鄧岳鵬，張鍾一，康曉榮,王甜甜，劉亞利，*

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

0 引言

隨著人民生活水平不斷提高，餐廚垃圾的產(chǎn)量日益增多。據(jù)報道，2018年我國餐廚垃圾產(chǎn)量約10 800萬t[1]。與填埋、堆肥等傳統(tǒng)處理工藝相比，厭氧發(fā)酵具有能量消耗低、可回收能源等優(yōu)勢，得到廣泛關(guān)注[2-3]。然而，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程常因微量元素缺乏導(dǎo)致?lián)]發(fā)酸(volatile fatty acids,VFAs)積累、反應(yīng)器運行不穩(wěn)定[4-5]。

微量元素Ni不僅是厭氧微生物生長所必需的元素，也是一氧化碳脫氫酶、輔酶F430和氫化酶的重要組成成分[6-8]。將Ni2+添加到食品廢物中，能夠有效促進VFAs降解、提高生物氣產(chǎn)率[9-10]。然而，添加的Ni2+在被微生物吸收利用之前，會與有機物、離子等發(fā)生絡(luò)合、沉淀等復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，降低Ni的生物利用度[11]。研究發(fā)現(xiàn)：天然或人工合成的螯合劑能夠提高微量金屬元素的生物利用度，進而提高甲烷產(chǎn)量[7,12,13]。Zhang等人[12]也證實氨三乙酸(NTA)對食品和污泥聯(lián)合厭氧產(chǎn)甲烷具有積極影響。然而，NTA和Ni對餐廚垃圾水解和酸化過程有待深入研究。

因此，本實驗采用NTA作為Ni2+的螯合劑，考察不同摩爾比的NTA/Ni對餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷效能的影響，確定NTA/Ni的最佳值。同時，在NTA調(diào)理下，分析Ni2+對餐廚垃圾中蛋白質(zhì)水解和產(chǎn)酸過程的影響，探討NTA強化Ni2+對餐廚垃圾產(chǎn)甲烷性能的影響機理。

1 實驗材料與方法

1.1材料

餐廚垃圾取自南京林業(yè)大學(xué)學(xué)生餐廳，主要由米飯、蔬菜、雞肉、骨頭、菜湯等構(gòu)成。經(jīng)人工分揀去除雜物后粉碎，用2 mm篩網(wǎng)過濾后放置于-18℃冰箱保存，使用前放置到4℃冰箱內(nèi)解凍12 h。污泥取自南京市橋北污水處理廠二沉池，經(jīng)1 mm×1 mm篩網(wǎng)過濾、沉降24 h后，用葡萄糖厭氧培養(yǎng)15 d后作為接種污泥。餐廚垃圾和接種污泥的性質(zhì)如表1所示。

1.2 實驗方法

本實驗在6個250 mL的血清瓶(R1-R6)中完成，每個血清瓶的有效容積為200 mL。首先，分別向R1-R6中添加餐廚垃圾和接種污泥，其質(zhì)量比為1∶2(以TS計)。其中R1為對照組，不添加Ni2+和NTA；R2只添加3 mg/gTS的Ni2+；R3-R6中均添加Ni2+(3 mg/gTS)和NTA，且NTA/Ni的摩爾比分別為1、1.25、1.5和2。然后用1 mol/L的NaOH和1 mol/L的HCl，將R1至R6的pH調(diào)至7.0，再持續(xù)通入3 min氮氣后密封。最后將所有反應(yīng)器置于恒溫振蕩器中，溫度設(shè)置為35±1 ℃，振蕩頻率為100 rpm。

表1 餐廚垃圾和接種污泥的性質(zhì)

