李 陽(yáng),鄧 悅,周 濤,趙由才(同濟(jì)大學(xué),污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

固體廢物

預(yù)處理對(duì)菌接種餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)乙酸的影響

李 陽(yáng),鄧 悅,周 濤,趙由才*(同濟(jì)大學(xué),污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

探究了餐廚垃圾微氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的強(qiáng)化條件,即5種預(yù)處理方式(酸、堿、超聲、熱及熱堿預(yù)處理)對(duì)餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌后水解及產(chǎn)酸效果的影響.結(jié)果表明,預(yù)處理均有效提高了餐廚垃圾微氧發(fā)酵產(chǎn) VFAs及乙酸的性能,且產(chǎn)物組成并未發(fā)生改變.VFAs中乙酸、丙酸及丁酸分別約占81.81%～92.35%、0.00%～7.48%及6.69%～17.36%.其中,熱堿預(yù)處理效果最好,在微氧發(fā)酵7d后,其發(fā)酵液中溶解性化學(xué)需氧量、VFAs產(chǎn)量、乙酸產(chǎn)量分別達(dá)到22.04、30.08和27.78g/L,較空白實(shí)驗(yàn)提高了46.54%、54.34%及77.06%,極大地加快了微氧發(fā)酵過(guò)程.

餐廚垃圾；預(yù)處理；酵母菌；醋酸菌；微氧發(fā)酵；乙酸

餐廚垃圾主要包括餐飲業(yè)廢棄物、食品行業(yè)余料等,其產(chǎn)生的渠道主要為食品加工、處理、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程,來(lái)源主要集中在酒店、食品廠(chǎng)、學(xué)校、政府、科研行政機(jī)構(gòu)等.相對(duì)于西方國(guó)家來(lái)說(shuō),餐廚垃圾在中國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾中所占比例較大,約為37%～62%.中國(guó)早在10年前就已經(jīng)成為世界上城鎮(zhèn)生活垃圾年產(chǎn)生量最大的國(guó)家[1],且仍呈現(xiàn)急劇增加趨勢(shì),2005～2025年間,城市中產(chǎn)生的餐廚垃圾將從每年的2.78億t增加到4.16億 t[2-4].餐廚垃圾具有含水率高、有機(jī)質(zhì)含量高等特點(diǎn),極易腐敗,產(chǎn)生二次污染.因此餐廚垃圾合理資源化處理處置對(duì)城市生活具有重要意義.

目前,針對(duì)于餐廚垃圾無(wú)害化處理及資源化利用,國(guó)內(nèi)處理技術(shù)包括厭氧發(fā)酵、飼料加工、好氧堆肥及工業(yè)油脂化上,部分企業(yè)生產(chǎn)菌體蛋白.其中,厭氧發(fā)酵被認(rèn)為是最具有成效的處理技術(shù)[5],餐廚垃圾可通過(guò)厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為氫氣[6]、沼氣[7]、乙醇[8-10]、乳酸[11]或有機(jī)肥[12]等.此外,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)酸過(guò)程做了大量的研究工作[13],發(fā)現(xiàn)VFAs是厭氧發(fā)酵過(guò)程中不可避免的產(chǎn)物,同時(shí)又是一種價(jià)值不菲的化學(xué)原料.覃莉[14]等通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)篩選了酵母菌和醋酸菌混合發(fā)酵生產(chǎn)醋酸的最佳工藝條件,得出酵母菌醋酸菌混合發(fā)酵在生產(chǎn)乙酸上是可行的這一結(jié)論.但有關(guān)餐廚垃圾微氧條件下產(chǎn)酸研究鮮有報(bào)道.

餐廚垃圾的發(fā)酵底物是以顆粒的形式存在,水解過(guò)程是微氧發(fā)酵反應(yīng)的限速步驟[15].為了加快微氧發(fā)酵的過(guò)程,縮短底物發(fā)酵時(shí)間或在一定時(shí)間內(nèi)增加發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量,通常需要對(duì)發(fā)酵底物進(jìn)行必要的預(yù)處理.因此,本文主要研究了不同預(yù)處理方式,包括酸預(yù)處理、堿預(yù)處理、超聲預(yù)處理、熱預(yù)處理、熱堿預(yù)處理5種預(yù)處理方式,對(duì)餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌微氧發(fā)酵水解及產(chǎn)酸效果的影響,并對(duì)其作用機(jī)制做了初步探討.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

餐廚垃圾取自上海市某學(xué)校食堂,將該餐廚垃圾簡(jiǎn)單壓榨,人工剔除骨頭、紙張、塑料等雜質(zhì)后,用食物粉碎機(jī)將其粉碎后過(guò) 2mm 篩網(wǎng),篩下物與自來(lái)水按重量1:1混合并用電攪拌機(jī)攪碎,得到餐廚垃圾漿液,4℃下靜置 12h,去除浮油后備用.

