pH對餐廚垃圾厭氧發酵產氫過程的影響

袁雨珍，肖利平，劉傳平，竇飛

1. 湘潭大學環境工程系，湖南 湘潭 411105；2. 廣東省生態環境技術研究所//廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650

pH對餐廚垃圾厭氧發酵產氫過程的影響

袁雨珍1,2，肖利平1*，劉傳平2，竇飛2

1. 湘潭大學環境工程系，湖南 湘潭 411105；2. 廣東省生態環境技術研究所//廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650

餐廚垃圾具有含水率高、有機物含量高、易腐敗等特點，若處理不當，必然造成資源浪費和環境污染。餐廚垃圾減量化、無害化、資源化處理是環境科學領域近年來關注的熱點與難點。為解決餐廚垃圾的減量化問題，同時產生清潔能源——氫氣，利用自制小型序批式厭氧發酵產氫反應裝置，以蒸煮餐廚垃圾為發酵底物，接種污水處理廠剩余污泥進行厭氧發酵產氫，在底物與接種物質量比為4∶1，溫度為37 ℃的條件下，研究pH對蒸煮餐廚垃圾厭氧發酵產氫的影響。結果表明，厭氧發酵底物中乙酸和丁酸是揮發性酸（VFA）中主要的組成部分，占總揮發性酸的80%以上，同時含有少量的丙酸，屬于典型的丁酸型發酵。初始pH為9.0時，厭氧發酵效果最佳，累積產氣量和產氫量最大，分別為748 mL和371 mL；在整個厭氧發酵過程中氫氣的體積分數最高可達80.5%，平均產氫速率為10.31 mL·h-1，單位產氫量（以VS計）為72.9 mL·g-1，總固體（TS）和揮發性固體（VS）的去除率分別高達26.6%和34.4%；脫氫酶的活性呈現出先增強后減弱的趨勢，產氫速率與脫氫酶的活性呈正相關；發酵反應進行到16 h時，脫氫酶的活性最好，此時產氫速率最大，為19.2 mL·h-1。因此，調節初始pH為9.0，可以提高餐廚垃圾產氫效率，實現餐廚垃圾減量化和產生清潔能源的雙重目標。

餐廚垃圾；厭氧發酵；產氫量；pH

隨著飲食業的快速發展，中國餐廚垃圾產量逐年上漲。2007年，全國的餐廚垃圾產量約為9×107t（王延昌等，2009），北京和上海市的日產量均超過1200 t（崔亞偉等，2006）；全國餐廚垃圾產生量以每年約10%的速度遞增，年新增產生量達5×106t（袁玉玉，2007），給市政、環衛部門帶來了巨大的壓力。由此引發的環境污染事件，在危害市民健康的同時，也造成了資源的浪費。若能將餐廚垃圾作為城市資源的來源之一，變廢為寶，必將帶來良好的經濟效益和社會效益。

餐廚垃圾的主要處置方式有焚燒、填埋、飼料化和生物處理技術（袁玉玉等，2006）。焚燒、填埋餐廚垃圾會導致大量有機物的浪費，同時還會因燃燒不充分而產生二噁英等，造成環境的二次污染。許多國家和地區（如美國、歐盟、韓國和日本等）已經嚴禁將餐廚垃圾進行填埋和焚燒處置（Kim et al.，2008）。另外，飼料化技術處理餐廚垃圾很難保證將餐廚垃圾中的動物源成分徹底轉化，可能導致蛋白同源性污染問題（徐長勇等，2011）。因此，生物處理技術是現階段處理餐廚垃圾的主流工藝。常用的生物處理技術包括蚯蚓堆肥、好氧堆肥、生物柴油技術、厭氧發酵產氣，其中，厭氧發酵產氣不僅實現了餐廚垃圾減量化、資源化和無害化，而且能夠獲得甲烷和氫氣等能源。氫氣是最清潔高效的能源，被認為是21世紀最具應用價值的可再生能源之一（Benemann，1997；周俊虎等，2007）。

