餐廚垃圾水解酸化性能的研究

譚文英 許勇

摘要 采用批式進料方式，研究了不同進料負荷和不同接種量時餐廚垃圾水解酸化的效果，探索了酸化階段發酵液中的pH、VFA含量和產物中主要成分的變化規律。結果發現，不同有機負荷進料時水解酸化過程在前4 d基本完成，反應后期有機負荷不同，發酵類型也有所不同。40 g（TS）/L負荷進料時水解酸化效果比較好，水解酸化產物中主要成分為乙醇和乙酸，乙醇和VFA含量高。餐廚垃圾在接種率為30%時，反應能夠獲得目標酸化產物乙醇和乙酸，比不接種和接種率為50%時效果明顯要好。

關鍵詞 餐廚垃圾;兩相;水解酸化;性能

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）33-11832-04

Research on Hydrolysis and Acidification Performance of Food Waste

TAN Wen-ying， XU Yong

（School of Material Science and Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract By means of batch type feeding， the effects of hydrolysis and acidification of food waste in different load and different inoculation amount were studied. The changing rule of pH value， volatile fatty acids （VFA） content and the main component of the products in the cidification phase was explored. Hydrolysis acidification process basically completed in the first 4 days though different organic load. In the late of response， the different organic load the fermentation type is also different. When the load of feed is 40 g（TS）/L， the hydrolytic acidification effect is better， main products are ethanol and acetic acid， and ethanol and VFA concentration is high. The reaction can get target acidification products—ethanol and acetic acid when the vaccination rate was 30%. And the effect is better than no vaccinated and the vaccination rate is 50%.

Key words Food waste; Two-phone; Hydrolysis and acidification; Performance

作者簡介 譚文英（1960- ），女，黑龍江哈爾濱人，副教授，從事生物質能源轉化和利用方向的研究。

收稿日期 2014-09-22

隨著我國城市化進程加快和居民生活水平的提高，餐廚垃圾的產量逐年增加[1]。餐廚垃圾已是國內城市有機垃圾的主要組成部分[2]，已經成為環境污染的重要方面[3-4]。餐廚垃圾處理應以資源化為導向[5]。厭氧發酵技術既可以解決餐廚垃圾處理問題又可產生可再生能源——沼氣，已成為未來的發展方向[6]。

兩相厭氧發酵的水解酸化階段是微生物將復雜的有機物質如淀粉、蛋白質、脂肪等經過一系列的反應過程分解成簡單的水溶性脂肪酸和醇類，然后再在酸化菌的作用下，將其轉化為乙酸的過程，同時微生物會利用分解的這些物質供自身繁殖并釋放能量[7]。隨著研究者們對有機物質厭氧發酵技術研究的不斷深入，發現由于餐廚垃圾中含有高濃度有機顆粒物，水解酸化階段是整個厭氧發酵過程中的限速步驟[8]。很多研究也表明，溫度和pH是影響餐廚垃圾水解與酸化過程的主要因素[9]。由于在餐廚垃圾的兩相厭氧發酵過程中，酸化階段是其非常重要的限速步驟，為了有效地對餐廚垃圾進行水解酸化，需要對其反應過程中的各項物性參數進行研究。為此，筆者通過對消化液pH、VFA含量、產物主要成分等的分析，研究了不同溫度、進料負荷、接種量等多種因素對餐廚垃圾水解酸化的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 餐廚垃圾受不同季節、不同地域人們的飲食習慣和生活水平的影響，成分十分復雜。該試驗的餐廚垃圾原料取自東北林業大學食堂，早、中、晚在食堂一、二、三樓和美食城隨機選擇取樣，人工分揀出骨頭、竹簽、塑料等雜物后，用小型食物粉碎機將其粉碎至粒徑約2～5 mm，攪拌均勻，取出部分作分析成分用，剩下大部分置于-4 ℃冰箱中冷凍保存。接種污泥取自哈爾濱市污水處理廠。試驗所用的餐廚垃圾和接種污泥的物理化學組成見表1和表2。

表1 餐廚垃圾的物化性質

由表1可以看出，餐廚垃圾的總固體（TS）含量為23.63%，可揮發性固體（VS）含量為21.97%，揮發性固體與總固體的比值將近93%，說明餐廚垃圾中有機組分含量高，且C/N值為21.50，在厭氧發酵所要求的20～30范圍內，適合厭氧發酵處理。