表2 試驗方案設(shè)計

1.3 分析方法

生物氣的體積采用排水集氣法收集。隔天取樣，10 000 rpm離心10 min后，測定上清液中的溶解性蛋白、VFAs和氨氮的濃度。

TS、VS、COD、含水率和氨氮采用標準方法進行分析[14]。pH采用pH計(PD-320，alalis，中國)測定。溶解性蛋白采用福林酚法進行測定[15]。VFAs采用氣相色譜進行分析，VFAs的濃度是乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的總和[16]。生物氣中的甲烷含量采用氣相色譜儀(GC-2014，Shimadzu，Kyoto，Japan)進行測定，具體操作條件與先前研究一致[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 NTA/Ni對生物氣的影響

NTA/Ni對餐廚垃圾厭氧產(chǎn)氣的影響如圖1所示。從圖1可以看出：在厭氧發(fā)酵20 d時，只投加Ni2+的R2反應(yīng)器中的累積生物氣產(chǎn)量為467 mL，比對照組R1增加了90 mL?？梢娡都覰i2+能夠有效促進生物氣的產(chǎn)生。同時，投加NTA/Ni的R3-R6反應(yīng)器中的累積生物氣產(chǎn)量均高于R2，這表明NTA進一步強化Ni2+對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的促進作用。該變化趨勢與胡慶昊等人的研究一致[10]。進一步分析發(fā)現(xiàn)，NTA/Ni為1的R3反應(yīng)器中，累積生物氣產(chǎn)量最高，達到765 mL，是R2的1.64倍。然而，隨著NTA/Ni的繼續(xù)增加，累積生物氣產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢，但仍高于只投加Ni2+的R2。這可能是因為高濃度的NTA導(dǎo)致可生物利用的Ni2+超過了微生物的需求量，對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制[12]。總體來說，NTA與Ni的協(xié)同作用能夠有效促進生物氣產(chǎn)生，且NTA/Ni最佳投加比為1。

NTA/Ni對甲烷含量的影響如圖2所示。投加Ni2+的R2中的甲烷含量為54.6%，高于R1(41.1%)。當(dāng)NTA/Ni為1時，甲烷含量繼續(xù)升高到66.3%，但當(dāng)NTA/Ni繼續(xù)增加時，甲烷含量略有降低?？梢奛TA和Ni的協(xié)同作用促進了甲烷的生成，其變化趨勢與累積生物氣產(chǎn)量相似。

2.2 NTA/Ni對VFAs的影響

VFAs是餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的中間產(chǎn)物，有機底物在產(chǎn)酸過程中生成VFAs，同時VFAs在產(chǎn)甲烷菌的作用下進一步轉(zhuǎn)化為甲烷。VFAs濃度隨厭氧發(fā)酵時間和NTA/Ni的變化如圖3所示。在發(fā)酵反應(yīng)初期，VFAs濃度迅速增加，隨后減少。例如當(dāng)NTA/Ni為1時，3 d內(nèi)VFAs濃度增加到3 814.7 mg/L，在隨后的反應(yīng)中，VFAs濃度降低至579.2 mg/L。此外，從NTA/Ni對VFAs濃度的影響來看，反應(yīng)20 d時，VFAs濃度從高到低的順序為R6>R1>R5>R2>R4>R3。NTA/Ni為1的R3反應(yīng)器中，VFAs累積量低于其他反應(yīng)器。研究結(jié)果表明，適量的NTA與Ni絡(luò)合能夠促進VFAs的轉(zhuǎn)化。

乙酸是產(chǎn)甲烷過程的主要底物，NTA/Ni對乙酸的影響如圖4所示。乙酸的總體變化趨勢與VFAs類似，在第3 d時濃度最高，而后逐漸降低。在此過程中，R3(NTA/Ni為1)反應(yīng)器中，乙酸的降解效果均優(yōu)于R1和R2，而隨著NTA/Ni增加(NTA/Ni≥1.25)，乙酸的降解速率降低，甚至低于只投加Ni2+的R2，說明過多的投加NTA也會影響乙酸的利用。

