肖英豪， 方 茜， 賀詩雅

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，市政工程系， 廣州 510006)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有機(jī)廢物的數(shù)量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年農(nóng)林廢物產(chǎn)量不低于1.1×109t[1]，其中稻谷殼產(chǎn)量為4×107t[2]，花生渣產(chǎn)量為3.6×106t[3]；生活垃圾的年產(chǎn)量同樣高達(dá)1.79×108t[4]，其中水果皮和淘米水是生活中最常見的有機(jī)廢物。然而，目前我國對(duì)于上述有機(jī)廢物主要以堆肥、填埋、焚燒等傳統(tǒng)處理方式進(jìn)行處理，具有選址難、耗能高、投資大，污染環(huán)境等缺點(diǎn)[5]。而相比于傳統(tǒng)處理技術(shù)，厭氧發(fā)酵處理技術(shù)則具有所需能量消耗較低、處理周期短等優(yōu)點(diǎn)并且還能回收甲烷[6]、氫氣[7]、揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)[8]等清潔能源。因此，選用厭氧發(fā)酵處理有機(jī)廢物的技術(shù)更具有資源回收利用價(jià)值。

其中，有機(jī)廢物運(yùn)用厭氧發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)生的VFAs，包含了甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸[9]。并且可作為提高污水脫氮除磷的外加碳源[10]、聚羥基脂肪酸酯 (Polyhydroxya- lkanoate，PHAs)合成原料[11]和甲烷、生物柴油[12]等清潔能源的生產(chǎn)原料。從而使眾多學(xué)者致力于對(duì)有機(jī)廢物厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs的研究。目前，學(xué)者們主要以剩余污泥[13]、泔水[14]、秸稈[15]、禽畜糞便[16]等有機(jī)廢物進(jìn)行厭氧產(chǎn)VFAs的研究。相比之下，水稻殼、淘米水、花生渣和水果皮這4種有機(jī)廢物具備以下優(yōu)點(diǎn)：其理化性質(zhì)受地域及時(shí)間的影響較小，且抑制厭氧微生物生長繁殖的物質(zhì)(鹽分、重金屬等)較少、收集更便捷等。此外，這4種有機(jī)廢物作為厭氧發(fā)酵底物產(chǎn)VFAs的研究并沒有相關(guān)的報(bào)道，故具有巨大研究前景。

本試驗(yàn)選用稻谷殼、淘米水、花生渣和水果皮作為厭氧發(fā)酵底物，并通過分析其發(fā)酵過程中二次基質(zhì)的釋放對(duì)VFAs產(chǎn)量的影響。以期為這4種有機(jī)廢物資源化利用提供新的出路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

厭氧發(fā)酵裝置如圖1所示，反應(yīng)器由石英玻璃制成，密封蓋子由塑料制成，內(nèi)徑為13 cm，高為20 cm，有效容積為2 L。密封蓋子設(shè)置有3個(gè)孔，分別用于布置攪拌器、取樣口、pH值探頭。攪拌器與密封蓋子接觸口之間安裝密封圈密封。反應(yīng)器外層包裹遮光布。試驗(yàn)運(yùn)行通過恒溫水浴鍋水浴加熱，并以電動(dòng)攪拌器間歇性攪拌提高固液混合程度。

圖1 厭氧發(fā)酵裝置圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選取有機(jī)廢物的初始狀態(tài)如圖2所示，其中有機(jī)廢物的來源和相關(guān)性質(zhì)見表1。

表1 有機(jī)廢物的來源及VS和TS值 (%)

圖2 有機(jī)廢物的初始狀態(tài)圖

1.3 分析項(xiàng)目

1.3.1 常規(guī)分析項(xiàng)目

1.3.2 VFAs 檢測(cè)方法

VFAs的含量測(cè)定采用氣相色譜法[15,19]。測(cè)定步驟：將混合液離心后得到的上清液經(jīng)過 0.45 um的水系濾頭過濾，隨后使用甲酸酸化至pH值小于3。進(jìn)樣1 uL，每組數(shù)據(jù)測(cè)3次，取平均值分析。儀器條件：天美(CG7900)，色譜柱型號(hào)CNW CD-WAX，進(jìn)樣口溫度220℃，F(xiàn)ID溫度250℃。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所需的有機(jī)廢物前期處理：淘米水不需做任何處理；水稻殼、花生渣經(jīng)過研缽研磨后，顆粒粒徑小于1 mm；水果皮由橙皮、木瓜皮、蘋果皮、梨皮、菠蘿皮各濕重1∶1比值組成，并且采用料理機(jī)粉碎直至糊狀；前期處理目的使4種廢棄物顆粒粒徑基本一致，減少試驗(yàn)誤差。