目前，國內外許多學者對餐廚垃圾厭氧產甲烷進行了大量的試驗，Neves et al.（2004）研究了不同接種物對餐廚垃圾厭氧發酵產甲烷的影響；段妮娜等（2013）采用完全混合式反應器，在半連續運行的狀態下，考察了停留時間為20 d的脫水污泥和餐廚垃圾混合干法厭氧消化產甲烷的情況；蔡瑋瑋等（2013）研究了接種比例對酒糟與餐廚垃圾混合厭氧發酵產沼氣的影響；林云琴等（2011）采用中溫單相間歇式厭氧消化工藝，對造紙污泥和餐廚垃圾進行混合厭氧消化產甲烷。然而，目前對餐廚垃圾厭氧發酵產氫的試驗研究較少。雖然餐廚垃圾等混合底物厭氧發酵產氫過程可行，但影響因素較復雜，其中pH是影響微生物厭氧產氫過程中最重要的因素之一。因此，本研究以長沙市聯合餐廚垃圾處理廠的蒸煮餐廚垃圾為底物，利用餐廚垃圾聯合剩余污泥厭氧發酵產氫，探討在餐廚垃圾與剩余污泥質量混合比為4∶1的條件下，pH對餐廚垃圾厭氧發酵產氫的影響。

1 材料與方法

1.1 材料來源及基本特性

接種物取自湘潭市河西污水處理廠二沉池的剩余污泥，將取回的污泥于常溫下靜置分層60 min，棄去上層清液后置于4 ℃冰箱中保存備用，作為天然產氫菌源；底物取自長沙市聯合餐廚垃圾處理廠經高溫蒸煮的餐廚垃圾（可認為無菌），在室溫下冷卻后，置于4 ℃冰箱中保存備用。經測定，餐廚垃圾和剩余污泥的特性如表1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝置及儀器

試驗采用自行設計的小型序批式反應裝置，如圖1所示。采用有效容積為100 mL的厭氧發酵瓶作為反應容器；通過恒溫磁力攪拌水浴鍋控制厭氧反應溫度，保持在37 ℃，同時加入B310磁力轉子，調節轉速120 r·min-1，底物與接種物質量比為4∶1，總質量為60 g，用氮氣吹脫3 min保持發酵體系的厭氧環境。

圖1 發酵產氫實驗裝置示意圖Fig.·1 Experimental configuration of hydrogen production fermentation

1.2.2 測定方法

氣相組分由氣相色譜儀（GC-9790，浙江福立分析儀器有限公司）測定，采用熱導檢測器（TCD），色譜柱為1 m×3 mm的TDX-01，進樣器溫度為120 ℃，檢測器溫度為120 ℃，柱溫為80 ℃，以高純氬氣為載氣，流量為30 mL·min-1。采用外標法定量分析氣體中各組分的含量，所產生的氣體采用排水法收集和計量。

發酵液組分采用安捷倫1200Infinity LC液相色譜儀測定，以10 mmol·L-1磷酸二氫鈉溶液和甲醇溶液混合（體積比78∶22）作為流動相，檢測器為二極管陣列，XDB-C18色譜柱規格為150 mm×4.6 mm×5 μm，波長為210 nm，流速為1.00 mL·min-1，柱溫為30 ℃，進樣量為10 μL。

氣體體積采用排飽和食鹽水法測定；可溶性化學需氧量（SCOD）、總有機碳（TOC）、總固體（TS）、揮發性固體（VS）、總磷（TP）、總氮（TN）的測定參照國家標準方法（魏復盛，2002）；脫氫酶活性的測定采用TTC-脫氫酶活性檢測方法（周春生等，1996）。