表2 接種污泥的物化性質%

1.2 試驗裝置

試驗的厭氧發酵反應系統由1 L的發酵瓶、集氣瓶、量筒通過橡膠塞、玻璃管、乳膠軟管等連接組成（圖1）。系統置于電熱恒溫水浴鍋中，反應過程中定時搖晃發酵瓶以起到攪拌的作用。試驗采用批式發酵方法，發酵瓶的有效工作體積為800 ml，集氣瓶中裝滿飽和食鹽水。為了確保每個正在運行的厭氧發酵瓶中保持厭氧環境，試驗中每組參數均設多個平行，每次只對相同參數的一個發酵瓶進行取樣分析。試驗時按照設計的參數配成相應的反應體系后，用去離子水定容至800 ml，混勻，塞緊瓶塞，連接集氣裝置，置于電熱恒溫水浴鍋中，啟動厭氧發酵試驗。

圖1 試驗裝置實物示意

1.3 試驗方法 進料的有機負荷（OLR）是影響餐廚垃圾水解酸化的重要參數之一，進料有機負荷過高，反應過程中易出現有機酸或氨氮的抑制;進料負荷過低，不能充分發揮反應設備厭氧發酵的效率，增加運行成本。試驗設置了20 g（TS）/L、30 g（TS）/L、40 g（TS）/L、50 g（TS）/L 4種不同的進料有機負荷量，來研究不同有機負荷對水解酸化效果的影響，試驗參數如表3所示。

表3 不同有機負荷對水解酸化效果的影響參數

接種率對厭氧發酵過程的啟動階段有著重要意義，不同的原料和不同的厭氧發酵階段，應根據實際情況采用不同的接種率。接種率過高，則容易引起有機酸的積累，產生酸化現象，導致系統緩沖能力差;接種率過低，則原料的厭氧發酵處理量就低，反應時間就長，微生物的厭氧消化效率低。為了找到單位質量原料的接種量與酸化效果的關系。試驗選擇了接種率0、30%和50% 3種情況來進行試驗，試驗的運行參數如表4所示。其中，

接種率（%）=污泥干重（TS）污泥干重（TS）+餐廚垃圾干重（TS）

表4 不同接種率對水解酸化效果的影響參數

2 結果與分析

2.1 進料有機負荷的影響

2.1.1 pH的變化。

從不同有機負荷下pH的變化情況可以看出（圖2），不同有機負荷進料下，反應的pH在第1天都迅速下降到4.5～4.6左右。這是因為粉碎的餐廚垃圾中小的顆粒迅速水解酸化產生了大量有機酸，導致pH迅速降低。前幾天不同有機負荷下反應瓶中酸化液的pH變化不大，第4天后開始有些波動。說明4個不同有機負荷組的反應在前4 d水解酸化基本完成，其中20 g（TS）/L進料的pH上升得比較明顯，30 g（TS）/L進料的次之，說明負荷越低，水解酸化更容易完成。此后產氨細菌和甲烷菌逐漸開始活躍，開始消耗酸化產物，導致發酵液中pH緩慢升高。隨著水解酸化速度逐漸減慢，pH的上升，也使得發酵環境更適宜甲烷菌生長。在反應的第8天4個不同有機負荷反應的pH都基本達到5.15左右。另外水解酸化階段酸化產物的富集，會減弱水解酸化菌的反應效率，致使水解酸化菌對有機物的分解活動受到抑制，這也可能是導致pH上升的原因。

圖2 不同有機負荷時pH的變化

圖3 不同有機負荷下的VFA含量的變化

2.1.2 VFA含量的變化。

VFA是考察有機物質水解酸化效果的最重要的參數之一，其酸化產物中VFA總量大小可反映出水解的程度和有機物的酸轉化率。不同有機負荷進料下酸化產物中VFA含量的變化情況如圖3所示。從整個反應過程來看，4個不同有機負荷下VFA總量均在反應初期急劇上升，然后趨于穩定。這也是因為反應初期，易被水解酸化菌降解的有機物含量比較多，有機物迅速地轉化為VFA，隨著反應的進行，易降解有機物含量減少，VFA的增加速度就變緩。負荷為20 g（TS）/L時，因進料負荷低，VFA含量變化不明顯，基本維持在10 g/L左右;進料負荷為30 g（TS）/L和40 g（TS）/L時，為中等負荷，VFA含量呈波動上升趨勢，最后上升至14 g/L左右。而進料為50 g（TS）/L的高負荷時前4 d VFA含量最高，之后VFA總量出現緩慢下降趨勢，這很可能是有機負荷高，水解酸化產生的VFA含量也高，反應后期對水解酸化菌的活性產生了抑制作用。

