預處理對菌接種餐廚垃圾發酵產乙酸的影響

李 陽,鄧 悅,周 濤,趙由才(同濟大學,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)

固體廢物

預處理對菌接種餐廚垃圾發酵產乙酸的影響

李 陽,鄧 悅,周 濤,趙由才*(同濟大學,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)

探究了餐廚垃圾微氧發酵產揮發性脂肪酸(VFAs)的強化條件,即5種預處理方式(酸、堿、超聲、熱及熱堿預處理)對餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌后水解及產酸效果的影響.結果表明,預處理均有效提高了餐廚垃圾微氧發酵產 VFAs及乙酸的性能,且產物組成并未發生改變.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,熱堿預處理效果最好,在微氧發酵7d后,其發酵液中溶解性化學需氧量、VFAs產量、乙酸產量分別達到22.04、30.08和27.78g/L,較空白實驗提高了46.54%、54.34%及77.06%,極大地加快了微氧發酵過程.

餐廚垃圾；預處理；酵母菌；醋酸菌；微氧發酵；乙酸

餐廚垃圾主要包括餐飲業廢棄物、食品行業余料等,其產生的渠道主要為食品加工、處理、運輸等過程,來源主要集中在酒店、食品廠、學校、政府、科研行政機構等.相對于西方國家來說,餐廚垃圾在中國城鎮生活垃圾中所占比例較大,約為37%～62%.中國早在10年前就已經成為世界上城鎮生活垃圾年產生量最大的國家[1],且仍呈現急劇增加趨勢,2005～2025年間,城市中產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、有機質含量高等特點,極易腐敗,產生二次污染.因此餐廚垃圾合理資源化處理處置對城市生活具有重要意義.

目前,針對于餐廚垃圾無害化處理及資源化利用,國內處理技術包括厭氧發酵、飼料加工、好氧堆肥及工業油脂化上,部分企業生產菌體蛋白.其中,厭氧發酵被認為是最具有成效的處理技術[5],餐廚垃圾可通過厭氧發酵轉化為氫氣[6]、沼氣[7]、乙醇[8-10]、乳酸[11]或有機肥[12]等.此外,國內外很多學者對厭氧發酵的產酸過程做了大量的研究工作[13],發現VFAs是厭氧發酵過程中不可避免的產物,同時又是一種價值不菲的化學原料.覃莉[14]等通過單因素實驗篩選了酵母菌和醋酸菌混合發酵生產醋酸的最佳工藝條件,得出酵母菌醋酸菌混合發酵在生產乙酸上是可行的這一結論.但有關餐廚垃圾微氧條件下產酸研究鮮有報道.

餐廚垃圾的發酵底物是以顆粒的形式存在,水解過程是微氧發酵反應的限速步驟[15].為了加快微氧發酵的過程,縮短底物發酵時間或在一定時間內增加發酵產物的產量,通常需要對發酵底物進行必要的預處理.因此,本文主要研究了不同預處理方式,包括酸預處理、堿預處理、超聲預處理、熱預處理、熱堿預處理5種預處理方式,對餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌微氧發酵水解及產酸效果的影響,并對其作用機制做了初步探討.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾取自上海市某學校食堂,將該餐廚垃圾簡單壓榨,人工剔除骨頭、紙張、塑料等雜質后,用食物粉碎機將其粉碎后過 2mm 篩網,篩下物與自來水按重量1:1混合并用電攪拌機攪碎,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、油類等,其基本特性如表1所示.試驗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,來自上海佳民釀造食品有限公司釀造一廠.

表1 餐廚垃圾的測定指標及性能Table 1 Representative composition and parameters of food wastes

1.2 實驗方法

試驗選擇的5種預處理方式,分別為酸預處理、堿預處理、超聲預處理、熱預處理、熱堿預處理,操作步驟如表2所示,24h后,通過鹽酸及氫氧化鈉將pH均調至5.5,分別取經過上述預處理的餐廚垃圾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,每組實驗做3個平行組.血清瓶塞連接注射針頭形成微氧環境,通過測定ORP值嚴格控制含氧量,將ORP值限制在-250～150mV范圍內.實驗開始一周內每天定時取樣,測定發酵液中SCOD及VFAs(包括乙酸、丙酸、丁酸等)濃度.

