不同負(fù)荷下餐廚垃圾與水稻秸稈共消化厭氧產(chǎn)氫研究

胡甜甜, 李 兵, 李哲璇, 石志華, 董志穎

不同負(fù)荷下餐廚垃圾與水稻秸稈共消化厭氧產(chǎn)氫研究

胡甜甜, 李 兵*, 李哲璇, 石志華, 董志穎

（寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211）

進(jìn)料負(fù)荷對(duì)餐廚垃圾與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程有重要影響. 以進(jìn)料負(fù)荷為影響因子, 設(shè)置溫度均為55℃的餐廚垃圾與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn), 其中進(jìn)料負(fù)荷(以VS計(jì))分別設(shè)置為(A)5kg·m-3·d-1、(B)10kg·m-3·d-1、(C)15kg·m-3·d-1, 分析厭氧產(chǎn)氫過(guò)程中產(chǎn)氣量、產(chǎn)氫速率、pH、VFAs、氨氮、SCOD等參數(shù)的變化. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: B組發(fā)酵底物產(chǎn)氣量最大, 為8664mL, 產(chǎn)氫速率也最大, 為748.3mL·h-1, 反應(yīng)過(guò)程中pH始終維持在5.5±0.1內(nèi), 是厭氧產(chǎn)氫的最佳范圍. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí), 各組VFAs、氨氮濃度分別為7292.46、8248.35、8558.24mg·L-1和544.48、754.31、1458.33mg·L-1. 同時(shí)各組SCOD濃度變化趨勢(shì)相似. 在研究范圍的最佳進(jìn)料負(fù)荷下, 進(jìn)行回流比分別為10%、30%、50%的實(shí)驗(yàn), 結(jié)果顯示30%回流比的產(chǎn)氫量最大, 為56039mL, 同時(shí)運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)穩(wěn)定性較好. 綜上所述, 進(jìn)料負(fù)荷為10kg·m-3·d-1, 30%回流比的餐廚垃圾與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫時(shí), 微生物活性較好, 能夠產(chǎn)生更多的氫氣. 這一結(jié)果可為餐廚垃圾資源化提供參考依據(jù).

餐廚垃圾; 水稻秸稈; 進(jìn)料負(fù)荷; 厭氧發(fā)酵; 產(chǎn)氫

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展, 餐廚垃圾產(chǎn)生量也與日俱增.“十二五”期間, 我國(guó)餐廚垃圾產(chǎn)生量達(dá)1.0×105t·d-1 [1], 到“十三五”末餐廚垃圾產(chǎn)生量達(dá)到1.5×105t·d-1, 預(yù)計(jì)“十四五”期間將達(dá)到2.6×105t·d-1. 餐廚垃圾具有高含水率、高有機(jī)質(zhì)、高鹽分、高油脂且易滋生病原菌的特點(diǎn). 餐廚垃圾若未得到及時(shí)的處理, 不僅造成資源浪費(fèi), 還會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生污染, 因此實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的資源化處理與利用是我國(guó)亟待解決的問(wèn)題. 厭氧發(fā)酵技術(shù)利用餐廚垃圾的特點(diǎn), 不僅能夠解決環(huán)境污染問(wèn)題, 同時(shí)還能提供生物能源. 反應(yīng)過(guò)程中罐體密閉, 可有效避免惡臭氣體散逸, 減少二次污染, 是高效處理餐廚垃圾的有效途徑之一[2]. 目前, 以單一的餐廚垃圾為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵, 容易造成厭氧消化系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)不均衡, 從而導(dǎo)致產(chǎn)氣性能降低, 甚至可能導(dǎo)致厭氧消化失敗. 水稻秸稈每年產(chǎn)量眾多, 直接燃燒是較為普遍的處理方式, 但燃燒時(shí)會(huì)造成土壤水分流失, 影響作物的質(zhì)量, 還產(chǎn)生嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題. 水稻秸稈是良好的厭氧發(fā)酵輔料之一, 其中豐富的纖維素、木質(zhì)素是微生物生長(zhǎng)的基料. 同時(shí)水稻秸稈的纖維素在厭氧發(fā)酵過(guò)程中與氨氮發(fā)生氨解反應(yīng), 可以提高秸稈的消化率. 因此, 將水稻秸稈與餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵可以提高系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)平衡穩(wěn)定性, 同時(shí)增加厭氧消化產(chǎn)氣量和有機(jī)轉(zhuǎn)化率[3], 是實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾和水稻秸稈減量化、資源化、無(wú)害化利用的有效方法之一. 李月寒等[4]將餐廚垃圾與剩余污泥厭氧發(fā)酵, 發(fā)現(xiàn)有機(jī)負(fù)荷率對(duì)厭氧發(fā)酵的影響僅次于pH. 張慶芳等[5]發(fā)現(xiàn)厭氧發(fā)酵中有機(jī)負(fù)荷可以直接反映有機(jī)物料與微生物之間的平衡關(guān)系, 是衡量發(fā)酵系統(tǒng)處理有機(jī)物能力的一個(gè)重要工藝參數(shù). 有研究發(fā)現(xiàn), 有機(jī)負(fù)荷率較低雖然利于反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行, 但較差的有機(jī)質(zhì)利用率增加了沼氣工程運(yùn)行成本, 降低了經(jīng)濟(jì)效益[6]. 有研究表明在厭氧產(chǎn)氫過(guò)程中, 添加適當(dāng)?shù)幕亓鞅瓤梢员Ｕ戏磻?yīng)器內(nèi)微生物維持在正常的水平, 加快產(chǎn)氫速率, 提高有機(jī)物的降解效率.