2.1.3 產物中主要成分的變化。

試驗中不同有機負荷進料下產物中不同物質所占比例變化情況如圖4所示。由圖4可以看出，35 ℃的反應溫度下，不同有機負荷進料時，反應初期乙醇和乙酸的含量都要比其他酸含量高。隨著有機負荷的增加，乙醇在主要產物中所占比例呈下降的趨勢，而乙酸的比例呈上升趨勢。說明隨著負荷的增加，乙醇型發酵逐漸變緩而乙酸型發酵逐漸增強。前4 d不同進料負荷的反應在整個過程中均按規律變化且比較穩定;在反應4 d后，20 g（TS）/L負荷的體系中乙醇所占比例迅速下降，但乙酸所占比例上升得不是很明顯，而其他酸的含量則迅速上升，經檢測VFA中其他酸的成分主要是丁酸，說明該體系后期由乙醇型發酵轉向了丁酸型發酵，這與酸化過程中酸化液的pH變化有一定的關系;50 g（TS）/L反應體系中的乙醇比例從第6天開始快速下降，同時乙酸所占比例則相應提高，說明反應后期部分乙醇快速轉化成了乙酸。因此，可以看出，35 ℃反應溫度下，低有機負荷容易由乙醇乙酸型發酵轉化成丁酸型發酵，中等有機負荷的發酵中乙醇逐漸轉化為乙酸，高有機負荷條件下能加速乙醇轉化為乙酸。另外，不同有機負荷下，在反應6 d后，發酵液VFA中的其他酸的含量有上升的趨勢，說明酸化時間過長會導致發酵類型的變化，由于pH的升高等復雜因素而使發酵類型逐漸轉向丁酸型發酵。

注：a、b、c、d的有機負荷分別為20、30、40、50 g（TS）/L。

圖4 不同有機負荷下產物中主要物質所占比例的變化

圖5 不同進料負荷下溶液中酸化度變化情況

有機物厭氧發酵過程中水解酸化是一個連續過程，在相同的反應條件下，進料有機負荷量大，同一反應體積下其酸化產物VFA和乙醇等的含量肯定大，試驗由于進料有機負荷不同，單單看發酵液中的VFA和乙醇的含量并不能反映出餐廚垃圾水解酸化的效果，水解酸化的性能就難以評價，可根據發酵液中主要成分的含量與酸化液中SCOD的濃度比值（定義為酸化度）的大小，作為餐廚垃圾水解酸化效果的評價指標。圖5為不同進料負荷時發酵液中酸化度的變化情況。

由圖5可知，在反應過程中，不同進料負荷的溶液中酸化度的變化情況不同，在反應的第1天酸化度都比較高，說明在第1天不同進料負荷的酸化程度比較高，之后開始降低，說明反應第2天水解程度大于酸化程度。隨著反應的進行，40 g（TS）/L的進料負荷其酸化度的值一直在增長，30 g（TS）/L的進料負荷也在波動增長，說明這兩個進料負荷下的水解酸化效果比較好。其次是50 g（TS）/L的進料負荷，而20 g（TS）/L的進料負荷酸化效果最差。從整體發酵液中酸化度的大小上看，4種不同的進料負荷條件下的酸化效果比較穩定，保持在30%～55%之間。