表2 不同預處理方式實驗設計Table 2 Experimental designs of different pretreatments

1.3 分析方法

不同預處理方式對餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌微氧發酵水解的影響通過SCOD值表征,其測定采用標準方法測定[16].ORP值采用 ORP計測定(PHS-3C,上海雷磁)VFAs經過預處理后測定,預處理方法為:取樣后將樣品以 5000r/min離心20min,上清液經0.45μm濾膜過濾.VFAs產量采用氣相色譜法測定,選用美國安捷倫公司氣相色譜儀Agilent 6890N(FID氫火焰離子化檢測器).測試條件:進樣口溫度 200℃,檢測器溫度220℃,不分流進樣,進樣量 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 結果與討論

2.1 預處理方式對發酵液水解的影響

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

由圖1可知,6組實驗SCOD含量均隨時間延長先快速升高、后緩慢增長直至穩定,說明餐廚垃圾水解速率初期較快,中期漸緩,后期逐漸減慢.經過7d的反應,6組實驗SCOD含量分別為:空白(15.04g/L)、酸預處理(18.24g/L)、堿預處理(20.05g/L)、超聲預處理(20.71g/L)、熱預處理(18.04g/L)及熱堿預處理(22.04g/L).采用預處理實驗組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,不同預處理方式對餐廚垃圾微氧發酵水解的影響程度依次為熱堿預處理＞超聲預處理＞堿預處理＞酸預處理＞熱預處理.

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

2.2 預處理方式對發酵液中VFAs及乙酸產量的影響

不同預處理條件下餐廚垃圾發酵液 VFAs濃度隨發酵時間的變化情況如圖 2所示,各處理方式下,VFAs含量均表現出隨反應時間的延長先快速增長、后緩慢增長直至平穩的變化趨勢;酸預處理、堿預處理、超聲預處理、熱預處理、熱堿預處理VFAs含量峰值分別為21.89、22.81、26.82、20.89、30.08g/L,空白對照組的 VFAs含量峰值為 19.49g/L.熱堿預處理對于餐廚垃圾發酵產VFAs促進效果最明顯,其相較于空白對照、酸預處理、堿預處理、超聲預處理、熱預處理, VFAs濃度分別提高54.34%、37.41%、31.87%、12.16%和43.99%.

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

酸預處理僅能促進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為多肽、甚至二肽、氨基酸[18].而堿預處理主要起作用的是 OH-.OH-除了能破壞餐廚垃圾有機物質的絮體結構外,還可以在80℃的條件下,水解、皂化細胞壁和細胞膜上的蛋白質和脂多糖,破壞有機垃圾的多孔介質結構,使有機物質向濃度較低的外環境釋放,原本不溶的物質轉化為可溶性的物質,轉移到液相中,從而導致可溶性的物質在微氧發酵初期就能迅速地被微生物代謝所利用[18-19].

超聲預處理的作用原理在于超聲波的高振蕩及其產生的空化效應可以破壞發酵底物細胞壁的維持力,同時釋放出細胞內容物,碳水化合物含量大幅度增加;且超聲效應有利于促進多糖、油脂水解的進行,超聲波的熱機制能夠小幅升高溶液溫度,導致蛋白質變性,變性后的蛋白質容易被水解,從而加快水解產酸進程[20].

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

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

熱預處理可促使有機垃圾顆粒膨脹,造成有機顆粒物質外壁孔徑增大,從而有利于顆粒內大分子物質的溶出[21];此外,在熱處理過程中,垃圾中的有機物被液化,從而促使大分子有機物降解為可溶性的小分子.熱和堿處理方法結合后,熱的作用加強了 OH-的水解、皂化作用,餐廚垃圾中的蛋白質和多糖能快速溶出,作為產酸細菌的營養物質,有利于產酸細菌的生長繁殖[22].故在5種預處理方式中,熱堿預處理對于發酵液SCOD含量及 VFAs產量的促進效果最為明顯,餐廚垃圾微氧發酵產VFAs及乙酸效果最好.