安裝4套如圖1所示的厭氧發(fā)酵裝置。分別加入經(jīng)處理過的稻谷殼、淘米水、花生渣、水果皮?？刂葡嗤跏糣S 16g·L-1，加入量分別為38.3 g，1.69 L，39.0 g，215.7 g，同時(shí)補(bǔ)充去離子水使體積至2 L。

試驗(yàn)反應(yīng)裝置運(yùn)行條件：將發(fā)酵裝置密封處理后置于恒溫水浴鍋中，在35℃±0.5℃，100 r·min-1的條件下每天在6：00～8：00時(shí)間段攪拌兩小時(shí)，持續(xù)22 d。運(yùn)行過程中不額外加入發(fā)酵底物和排出發(fā)酵混合液。

2 結(jié)果與討論

2.1 VS的降解對(duì)VFAs影響

如圖3所示，可以看出，伴隨著厭氧發(fā)酵過程的進(jìn)行，不同廢物的有機(jī)質(zhì)VS含量越來越低。經(jīng)過厭氧發(fā)酵22 d后，VS的減量花生渣>淘米水>水果皮>水稻殼，分別是10.81，9.58，5.69，3.34 g·L-1；VS的減量率分別是67.6%，59.9%，35.6%，20.9%。結(jié)合有機(jī)廢物的組成成分含量分析，花生渣的蛋白質(zhì)和多糖占干重比例分別為48.7%，32.5%[20]；淘米水主要有機(jī)物成分與大米相似[21]，大米的淀粉含量達(dá)到87.99%[22]。而水稻殼的纖維素占干重的35.5%～45.5%[2]，水果皮含有較高纖維素。使得花生渣、淘米水相比水稻殼、水果皮更易被分解。

圖3 不同底物發(fā)酵過程VS變化曲線

如圖4所示，不同有機(jī)廢物厭氧發(fā)酵液中的VFAs含量隨試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間的增加先上升再下降。水稻殼、淘米水、花生渣、水果皮發(fā)酵液中VFAs含量分別在第3，10，11，14天達(dá)到最峰值42.4，76.5，263.9，10.5 mgCOD·g-1VS，其中花生渣的單位VS轉(zhuǎn)化為VFAs是最高，而水果皮VFAs的產(chǎn)量最不明顯。與圖3結(jié)合分析，比較VFAs含量變化與VS降解量可以發(fā)現(xiàn)，除了水果皮以外，VS降解越多，其VFAs的產(chǎn)量也相對(duì)較高。這與蘇高強(qiáng)[23]認(rèn)為VFAs主要通過消耗VS產(chǎn)生，形成VS減量較大，相應(yīng)VFAs產(chǎn)量較多是一致。而水果皮VFAs的產(chǎn)量低很可能是pH值低的緣故。稻谷殼VS的減量對(duì)比其余有機(jī)廢物VS的減量是最低，導(dǎo)致其厭氧發(fā)酵過程中VFAs產(chǎn)量低。

圖4 不同底物發(fā)酵過程VFAs變化曲線

圖5 不同底物發(fā)酵過程中變化曲線

2.3 可溶性糖的含量變化對(duì)VFAs的影響

有機(jī)物的厭氧發(fā)酵水解階段所產(chǎn)生的可溶性糖、氨基酸等是厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs的前題[13,24]。通過分析可溶性糖在不同有機(jī)廢物厭氧發(fā)酵過程中含量的釋放，能間接反應(yīng)該類廢棄物對(duì)于厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs是否具有優(yōu)勢(shì)。圖5是不同底物厭氧發(fā)酵過程中可溶性糖隨運(yùn)行時(shí)間的變化?？梢缘贸觯孜锓N類不同，可溶性糖的變化態(tài)勢(shì)及含量差別甚大。在含量角度分析，水稻殼、花生渣發(fā)酵液中可溶性糖含量的變化范圍在0～10 mg·g-1VS之間，而淘米水、水果皮則在 0～400 mg·g-1VS之間。在變化的態(tài)勢(shì)角度分析，淘米水、水果皮發(fā)酵液中可溶性糖初始值達(dá)到最大，隨著運(yùn)行的時(shí)間而逐步下降，而花生渣隨著運(yùn)行時(shí)間先增大后減少；水稻殼變化趨勢(shì)不明顯。由此可以得出，花生渣在厭氧發(fā)酵過程中，可溶性糖是由不溶性有機(jī)物大分子分解得到；而水果皮、淘米水本身具有較多可溶性糖類物質(zhì)；水稻殼本身具有可溶性糖低，并且其有機(jī)物水解效果差。

