項 娟, 田 陽, 王德芳, 吳 迪

(天津市農(nóng)業(yè)科學院 ， 天津 300000)

近年來，隨著人類物質(zhì)生活水平的提高及餐飲行業(yè)的快速發(fā)展，廚余垃圾的產(chǎn)量急劇上升。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在中國的廚余垃圾年產(chǎn)生量已達到9千萬t[1]。廚余垃圾具有有機物含量高、生物質(zhì)能高、易降解等特點，廚余垃圾的回收再利用價值受到了研究學者的重視[2]。其中通過厭氧消化可以實現(xiàn)廚余垃圾的減量化處理，將其轉(zhuǎn)化為高品位的生物燃氣和有機肥料。廚余垃圾極易腐敗變臭且量極大，如何能在盡量短的時間內(nèi)實現(xiàn)廚余垃圾更好地減量化與資源化成為一個難點。

廚余垃圾中含有的淀粉、纖維素類等物質(zhì)經(jīng)糖化后，在酵母菌的作用下可發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，乙醇可作為一種主要的燃料添加劑和能源替代品。但是廚余垃圾發(fā)酵產(chǎn)乙醇時對原料利用不充分，僅能利用其中的糖類，降解率很低，能量回收率低；發(fā)酵后的乙醇分離較困難，雜質(zhì)成分太復雜等等。廚余垃圾是一種成分復雜的有機質(zhì)，可以作為厭氧消化的基質(zhì)[3-4]。但廚余垃圾發(fā)酵產(chǎn)甲烷時容易酸化，污泥接種率較大，發(fā)酵周期長，發(fā)酵罐體積大，能量回收效率低[5]。因此本課題組提出了廚余垃圾經(jīng)糖化后固液分離，廚余垃圾糖化液(簡稱糖化液)發(fā)酵制乙醇，糖化殘渣厭氧消化制甲烷的技術(shù)路線。研究過程發(fā)現(xiàn)，廚余垃圾直接產(chǎn)乙醇和其糖化液產(chǎn)乙醇的產(chǎn)量基本相同，但卻可大大減少酵母菌的用量，簡化后續(xù)蒸餾工藝，降低了生產(chǎn)成本。而分離出的糖化殘渣的質(zhì)量僅為原廚余垃圾的40%左右，糖化殘渣中含有豐富的蛋白質(zhì)、纖維素、糖類等有機質(zhì)，可以作為厭氧消化的基質(zhì)。這種分離不僅增加了廚余垃圾的日處理量，而且大大地較少了發(fā)酵罐的體積，可以進一步增大能量回收效率。

本文在前期的研究基礎上，進一步探索消化污泥接種率對糖化殘渣厭氧消化過程的影響，以尋求最佳的接種率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

廚余垃圾取自某食堂，經(jīng)過初步分揀、粉碎后保存于-20℃的冰箱內(nèi)待用。糖化殘渣由廚余垃圾經(jīng)過糖化酶糖化6 h時后離心分離得到的下層固體殘渣；消化污泥取自某厭氧消化發(fā)酵罐,污泥的比產(chǎn)甲烷活性為113 mL·g-1VS·d-1。其理化性質(zhì)見表1。

表1 厭氧消化原料的主要成分 (%)

1.2 試驗裝置

本文采用的厭氧消化裝置主要由氣浴恒溫振蕩器、發(fā)酵瓶、集氣袋等部分組成。氣浴恒溫振蕩器用來控制厭氧消化的溫度和振蕩頻率。發(fā)酵瓶采用500 mL透明玻璃廣口瓶，便于觀察發(fā)酵原料體積與物料狀態(tài)的變化。發(fā)酵瓶采用大小適當、鉆好取樣孔和輸氣孔的橡膠塞封口。集氣袋采用2000 mL的專用氣袋，在這些孔上插入玻璃管，然后用硅膠管連接，石蠟密封。

1.3 試驗方法

取一定量冷凍的廚余垃圾置于廣口玻璃瓶中，室溫靜置融化。然后，按廚余垃圾與水質(zhì)量比為100∶50的比例，將廚余垃圾和水混合均勻，調(diào)節(jié)pH值到4.5，加入0.2%(w/w)酸性糖化酶，在60℃水浴鍋中恒溫糖化6 h。然后在4000 r·min-1速度下，離心10 min，進行固液分離，上層液體即糖化液，下層固體即糖化殘渣，冷藏保存，用于后續(xù)的乙醇和沼氣發(fā)酵實驗。