2.3 預處理方式對發酵液中VFAs組分的影響

圖4顯示了經過不同預處理方式后,VFAs組分百分比變化情況.由圖4可得,發酵期間的主要產物均多為乙酸,約占 VFAs總量的 81.81%～92.35%,丙酸產量在為 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氫產乙酸菌消耗利用轉化為乙酸[23],從而乙酸的產率和構成比要顯著高于其它的揮發性短鏈脂肪酸.相較于空白實驗組,經過預處理的乙酸產量所占比例均有略微提升,增加值范圍為1.31%～11.85%,丁酸產量所占比例略微降低,丙酸所占比例變化無一定規律.說明預處理極大地提高了乙酸的產量,提升酸化效果.但總體而言,本實驗的預處理方式未對酸化產物的組分造成不利影響.

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

2.4 預處理方式對餐廚垃圾作用的微觀機理分析

對預處理前后的餐廚垃圾進行掃描電鏡分析.如圖5所示,餐廚垃圾經過酸預處理和超聲預處理后的微觀結構與未預處理的餐廚垃圾微觀結構相差不大,表面結構變得較為光滑,說明顆粒狀餐廚垃圾經酸預處理和超聲預處理后輕度分解為小顆粒.而餐廚垃圾經過堿預處理、熱預處理及熱堿預處理后,餐廚垃圾的微觀孔隙相較于空白組明顯增加,由以熱堿預處理實驗組顯著.

熱預處理一方面引發餐廚垃圾中有機顆粒物膨脹,促進顆粒內大分子物質外壁孔徑增大,從而有利于分解溶出并釋放其內部有機物質;另一方面,有機物質在加熱條件下更易液化,進而促進 了大分子有機物降解為可溶性小分子的轉化[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

堿預處理時向餐廚垃圾內加入的 OH-能破壞餐廚垃圾有機物質的絮體結構,同時可在一定溫度下,水解、皂化蛋白質和脂多糖,進而破壞餐廚垃圾內有機質的多孔介質結構,使有機質向濃度較低的外環境釋放,且OH-還可水解一些蛋白質及糖類分子,使餐廚垃圾中難溶有機物轉化為可溶性物質,轉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,餐廚垃圾絮體結構解體,表面出現許多孔穴,易降解有機物質和大部分難降解有機物質轉化為可溶性小分子物質,從而利于微氧發酵過程中微生物的利用.故熱堿預處理條件下餐廚垃圾微氧發酵產VFAs及乙酸效果最好.

3 結論

3.1 實驗中5種預處理方法均促進了餐廚垃圾水解效率的提高.不同預處理方式對餐廚垃圾微氧發酵水解的影響程度依次為:熱堿預處理＞超聲預處理＞堿預處理＞酸預處理＞熱預處理,其餐廚垃圾 SCOD含量分別較空白實驗組提高了46.54%、37.70%、33.31%、21.28%和19.95%.

3.2 發酵體系進程中,各預處理條件下,VFAs及乙酸含量由大到小依次為熱堿預處理、超聲預處理、堿預處理、酸預處理、熱預處理;熱堿預處理VFAs濃度比空白對照、酸、堿、超聲及熱預處理的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 不同預處理方式對酸化產物的組分構成影響不大.乙酸為主要成分,約占 VFAs總量的81.81%～92.35%,丙酸產量為 0.00%～7.48%,丁酸約占6.69%～17.36%.

3.4 不同預處理方式對餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌微氧發酵的影響順序為:熱堿預處理＞超聲預處理＞堿預處理＞酸預處理＞熱預處理＞空白,其中熱堿預處理條件下餐廚垃圾微氧發酵產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(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.發表論文2篇.

2016-09-08

國家科技支撐計劃(2014BAL02B05)

* 責任作者, 教授, zhaoyoucai@tongji.edu.cn