動(dòng)作用[1]。采用廢棄油脂產(chǎn)甲烷，不僅實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化，化解日益緊張的能源供需矛盾，而且可以有效解決有機(jī)廢物造成的環(huán)境污染等問題[2]。

國(guó)外由于飲食習(xí)慣不同，他們的廢棄油脂包括脂肪(fat)，油(oil)，油脂(grease)，簡(jiǎn)稱FOG。FOG的來源主要是含油脂廢水中經(jīng)過除油器之后所得到的廢棄油脂[3-5]。我國(guó)產(chǎn)生的廢棄食用油脂大部分是餐廚垃圾產(chǎn)生的，其主要成分是高級(jí)脂肪酸甘油酯，油脂中的脂肪酸大多是正構(gòu)含偶數(shù)碳原子的飽和的或不飽和的脂肪酸，常見的飽和酸有肉豆蔻酸(C14)、軟脂酸(C16)、硬脂酸(C18 )等，不飽和酸有棕櫚油酸(C16，單烯)、亞油酸(C18，二烯)、亞麻酸(C18，三烯)等。在餐廚垃圾發(fā)酵中，過高的油脂濃度會(huì)抑制餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程[6]，油脂的厭氧降解成為厭氧發(fā)酵中的難點(diǎn)。在厭氧消化過程中，油脂經(jīng)過水解生成長(zhǎng)鏈脂肪酸，長(zhǎng)鏈脂肪酸在產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌的作用下生成乙酸和H2/CO2，最后在產(chǎn)甲烷菌的作用下生成甲烷。已有的研究表明，油脂水解產(chǎn)物——長(zhǎng)鏈脂肪酸會(huì)對(duì)后續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生毒性效應(yīng)并抑制厭氧細(xì)菌的活性，長(zhǎng)鏈脂肪酸抑制的機(jī)理為長(zhǎng)鏈脂肪酸吸附在細(xì)胞壁上，影響了代謝過程中底物和產(chǎn)物的傳質(zhì)過程[7]。廢棄食用油脂中主要成分是高級(jí)脂肪酸甘油酯，幾乎不含氮，因而在發(fā)酵中需要外加氮源來調(diào)節(jié)碳氮比。已有的研究表明廢棄食用油脂的厭氧發(fā)酵的影響因素較多，比如油脂發(fā)酵濃度、接種物的濃度和碳氮比C/N)等[8-9]。

實(shí)驗(yàn)采用批式發(fā)酵的方法考察不同原料接種物比 (feedstock/inoculum，F(xiàn)/I)和碳氮比 (C/N)條件下對(duì)廢棄食用油脂產(chǎn)甲烷潛力的影響。對(duì)不同F(xiàn)/I條件下廢棄食用油脂厭氧發(fā)酵特性進(jìn)行研究并采用修正 Gompertz 模型對(duì)產(chǎn)甲烷曲線進(jìn)行擬合。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用厭氧污泥取自某制藥廠厭氧消化器，為黑色絮凝狀物質(zhì)，污泥取回后于塑料瓶?jī)?nèi)密封, 置于4℃冰箱中保存。

實(shí)驗(yàn)所用廢棄油脂取自某川菜館廢棄煎炸油，沉淀48 h后，過濾以除去上層泡沫和下層固體雜質(zhì)。處理后的樣品作為厭氧發(fā)酵的原料，測(cè)定油密度為0.928 g·mL-1。

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

F/I實(shí)驗(yàn)中，發(fā)酵瓶體積為 100 mL，有效反應(yīng)體積為 60 mL，接種厭氧污泥量為1.8g TS。設(shè)置不同的廢棄食用油脂與厭氧污泥比分別為1∶6，1∶3，1∶2，2∶3，5∶6 和 0∶1，其中 0∶1 實(shí)驗(yàn)組為空白實(shí)驗(yàn)，用去離子水補(bǔ)充反應(yīng)體積至60 mL。C/N實(shí)驗(yàn)中，在反應(yīng)體積 60 mL中加入接種厭氧污泥量為1.8 gTS，油脂加入0.6g TS，厭氧污泥與廢棄食用油脂比為3∶1，加入NH4CL作為氮源，C/N分別設(shè)置為28∶1，14∶1，7∶1，4∶1，3∶1和1∶0，其中 1∶0 實(shí)驗(yàn)組為空白實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)開始前，向反應(yīng)瓶?jī)?nèi)沖入氮?dú)?5 min 以排出空氣保持反應(yīng)瓶?jī)?nèi)的厭氧環(huán)境，35℃±1 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)靜置培養(yǎng)，發(fā)酵時(shí)間為30 d。每天記錄一次產(chǎn)氣量、甲烷含量，3 d測(cè)定1次揮發(fā)酸。每組樣品設(shè)置3個(gè)平行，數(shù)據(jù)分析取其平均值。