2 結果與分析

2.1 pH對產氣量的影響

pH是影響餐廚垃圾厭氧發酵產氣過程中最重要的因素之一，產氣量是厭氧發酵過程中一個重要參數，能直觀地反映厭氧發酵系統的產氣性能，是判斷厭氧發酵過程好壞的重要依據。不同初始pH值對蒸煮餐廚垃圾厭氧發酵產氫量的影響如圖2所示；初始pH為9.0時，整個厭氧發酵過程中產氣量與pH隨時間的變化如圖3所示。

圖2 pH對產氫量的影響Fig.·2 Influence of pH on hydrogen production

表1 餐廚垃圾和剩余污泥的特性Table 1 Characteristics of kitchen waste and residual sludge

圖3 pH與產氣量的變化Fig.·3 Variation of pH and gas production

由圖2可知，隨著初始pH的增加，產氫量呈現先增加后降低的趨勢。在初始pH為9.0時，發酵產生的氫氣總量最多，達371 mL。這表明較低或者較高的pH均不利于產氫菌發酵產氫，可能是因為pH的提高增強了產氫酶的活性，產氫菌群占據優勢（陳琛等，2011）；同時加快了底物中大分子有機物的水解、酸化速率，為產氫菌產氫提供了充足的營養物質（趙明星等，2009）；但過高的初始pH會引起微生物結團，影響傳質過程和可溶性有機物的吸收（肖本益等，2009）。初始pH 在5.0~11.0范圍內，發酵初期（0~8 h），產氫量較少，此時產氫菌處于停滯期；8~24 h，產氫菌處于對數生長期，新陳代謝旺盛，產氫量迅速增加；24~28 h，產氫速率較為平緩、穩定，產氫菌處于穩定期；28 h以后，厭氧發酵產氫量幾乎為零。由此可見，厭氧發酵過程產氫量的積累趨勢與微生物生長繁殖各階段的趨勢一致。

由圖3可知，在初始pH為9.0時，隨著發酵的進行，pH逐漸降低，0~8 h，pH迅速由9.0下降至6.73，這可能是因為在堿性條件下底物中的大分子有機物迅速水解、酸化產生大量可溶性機物造成的；8~24 h，發酵液中pH在6.73~5.94之間，此時產氣量和產氫量顯著增加，分別增加了425 mL和253.5 mL，12~16 h內氫氣占總氣體體積的80.5%，可能是因為此時產氫菌體內GAD、DHA等酶活性較強，產氫菌群處于優勢地位；28~36 h，揮發性有機酸的大量積累導致pH降到6.0以下，從而抑制產氫菌的活性，使產氫速率減慢。在整個發酵產氣過程中，總產氣量和總產氫量分別為748 mL和371 mL，平均產氣速率和產氫速率分別為20.7 mL·h-1和10.3 mL·h-1，單位產氫量（以VS計）為72.9 mL·g-1。因此，pH對微生物厭氧發酵影響較大，過高或過低的pH可能不利于微生物的生長與繁殖，導致厭氧發酵產氫效率降低。

2.2 pH對VFA組分與比產氫速率的影響

VFA是厭氧發酵過程中有機質水解酸化的重要產物，同時也是產氫菌的底物，影響著厭氧發酵產氫過程。隨著餐廚垃圾水解酸化過程的進行，pH下降迅速，大量VFA產物積累，發酵初期pH下降迅速（圖3）。根據末端代謝產物的組成，可將發酵類型分為丁酸型發酵產氫、乙醇型發酵產氫、丙酸型發酵產氫和混合酸型發酵產氫。不同發酵類型主要由厭氧發酵系統中優勢菌群決定。厭氧發酵系統中存在多種微生物，每種微生物對外界環境的耐受性不同，因此在特定環境條件下，不同優勢菌群會造成不同產物的大量產生。

