接種比對廚余垃圾干式厭氧發酵性能影響

秦丞志,張虹瑩,張 奇,劉青鑫,趙建偉,*,孫英杰

(1.青島理工大學 環境與市政工程學院,青島 266525;2.青島潔寶生態科技有限公司,青島 266113)

廚余垃圾是生活垃圾的重要組成部分,由餐廳垃圾、菜市場垃圾、家庭廚房垃圾等組成。如何妥善處理日益增長的廚余垃圾成為了當今世界面臨的重大挑戰。據聯合國環境署(UNEP)發布的《2021年食物浪費指數報告》預計,全球每年有1/3的食物被浪費,約為13 億 t,其中,中國家庭食物浪費量每年高達9164.62 萬 t[1]。廚余垃圾具有含水量高、有機物質含量豐富、容易出現腐爛變質等特點,如果不進行有效的處理和處置,可能會對環境造成許多有害影響[2]。厭氧發酵具有資源化、減量化和無害化的特征從而被認為是廚余垃圾處理的重要技術[3]。相較于厭氧濕式發酵(含固率<10%),厭氧干式發酵(含固率>15%)具有承受有機負荷能力高、沼液產量低、沼氣產量高、耗能少、操作簡單等特點[4],因此廚余垃圾厭氧干式發酵得到學者的廣泛關注。

厭氧發酵過程中,接種物為系統提供最初的微生物群,這些微生物群隨后將參與構成有機物降解過程的反應。它還含有幾種能積極影響酶活性和沼氣生產的大量營養素[5]。付龍云等[6]通過探究比較了10%,20%,30%和40%接種比(接種物與所有發酵物料的質量分數)對葉菜類尾菜厭氧發酵產沼氣性能的影響,結果發現接種比過低時(10%和20%),發酵中會出現丙酸乙酸大量累積、pH值驟降、酸堿平衡失調的“過酸化”現象;當接種比為30%和40%時最高沼氣日產量分別為2.95和3.17 L,累計產氣量分別為42.91和43.22 L,最高甲烷濃度分別為67.21%和67.33%。董姚君等[7]研究了不同接種量對芥菜渣厭氧消化產氣的影響,結果發現接種物量為50%的實驗組累計產氣量為1998.33 mL,最高甲烷含量為57.77%,明顯好于其他實驗組,是實驗中最適宜芥菜渣發酵的濃度。CRISTINA等[8]通過探究不同接種比條件下的接種污泥對豬漿厭氧消化的影響,結果發現當豬糞與接種污泥比值為1時,實驗組內產生的揮發性脂肪酸(VFA)能夠更加快速地被降解利用,使用更高的比例可能會因為VFA的積累而導致反應器失衡,造成“酸抑制”現象。接種物對廚余垃圾干式發酵和濕式發酵的影響存在顯著差異:①干式發酵系統內介質流動性差、物質的傳遞效率受限;②干式發酵系統內代謝產物易積累從而導致酸化現象。接種物混合比對廚余垃圾干式厭氧消化的影響鮮有探究,這阻礙了廚余垃圾干式厭氧消化技術的推廣與應用。

鑒于此,本文以廚余垃圾為發酵底物,在中溫條件下探究了接種比對廚余垃圾干式厭氧發酵產氣性能的影響并揭示相關機制。首先探究了不同接種比對廚余垃圾干式厭氧發酵日產氣及累計產氣性能的影響,隨后分析接種比對廚余垃圾干式發酵內關鍵運行參數的影響,最后比較了不同接種比對廚余垃圾內有機物生物轉化的影響并揭示了相關機制。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

接種污泥:取自青島某污水處理廠二沉池的剩余污泥,該污水廠主要采用缺氧/好氧工藝生物脫氮。取回后的接種污泥首先用不銹鋼網(2.0 mm)過濾后去掉上清液并靜置24 h進行濃縮。最后將濃縮后的污泥置于4 ℃冰箱內貯存備用。接種污泥的主要特征見表1。

表1 接種污泥與沼渣的理化性質

接種沼渣:取自青島某固體廢物處理廠(采用廚余垃圾為原料)厭氧消化罐出料,除去雜物后放在4 ℃冰箱中備用。沼渣的主要特征見表1。

表2為接種污泥和接種沼渣含固率測定參數。

表2 接種污泥與沼渣含固率測定參數

廚余垃圾:依據青島理工大學某學生餐廳廚余垃圾的成分人工配制廚余垃圾。具體配比如表3所示。

表3 人工配置廚余垃圾廚余垃圾主要組成(濕基) %

1.2 實驗裝置

實驗反應裝置為青島理工大學固體廢物與污染控制實驗室自制的小型厭氧反應器,由3個部分組成:500 mL錐形瓶、專用集氣袋和恒溫振蕩培養箱。將厭氧反應器放入恒溫振蕩培養箱中,反應溫度控制在35 ℃,反應器有效體積為0.5 L。發酵瓶用帶穿孔管的橡膠塞密封,穿孔管連接采樣氣袋。實驗裝置在組裝后需向瓶內通入N2,以排除發酵起始階段殘留O2對厭氧發酵反應的影響。