1.2.2分析方法

日產(chǎn)氣量: 在發(fā)酵周期內(nèi)采用排水集氣法，每天定時(shí)通過量筒直接讀??；甲烷含量：采用氣相色譜(GC-2010，島津日本) 檢測(cè)，檢測(cè)條件為 TCD 檢測(cè)器溫度 200℃，進(jìn)樣口溫度 150℃； TS和VS采用重量法測(cè)定[10]；揮發(fā)性脂肪酸(VFA ): 采用氣相色譜儀(Aglient7820A，美國(guó)) 測(cè)定，氣相色譜條件為FFAD柱，F(xiàn)ID檢測(cè)器，柱溫為 250℃，載氣為氦氣，定量測(cè)定方法為外標(biāo)法，主要測(cè)定乙酸、丙酸和丁酸[11]。

1.2.3動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)于批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程，有一定程度上甲烷產(chǎn)量是微生物生長(zhǎng)的一個(gè)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)采用Gompertz 方程 (1) 來擬合累積產(chǎn)甲烷曲線:

(1)

式中:Pt為 t 時(shí)刻的累計(jì)甲烷產(chǎn)量，mL·g-1TS;P為最終甲烷產(chǎn)量，mL·g-1TS ;Rm為最大產(chǎn)甲烷速率， mL·d-1g-1TS ;λ為延滯期，d;P，Rm和λ可以通過批式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

2　結(jié)果與分析

2.1不同F(xiàn)/I條件下廢棄食用油脂厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性分析

接種厭氧污泥量一定，在不同的原料接種物比(F/I) 情況下(1∶6，1∶3，1∶2，2∶3，5∶6，1∶1和 0∶1)厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量和單位質(zhì)量底物的甲烷產(chǎn)量如圖1和圖2 所示。空白組實(shí)驗(yàn)中即0∶1 組累積甲烷產(chǎn)量無明顯增加，僅為 9.6 mL，這表明系統(tǒng)中接種的厭氧污泥產(chǎn)甲烷量不高。原料接種物比從1∶6到5∶6的均能夠正常產(chǎn)甲烷，各實(shí)驗(yàn)組累積產(chǎn)甲烷量都呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)，第21天總產(chǎn)甲烷量到達(dá)峰值(230 mL到270 mL之間)。圖2中的實(shí)驗(yàn)組甲烷產(chǎn)量已扣除了接種污泥的空白。由圖2所示，隨著物料比的增加，廢棄食用油脂的單位TS產(chǎn)甲烷率在不斷的下降，表明產(chǎn)甲烷過程隨物料比增加逐漸受到抑制，原因是廢棄食用油脂加入過多，水解生成 VFA 的速率遠(yuǎn)高于其消耗速率，中間代謝產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制，造成菌群活性受到抑制。

圖1　不同F(xiàn)/I條件下廢棄油脂厭氧消化過程的甲烷累積產(chǎn)量

圖2　不同F(xiàn)/I條件下單位質(zhì)量底物的甲烷產(chǎn)量

VFA 是厭氧發(fā)酵過程中有機(jī)物水解的產(chǎn)物，同時(shí)也是產(chǎn)甲烷菌的利用底物，VFA 濃度是評(píng)價(jià)水解酸化和產(chǎn)甲烷平衡中的一項(xiàng)重要指標(biāo)[12-14]。由圖 3可知，各實(shí)驗(yàn)組VFA 呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在第 7 天達(dá)到峰值。

F/I為5∶6和1∶1這2個(gè)實(shí)驗(yàn)組，VFA 也是一直上升到第 7 天達(dá)到最大值2500 mg·L-1和 3800 mg·L-1，可以看出揮發(fā)酸出現(xiàn)了累積，導(dǎo)致該實(shí)驗(yàn)組厭氧發(fā)酵受到抑制，以致甲烷產(chǎn)量非常低。