2.3 NTA/Ni對蛋白的影響

餐廚垃圾初步分解釋放蛋白，在水解反應(yīng)中蛋白被消耗、生成氨基酸，進而酸化降解為VFAs等產(chǎn)物[3]。溶解性蛋白濃度的變化反映了水解和酸化反應(yīng)過程。NTA/Ni對溶解性蛋白濃度的影響如圖5所示。在前5 d，R1-R6反應(yīng)器中的溶解性蛋白濃度均呈現(xiàn)不同程度的上升，這主要是因為大量易溶解性的蛋白快速水解。反應(yīng)第5 d時，投加Ni2+和NTA的R3-R6反應(yīng)器中，溶解性蛋白濃度較R1和R2更高，且NTA/Ni為1時，溶解性蛋白濃度最高。這說明Ni2+的投加能夠在一定程度上促進蛋白水解，且NTA能夠強化Ni2+的作用。隨著反應(yīng)的進行，R1和R2中的溶解性蛋白維持在500 mg/L左右，而R3-R6中的溶解性蛋白質(zhì)濃度則快速降低。由此可見只向反應(yīng)器中投加Ni2+對溶解性蛋白的降解作用并不明顯，而NTA和Ni的協(xié)同作用能有效促進溶解性蛋白的降解。這可能是因為NTA螯合劑的投加使得Ni2+以有機小分子的形式存在，從而促進其溶解利用。

2.4 NTA/Ni對氨氮的影響

氨氮是蛋白質(zhì)和核酸等大分子含氮有機物的降解產(chǎn)物[1]，研究發(fā)現(xiàn)氨氮的變化會影響厭氧產(chǎn)氣的性能[17]。由圖6可見，對照組R1中氨氮濃度相對較低，維持在130.6～206.4 mg/L。只添加Ni2+的R2中，氨氮濃度較R1有所升高，而添加NTA和Ni2+的R3-R6中的氨氮濃度維持在438.9～613.4 mg/L，遠高于R1和R2反應(yīng)器。綜合蛋白和氨氮分析說明NTA與Ni2+的協(xié)同作用更有利于餐廚垃圾中含氮有機物的水解和降解轉(zhuǎn)化。這可能是因為金屬螯合劑NTA與Ni2+形成的水溶性絡(luò)合物可更為高效地為反應(yīng)器中的細菌所利用，以促進含氮有機物的降解。

3 結(jié)論

(1)NTA和Ni的協(xié)同作用促進了生物氣的產(chǎn)生與甲烷的生成。當(dāng)NTA/Ni摩爾比為1時,產(chǎn)氣性能最好。相較于只投加Ni2+的組，累計產(chǎn)氣量提高了64%，甲烷濃度提高了21%，產(chǎn)氣周期增加了9 d。

(2)從有機物的降解過程來看，NTA和Ni2+的投加能夠強化餐廚垃圾厭氧水解和酸化反應(yīng)，大量的蛋白降解釋放出氨氮，同時由底物降解產(chǎn)生的VFAs并未發(fā)生累積，在NTA/Ni下迅速降解，促進了底物利用。其中當(dāng)NTA/Ni摩爾比為1時厭氧體系中產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸濃度最大，可達3 800 mg/L。乙酸濃度呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，體現(xiàn)了NTA的加入強化了產(chǎn)甲烷菌對乙酸的利用。

(3)NTA/Ni能夠強化餐廚垃圾中有機物的降解，當(dāng)NTA/Ni摩爾比為1時對蛋白質(zhì)的降解效果最佳，此時蛋白質(zhì)含量為43.95 mg/L，相較只投加Ni時的324 mg/L下降了280.05 mg/L。

(4)NTA與Ni2+的協(xié)同作用更有利于餐廚垃圾中含氮有機物的水解和降解進而轉(zhuǎn)化為氨氮。實驗表明，當(dāng)NTA/Ni摩爾比為1時,產(chǎn)氣性能最好，此時氨氮濃度維持在400～650 mg/L，而只投加Ni時氨氮濃度維持在131～333 mg/L。說明NTA與Ni2+協(xié)同可將厭氧體系中的氨氮濃度控制在合適的范圍內(nèi)，進而提升產(chǎn)氣量。