丁酸型發酵制氫的菌類主要是一些厭氧菌和兼性厭氧菌，主要優勢種群是梭菌屬（Clostridium），如丁酸梭狀芽孢桿菌（C.butyricum）等。丁酸型發酵產氫過程的末端產物主要是丁酸、乙酸、H2、CO2和少量丙酸。許多可溶性的碳水化合物（如葡萄糖、蔗糖、淀粉等）以丁酸型發酵為主。這些物質在嚴格的厭氧細菌或兼性厭氧菌的作用下，經過三羧酸循環生成丙酮酸，丙酮酸在丙酮酸鐵氧還蛋白氧化還原酶催化作用下脫酸，羥乙基結合到酶的TPP上，生成乙酞輔酶A，脫下的氫使鐵氧還蛋白還原，而還原型鐵氧還蛋白在氫化酶的作用下被還原同時釋放出H2（秦智等，2004；丁杰等，2004）。由圖4可知，在初始pH為9.0時，乙酸和丁酸是揮發性酸中主要的組成部分，占總揮發性酸的80%以上，同時含有少量的丙酸。由此可見，產氫過程屬于典型的丁酸型發酵。隨著發酵時間的延長，發酵底物中丁酸比例先增大后減小，乙酸比例先減小后增大。其中，丁酸/乙酸的值可以作為衡量產氫效率的一個重要指標，其比值越大，產氫速率越快（Van et al.，2002；Hawkes et al.，2002）。在整個厭氧發酵的過程中丁酸/乙酸的值先增大后變小，其比值范圍在0.9~2.1之間，當發酵進行到16 h時丁酸/乙酸為2.1，此時丁酸/乙酸的值顯著高于其他時間段，單位比產氫速率（以VS計）最高，達3.77 mL·h-1·g-1。本試驗表明丁酸與乙酸的比值確實可以作為衡量產氫效率的重要指標。

圖4 厭氧發酵過程VFA組分與比產氫速率的變化Fig·4 Variation of VFA composition and hydrogen production rate during anaerobic fermentation

2.3 pH對產氫速率與脫氫酶活性的影響

脫氫酶是能量代謝過程中氫釋放的最后限速酶系。與非產氫細菌相比，產氫微生物存在著特殊的氫代謝系統，其中脫氫酶在產氫代謝過程中發揮著重要作用（李秋波等，2006）。脫氫酶活性的高低以及表達周期的長短直接影響產氫細菌的能量代謝，從而影響氫氣的釋放速度和產量。在初始pH為9.0的整個厭氧發酵過程中，脫氫酶活性及產氫速率的變化如圖5所示。

圖5 厭氧發酵過程中產氫速率與脫氫酶活性的變化Fig.·5 Variation of Hydrogen production rate and Enzyme activity during anaerobic fermentation

pH的波動會導致細胞膜電荷的改變，影響微生物對營養物質的吸收，同時也會影響酶的活性，pH過高或過低都會影響微生物的生長和繁殖（鄭育毅等，2015）。由圖3可知，初始pH 9.0時，隨著發酵的進行，pH逐漸降低，0~4 h，pH由9.0降至7.48，此階段產氫酶的活性較低，產氫速率為零，可能是因為此環境下的pH不利于產氫菌吸收營養物質和新陳代謝；在4~16h，pH為中性偏酸性，產氫酶活性較高，產氫速率快，此環境下的pH可能有利于產氫菌的生長與繁殖。由圖5可知，在初始pH 9.0的整個厭氧發酵產氫過程中，脫氫酶的活性先增強后減弱，產氫速率先增大后減小，發酵反應進行到16 h時，脫氫酶的活性最強，此時產氫速率最大，達19.2 mL·h-1。可能是因為隨著發酵反應的進行，微生物的生長繁殖較為旺盛，相應的脫氫酶活性隨之增強；當發酵到28 h左右，由于發酵系統中的原料消耗，并伴隨VFA的大量積累，對產氫微生物的危害較大，不利于產氫微生物的新陳代謝，因此脫氫酶活性迅速下降，相應的產氫速率也下降；發酵36 h左右脫氫酶活性較弱，厭氧發酵產氫過程基本停滯。由此可見，在初始pH 9.0時，產氫階段產氫速率和脫氫酶活性呈現正相關規律。

