餐廚垃圾水解酸化菌種比選小試

李勛耀

1 試驗目的

基于餐廚垃圾現有工藝中，預處理車間不可避免的產物產量大，填埋成本大的原因，進行擠壓渣的減量化試驗，減少擠壓渣的處理成本或綜合利用。

2 試驗方法

餐廚垃圾主要成分包括米和面粉類食物殘余、蔬菜、動植物油、肉骨等，從化學組成上，有淀粉、纖維素、蛋白質、脂類和無機鹽。擠壓渣主要是油、水、果皮、蔬菜、米面、魚、肉、骨頭、毛發以及廢餐具、塑料、紙巾、牙簽、玻璃等多種物質的混合物。擠壓渣的含水率在65～80%，VS值在60～75%，因此，有機物占總重的20%左右。

本實驗選擇微生物處理法，生物處理系統去除有機物最重要的機理是細菌代謝。代謝涉及對有機物作為能源或碳源的利用。當有機物被利用作能源時，其被分解為穩定的最終產物，這一過程稱為分解代謝。有機物被轉變結合為細胞質的過程稱為合成代謝。合成代謝是耗能過程，僅僅當同時發生分解代謝供給細胞物質合成所需的能量時才可能進行。分解代謝和合成代謝是互相依賴、同時發生的兩個過程。微生物主要的生物代謝為：1）、氧化代謝；2）、發酵代謝；3）、合成代謝。

2.1 發酵代謝（厭氧產氣法）

2.1.1 實驗原理

有機物發酵分解代謝發生在缺乏氧化劑的條件下，這種情況發生分解代謝沒有電子轉移。厭氧消化過程是產生甲烷的過程，甲烷是最具還原態的化合物。從這種意義上講，厭氧發酵是進行最徹底的發酵過程，伴隨著產生甲烷，也形成最具氧化態的化合物-二氧化碳。對有機物CxHyOz，厭氧發酵過程可以寫成：

CxHyOz+（4x-y-2z）/4H2O→（4x-y+2z）/8CO2+（4x+y-2z）/8CH4

在厭氧條件下，將污水中的復雜質轉化為沼氣，需要多種不同微生物種群的作用。Gujer和Zehnder（1983）描述了蛋白質、碳水化合物和脂類厭氧降解步驟的圖式（見下圖1）。據圖，顆粒有機物降解為甲烷的過程包括六個步驟。1）生物多聚物的水解階段；2）產酸作用階段；3）β-氧化階段；4）乙酸化階段；5）同型產乙酸階段；6）甲烷化階段。

圖1 復雜大分子的厭氧消化反應順序

其中比較重要的一個階段為（1）生物多聚物的水解階段。大分子有機物分子量大，不能透過細胞膜直接為細菌利用。在水解階段，它們被細菌胞外酶分解為小分子，這些小分子的水解產物能夠溶解于水并透過細胞膜為細菌所利用。這一過程由發酵細菌所分泌的胞外酶參與。碳水化合物（纖維素、半纖維素、淀粉、果膠等糖類）、蛋白質、脂肪、核酸等大分子物質，分別被不同的微生物水解成單糖（和雙糖）、多肽（然后氨基酸）、多元醇、長鏈脂肪酸、甘油、嘧啶和嘌呤堿基等，同時還產生H2和CO2。

水解過程通常較緩慢，因此認為是大分子有機物或懸浮物厭氧降解的限速階段。多種因素可能影響水解除速率和水解程度，如：水解溫度、有機質在反應器內的停留時間、有機質的組成、有機質顆粒的大小、PH值、氨的濃度、水解產物（如揮發性脂肪酸）的濃度、胞外酶能否有效接觸到底物，對水解速率的影響很大。

其中，雖然甲烷的生長溫度很廣，但不同溫度類型的產甲烷菌存在一個很窄的最適宜的溫度范圍，并存在一最大值。這也是甲烷對溫度十分敏感的原因。在達到最大值之后，產甲烷菌的活性下降規律與上升階段是不對稱的，即存在一個突降，這使得在高溫菌群和中溫菌群之間的交匯處出現低谷，這是由雙鋒曲線所造成。如圖2。

圖2 幾種產甲烷菌在不同溫度下的產甲烷活性

2.1.2 總固體（TS）的測定

將瓷坩堝洗滌后在105℃烘箱烘1h，取出瓷坩堝于干燥器中冷卻，瓷坩堝降溫至室溫后稱重。重復以上操作至瓷坩堝稱量恒重，數據記為ag；取m1克試樣（約25ml或1～2g污泥），置于坩堝，如果樣品為污泥可將其與坩堝一起稱重并記作bg。然后將樣品的坩堝放入干燥箱，在105℃±2℃下干燥至恒重，干燥后的瓷坩堝與干料總重記作cg。結果計算公式：TS=（c-a）/（b-a）×100%。