1.3 實驗方案

在整個發酵過程中,每隔24 h測定集氣袋中體積分數,每隔48 h測定反應器中VFAs以及氨氮的濃度。

1.4 監測指標與分析方法

氨氮參考《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度計法》(HJ 535—2009)[9]測定; pH值使用pH檢測儀測定;氣體體積采用抽氣法測定;含固率(TS)參考《生活垃圾采樣和分析方法》(CJ/T 313—2009)[10]測定;實驗過程中料液里的揮發性脂肪酸(VFAs)含量采用滴定法[11]測定;多糖采用硫酸苯酚法[12]測定。

2 結果與分析

2.1 接種比對產氣性能的影響

圖1為不同接種比對廚余垃圾干式厭氧消化日產氣的影響。需要注意的是除R2外,其他4組反應器皆只有2次產氣高峰。第1次產氣高峰出現的原因可能是由于廚余垃圾中的糖類、蛋白質等物質首先被快速酸化降解,隨著酸化作用不斷累積,系統pH降低,產甲烷菌的活性受到一定的影響,從而產氣量達到最大值后逐漸下降[13];而第2次產氣高峰的出現則是因為隨反應不斷進行,揮發酸不斷被消耗,產甲烷菌適應了所處的環境,活性又有所恢復。

由圖1可知,在發酵過程初期,相較于只添加接種污泥(R1)作為接種底物的反應器,其他4組的產氣峰值均出現在第2 d,分別為435.2,796.3,1104.3,801.3 mL,而只將污泥作為接種底物的反映組第1次產氣峰值則出現在第8 d,為601.5 mL。這可能是由于接種沼渣中厭氧微生物的活性比較高,能夠適應新的厭氧環境并進行厭氧發酵。而以接種污泥作接種底物的實驗組,產氣趨勢相對較為緩慢,可能是接種物含有的微生物群落、活性等有所差異,進而導致所具有的接種能力也有所差異[14]。

各實驗組厭氧發酵累計產氣量的變化情況如圖2所示,隨著時間的增長廚余垃圾厭氧消化的累計產氣量也隨之增加。累計產氣量的總體變化趨勢是先快速增長,接著增長速率逐漸減小,最后趨于穩定。5個實驗組在發酵2 d后的累計產氣量分別為36.0,754.0,1279.8,1618.0,1305.6 mL,此后,5個實驗組的累計產氣量差值逐步拉大,厭氧消化到達30 d后,R1累計產氣量值最低,為2027.9 mL。R2累計產氣量最高,達到3228.9 mL,比只添加污泥作為接種物的實驗組產氣量提升約59.22%。其次是R3和R4,分別為3020.2和3010.6 mL,相較于只接種污泥的實驗組累計產氣量提升約為48.93%和48.46%,兩組累計產氣量沒有較大差距。實驗組R5提升效果最差,累計產氣量為2453.3 mL,相較于只接種污泥的實驗組累計產氣量提升約20.98%。

由實驗結果可知,添加發酵沼渣為接種底物的實驗組累計產氣量明顯高于只添加污泥作為接種底物的實驗組。但隨著接種沼渣濃度的增高,累計產氣量呈現出先增加后減少的現象,這與袁存亮的研究結果[15]相同,接種沼渣占比量高時,產氣量低,是因為有機物質占比量相對減少導致營養物質不足。

2.2 接種比對pH的影響

不同接種比條件下的廚余垃圾厭氧發酵過程中的pH變化如圖3所示,各組pH變化呈現出先迅速下降后出現小幅度上升最后趨于穩定的趨勢。由圖3可知,在反應器運行階段初期,R1—R5中,R1的pH最低,隨著接種沼渣比重的增加,初始pH呈現先增加后下降的趨勢,這是由于接種沼渣含有高濃度的氨氮,使得反應器內的初始pH具有更高的水平。

在反應器運行階段初期,由于水解酸化作用,廚余垃圾中,蛋白質、淀粉、纖維素、脂類大分子首先被分解為氨基酸、糖和脂肪酸。經過酸化階段,這些物質再轉化為VFA、H2、CO2和醇類等物質,產生的有機酸與反應系統中部分堿發生中和反應,使得各個反應器在發酵初期pH顯著降低,由圖3可以看出,各組實驗在第17 d pH降到最低,之后出現小幅度的回升,最后趨于穩定狀態直至反應結束。由實驗結果可知,雖然接種沼渣中含有更多的產酸微生物,能夠更快地將大分子有機物分解為脂肪酸,但是反應器中也含有更多的產甲烷菌能夠更快地將脂肪酸分解產生甲烷,使得反應器中的pH能夠更早趨于穩定,接種物中沼渣對于酸化現象有一定的緩解作用。