試驗采用序批式厭氧消化方式，按接種污泥∶糖化殘渣(以VS質(zhì)量計)(inoculum to substrate ratios，簡寫ISRs)= 0.5，1.0,2.0,3.0配成四組原料置于發(fā)酵槽后，每組做2個重復，取平均值，通入氮氣(5 min) 以排出槽內(nèi)殘留的空氣以保證厭氧環(huán)境，然后在各發(fā)酵槽上連接集氣袋，置于同一個恒溫搖床中，發(fā)酵溫度保持37℃±1℃，并定期攪拌，同時以接種污泥做空白對照實驗。記錄每天產(chǎn)氣量，每隔2 d 取液樣3 mL，進行各項參數(shù)測定(所有數(shù)據(jù)均是扣除空白對照樣后進行后續(xù)的處理與分析)。具體試驗設計見表2。

表2 試驗設計

1.4 分析測試方法

(1)沼氣的日產(chǎn)量采用排水法測體積，每天早上 9 點定時測量。對于其中的氣體組分的測量[6]采用HP-1490型氣相色譜儀分析測試，該色譜儀配有熱導檢測器，色譜柱為2 mm×30 mm不銹鋼柱。以氮氣為載氣。進樣器、檢測器及色譜柱的溫度分別為：100℃,100℃,70℃。所采用的標準氣體為H2和CO2的混合氣體及CH4和CO2的混合氣體，進樣量40 μL。計算方法采用峰面積法。H2,CH4及CO2的出峰時間分別是0.80,3.65和7.80。

(2)pH值的測定：利用PHS-3C型PH計測定消化液pH值。

(3)TVFA的測定：采用分光光度法，具體測定方法見《沼氣常規(guī)分析方法》[7]。

(4)VFAs的測定：液相色譜日本島津公司高效液相色譜儀LC-20A T， UV-VIS檢測器：SPD(紫外分光檢測)-20A；色譜柱：Inertsil ODS-SP (5μm 4.6×250 mm)，保護柱：Inertsil ODS-SP 5 μm；超純水(pH值用磷酸調(diào)至2.5～3.0)作為流動相；流速為0.8 mL·min-1；柱溫為室溫；進樣量為5 μL；二極管陣列檢驗波長為210 nm；本文主要考慮了乙酸、丙酸的測定。

(5)TS和VS含量測定：減量法—分別于105℃，600℃恒溫12，2 h至恒重，計算質(zhì)量減少百分比。

2 結(jié)果分析

2.1 接種率對甲烷產(chǎn)率的影響

廚余垃圾糖化后經(jīng)過固液分離，下層殘渣質(zhì)量僅為原來的40%左右，這大大減少了廚余垃圾的體積。同時糖化分離后廚余垃圾中大部分易降解的糖類已經(jīng)進入到糖化液中，糖化殘渣中主要是殘余的難降解的糖類和纖維素，以及大量的蛋白質(zhì)和脂類物質(zhì)。

污泥質(zhì)量和接種率對于厭氧消化中產(chǎn)甲烷階段的運行效果和穩(wěn)定性非常重要，如果接種率過小，甲烷菌數(shù)量不夠，易導致發(fā)酵體系“酸化”而抑制產(chǎn)沼氣；但接種率過大，會因底物不足而減少甲烷產(chǎn)量[8]。因此，研究糖化殘渣厭氧消化必須先研究最佳消化污泥接種率。不同接種率下糖化殘渣厭氧消化28d后，各組產(chǎn)氣均結(jié)束。如圖1所示，ISRs為0.5，1.0，2.0，3.0的試驗組在發(fā)酵第1天的甲烷日產(chǎn)率分別為29.79，15.11，14.79，7.28 mL·g-1VS·d-1，產(chǎn)甲烷量依次減小。這可能因為本試驗接種的消化污泥是經(jīng)過長期馴化的，具有較高活性，接種至糖化殘渣后，菌種直接利用糖化殘渣中揮發(fā)性有機酸(VFA)，接種率越小，單位菌種可利用的底物越多，日產(chǎn)甲烷量越大。接種率為0.5的試驗組在第3天甲烷產(chǎn)率幾乎為0，這是由于當接種率過小，體系有機負荷過大，發(fā)酵體系迅速酸化，甲烷化過程受到抑制(見圖1和圖5)。接種率為0.5，1.0，2.0和3.0的產(chǎn)甲烷高峰分別集中在第2天、3～26天、3～11天、3～8 天，經(jīng)28 d發(fā)酵后累積甲烷產(chǎn)量分別為34.59，263.73，200.06和71.74 mL·g-1VS(見圖3)。說明消化污泥接種率對厭氧消化的產(chǎn)甲烷高峰時間和產(chǎn)量有明顯影響，提高接種率有助于縮短發(fā)酵周期，但污泥接種量越大，單位體積發(fā)酵槽的底物處理量越小，甲烷產(chǎn)生效率也越低。從圖2中可以看出：各接種率下的沼氣中甲烷含量亦受接種率的影響，接種率為1.0時沼氣中甲烷含量明顯高于其它各試驗組。