因此, 本研究通過(guò)逐步提高進(jìn)料負(fù)荷, 研究餐廚垃圾和水稻秸稈混合厭氧產(chǎn)氫過(guò)程中產(chǎn)氣量及產(chǎn)氫速率的變化規(guī)律, 通過(guò)分析厭氧反應(yīng)過(guò)程中各參數(shù)的變化情況, 為固體廢物資源化提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

餐廚垃圾采自寧波某大學(xué)食堂. 物料的性質(zhì)對(duì)生物處理過(guò)程、反應(yīng)器類型、運(yùn)行穩(wěn)定性、產(chǎn)品性質(zhì)等都有較大影響[7], 因此人工分揀去除骨頭、魚(yú)刺、筷子、塑料制品等難降解物, 用食物破碎機(jī)將餐廚垃圾打碎至糊狀, 粒徑為2～5mm. 將水稻秸稈晾干處理后, 利用粉碎機(jī)進(jìn)行充分破碎, 置于干燥器中待用. 餐廚垃圾與水稻秸稈按揮發(fā)性固體(VS)質(zhì)量比4:1進(jìn)行混合處理. 接種液為取自寧波某餐廚垃圾專業(yè)處理企業(yè)厭氧發(fā)酵罐中的發(fā)酵液. 發(fā)酵液經(jīng)高壓滅菌鍋100℃滅菌處理30min以滅活雜菌, 然后保存于4℃冰箱中待用. 原料、水稻秸稈及接種液的理化參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 餐廚垃圾、水稻秸稈、接種液的理化參數(shù)

注: TS為總固體; VS為揮發(fā)性固體; TC為總碳; TN為總氮.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)的厭氧發(fā)酵裝置如圖1所示. 采用若干個(gè)容積為250mL的血清瓶, 其有效容積為200mL, 瓶蓋采用特制的不銹鋼雙通蓋, 瓶蓋內(nèi)有橡膠墊圈密封, 以保證裝置的氣密性, 雙通蓋的兩個(gè)不銹鋼管嘴可以通過(guò)軟管連接, 方便收集反應(yīng)氣體和采樣. 實(shí)驗(yàn)時(shí)一根軟管插到反應(yīng)物料液面以下, 方便在反應(yīng)過(guò)程中進(jìn)行取樣, 另一根軟管連接1000 mL的集氣袋, 收集反應(yīng)過(guò)程中的氣體.