F/I為1∶6，1∶3，1∶2，2∶3的4個(gè)實(shí)驗(yàn)組，VFA在第 7 天達(dá)到峰值，之后隨著發(fā)酵時(shí)間而逐漸下降的，因?yàn)檫@ 4 組中產(chǎn)生的揮發(fā)酸能迅速被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生甲烷。這 4 組實(shí)驗(yàn)組的VFA 變化均在厭氧菌的適應(yīng)范圍內(nèi)，因此，這 4 組的產(chǎn)甲烷效果良好。

2.2不同F(xiàn)/I條件對(duì)廢棄油脂厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程分析研究

由于F/I 5∶6和1∶1 實(shí)驗(yàn)組中廢棄油脂厭氧發(fā)酵都有受到一定抑制作用，因此不適合作為產(chǎn)甲烷曲線擬合的數(shù)據(jù)來源，故用修正 Gompertz 模型對(duì)物料比為1∶6，1∶3，1∶2，2∶3的四個(gè)實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)甲烷數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖4 和表2 所示。

圖3　不同F(xiàn)/I條件下廢棄油脂厭氧消化過程的VFA變化

圖4　甲烷產(chǎn)量的修正Gompertz方程擬合曲線

物料接種比PmL·g-1TSRmmL·d-1g-1TSλdR21∶6823.6856.255.100.99441∶2461.1231.033.660.99441∶3379.4324.793.410.98332∶3339.2020.634.860.9861

用修正 Gompertz 方程對(duì) 4 組實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)甲烷曲線進(jìn)行擬合的R2均在 0．99 左右(見表 2)。由此可見該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合相關(guān)性較好，能夠很好地反映出廢棄食用油脂的產(chǎn)甲烷特性。模型擬合得到的 最 大 產(chǎn) 甲 烷 潛 力 參 數(shù) P 分 別 為823.68，461.12，379.43 和339.20 mL·g-1TS，與實(shí)際最大產(chǎn)甲烷量非常接近。延滯期在3～5 d，這是因?yàn)橛椭獠⒔到獬捎袡C(jī)酸的過程是一個(gè)需要多種微生物協(xié)同作用的一個(gè)過程，油脂的水解被認(rèn)為是其限速步驟。另外，最大產(chǎn)甲烷速率分別為 56.25，31.03，24.79 和20.63 mL·d-1g-1TS，可以看出隨著廢棄油脂與污泥比值變大，最大產(chǎn)甲烷潛力以及最大產(chǎn)甲烷速率都是逐漸變小。這是因?yàn)閷?duì)于定量的接種污泥，廢棄油脂量越多，可能會(huì)造成污泥的負(fù)荷太高，抑制厭氧微生物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致其活性下降；但過多的污泥量也會(huì)造成厭氧微生物缺乏充足的營(yíng)養(yǎng)源而不能保證自身增長(zhǎng)需要，也會(huì)抑制厭氧微生物的生長(zhǎng)。因此，該實(shí)驗(yàn)也可為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2.3不同C/N條件下廢棄食用油脂厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性分析

由于油脂這種發(fā)酵原料幾乎不含氮源，實(shí)驗(yàn)采用了氯化銨作為氮源，考察了不同C/N對(duì)廢棄食用油脂厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響。

圖5　不同C/N條件下廢棄油脂厭氧消化過程的甲烷累積產(chǎn)量

圖6　不同C/N條件下單位質(zhì)量底物的甲烷產(chǎn)量

F/I為1∶3條件下，在不同的碳氮比(C/N) 情況下(28∶1，14∶1，7∶1，4∶1，3∶1和1∶0)厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量和單位質(zhì)量底物的甲烷產(chǎn)量如圖5和圖6 所示?？瞻捉M實(shí)驗(yàn)中即1∶0 組累積甲烷產(chǎn)量無明顯增加，僅為 5 mL，這表明系統(tǒng)中缺少氮源，嚴(yán)重影響厭氧發(fā)酵的進(jìn)行。C/N從28∶1到3∶1均能夠正常產(chǎn)甲烷，各實(shí)驗(yàn)組累積產(chǎn)甲烷量都呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)，第21天總產(chǎn)甲烷量到達(dá)峰值(110 mL到280 mL之間)。圖6中的實(shí)驗(yàn)組甲烷產(chǎn)量已扣除了接種污泥的空白。由圖6所示，隨著C/N的增加，廢棄食用油脂的單位TS產(chǎn)甲烷率先不斷上升再下降，在C/N為4∶1條件下，單位油脂的甲烷產(chǎn)量最高，達(dá)到460 mL·g-1TS。表明產(chǎn)甲烷過程隨C/N的增加逐漸受到促進(jìn)，原因是氮源的增加，促進(jìn)了厭氧微生物的增殖和生長(zhǎng)及其生理活性，使得菌群的活性增強(qiáng)。