圖1 不同接種率下糖化殘渣厭氧消化的日甲烷產(chǎn)率

圖2 不同接種率下糖化殘渣厭氧消化的甲烷百分比

圖3 不同接種率下糖化殘渣厭氧消化的累積甲烷產(chǎn)量

糖化殘渣通過厭氧消化過程產(chǎn)生沼氣，而VS是厭氧消化產(chǎn)沼氣最主要的物質(zhì)來源。而VS的減少自然會引起表觀上的TS的減少。一般來說，累積產(chǎn)氣量越多，其物料的VS去除率也越高。接種率1.0時VS的去除率最高且累積甲烷產(chǎn)量最大，分別為57.78%和263.73 mL·g-1VS，接種率為1.0，2.0，3.0時，累積甲烷產(chǎn)量和VS去除率依次降低(見圖4)。這說明在接種量達到一定量時，在發(fā)酵體系不會明顯被抑制的前提下，底物負荷量的多少決定了其累積甲烷產(chǎn)量和VS去除率。綜上分析，本文實驗條件范圍內(nèi)選擇消化污泥接種率為1.0，保證了糖化殘渣厭氧消化實現(xiàn)較高的能量回收率和較高的減量化程度。

圖4 不同接種率下糖化殘渣厭氧消化的VS去除率

2.2 不同接種率下糖化殘渣厭氧消化參數(shù)分析

厭氧微生物對酸堿環(huán)境的適應范圍較窄，對pH值的波動比較敏感。尤其是產(chǎn)甲烷菌，最適pH值范圍是6.50～7.80[9]，而產(chǎn)酸菌對環(huán)境pH值的適應范圍相對較寬，有些產(chǎn)酸菌可以在pH值5.50～5.80 的環(huán)境下生長良好。厭氧酸化階段形成大量揮發(fā)性脂肪酸和生物降解產(chǎn)生的CO2會降低體系的pH值，如果H2CO3和VFA 的濃度超過堿度的緩沖作用，反應器就會酸化而嚴重抑制甲烷菌的生長。

在厭氧消化過程中，接種率不同導致發(fā)酵物的成分不同，那么其水解速率也會不同，導致的總揮發(fā)性有機酸(TVFA)的濃度變化也會不同，而TVFA的變化又會引起發(fā)酵液的pH值及堿度呈相反的變化。從圖5中可看出：接種率大于或等于1.0時，pH值維持在一個較穩(wěn)定的狀態(tài)，沒有明顯的下降，說明增大接種率可增強體系的緩沖能力，防止發(fā)酵體系酸化崩潰，保障物料發(fā)酵的穩(wěn)定性；而接種率為0.5時發(fā)酵液pH值有個明顯降低的過程，最小值達到4.58，后來有所升高，但仍在6.50以下，結(jié)合圖6可知其原因是糖化殘渣發(fā)酵液的TVFA濃度過高，其TVFA濃度在第2天就達到14953.15 mg·L-1，遠大于同時間段的其他各組，此后也一直保持著較大的TVFA濃度值，最大值達到25016.22 mg·L-1，系統(tǒng)有機負荷太高，加上有機酸不斷積累，甲烷的產(chǎn)生也會受到抑制，這與Dong[10]的觀點符合(當TVFA濃度大于6800 mg·L-1時仍可保證發(fā)酵正常進行；當TVFA濃度達到22400 mg·L-1時甲烷產(chǎn)生受到抑制)。堿度能有效監(jiān)控TVFA 的積累，只有發(fā)酵體系中有足夠的碳酸氫鹽才能中和酸化的糖化殘渣，從而保證穩(wěn)定的pH 環(huán)境。各接種率下的堿度在發(fā)酵初期都有明顯的下降階段，發(fā)酵體系有一定的緩沖能力，隨著發(fā)酵的進行，堿度值會慢慢回升(見圖7)。接種率ISRs=0.5的發(fā)酵組也有恢復的階段，可是因為TVFA濃度太高，體系中的堿度無法完全中和此發(fā)酵組所產(chǎn)生的有機酸，有機酸的降解大于生成，導致了體系酸累積，此組的堿度值一直處于較低的狀態(tài)。其余的發(fā)酵組均恢復到了10000 g·L-1以上，之前的報道中曾指出在厭氧消化中合適的碳酸鹽堿度需維持在10000～ 40000 mg·L-1之間[11]，本實驗結(jié)果的堿度也與此報道符合。因此增加接種率可增強物料的緩沖能力，保障物料發(fā)酵的穩(wěn)定性。