圖1 厭氧發(fā)酵裝置示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

物料配制好并經(jīng)過(guò)預(yù)處理后, 將物料與接種液按VS質(zhì)量比6:1進(jìn)行均勻混合. 設(shè)置進(jìn)料負(fù)荷(以VS計(jì))分別為(A)5kg·m-3·d-1、(B)10kg·m-3·d-1、(C)15kg·m-3·d-1. 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前依次向每個(gè)血清瓶中通入高純氮?dú)?min, 以排出瓶?jī)?nèi)的空氣, 然后接上集氣袋, 在另一根軟管上夾上止水夾. 王勇等[8]研究初始pH和溫度對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵制氫的影響發(fā)現(xiàn), 溫度為55℃的高溫厭氧發(fā)酵制氫產(chǎn)氣性能最佳. 本實(shí)驗(yàn)將所有血清瓶放置在恒溫振蕩器中振蕩, 將發(fā)酵溫度設(shè)置為55℃, 通過(guò)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)血清瓶中的混合物料進(jìn)行攪拌. 所有實(shí)驗(yàn)在相同條件下設(shè)計(jì)3組平行試樣. 參考相關(guān)文獻(xiàn)以及前期預(yù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程, 可知有機(jī)固體厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫階段的反應(yīng)時(shí)間約為48h, 間隔4h取樣, 分別進(jìn)行12次取樣.

1.4 分析方法

各參數(shù)檢測(cè)與分析方法見(jiàn)表2, 采用Excel 2019、Origin 2018等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理以及圖形的繪制與分析.

表2 各參數(shù)檢測(cè)與分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)料負(fù)荷對(duì)餐廚垃圾產(chǎn)氣的影響

產(chǎn)氣量是厭氧發(fā)酵過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù), 能直觀地反映厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能. 在不同進(jìn)料負(fù)荷下厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量如圖2所示. 隨進(jìn)料負(fù)荷的增加, 產(chǎn)氣量整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì). 在發(fā)酵的前16h各組產(chǎn)氣量明顯增加, B組16h產(chǎn)氣量最大, 為10750mL, 是C組的2.2倍, 說(shuō)明此時(shí)微生物的活性最強(qiáng). 16h后, A組、B組產(chǎn)氣量逐漸減少, C組產(chǎn)氣量快速減少. 36h, C組的產(chǎn)氣量減少為0, 可能是由于反應(yīng)過(guò)程底物的酸化程度超出微生物的承受范圍, 使系統(tǒng)崩潰.

圖2 厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氣量的變化規(guī)律

產(chǎn)氫速率是評(píng)價(jià)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行的重要指標(biāo), 可以有效反映物料的氣體轉(zhuǎn)換效率. 由圖3可知, 產(chǎn)氫速率與產(chǎn)氣量總體呈現(xiàn)出較為一致的規(guī)律, 各組產(chǎn)氫速率隨反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì). 在0～4h, 產(chǎn)氫速率不明顯, 可能是因?yàn)樵趨捬醢l(fā)酵初期, 微生物對(duì)于新的生長(zhǎng)環(huán)境有一段適應(yīng)過(guò)程[11]. 當(dāng)微生物適應(yīng)新的環(huán)境后, 新陳代謝速率逐漸旺盛, 同時(shí)底物中的大分子有機(jī)物水解、酸化為產(chǎn)氫菌提供充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[12], 產(chǎn)氫速率逐漸增大. 在16h時(shí), 各組產(chǎn)氫速率均達(dá)到峰值, B組產(chǎn)氫速率最大, 為1070.63mL·h-1,這個(gè)過(guò)程說(shuō)明產(chǎn)氫微生物逐漸成為優(yōu)勢(shì)種群[13]. 20h后, A組、B組產(chǎn)氫速率處于緩慢下降狀態(tài). 反應(yīng)結(jié)束時(shí), B組產(chǎn)氫速率是A組產(chǎn)氫速率的5倍. C組在16h后產(chǎn)氫速率逐漸下降, 在36h時(shí)產(chǎn)氫速率降為0. 由此可見(jiàn)進(jìn)料負(fù)荷對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫微生物影響較大, 適量的進(jìn)料負(fù)荷使系統(tǒng)產(chǎn)生更多的氫氣, 過(guò)高的進(jìn)料負(fù)荷不利于微生物的生長(zhǎng)或繁殖.