餐廚垃圾包含米飯、蔬菜、肉、蛋、油類(lèi)等,其基本特性如表1所示.試驗(yàn)所用酵母菌為安琪高活性干酵母,其主要成分為釀酒酵母,來(lái)自湖北安琪酵母股份有限公司;醋酸菌為滬釀1.01醋酸菌,其主要成分為釀造醋酸,來(lái)自上海佳民釀造食品有限公司釀造一廠(chǎng).

表1 餐廚垃圾的測(cè)定指標(biāo)及性能Table 1 Representative composition and parameters of food wastes

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)選擇的5種預(yù)處理方式,分別為酸預(yù)處理、堿預(yù)處理、超聲預(yù)處理、熱預(yù)處理、熱堿預(yù)處理,操作步驟如表2所示,24h后,通過(guò)鹽酸及氫氧化鈉將pH均調(diào)至5.5,分別取經(jīng)過(guò)上述預(yù)處理的餐廚垃圾300g于500mL血清瓶中,依次添加10%(w/w)的高活性干酵母和 10%(w/w)的醋酸菌,每組實(shí)驗(yàn)做3個(gè)平行組.血清瓶塞連接注射針頭形成微氧環(huán)境,通過(guò)測(cè)定ORP值嚴(yán)格控制含氧量,將ORP值限制在-250～150mV范圍內(nèi).實(shí)驗(yàn)開(kāi)始一周內(nèi)每天定時(shí)取樣,測(cè)定發(fā)酵液中SCOD及VFAs(包括乙酸、丙酸、丁酸等)濃度.

表2 不同預(yù)處理方式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental designs of different pretreatments

1.3 分析方法

不同預(yù)處理方式對(duì)餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌微氧發(fā)酵水解的影響通過(guò)SCOD值表征,其測(cè)定采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[16].ORP值采用 ORP計(jì)測(cè)定(PHS-3C,上海雷磁)VFAs經(jīng)過(guò)預(yù)處理后測(cè)定,預(yù)處理方法為:取樣后將樣品以 5000r/min離心20min,上清液經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾.VFAs產(chǎn)量采用氣相色譜法測(cè)定,選用美國(guó)安捷倫公司氣相色譜儀Agilent 6890N(FID氫火焰離子化檢測(cè)器).測(cè)試條件:進(jìn)樣口溫度 200℃,檢測(cè)器溫度220℃,不分流進(jìn)樣,進(jìn)樣量 1μL,色譜柱為 DBWAX- etr極性柱(30.0m×0.53mm×1.00μm),條件為恒溫恒壓,壓力為30.37kPa.

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理方式對(duì)發(fā)酵液水解的影響

水解通常是餐廚垃圾發(fā)酵的限速步驟,也是制約餐廚垃圾厭氧/微氧消化處理技術(shù)成功應(yīng)用的重要瓶頸.而餐廚垃圾發(fā)酵過(guò)程中,SCOD含量的變化情況反映了餐廚垃圾的水解進(jìn)程[17].圖 1表示了不同預(yù)處理方式及空白組的 SCOD含量變化.

由圖1可知,6組實(shí)驗(yàn)SCOD含量均隨時(shí)間延長(zhǎng)先快速升高、后緩慢增長(zhǎng)直至穩(wěn)定,說(shuō)明餐廚垃圾水解速率初期較快,中期漸緩,后期逐漸減慢.經(jīng)過(guò)7d的反應(yīng),6組實(shí)驗(yàn)SCOD含量分別為:空白(15.04g/L)、酸預(yù)處理(18.24g/L)、堿預(yù)處理(20.05g/L)、超聲預(yù)處理(20.71g/L)、熱預(yù)處理(18.04g/L)及熱堿預(yù)處理(22.04g/L).采用預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組SCOD的含量均明顯高于空白組,其餐廚垃圾SCOD含量分別提高了21.28%、33.31%、37.70%、19.95%和46.54%.由此可推斷,不同預(yù)處理方式對(duì)餐廚垃圾微氧發(fā)酵水解的影響程度依次為熱堿預(yù)處理＞超聲預(yù)處理＞堿預(yù)處理＞酸預(yù)處理＞熱預(yù)處理.