圖5 不同接種率下糖化殘渣厭氧消化的pH值變化圖

圖6 不同接種率下糖化殘渣厭氧消化的TVFA變化圖

圖7 不同接種率下糖化殘渣厭氧消化的堿度變化圖

2.3 糖化殘渣厭氧消化過程監(jiān)測指標與甲烷產(chǎn)率的相關(guān)性研究

厭氧消化過程中TVFA變化可直接影響發(fā)酵體系的pH值、堿度，以及甲烷菌的活性，因此對于厭氧消化過程的穩(wěn)定有著重要作用。在糖化殘渣發(fā)酵過程中，由于底物快速水解而導致的酸化問題可直接抑制厭氧微生物代謝作用，影響發(fā)酵過程的穩(wěn)定性。曾有報道提出當TVFA濃度達到2 g·L-1時就會抑制纖維素的降解，也有人提出當TVFA濃度達到4 g·L-1時也只能產(chǎn)生輕微的抑制作用[12]，同時Zhu[13]等提出即使當TVFA>25 g·L-1時也沒有對厭氧消化產(chǎn)生抑制作用，而本文的結(jié)果表明，當TVFA>10 g·L-1時不會導致不可逆的“酸化”現(xiàn)象發(fā)生，因此僅靠TVFA濃度來判斷抑制效果是不完全可靠的。有報道提到，TVFA /堿度的比值是比TVFA更加敏感的指標[14],對于有機廢水發(fā)酵來說最適宜的TVFA/堿度應維持在0.3～0.4之間，而TVFA/堿度如果超過0.8則會導致發(fā)酵狀態(tài)惡化[15]；但是Liew[16]等提出干式厭氧消化時當TVFA/堿度值小于1.6時甲烷產(chǎn)率均正常，然而針對廚余垃圾厭氧消化的TVFA/堿度比值與甲烷產(chǎn)率的關(guān)系罕見報道。

本論文考究了TVFA濃度與堿度比值變化和甲烷產(chǎn)率的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)實驗組ISRs=1.0的TVFA濃度/堿度的比值均介于0.36～1.37之間，此組的甲烷產(chǎn)率亦為最大且在整個發(fā)酵過程均是平穩(wěn)產(chǎn)氣的。ISRs=2.0和3.0實驗組在前12天比值在0.28～0.96之間，此后的比值均在0.28以下，ISRs=0.5的比值在1.80～8.20，此組的甲烷產(chǎn)氣量最小，發(fā)酵過程受到了明顯的抑制。從圖8可以看出，當TVFA/堿度比值介于0.40～1.40之間時，甲烷產(chǎn)率相對較大，大多在5.0 mL·g-1VS以上，當TVFA濃度/堿度小于0.40時，甲烷產(chǎn)率很小，這可能也是由于TVFA濃度過低，供給產(chǎn)甲烷菌生長繁殖的原料不足所致；而TVFA濃度/堿度比值在1.40以上，也幾乎沒有甲烷產(chǎn)生，說明此時厭氧消化體系受到嚴重抑制，因此TVFA/堿度是糖化殘渣厭氧消化的一個重要監(jiān)測指標。