圖3 厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氫速率的變化規(guī)律

2.2 進(jìn)料負(fù)荷對(duì)pH值的影響

趙明星等[14]通過(guò)pH調(diào)控餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣量的研究發(fā)現(xiàn), 初始pH設(shè)置為6時(shí)產(chǎn)氣量最大. 因此本實(shí)驗(yàn)初始pH設(shè)置為6. pH是影響餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程的重要因素之一, 是判斷厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫進(jìn)行程度好壞的重要依據(jù). 不同進(jìn)料負(fù)荷在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程對(duì)pH的影響如圖4所示. 0～24h, A組、B組pH下降緩慢, 在24～28h, 兩組pH出現(xiàn)小幅度的上升, 這是因?yàn)閾]發(fā)性脂肪酸(VFAs)的分解使系統(tǒng)內(nèi)pH出現(xiàn)短暫的升高, 這一現(xiàn)象與大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同[15]. 28h后A組、B組出現(xiàn)小范圍的波動(dòng), 基本維持在5.5±0.1內(nèi). 這可能是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行, 可供微生物利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸變少, 導(dǎo)致系統(tǒng)pH下降緩慢. 在16～ 32h, C組pH下降最快, 由于底物中的大分子有機(jī)物在酸化過(guò)程中產(chǎn)生大量VFAs, 導(dǎo)致體系pH值快速降低. 在36h后, C組的底物下降速度開(kāi)始逐漸平緩, 說(shuō)明微生物的新陳代謝受到了嚴(yán)重抑制, 系統(tǒng)已經(jīng)崩潰. 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程的最佳pH為5.5, 此時(shí)足以抑制甲烷并穩(wěn)定產(chǎn)氫[16]. 厭氧發(fā)酵過(guò)程中在酸性、中性條件下, 發(fā)酵產(chǎn)物為丁酸, 堿性條件下主要為乙酸和丙酸[17]. 其中在丁酸發(fā)酵中, 以梭菌屬和脫硫弧菌屬為主[18].

圖4 厭氧發(fā)酵過(guò)程中pH的變化規(guī)律

2.3 進(jìn)料負(fù)荷對(duì)VFAs的影響

VFAs主要由乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等組成, 是厭氧發(fā)酵過(guò)程中大分子有機(jī)物水解酸化的重要中間產(chǎn)物, 是影響發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫效率與穩(wěn)定性的潛在抑制因子[19], 同時(shí)VFAs為微生物生長(zhǎng)提供碳源. 由圖5可知, 對(duì)于不同的進(jìn)料負(fù)荷, 餐廚垃圾與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的VFAs濃度變化是先增加后迅速下降再增加, 分別在24h和48h達(dá)到峰值. C組VFAs的峰值分別為9089和8820mg·L-1, 均高于A組、B組. 這是因?yàn)檫M(jìn)料負(fù)荷的增加, 使微生物在產(chǎn)酸階段產(chǎn)生更多的VFAs. 24h后各組VFAs濃度逐漸下降, 這可能是因?yàn)楫a(chǎn)氫微生物適應(yīng)新環(huán)境后, 通過(guò)消耗VFAs產(chǎn)生大量氫氣. 28h后, 各組VFAs濃度開(kāi)始逐漸上升. 在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中, 各組VFAs濃度始終是C組＞B組＞A組, 這說(shuō)明進(jìn)料負(fù)荷對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程的VFAs有較大的影響. 厭氧發(fā)酵過(guò)程中,發(fā)酵產(chǎn)氫的類型可分為乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫、丙酸型發(fā)酵產(chǎn)氫、丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫和混合型發(fā)酵產(chǎn)氫, 不同的發(fā)酵類型是由系統(tǒng)不同的優(yōu)勢(shì)種群決定的[20].