圖1 不同預(yù)處理方式下發(fā)酵液SCOD含量變化Fig.1 Effect of different pretreatments on SCOD concentration in fermentation liquid

2.2 預(yù)處理方式對(duì)發(fā)酵液中VFAs及乙酸產(chǎn)量的影響

不同預(yù)處理?xiàng)l件下餐廚垃圾發(fā)酵液 VFAs濃度隨發(fā)酵時(shí)間的變化情況如圖 2所示,各處理方式下,VFAs含量均表現(xiàn)出隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)先快速增長(zhǎng)、后緩慢增長(zhǎng)直至平穩(wěn)的變化趨勢(shì);酸預(yù)處理、堿預(yù)處理、超聲預(yù)處理、熱預(yù)處理、熱堿預(yù)處理VFAs含量峰值分別為21.89、22.81、26.82、20.89、30.08g/L,空白對(duì)照組的 VFAs含量峰值為 19.49g/L.熱堿預(yù)處理對(duì)于餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)VFAs促進(jìn)效果最明顯,其相較于空白對(duì)照、酸預(yù)處理、堿預(yù)處理、超聲預(yù)處理、熱預(yù)處理, VFAs濃度分別提高54.34%、37.41%、31.87%、12.16%和43.99%.

不同預(yù)處理?xiàng)l件下乙酸產(chǎn)量隨發(fā)酵時(shí)間的變化情況如圖 3所示.酸、堿、超聲、熱以及熱堿預(yù)處理乙酸含量峰值分別為 18.09、21.01、23.02、17.09、27.78g/L,空白對(duì)照組的乙酸含量峰值為 15.69g/L.發(fā)酵體系進(jìn)程中,各預(yù)處理乙酸含量由大到小依次為熱堿預(yù)處理、超聲預(yù)處理、堿預(yù)處理、酸預(yù)處理、熱預(yù)處理,高低次序與VFAs含量的順序一致;熱堿預(yù)處理乙酸濃度分別比空白對(duì)照、酸預(yù)處理、堿預(yù)處理、超聲預(yù)處理、熱預(yù)處理的乙酸濃度提高77.06%、53.57%、32.22%、20.68%和62.55%.

酸預(yù)處理僅能促進(jìn)大分子不溶性多糖如粗纖維等部分水解為小分子的可溶性糖.此外,酸還能水解一些蛋白質(zhì)為多肽、甚至二肽、氨基酸[18].而堿預(yù)處理主要起作用的是 OH-.OH-除了能破壞餐廚垃圾有機(jī)物質(zhì)的絮體結(jié)構(gòu)外,還可以在80℃的條件下,水解、皂化細(xì)胞壁和細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)和脂多糖,破壞有機(jī)垃圾的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu),使有機(jī)物質(zhì)向濃度較低的外環(huán)境釋放,原本不溶的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性的物質(zhì),轉(zhuǎn)移到液相中,從而導(dǎo)致可溶性的物質(zhì)在微氧發(fā)酵初期就能迅速地被微生物代謝所利用[18-19].

超聲預(yù)處理的作用原理在于超聲波的高振蕩及其產(chǎn)生的空化效應(yīng)可以破壞發(fā)酵底物細(xì)胞壁的維持力,同時(shí)釋放出細(xì)胞內(nèi)容物,碳水化合物含量大幅度增加;且超聲效應(yīng)有利于促進(jìn)多糖、油脂水解的進(jìn)行,超聲波的熱機(jī)制能夠小幅升高溶液溫度,導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性,變性后的蛋白質(zhì)容易被水解,從而加快水解產(chǎn)酸進(jìn)程[20].