2.4 pH對發酵底物中VS與TS的影響

厭氧發酵過程中，可降解物質在微生物的作用下逐漸被消耗，而可生物降解的成分大多以揮發性固體的形式存在。試驗探討初始pH為9.0時餐廚垃圾厭氧發酵產氫過程中發酵底物中TS和VS的變化，結果如圖6所示。

圖6 厭氧發酵過程中底物VS與TS的變化Fig.·6 Variation of VS or TS during anaerobic fermentation

由圖6可知，初始pH為9.0的整個厭氧發酵過程中，底物VS和TS含量均呈下降趨勢；8~24 h，底物中VS和TS的去除率效果較好，可能是因為此時的微生物代謝比較旺盛，水解產氫效果好，底物中的有機物消耗量大；24 h之后的厭氧發酵過程中，VS和TS的去除效果不佳，可能是24 h之后發酵系統中的營養物質被消耗殆盡，不利于微生物的新陳代謝，微生物的生長處于衰亡期。整個發酵過程中，VS與TS的去除率與產氫量呈正相關，即產氫量越多，去除率越高。隨著發酵的進行，VS和TS去除率逐漸增大，分別達到34.4%和26.6%?？赡苁菂捬醢l酵過程中，水解細菌、產酸細菌、產氫發酵細菌利用了底物中的固體有機物產生大量的氣體，使得有機物總量減少。由此可見，厭氧發酵可以實現餐廚垃圾減量化并提高產氫效率。

2.5 pH對發酵底物中SCOD濃度的影響

圖7 厭氧發酵過程中底物SCOD的變化Fig.·7 Variation of SCOD during anaerobic fermentation

SCOD的變化可用于表征體系中VS的去除效果，發酵過程中餐廚垃圾中的顆粒性有機物逐漸被轉化為可溶性有機物。由圖7可知，餐廚垃圾和剩余污泥體系的SCOD質量濃度較高，達57.1 g·L-1。厭氧發酵在16 h時，SCOD達到最大值，為62.4 g·L-1，這表明餐廚垃圾中的VS被分解為可溶性化合物并進一步被轉化為揮發性脂肪酸。發酵液中的SCOD一般由VFA及其他水解產物（溶解性蛋白質、碳水化合物等）組成，36 h時，體系中VFA/SCOD（將VFA折合成SCOD）比值為68.3%，VS的質量不變，這可能是由于VFA的大量積累對微生物產生了毒害作用，阻礙了產氫微生物的新陳代謝。本研究結果與Yu et al.（2008）研究的顆粒性有機物的減少可以通過SCOD的變化來表征相似。

3 結論

（1）以蒸煮餐廚垃圾為發酵底物，接種污水處理廠剩余污泥進行厭氧發酵產氫。初始pH為9.0時，發酵產生的氣體和氫氣總量最大，分別達748 mL和371 mL，在發酵過程中氫氣的體積分數最高可達80.5%，平均產氣速率和產氫速率分別為20.7 mL·h-1和10.3 mL·h-1，單位產氫量（以VS計）為72.9 mL·g-1。因此，pH對微生物的新陳代謝影響較大，過高或過低的pH不利于微生物的生長與繁殖。

（2）發酵過程中乙酸和丁酸是揮發性酸中主要的組成部分，占總揮發酸的80%以上，同時含有少量的丙酸，屬于典型的丁酸型發酵；初始pH為9.0時，隨著發酵的進行，丁酸/乙酸的值在0.9~2.1范圍內，發酵進行到16 h時丁酸/乙酸達到最大（2.1），此時的單位比產氫速率（以VS計）最高，達3.77 mL·h-1·g-1。這表明丁酸/乙酸的值越大越有利于厭氧發酵產生氫氣。

（3）初始pH為9.0的整個厭氧發酵產氫過程中，脫氫酶的活性呈現先增強后減弱的趨勢，且產氫速率與脫氫酶的活性呈正相關，發酵反應16 h時，脫氫酶的活性最強，此時產氫速率最大，為19.2 mL·h-1。因此，初始pH為9.0時，產氫階段產氫速率和脫氫酶活性呈現正相關規律。