圖5 厭氧發(fā)酵過(guò)程中VFAs濃度的變化規(guī)律

2.4 進(jìn)料負(fù)荷對(duì)氨氮的影響

氨氮是衡量厭氧發(fā)酵是否正常運(yùn)行的重要指標(biāo)之一. 氨氮在消化液中主要有NH4+和NH3兩種形式, 它們可以互相轉(zhuǎn)化, 通常是通過(guò)調(diào)節(jié)pH來(lái)實(shí)現(xiàn)[21]. 圖6所示為不同進(jìn)料負(fù)荷下氨氮濃度的變化情況, 系統(tǒng)內(nèi)氨氮濃度整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì). 由于進(jìn)料負(fù)荷不同, 各組的氨氮濃度隨進(jìn)料負(fù)荷的增加而增加. 在4～8h, 各組的氨氮濃度快速增加, 原因可能是VFAs濃度較低, 不能及時(shí)緩解氨氮濃度增加的趨勢(shì). 12h后, A組、B組氨氮濃度穩(wěn)定增長(zhǎng), 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)B組濃度是A組的1.38倍. 在44h, C組氨氮濃度達(dá)到最大值, 為1486.33mg·L-1, 分別是A組、B組的2.6和1.9倍, 大量的進(jìn)料負(fù)荷使大分子物質(zhì)水解酸化時(shí)間延長(zhǎng). 反應(yīng)過(guò)程中, 氨氮濃度過(guò)高會(huì)對(duì)厭氧微生物產(chǎn)生毒害作用[22]. 一方面, 在厭氧發(fā)酵液中NH3擴(kuò)散穿過(guò)厭氧微生物的細(xì)胞膜, 到達(dá)厭氧微生物細(xì)胞內(nèi)部, 從而引起細(xì)胞內(nèi)外的離子不平衡, 導(dǎo)致Na+、K+大量外流, 使得細(xì)胞內(nèi)部Na+、K+缺乏; 另一方面, 進(jìn)入細(xì)胞的NH3會(huì)轉(zhuǎn)化成NH4+, 從而改變細(xì)胞內(nèi)部的pH, 使細(xì)胞失活, 甚至高濃度的氨氮會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中參與反應(yīng)的一些生物酶起到毒害作用, 使酶失活[23]. 因此, 適量的進(jìn)料負(fù)荷可使氨氮為發(fā)酵系統(tǒng)提供較好的穩(wěn)定性.

圖6 厭氧發(fā)酵過(guò)程中氨氮濃度的變化規(guī)律

2.5 進(jìn)料負(fù)荷對(duì)SCOD的影響

SCOD(溶解性化學(xué)需氧量)濃度的變化是發(fā)酵過(guò)程中顆粒性有機(jī)物逐漸被轉(zhuǎn)化為可溶性有機(jī)物的過(guò)程, 可用于表征體系中VS的去除效果. 由圖7可知, 各組SCOD濃度與進(jìn)料負(fù)荷呈正相關(guān), 這主要是由于進(jìn)料負(fù)荷越大, 底物中的有機(jī)質(zhì)含量越大, 使得SCOD濃度越高. 在12h和32h, 各組SCOD濃度出現(xiàn)兩個(gè)峰值, 其中C組峰值均最大, 分別為42681.35、47784.25mg·L-1.在不溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)物的同時(shí), 溶解性有機(jī)物也會(huì)被降解, SCOD濃度的上升說(shuō)明反應(yīng)體系內(nèi)不溶性有機(jī)物不斷被水解, 但溶解性有機(jī)物不能被及時(shí)降解[24]. 厭氧發(fā)酵過(guò)程中, 底物中的SCOD一般由VFAs、溶解性蛋白質(zhì)及碳水化合物等組成. 在32h后, 各組SCOD濃度快速下降, 這可能是因?yàn)閾]發(fā)性脂肪酸的累積對(duì)微生物產(chǎn)生毒害作用, 阻礙微生物的新陳代謝. 厭氧發(fā)酵各個(gè)反應(yīng)是連續(xù)、互相影響的, 一個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物成為下一個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)物, 各個(gè)反應(yīng)都需要不同類型的微生物參與. 如果其中某一反應(yīng)的環(huán)境條件變化或者微生物的活性受到抑制, 則上一階段的產(chǎn)物就會(huì)積累, 造成微生物中毒等現(xiàn)象, 使反應(yīng)中止[25]. 產(chǎn)氫過(guò)程結(jié)束后, A組SCOD濃度減少4421mg·L-1, B組SCOD濃度減少528mg·L-1, C組SCOD濃度增加22475 mg·L-1. 說(shuō)明進(jìn)料負(fù)荷對(duì)SCOD有較大的影響, 較低的進(jìn)料負(fù)荷可以提高SCOD的去除效果, 較高的進(jìn)料負(fù)荷會(huì)延長(zhǎng)大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可溶性小分子物質(zhì)的時(shí)間.