圖2 不同預(yù)處理方式下發(fā)酵液VFAs濃度變化Fig.2 Effect of different pretreatments on VFAs concentration in fermentation liquid

圖3 不同預(yù)處理方式下發(fā)酵液乙酸濃度變化Fig.3 Effect of different pretreatments on acetic acid concentration in fermentation liquid

熱預(yù)處理可促使有機(jī)垃圾顆粒膨脹,造成有機(jī)顆粒物質(zhì)外壁孔徑增大,從而有利于顆粒內(nèi)大分子物質(zhì)的溶出[21];此外,在熱處理過(guò)程中,垃圾中的有機(jī)物被液化,從而促使大分子有機(jī)物降解為可溶性的小分子.熱和堿處理方法結(jié)合后,熱的作用加強(qiáng)了 OH-的水解、皂化作用,餐廚垃圾中的蛋白質(zhì)和多糖能快速溶出,作為產(chǎn)酸細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),有利于產(chǎn)酸細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖[22].故在5種預(yù)處理方式中,熱堿預(yù)處理對(duì)于發(fā)酵液SCOD含量及 VFAs產(chǎn)量的促進(jìn)效果最為明顯,餐廚垃圾微氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs及乙酸效果最好.

2.3 預(yù)處理方式對(duì)發(fā)酵液中VFAs組分的影響

圖4顯示了經(jīng)過(guò)不同預(yù)處理方式后,VFAs組分百分比變化情況.由圖4可得,發(fā)酵期間的主要產(chǎn)物均多為乙酸,約占 VFAs總量的 81.81%～92.35%,丙酸產(chǎn)量在為 0.00%～7.48%,丁酸約占6.69%～17.36%,分析其原因,可能是丙酸、正丁酸和異丁酸等單酸被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌消耗利用轉(zhuǎn)化為乙酸[23],從而乙酸的產(chǎn)率和構(gòu)成比要顯著高于其它的揮發(fā)性短鏈脂肪酸.相較于空白實(shí)驗(yàn)組,經(jīng)過(guò)預(yù)處理的乙酸產(chǎn)量所占比例均有略微提升,增加值范圍為1.31%～11.85%,丁酸產(chǎn)量所占比例略微降低,丙酸所占比例變化無(wú)一定規(guī)律.說(shuō)明預(yù)處理極大地提高了乙酸的產(chǎn)量,提升酸化效果.但總體而言,本實(shí)驗(yàn)的預(yù)處理方式未對(duì)酸化產(chǎn)物的組分造成不利影響.

圖4 不同預(yù)處理方式發(fā)酵液VFAs組分變化Fig.4 Effect of different pretreatments on VFAs components in fermentation liquid

2.4 預(yù)處理方式對(duì)餐廚垃圾作用的微觀(guān)機(jī)理分析

對(duì)預(yù)處理前后的餐廚垃圾進(jìn)行掃描電鏡分析.如圖5所示,餐廚垃圾經(jīng)過(guò)酸預(yù)處理和超聲預(yù)處理后的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與未預(yù)處理的餐廚垃圾微觀(guān)結(jié)構(gòu)相差不大,表面結(jié)構(gòu)變得較為光滑,說(shuō)明顆粒狀餐廚垃圾經(jīng)酸預(yù)處理和超聲預(yù)處理后輕度分解為小顆粒.而餐廚垃圾經(jīng)過(guò)堿預(yù)處理、熱預(yù)處理及熱堿預(yù)處理后,餐廚垃圾的微觀(guān)孔隙相較于空白組明顯增加,由以熱堿預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組顯著.

熱預(yù)處理一方面引發(fā)餐廚垃圾中有機(jī)顆粒物膨脹,促進(jìn)顆粒內(nèi)大分子物質(zhì)外壁孔徑增大,從而有利于分解溶出并釋放其內(nèi)部有機(jī)物質(zhì);另一方面,有機(jī)物質(zhì)在加熱條件下更易液化,進(jìn)而促進(jìn) 了大分子有機(jī)物降解為可溶性小分子的轉(zhuǎn)化[20].