圖8 糖化殘渣厭氧消化過程中TVFA/堿度比值與甲烷產(chǎn)率的關(guān)系圖

丙酸作為厭氧消化體系中的一種基質(zhì)，常被認為是一種抑制劑。研究證明，當丙酸濃度含量大于1 g·L-1時，容易導致發(fā)酵液中酸累積，使發(fā)酵體系的pH值降低。大量研究結(jié)果表明，丙酸的產(chǎn)氫-產(chǎn)乙酸速率緩慢，大量丙酸的產(chǎn)生和積累影響產(chǎn)甲烷菌活性，容易引起厭氧產(chǎn)甲烷相反應器中pH值降低，導致運行失敗。本文分析了糖化殘渣厭氧消化過程中的丙酸濃度與甲烷產(chǎn)率的(見圖9)。從圖9可以看出：當發(fā)酵體系中丙酸濃度超過0.5 g·L-1時，甲烷產(chǎn)率基本為0，表明此時甲烷菌受到了100%的毒性抑制；較高的甲烷產(chǎn)率均集中在丙酸濃度低于0.5 g·L-1，可見甲烷菌對丙酸濃度是非常敏感的，丙酸濃度是糖化殘渣沼氣發(fā)酵過程穩(wěn)定運行的一個重要監(jiān)測指標。值得一提的是：糖化殘渣相比于廚余垃圾中的脂肪相對含量提高了很多，而脂肪降解最容易產(chǎn)生丙酸，因此糖化殘渣厭氧消化時監(jiān)測丙酸的濃度顯得格外重要。

圖9 糖化殘渣厭氧消化過程中丙酸濃度與甲烷產(chǎn)率的關(guān)系圖

C6H12O6+2H2O →2CH3COOH (乙酸)+4H2+ 2CO2

(1)

C6H12O6+ 2H2→ 2CH3CH2COOH(丙酸)+2H2O

(2)

C6H12O6→ CH3(CH2)2COOH(丁酸)+2H2+2CO2

(3)

CH3CH2CH2COOH (丁酸) + 2 H2O → 2CH3COOH+2H2

(4)

CH3CH2COO H (丙酸)+ 2 H2O→ CH3COOH + CO2+3H2

(5)

CH3COOH (乙酸) → CH4+CO2

(6)

4H2+ CO2→CH4+ 2H2O

(7)

4CO + 2H2O → CH4+3CO2

(8)

因此，當接種率較小，有機負荷較高時，生成的丙酸等揮發(fā)性有機酸轉(zhuǎn)化為乙酸的速度較慢(此時乙酸本身濃度較高，不能被甲烷菌及時利用)，從而易造成丙酸等揮發(fā)酸的積累，導致“酸化”現(xiàn)象的發(fā)生。根椐本文上述試驗數(shù)據(jù)分析了丙酸/乙酸比值與甲烷產(chǎn)率之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當丙酸/乙酸>0.1以上,幾乎沒有甲烷產(chǎn)生，厭氧消化體系受到抑制(見圖10)，這與Wang[17]的結(jié)論基本一致。但是當丙酸/乙酸<0.1時，也有甲烷產(chǎn)率低的，這可能是受到了其他因素抑制。因此在糖化殘渣厭氧消化過程中監(jiān)測丙酸/乙酸的比值也尤為重要。

圖10 丙酸/乙酸比值與甲烷產(chǎn)量的關(guān)系圖

3 結(jié)論

糖化殘渣厭氧消化最適宜的污泥接種率為1.0，在此接種率下其甲烷累積產(chǎn)率和VS去除率均最大，分別為263.73 mL·g-1VS和57.78%。此接種率既保證了糖化殘渣厭氧消化不會因為體系酸化而受到抑制和發(fā)酵罐體積最小化，也保證了能源回收的最大化。

糖化殘渣厭氧消化過程中TVFA/堿度比值、丙酸濃度、丙酸/乙酸的比值是發(fā)酵穩(wěn)定運行的重要指標。當TVFA/堿度比值介于0.40～1.40之間時，甲烷產(chǎn)率相對較大，大多在5.0 mL·g-1以上；小于0.40時，甲烷產(chǎn)率很小，可能是由于TVFA濃度過低，供給甲烷菌生長繁殖的原料不足所致；大于1.40時，則幾乎沒有甲烷產(chǎn)生，此時的厭氧消化體系可能受到“酸抑制”。當發(fā)酵液中丙酸濃度超過0.50 g·L-1時，糖化殘渣發(fā)酵基質(zhì)就基本上不產(chǎn)氣，表明此時甲烷菌受到抑制，較高的甲烷產(chǎn)率均集中在丙酸濃度低于0.50 g·L-1。較高的甲烷產(chǎn)量均集中在丙酸/乙酸比值小于0.1時，當丙酸/乙酸>0.1以上,幾乎沒有甲烷產(chǎn)生，厭氧消化體系受到抑制。但是當丙酸/乙酸<0.1時，也有甲烷產(chǎn)率低的，這可能是受到了其他因素抑制。