圖7 厭氧發(fā)酵過(guò)程中SCOD濃度的變化規(guī)律

2.6 最佳負(fù)荷下不同回流比對(duì)發(fā)酵過(guò)程累計(jì)產(chǎn)氣的影響

餐廚垃圾經(jīng)過(guò)水解、酸化、產(chǎn)氫后, 系統(tǒng)中氣體濃度達(dá)到一定值, 此時(shí)產(chǎn)氫階段的反應(yīng)會(huì)受到抑制, 但液相中仍有大量可利用的有機(jī)酸和產(chǎn)氫微生物, 若將部分厭氧消化液回流到厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中, 可提高有機(jī)物降解速率與系統(tǒng)緩沖能力. 因此, 在最佳進(jìn)料負(fù)荷10kg·m-3·d-1下, 研究不同回流比對(duì)發(fā)酵過(guò)程累計(jì)產(chǎn)氣的影響. 由圖8可知, 將厭氧發(fā)酵末端產(chǎn)物回流到系統(tǒng)中, 系統(tǒng)的產(chǎn)氫量出現(xiàn)大幅度的提高. 隨回流比的增大, 產(chǎn)氣量、產(chǎn)氫量均出現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì). 反應(yīng)結(jié)束時(shí), 30%回流比的產(chǎn)氫量分別比10%回流比、50%回流比的產(chǎn)氫量多32391、27435mL. 此時(shí)30%回流比的氫氣含量最大, 為45.71%. 當(dāng)回流比增加到50%時(shí), 系統(tǒng)中出現(xiàn)總產(chǎn)氣量、產(chǎn)氫量均減少的現(xiàn)象. 這是因?yàn)檩^高的回流比使底物中氨氮、VFAs及其他抑制厭氧微生物生命代謝的物質(zhì)大量積累, 對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)氣穩(wěn)定性產(chǎn)生影響. 反應(yīng)完成后, 50%回流比的產(chǎn)氫量比10%回流比的產(chǎn)氫量多4956mL, 這說(shuō)明回流比較高的液相回流, 使底物中的有機(jī)物更加有利于產(chǎn)氫微生物. 但是從實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)角度分析, 30%回流比的發(fā)酵底物更加有利于產(chǎn)氫, 而且系統(tǒng)也更加穩(wěn)定.

圖8 不同回流比對(duì)發(fā)酵過(guò)程累計(jì)產(chǎn)氣的影響

3 結(jié)論

將餐廚垃圾與水稻秸稈混合, 接種餐廚垃圾處理廠的發(fā)酵液進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫, 對(duì)發(fā)酵過(guò)程各參數(shù)進(jìn)行分析比較, 結(jié)論如下:

(1)進(jìn)料負(fù)荷對(duì)餐廚垃圾與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫及微生物活性有顯著影響. 在3組不同進(jìn)料負(fù)荷下, 進(jìn)料負(fù)荷為10kg·m-3·d-1時(shí)的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氫速率最大, 分別為8664mL和748.3mL·h-1, 此時(shí)微生物的活性也最佳.