圖5 餐廚垃圾不同處理方式后掃描電鏡圖Fig.5 SEM pictures of food wastes from different pretreatments

堿預(yù)處理時(shí)向餐廚垃圾內(nèi)加入的 OH-能破壞餐廚垃圾有機(jī)物質(zhì)的絮體結(jié)構(gòu),同時(shí)可在一定溫度下,水解、皂化蛋白質(zhì)和脂多糖,進(jìn)而破壞餐廚垃圾內(nèi)有機(jī)質(zhì)的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu),使有機(jī)質(zhì)向濃度較低的外環(huán)境釋放,且OH-還可水解一些蛋白質(zhì)及糖類(lèi)分子,使餐廚垃圾中難溶有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì),轉(zhuǎn)移到液相中便于微生物下一步利用[19].

在熱和堿的共同作用下,餐廚垃圾絮體結(jié)構(gòu)解體,表面出現(xiàn)許多孔穴,易降解有機(jī)物質(zhì)和大部分難降解有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性小分子物質(zhì),從而利于微氧發(fā)酵過(guò)程中微生物的利用.故熱堿預(yù)處理?xiàng)l件下餐廚垃圾微氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs及乙酸效果最好.

3 結(jié)論

3.1 實(shí)驗(yàn)中5種預(yù)處理方法均促進(jìn)了餐廚垃圾水解效率的提高.不同預(yù)處理方式對(duì)餐廚垃圾微氧發(fā)酵水解的影響程度依次為:熱堿預(yù)處理＞超聲預(yù)處理＞堿預(yù)處理＞酸預(yù)處理＞熱預(yù)處理,其餐廚垃圾 SCOD含量分別較空白實(shí)驗(yàn)組提高了46.54%、37.70%、33.31%、21.28%和19.95%.

3.2 發(fā)酵體系進(jìn)程中,各預(yù)處理?xiàng)l件下,VFAs及乙酸含量由大到小依次為熱堿預(yù)處理、超聲預(yù)處理、堿預(yù)處理、酸預(yù)處理、熱預(yù)處理;熱堿預(yù)處理VFAs濃度比空白對(duì)照、酸、堿、超聲及熱預(yù)處理的VFAs濃度分別提高了54.34%、37.41%、31.87%、12.16%和43.99%;乙酸濃度分別提高了77.06%、53.57%、32.22%、20.68%和62.55%.

3.3 不同預(yù)處理方式對(duì)酸化產(chǎn)物的組分構(gòu)成影響不大.乙酸為主要成分,約占 VFAs總量的81.81%～92.35%,丙酸產(chǎn)量為 0.00%～7.48%,丁酸約占6.69%～17.36%.

3.4 不同預(yù)處理方式對(duì)餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌微氧發(fā)酵的影響順序?yàn)?熱堿預(yù)處理＞超聲預(yù)處理＞堿預(yù)處理＞酸預(yù)處理＞熱預(yù)處理＞空白,其中熱堿預(yù)處理?xiàng)l件下餐廚垃圾微氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs及乙酸效果最好.

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Effects of pretreatments on the production of acetic acid from food wastes by yeast and acetic acid bacteria during micro-aerobic fermentation.

LI Yang, DENG Yue, ZHOU Tao, ZHAO You-cai*(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1838～1843

Immature end-of-pipe treatment mode and technology restrict resource utilization of food wastes with increasing growth rate, and bring potential environmental risk to society and human. Strengthen conditions, different kinds of pretreatments, for producing VFAs through a micro-aerobic fermentation by yeast and acetic acid bacteria in food wastes was studied, including acid, alkaline, ultrasonic, heat and alkali-heat pretreatment. The results showed that all kinds of pretreatments benefited the production of VFAs and acetic acid with no influence on product components. Acetic, propionic and butyric acid accounted for about 81.81%～92.35%, 0.00%～7.48% and 6.69%～17.36% of total VFAs, respectively. The best performance was reached by alkali-heat pretreatment through 7days micro-aerobic fermentation with 22.04g/L SCOD concentration, 30.08g/L VFAs and 27.78g/L acetic acid, which increased by 46.54%, 54.34% and 77.06% compared to blank group.

food wastes；pretreatment；yeast；acetic acid bacteria；micro-aerobic fermentation；acetic acid

X705

A

1000-6923(2017)05-1838-06

李 陽(yáng)(1991-),女,黑龍江哈爾濱人,碩士研究生,主要從事固體廢物處理處置與資源化研究工作.發(fā)表論文2篇.

2016-09-08

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAL02B05)

* 責(zé)任作者, 教授, zhaoyoucai@#edu.cn