（4）整個厭氧發酵過程中底物VS和TS含量均呈下降趨勢。VS和TS的去除率與發酵過程中產氫量的變化基本一致，且隨著發酵的進行，VS和TS去除率逐漸增大，最大去除率分別達到34.4%和26.6%，這說明厭氧發酵可以實現餐廚垃圾減量化并提高產氫效率。

BENEMANN J.1997. Hydrogen Biotechnology: Prospects [J]. Nature Biotechnology, 14: 1101-1103.

HAWKES F R, DINDALE R, HAWKES D L, et al. 2002. Sustainable fermentative biohydrogen: challenges for process optimization [J]. International journal of hydrogen energy, 27: 1339-1347.

YU G H, HE P J, SHAO L M, et al. 2008. Toward understanding the mechanism of improving the production of volatile fatty acids from activated sludge at pH 10.0 [J]. water research, 42: 4637-4644.

KIM J K, HAN G H, OH B R, et al. 2008. Volumetric scale-up of a three stage fermentation system for food waste treatment [J]. Bioresource Technology, 99(10): 4394-4399.

NEVES L, OLIVEIRA R, ALVES M M. 2004. Influence of inoculum activity on the bio-methanization of a kitchen waste under different waste/inoculum ratios [J]. Process Biochemistry, 39(12): 2019-2024.

VAN GINKEL S, SUNG S, LAY J J. 2002. Biohydrogen production as a function of pH and substrate concentration [J]. Environmental Science & Technology, 35: 4726-4730.

蔡瑋瑋, 張笑, 王利紅, 等. 2013. 接種比例對酒糟與餐廚垃圾混合厭氧發酵產沼氣的影響[J]. 環境工程, 31(2): 99-103.

陳琛, 劉敏, 陳瀅. 2011. pH對熱處理污泥厭氧發酵產氫的影響[J]. 環境科學與技術, 34(4): 163-167.

崔亞偉, 陳金發. 2006. 廚余垃圾的資源化現狀及前景展望[J]. 中國資源綜合利用, 24(10): 31-32.

丁杰, 任南琪, 劉敏, 等. 2004. Fe和Fe2+對混合細菌產氫發酵的影響[J].環境科學, 25(4): 48-53.

段妮娜, 董濱, 李江華, 等. 2013. 污泥和餐廚垃圾聯合干法中溫厭氧消化性能研究[J]. 環境科學, 34(1): 321-327.

李秋波, 邢德峰, 任南琪, 等. 2006. C/N比對嗜酸細菌X-29產氫能力及其酶活性的影響[J]. 環境科學, 27(4): 810-814.

林云琴, 王德漢, 李慶, 等. 2011. 造紙生化污泥和餐廚垃圾混合厭氧消化實驗[J]. 中國造紙, 30(2): 29-33.

秦智, 任南琪, 李建政. 2004. 丁酸型發酵產氫的運行穩定性[J]. 太陽能學報, 25 (1): 46-50.

王延昌, 袁巧霞, 謝景歡, 等. 2009. 餐廚垃圾厭氧發酵特性的研究[J].環境工程學報, 3(9): 1677-1682.

魏復盛. 國家環境保護總局水和廢水監測分析方法編委會. 2002. 水和廢水監測分析方法[M]. 第4版. 北京: 中國環境科學出版社.

肖本益, 魏源送, 劉俊新. 2004. 微生物發酵產氫的影響因素分析[J]. 微生物學通報, 31(3): 130-135.

徐長勇, 宋薇, 趙樹青, 等. 2011. 餐廚垃圾飼料化技術的同源性污染研究[J]. 環境衛生工程, 19(1): 9-10.

袁玉玉, 曹先艷, 牛冬杰, 等. 2006. 餐廚垃圾特性及處理技術[J]. 環境衛生工程, 14(6): 46-49.