(2)在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中, VFAs和pH有一定的相關(guān)性. 進(jìn)料負(fù)荷的增加使酸化階段產(chǎn)生的VFAs濃度增加, 此時(shí)底物中pH隨之降低. 當(dāng)進(jìn)料負(fù)荷增加到15kg·m-3·d-1時(shí), 底物中產(chǎn)生大量的VFAs, 使系統(tǒng)pH低于微生物的生長(zhǎng)范圍, 從而抑制微生物的活性. 說(shuō)明適量的進(jìn)料負(fù)荷有益于微生物生長(zhǎng), 進(jìn)料負(fù)荷超過(guò)微生物的承受范圍則會(huì)抑制微生物的活性, 甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰.

(3)在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中, 氨氮為系統(tǒng)提供了一定的堿度. 有機(jī)負(fù)荷越高, 氨氮濃度越高, 當(dāng)氨氮超過(guò)一定濃度時(shí)會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生抑制作用. 厭氧發(fā)酵過(guò)程中的有機(jī)負(fù)荷與SCOD呈正相關(guān), 在有機(jī)負(fù)荷高的情況下, SCOD的降解時(shí)間會(huì)受到一定的影響.

(4)進(jìn)料負(fù)荷為10kg·m-3·d-1時(shí), 回流比對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫促進(jìn)作用的順序?yàn)?0%＞50%＞10%, 回流比為30%時(shí)氫氣產(chǎn)量最大, 系統(tǒng)穩(wěn)定性最佳.

綜上所述, 通過(guò)對(duì)進(jìn)料負(fù)荷的優(yōu)化, 可在有效提高餐廚垃圾與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫潛力的同時(shí), 保證產(chǎn)氫系統(tǒng)快速、穩(wěn)定運(yùn)行, 使固體廢物資源化擁有廣闊的研發(fā)空間.

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Anaerobic hydrogen production by co-digestion of kitchen waste and rice straw under different loads

HU Tiantian, LI Bing*, LI Zhexuan, SHI Zhihua, DONG Zhiying

( School of Civil and Environmental Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

The feed load has an important effect on hydrogen generation in the anaerobic fermentation process of kitchen waste and rice straw. In the hydrogen production experiment with feed load as influence factor and setting temperature to 55℃, and the load ( calculated as VS ) is made of (A) 5kg·m-3·d-1, (B) 10kg·m-3·d-1, and (C) 15kg·m-3·d-1. The changes are analyzed of gas production, hydrogen production rate, pH, VFAs, ammonia nitrogen, SCOD and other parameters in anaerobic fermentation of kitchen waste. The results show that group B achieved the outcome in which the largest gas production is 8664mL and hydrogen production rate is 748.3mL·h-1. The pH of reaction is always maintained at 5.5±0.1, being the best range of hydrogen production. In the final phase of the experiment, the concentrations of VFAs and ammonia nitrogen in each group are found to be 7292.46, 8248.35, 8558.24mg·L-1and 544.48, 754.31, 1458.33mg·L-1. The SCOD trend of each group is approximately the same. Under the optimal feed load with the previous setting, by conducting the experiments with the reflux ratio of 10%, 30% and 50%, the results show that 30% reflux ratio has the largest hydrogen production being 56039mL, and the system stability is good throughout the operation. In conclusion, when the feed load is 10kg·m-3·d-1, and 30% reflux ratio of kitchen waste and rice straw are mixed up with anaerobic fermentation for hydrogen production, the microbial activity is good and can produce more hydrogen, which can provide a reference for recycling kitchen waste as a useful resource.

kitchen waste; rice straw; feed load; anaerobic fermentation; production of hydrogen

2022?03?05.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

浙江省自然科學(xué)基金公益技術(shù)項(xiàng)目（LGF19E080006）; 國(guó)家住建部研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2018-K7-010）.

胡甜甜（1995－）, 女, 浙江寧波人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 固體廢棄物處理及水利工程. E-mail: hu－tiantian66@163.com

通信作者:李兵（1977－）, 男, 江蘇姜堰人, 副教授, 主要研究方向: 固體廢棄物處理及滲濾液處理. E-mail: libing@nbu.edu.cn

X705

A

1001-5132（2022）04-0073-07

（責(zé)任編輯 韓 超）