2.2 接種量的影響

2.2.1 pH的變化。圖6顯示了不同接種量對水解酸化過程的影響，從圖6中可以看出，水解發酵初期3組酸化液的pH均迅速下降，其中不接種污泥的pH下降到了4以下，之后基本沒有什么變化，在發酵后期才略微上升;在接種量接種率為50%的條件下，系統的pH比較高，維持在5.5～6.0之間，難以迅速下降，其pH不符合適宜乙醇型發酵的酸化pH條件;在接種量為30%的條件下，系統的pH穩定在4～5之間，反應后期pH逐漸上升。不接種和接種量為50%時均不適合酸化。因為不接種時，本來水解酸化菌數量就極少，而且活性又受到低pH影響，水解酸化效率就比較低;接種量為50%時，接種量大，單位質量的原料能夠接觸到的微生物量就多，盡管微生物的量多會提高單位質量的有機物的水解酸化產量，但同時也提高了水解后的產物被合成利用的量，雖然加強了系統的緩沖能力，但pH短時間內難以下降到目標區域，最終導致發酵類型發生變化，不利于獲得目標酸化產物乙醇和乙酸。在接種率為30%的條件下的pH比較適合酸化，反應能夠獲得目標酸化產物乙醇和乙酸。

圖6 不同接種量時pH的變化

2.2.2 VFA含量的變化。

圖7顯示了不同接種量時發酵液中VFA含量的變化情況，通過觀察VFA含量發現，在不接種時，發酵液中VFA含量最低，僅為7.5 g/L，并且十分穩定;接種量為30%時VFA呈現逐步增長的趨勢，但是其數值比接種量為50%時的低;接種量為50%時的VFA含量最高，并且

隨著反應進行，呈現逐

步增長的趨勢，這可能是由于pH較高

時，雖然不利于酸化菌酸化反應的進行，但接種率高時因系

統初始時提供的接種物量大，大量的接種物中含有大量的厭氧消化細菌，從而導致總體的代謝水平要高于接種量為30%時。盡管如此，其接種污泥的利用率也要遠低于接種量為30%時。

2.2.3 產物中主要成分的變化。

圖8顯示了不同接種量時發酵液中主要產物的變化情況，從每種組分在不同接種量下的變化看，不接種時和接種量為50%時，發酵液中的乙醇含量下降地十分明顯，而接種量為30%時的乙醇含量下降則比

圖7 不同接種量時VFA含量的變化

較平緩，且整體含量遠高于不接種時和接種量為50%時;3種條件下，乙酸的含量均逐漸上升;不接種時，丁酸等其他酸含量逐漸上升。接種量為50%時，丁酸等其他酸含量明顯最大，且一直保持在非常高的水平，而接種量為30%時丁酸等其他酸的含量非常低。從易被甲烷菌消化利用的乙醇、乙酸總含量上看，接種量為30%時的乙醇和乙酸總含量優勢十分顯著;從乙醇和乙酸占酸化產物的比例看，接種量為50%時乙醇和乙酸占產物的總量最低，僅為產物總量的30%，占比例最大的其他酸主要為丁酸，這也進一步證明了，當pH較高時，厭氧發酵容易進入丁酸型發酵。

從組分轉化來看，3種反應后期乙醇含量均有所減少。

不接種時，乙醇含量降低，而乙酸和其他酸含量升高，說明乙醇轉化成了乙酸和丁酸等其他酸;當接種量為50%時和接種量為30%時，其他酸含量變化不明顯，乙醇含量降低而乙酸含量升高，說明乙醇轉化成了乙酸。

注：a、b、c的接種量分別為0、30%、50%。

圖8 不同接種量時VFA組分的變化

3 結論

（1）不同有機負荷水解酸化階段反應初期pH迅速降低，乙醇和乙酸的含量都要比其他酸含量高。此后pH緩慢上升，隨著時間增加，產物中各物質之間開始轉換。35 ℃反應溫度下，低有機負荷容易由乙醇乙酸型發酵轉化成丁酸型發酵，中等有機負荷的發酵中乙醇逐漸轉化為乙酸，高有機負荷條件下能加速乙醇轉化為乙酸。酸化時間過長會導致發酵類型的變化。

（2）不接種污泥的發酵液pH在4以下，發酵液中VFA含量最低;在接種量為30%時，系統的pH在4～5之間變化，乙醇含量降低，而VFA含量增加。在接種量為50%時，系統的平均pH在6以上，比較高，VFA含量也最高，其中丁酸等其他酸為主要成分。在接種量為30%的條件下的pH比較適合酸化，反應能夠獲得目標酸化產物乙醇和乙酸。

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