袁玉玉. 2007. 餐廚垃圾厭氧發酵制氫添加劑作用研究[D]. 上海: 同濟大學.

趙明星, 嚴群, 阮文權, 等. 2009. 堿處理對廚余垃圾厭氧發酵產氫的強化研究[J]. 安全與環境學報, 9(5): 88-91.

鄭育毅, 林 鴻, 羅鴻信, 等. 2015. 污泥與餐廚垃圾聯合厭氧發酵產氫余物產甲烷過程底物指標變化[J]. 環境工程學報, 9(1): 425-430.

周春生, 尹軍. 1996. TTC-脫氫酶活性檢測方法的研究[J]. 環境科學學報, 16(4): 400-405.

周俊虎, 戚峰, 程軍, 等. 2007. 秸稈發酵產氫的影響因素研究[J]. 環境科學, 28(5): 1153-1157.

Effect of pH on hydrogen production during anaerobic fermentation of kitchen waste [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(4): 687-692.

YUAN Yuzhen, XIAO Liping, LIU Chuanping, DOU Fei. 2017.

Effect of pH on Hydrogen Production during Anaerobic Fermentation of Kitchen Waste

YUAN Yuzhen1,2, XIAO Liping1*, LIU Chuanping2, DOU Fei2
1. Department of Environmental Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;
2. Guangdong Institute of Eco-Environmental Science & Technology, Guangdong Key Laboratory of Integrated Agro-Environment Pollution Control and Management, Guangzhou 510650, China

Due to the characteristics of kitchen waste such as high moisture content, high organic matter content, and easily for decomposition, inappropriate management of kitchen waste can cause a waste of resources and pollution to the environment. More and more attention has been paid to the reduction, harmlessness and recycling treatment of kitchen waste in recent years. In order to reduce the kitchen waste as well as produce clean energy such as hydrogen gas, the effect of pH on hydrogen production during anaerobic fermentation of steamed kitchen waste was investigated in a sequencing batch anaerobic fermentation reactor inoculated with residual sludge from wastewater treatment plant, with a substrate/inoculum ratio of 4/1 and an inoculation temperature of 37 ℃. Butyric acid and acetic acid were the most important components in the substrate, which accounted for more than 80% of the total volatile acid, and there was only a small amount of propionic acid. This suggested that it was a typical type of butyric acid fermentation process. The results showed that the optimized initial pH was 9.0, which lead to the maximum cumulative gas production rate of 748 mL and the maximum hydrogen production quantity of 371 mL. In the whole process of anaerobic fermentation, the highest hydrogen volume fraction was up to 80.5%, and the average hydrogen production rate and unit capacity of hydrogen (VS) was 10.31 mL·h-1and 72.9 mL·g-1, respectively. The removal rate of VS and TS was up to 26.6% and 34.4%, respectively. The activity of dehydrogenase increased during 0~16 h and then decreased gradually over time, which was positively related to the hydrogen production when the initial pH was 9.0. The highest activity of dehydrogenase was detected at 16 h, when the maximum hydrogen production rate was achieved as 19.2 mL·h-1. Therefore, the efficiency of hydrogen production from anaerobic fermentation of kitchen waste can be improved by adjusting the initial pH, which can provide useful information for the application of clean energy production during reduction of the kitchen waste.

kitchen waste; anaerobic fermentation; hydrogen production; pH

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.021

X705

A

1674-5906（2017）04-0687-06

袁雨珍, 肖利平, 劉傳平, 竇飛. 2017. pH對餐廚垃圾厭氧發酵產氫過程的影響[J]. 生態環境學報, 26(4): 687-692.

湖南省自然科學基金項目（13JJ202431270546）

袁雨珍（1987年生），女，碩士，研究方向為固體廢物資源化利用新技術。E-mail: msyzyuan@soil.gd.cn

*通信作者：肖利平，副教授。E-mail: 75601003@qq.com

2016-12-06