2.3 接種比對VFA積累的影響

實驗周期內,各組內揮發性脂肪酸含量的變化如圖4所示,與pH變化(圖3)相比,兩者之間的變化呈現出負相關。

在厭氧消化的酸化過程中產生的VFA如果不能及時被產甲烷菌所利用,就會使得厭氧體系內VFA大量積累,造成反應系統的酸化現象;若VFA產量不足時,則產甲烷菌所需要的原料不足,也會進一步限制甲烷的產生[16]。如圖4所示,5組厭氧反應器內VFA的變化基本呈現出先上升后下降再上升的趨勢。5個實驗組VFA累計含量分別為0.149,0.199,0.208,0.200,0.104 g/L。在反應器啟動初期,隨著接種沼渣占比的增加,反應器中所含有的VFA的含量有所增加。R5由于含有更多的接種物,能提供更多的產酸微生物,所以在厭氧反應前期,該反應器產生VFA的效率更高。只接種污泥的反應器內所含有的接種物相較于其他實驗組數量較低,提供的產酸微生物相對較少,所以反應器中VFA的含量相對比較低。

由實驗結果(圖4)可知,隨著接種沼渣占比的升高,系統中含有更多的產酸微生物,使得VFA濃度更高,但VFA的濃度不足以對整個系統產生抑制作用,只會為產甲烷菌提供物質基礎,促進產甲烷菌產甲烷進程。

2.4 接種比對氨氮釋放的影響

厭氧反應器中的氨氮濃度對于維持整個厭氧反應系統所需要的堿度起著重要作用,厭氧消化過程中氨氮主要來自被微生物分解的蛋白質、氨基酸等含氮大分子有機物。5組反應器氨氮濃度變化如圖5所示,各組反應器氨氮濃度范圍分別為:0.177～0.258,0.367～0.599,0.402～0.778,0.448～0.809,0.405～0.867 g/L。由此可見,隨著接種沼渣占比增加,氨氮濃度相對增加。

此外,5組反應器內氨氮濃度的變化基本呈現出先上升后下降的趨勢,這是因為在厭氧消化初期,微生物群落能夠將蛋白質、氨基酸等含氮大分子有機物快速地降解為無機態的氨氮物質,從而使反應系統中的氨氮濃度一開始有所上升;隨著氨氮濃度的升高,厭氧消化過程中所產生的揮發性脂肪酸與之發生中和反應,避免“酸化”現象的產生,同時,隨著厭氧消化反應的進一步進行,大量的氨氮被產甲烷菌利用,使得氨氮濃度進一步下降。由于接種沼渣越高,系統中氨氮濃度也越高。當達到一定的氨氮濃度時,產甲烷菌會受到抑制作用,從而影響厭氧消化反應的進行[17]。有研究表明氨氮濃度在1.7～14 g/L時,甲烷的產量會減少50%[18],所以相較于R2—R4,R5內高濃度的氨氮對于產甲烷菌有一定的抑制作用,導致產甲烷效率降低。

2.5 接種比對有機物釋放特征的影響

廚余垃圾中的主要成分為碳水化合物、蛋白質、脂肪等物質,廚余垃圾中總糖或碳水化合物的含量占干物質量的50%以上[19]。在反應器運行階段初期,廚余垃圾中碳水化合物等物質經過水解作用轉換成多糖,反應器內的多糖含量進一步升高,隨著反應的進一步進行,反應器中的多糖水解成單糖被微生物利用,使得反應器中的多糖含量逐漸降低。5組反應器中多糖含量變化如圖6所示,多糖含量隨時間的增加呈現出先增加后降低的趨勢,分別在第5,5,7,9,5 d時,反應器中多糖含量達到最高。

由圖6可知,在反應初期,R1的多糖含量峰值最高,為172.584 μg/mL,這是由于接種污泥中的微生物相較于接種沼渣中的微生物能夠更快地響應廚余垃圾中的有機物,能夠更快地對廚余垃圾中的有機物進行分解;而接種沼渣中的微生物經過一定適應期后,逐漸適應了周圍的環境,與廚余垃圾中的有機物反應,促進了有機物的釋放,使得在反應的中后期R2—R5組中多糖濃度高于R1組。

3 結論

1) 接種沼渣添加比例低,厭氧消化過程中容易出現揮發性脂肪酸(VFA)的過度積累,導致pH驟降,降低產氣量;接種沼渣添加比例高,反應系統內氨氮和VFA積累量高,同樣不利于沼氣產生。

2) 分析了接種污泥與接種沼渣質量比為2/0,2/1,1/1,1/2,0/2對廚余垃圾厭氧消化反應的影響,通過比較發現,在不同接種比條件下接種沼渣質量比的提升對廚余垃圾厭氧消化影響顯著。相較于只接種污泥,接種沼渣有助于提高廚余垃圾厭氧消化產氣效率。

3) 只將污泥作為接種物的實驗組累計產氣量為2027.9 mL,對于接種污泥與接種沼渣質量比為2/1,1/1,1/2,0/2的實驗組,累計產氣量分別為3228.9,3020.2,3010.6,2453.3 mL,分別提升了59.22%,48.93%,48.46%和20.98%。