圖7　不同C/N條件下廢棄油脂厭氧消化過程的甲烷累積產(chǎn)量

由圖 7可知， 不同C/N實(shí)驗(yàn)組VFA 呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在第 7～10天達(dá)到峰值。

C/N為3∶1和4∶1這2個(gè)實(shí)驗(yàn)組，VFA 也是一直上升到第8 天達(dá)到最大值3000 mg·L-1和1800 mg·L-1，但是隨后在第15天下降到1000 mg·L-1以下，發(fā)酵過程尚屬正常，可以看出揮發(fā)酸出現(xiàn)了輕微累積，發(fā)酵過程的穩(wěn)定性較差。

C/N為28∶1，14∶1，7∶1的3個(gè)實(shí)驗(yàn)組，VFA在第 5 天達(dá)到峰值，之后隨著發(fā)酵時(shí)間而逐漸下降的，因?yàn)檫@ 3 組中產(chǎn)生的揮發(fā)酸能迅速被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生甲烷。這 3 組實(shí)驗(yàn)的VFA 變化均在厭氧菌的適應(yīng)范圍內(nèi)，產(chǎn)甲烷效果良好。

3　結(jié)論

(1)在中溫條件下，F(xiàn)/I比值為1∶6，1∶3，1∶2和 2∶3 時(shí)，廢棄油脂都能較好地進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷，最大產(chǎn)甲烷產(chǎn)量分別為737，418，342 和300 mL·g-1TS。

(2)修正 Gompertz 方程可用來描述廢棄食用油脂的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程，分別對(duì)1∶6,1∶3,1∶2和 2∶3 實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)甲烷曲線進(jìn)行擬合，得到產(chǎn)甲烷潛力分別為 823.68,461.12,379.43 和339.20 mL·g-1TS，最大產(chǎn)甲烷速率分別為 56.25，31.03，24.79 和20.63 mL· d-1g-1TS。

(3)C/N值為28∶1，14∶1，7∶1和4∶1時(shí)，隨著C/N減小最大產(chǎn)甲烷產(chǎn)量不斷增大，分別為185，308，395 和460 mL·g-1TS。綜合考慮原料產(chǎn)氣率和VFA動(dòng)態(tài)，C/N在14∶1至7∶1的范圍下有利于油脂的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷。

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Characteristics of Mesotherm Anaerobic Digestion with Waste Edible Oil /

LI Lin1， ZHANG Yun-fei2， LI Qiang2， DENG Ya-yue2， DENG Yu2， Yin Xiao-bo2， HE Jing2/

(1. College of Materials and Chemistry Chemical Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China； 2.Biogas Institute of Ministry of Agriculture, The Key Laboratory of Rural Renewable Energy Development and Application,Chengdu 610041, China)

In order to study characteristics of mesotherm anaerobic digestion of waste edible oil，batch experiments with waste edible oil as feedstock under 35 ℃±1 ℃ were carried out to evaluate its methane production potential and VFA variations. And the data were fitted with the modified Gompertz model to assess the characteristics of its anaerobic digestion．Results indicated that the waste edible oil obtained a good anaerobic digestion performance, at the feedstock to inoculums ratio(F/I)of 1∶6, 1∶3, 1∶2 and 2∶3, it obtained a maximum methane yield of 737, 418, 342, 300 mL·g-1TS, respectively. And with these maximum methane yield, the model fitting results showed that the methane production potential were 823.68, 461.12, 379.43, 339.20 mL·g-1TS， the maximum methane production rate were 56.25, 31.03, 24.79, and 20.63 mL·d-1g-1TS, respectively．And under the C/N ratio of 28∶1, 14∶1, 7∶1 and 4∶1, the methane production potential were 185, 308, 395, and 460 mL ·g-1TS respeclirely, increasing with the decreasing of C/N ratio.

waste edible oil; anaerobic digestion; methane production potential; Gompertz model.

2016-07-21

項(xiàng)目來源： 四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2015JY0054)； 四川省食用菌創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目

李凜(1980-)，男，副教授，主要從事微生物發(fā)酵方面的工作，E-mail:lilin@edut.edu.cn

賀 靜，E-mail:hejing@caas.cn

S216.4; X703

A

1000-1166(2016)05-0027-05