由于稻谷殼和花生渣的發(fā)酵液中可溶性糖含量偏低，其轉(zhuǎn)化為VFAs途徑并非主導(dǎo)，所導(dǎo)致其可溶性糖對(duì)產(chǎn)VFAs效果影響不明顯。而水果皮厭氧發(fā)酵過程中受pH值的影響較大，引起VFAs產(chǎn)量低，使其可溶性糖釋放變化對(duì)VFAs影響不明顯。結(jié)合VFAs含量變化規(guī)律分析，淘米水厭氧發(fā)酵試驗(yàn)過程中，其發(fā)酵液的可溶性糖含量在試驗(yàn)運(yùn)行的前5 d迅速下降，其發(fā)酵液VFAs含量在第5天前同樣上升得快。隨后隨著試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間增加，可溶性糖含量緩慢下降，同時(shí)VFAs含量變化相對(duì)緩慢。直至試驗(yàn)運(yùn)行到第9天，可溶性糖含量突然急劇下降，引起VFAs含量突然快速上升。隨后其可溶性糖含量徘徊于10 mgCOD·g-1VS, VFAs含量到達(dá)最大值，隨后接著緩慢下降。從而說明了可溶性糖對(duì)淘米水的VFAs 產(chǎn)量影響明顯。

圖6 不同底物發(fā)酵過程可溶性糖變化曲線

2.4 SCOD對(duì)VFAs影響

發(fā)酵液中SCOD包含VFAs、可溶性糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂類物質(zhì)和腐殖酸等[25]。圖7是試驗(yàn)運(yùn)行中，發(fā)酵液的SCOD積累含量的逐日變化?？梢缘贸?，淘米水和水果皮的SCOD在試驗(yàn)運(yùn)行的開始達(dá)到最大值，隨著運(yùn)行時(shí)間增加而逐漸下降。由于水果皮經(jīng)過粉碎后，糖類物質(zhì)和大分子有機(jī)物質(zhì)溶入液相；淘米水絕大部分有機(jī)物顆粒較為微小，大部分懸浮在液相當(dāng)中，部分溶于水。隨著可溶性有機(jī)物在厭氧條件下進(jìn)入酸化階段和產(chǎn)甲烷階段，SCOD逐步下降，直至單糖、VFAs等小分子有機(jī)物消耗完，SCOD趨于穩(wěn)定[26]。水稻殼、淘米水發(fā)酵液的SCOD隨著試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間增加先上升后下降，由于在厭氧微生物和水解酶的共同作用下，釋放細(xì)胞內(nèi)外的有機(jī)物于液相中，與有機(jī)物分解共同形成SCOD先上升后下降的趨勢(shì)。另外結(jié)合圖4分析，水稻殼、淘米水、花生渣、水果皮的SCOD的減量分別是85.8，552.5，568.3，495.8 mg·g-1VS,與 VFAs產(chǎn)量最高值相比較可以發(fā)現(xiàn)，除了水果皮以外，SCOD減量越大，單位VS轉(zhuǎn)化為VFAs越高。由于SCOD減量直接反應(yīng)單位VS溶出易降解性有機(jī)物的量，從而得到SCOD減量越大，即可轉(zhuǎn)化為VFAs的有機(jī)物相對(duì)偏多，引起有機(jī)廢物VFAs產(chǎn)量偏高。

圖7 不同底物發(fā)酵過程SCOD變化曲線

2.5 pH值變化對(duì)VFAs影響

圖8 不同底物發(fā)酵過程中pH值變化曲線

3 結(jié)論

(1)對(duì)比4種有機(jī)廢物VFAs的產(chǎn)量，花生渣VFAs的產(chǎn)量最高,水果皮VFAs的產(chǎn)量最低。

(2)水稻殼、淘米水、花生渣這4種VFAs產(chǎn)量的變化規(guī)律相似，其VS降解率高，SCOD減量大均對(duì)VFAs產(chǎn)量促進(jìn)作用。

(4)有機(jī)廢物在厭氧產(chǎn)VFAs過程中，pH值過低，VFAs產(chǎn)量低，導(dǎo)致基質(zhì)釋放規(guī)律對(duì)VFAs產(chǎn)量影響不明顯。

(5)綜合4種有機(jī)廢物各項(xiàng)指標(biāo)變化規(guī)律對(duì)VFAs產(chǎn)量的影響以及VFAs產(chǎn)量，花生渣為最適合厭氧水解產(chǎn)VFAs的底物。

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