2.1.3 實驗條件

根據實驗原理，初步對溫度選為35℃，初始PH值調整為中性。

2.1.4 實驗步驟

1）取適量當天鮮料，物料先經過高壓鍋加壓處理（120℃，加壓20min），按重量分裝。

2）配制適量重量比為5%的紅糖水（加熱燒開）。

3）按照實驗的干料比，稱量菌種于錐形瓶中，并加入10～20ml5%的紅糖水。

4）把加有紅糖水的菌種放置在40℃水浴中恒溫30min以上。

5）將恒溫后的菌種對應加入到填裝好的渣料中，并放置在35℃水浴鍋中發酵。每天及時補充水浴鍋的水，按時測量發酵后的總固體含量。

2.1.5 厭氧實驗及數據

擠壓渣水解試驗-厭氧產氣小試水解率曲線圖

厭氧小試總共進行8組試驗，在相同實驗、相同菌種投加量的條件下，定性試驗擠壓渣的水解率。從8組的水解率看，整體水解效果不佳，最高為第7號的值37.17%，且與5號空樣（不加菌）的值相同，說明菌種對擠壓渣的水解效果不好。

2.1.6 實驗結果

根據水解率的曲線圖，整體水解率不高，初步判斷為菌種對擠壓渣水解不適應，或者是反應時間充足。同時考慮到工程實用上，反應時間比較長，罐體的體積比較大，投資成本高等因素，停止了厭氧產氣實驗。

2.2 氧化代謝（好氧實驗）

2.2.1 實驗原理

一般有機物的氧化還原反應可寫成：

CxHyOz+（4x+y-2z）/4O2→xCO2+y/2H2O

4e+4H++O2→2H2O

2.2.2 實驗條件

根據實驗原理，初步對溫度選為35℃，初始PH值調整為中性。

2.2.3 實驗步驟

1）取適量當天鮮料，物料先經過高壓鍋加壓處理（120℃，加壓20min），按重量分裝；

2）配制適量重量比為5%的紅糖水（加熱燒開）；

3）按照實驗的干料比，稱量菌種于錐形瓶中，并加入10～20ml5%的紅糖水；

4）把加有紅糖水的菌種放置在40℃水浴中恒溫30min以上。

5）將恒溫后的菌種對應加入到填裝好的渣料中，并放置在35℃水浴鍋中發酵。每天及時補充水浴鍋的水，按時測量發酵后的總固體含量。

2.2.4 好氧實驗及數據

經過反復試驗，及選用了3個公司7個品種的菌種、酶進行試驗，水解率都在40%以下。基于重復試驗的結果都不高，甚至出現負值，可能原因是：從反應原理看，減少重量主要來自于CO2的排放，及部發水分的揮發，主要的水分還是吸附在無機質里，因此能減去的重量有限；另外，由于渣料的顆粒大，取值不均也會產生影響。基于以上原因，采用測量TS及剩余總重計算總固的減少量來計算已經反應的有機物的量。

從以上的數據可以看出，公司提供的菌種試樣結果，對VS計算的有機物的去除量比較明顯，另外，采用沼液作為菌種的試樣的結果也比較穩定在40%～70%。采取沼液作為菌種，可以提高提出液的揮發酸及COD值，具體見表1。

擠壓渣水解試驗—好氧水解小試水解率曲線圖

2.2.5 實驗結果

從好氧試驗的水解率來比較，總體的水解率也不高，沒有明顯的結果。但是從VS計算的有機物減量來看，是有一定去除率。結合以上結果，自培菌種和沼液對擠壓渣的水解有效。

3 結論

對擠壓渣水解菌種的篩選試驗做出以下結論：

1）厭氧產氣的菌種篩選容易，但對于工程操作比較困難，如進料、排料對設備要求比較高，反應的時間比較長，設備的投資成本大，從減量化的目的出發建議不選用；

2）好氧實驗的菌種篩選關系到實驗的方法，從單純的好氧水解方式的試驗結果看，水解率不高，但是，反應時間比厭氧的短，基本在7天左右，產生的液體不多，反應容器體積不大，在工程上比較容易實現。由于水解率不高，分析可能由其他因素影響，采用VS計算有機物減量的方法來分析，得到自培的菌種對擠壓渣水解有很大的作用，同時，據現有的條件，采用沼液用為菌種也起到的去除效果。試驗的其他公司的產品，水解率及去除率不明顯。

基于以上的結論，及以減量化為目的，工程投資少易于實現等要求，建議選用沼液作為菌種，進厭氧罐前經過沼液進行提取，余渣經脫水后，進行烘干減量，烘干后的渣量可做肥或填埋。

參考文獻

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