短程好氧发酵强化餐厨废物厌氧消化性能

张记市,吕培茹,王钦庆

(1.山东轻工业学院食品与生物工程学院,山东济南250353; 2.山东省建设项目环境审核受理中心,山东济南250011)

短程好氧发酵强化餐厨废物厌氧消化性能

张记市1,吕培茹2,王钦庆1

(1.山东轻工业学院食品与生物工程学院,山东济南250353; 2.山东省建设项目环境审核受理中心,山东济南250011)

研究了短程好氧预处理提高餐厨废物高温厌氧消化性能。结果表明:短程好氧发酵减少了餐厨废物中多余的易酸化和易降解的有机物,增强了高温厌氧反应的稳定性,提高了产气量和消化效率;同时,必须防止过度好氧发酵以免过多地消耗底物和降低产气量。餐厨废物经过12 h好氧处理的厌氧消化过程稳定性能最好、累积产气量达到最大值29 928 m L,较直接厌氧消化提高了26%。厌氧消化动力学研究表明,短程好氧发酵6 h、12 h、24 h、48 h和72 h的餐厨废物的厌氧反应速率常数分别为0.145 d-1、0.143 d-1、0.140 d-1、0.175 d-1和0.182 d-1。

餐厨废物;好氧发酵;厌氧消化;动力学

目前,我国城市餐厨废物年产生量不低于6.0× 107t,餐厨废物超过1000 t·d-1的城市已超过17座。餐厨废物处理的主要技术有饲料化、能源化与肥料化,其中厌氧消化制备生物气及其发酵渣生产有机肥技术是餐厨废物资源化的主流方向。固体废物厌氧消化包括水解、酸化和产甲烷等一系列的生化反应,其中水解为限速控制步骤[1]。现有研究主要集中在热处理、化学处理和酶处理等措施提高厌氧发酵底物的溶解性,提高产气量。据报道,高温好氧堆肥后的污泥进行厌氧消化,产气量提高150%[2]。餐厨废物直接厌氧发酵时,体系内挥发性酸大量积累,破坏产酸和产甲烷的动态平衡,厌氧过程启动缓慢;而餐厨废物经好氧发酵后再厌氧消化,可显著提高病原微生物去除率和厌氧消化过程稳定性[3],能迅速启动厌氧反应、缩短迟滞期并提高产气量[4]。如生物质废物好氧发酵48 h后产生的生物热足以将体系温度升高到60℃,无需再加热以启动废物高温厌氧消化[5]。酸化和甲烷化到达平衡的时间则与好氧发酵中挥发性有机物的降解率呈负相关[]。

作者采用在中温条件下短程好氧微生物处理餐厨废物,将多余易降解导致酸化的有机物短程好氧发酵,以提高后续高温厌氧消化性能。

1 实验

1.1 材料

餐厨废物收集于某高校餐厅,主要有果皮、蔬菜、馒头、米饭等,手工分选并剔除不可生物分解的组分后机械打浆(5次取样的均值),4℃下保存备用。好氧污泥取自某市政生活污水处理厂;接种物来自实验室培养成熟的高温厌氧活性污泥。好氧污泥、厌氧污泥和餐厨废物的基本特性见表1。

表1 好氧污泥、厌氧污泥和餐厨废物的基本特性Tab.1 Characteristics of aerobic sludge,anaerobic sludge and food waste

1.2 装置

采用2500 m L批式厌氧反应器,水浴恒温加热,见图1[7]。集气装置内的溶液为5%硫酸酸化的饱和食盐水。采用排液法收集气体,集气筒外表有刻度线,容积为3500 m L。将集气筒浮出液面的刻度读数乘以集气筒横截面积,即得到厌氧消化温度下某一时间内生物气的累积产量[7-9]。

图1 批式厌氧消化装置Fig.1 Batch anaerobic digestion device

1.3 方法

向5个2500 m L反应器内各投加500 g餐厨废物和100 g好氧污泥,混合均匀后35℃下短程好氧发酵一定时间。将短程好氧发酵后的餐厨废物各加400 g接种物(高温厌氧污泥),高温(55℃)厌氧消化一定时间。以上均设计3组平行实验,取平均值。

1.4 分析测试

基础性质包括固含量(Total solid,TS)、挥发性固体含量(Volatile solid,VS)、灰分(Ash)、p H值、碱度、总有机氮(Total nitrogen,TN)、挥发性脂肪酸(Volatile fatty acid,VFA)、可溶性化学需氧量(Soluble chemical oxygen demand,SCOD)等有关参数分析。其中TS测定采用105℃烘干法,VS和Ash测定采用550℃灼烧法,TN测定采用凯氏定氮法(Kjeldahl nitrogen,KN),p H值测定采用Model 05669-20型p H探针(Cole Parmer公司);VFA测定采用蒸馏滴定法; SCOD测定采用重铬酸钾法,样品经过0.45μm滤纸过滤后取其滤液;生物气组分测定采用岛津气相色谱仪(TCD检测器),不锈钢色谱柱,载气N2,流速为90 m L·min-1。

2 结果与讨论

2.1 短程好氧发酵体系p H值、VFA和SCOD的变化

短程好氧发酵处理餐厨废物会造成体系内TS、VS和水分的变化,如TS、VS减少等,具体体现在好氧发酵过程的p H值、SCOD和VFA的变化,如图2所示。

图2 餐厨废物好氧发酵体系的p H值(a)和SCOD、VFA(b)变化Fig.2 Variation of p H value(a)and SCOD,VFA(b)in aerobic process of food waste

在短程好氧发酵过程中,餐厨废物内大分子有机物刺激好氧污泥的混合微生物分泌胞外酶;大分子有机物在胞外酶作用下分解转化为小分子物质。由图2a可知,好氧发酵时间为12 h时,体系p H值最低(p H=4.3),至48 h后保持相对稳定。

VFA和SCOD不但是厌氧消化的中间产物,而且也是短程好氧发酵的中间体。由图2b可知,随短程好氧发酵时间的延长,SCOD和VFA的变化趋势相同,二者呈正相关性。好氧发酵时间为12 h时,SCOD和VFA均最大,分别为25 468 mg·L-1和1750 mg ·L-1。餐厨废物好氧发酵启动阶段,能够利用可溶性和易降解的有机物质(如糖类、淀粉类)的好氧微生物数量多,占主导优势,成为优势菌,繁殖快,可快速启动短程好氧发酵;相反,能利用难分解性有机物(如纤维素)的好氧微生物数量相对较少,繁殖慢,处于劣势地位[2]。餐厨废物好氧发酵在0～12 h时,VFA近似呈线性增加,为厌氧消化提供了丰富的产甲烷前驱体。但是,随短程好氧发酵时间的延长,即过度好氧发酵,致使好氧微生物明显分解餐厨废物中的SCOD,致使好氧发酵后期SCOD下降;同时,在敞口反应器中某些VFA也会蒸发,进一步损耗VFA。因此,防止过度好氧发酵(如持续发酵直至72 h)不但可以减少通风量、节约动力,而且还可为后续厌氧消化提供适宜的丰富的底物。餐厨废物在一定的好氧发酵时间内(t≤12 h)SCOD显著增加,该研究结果与Del Borghi等[10]结论相似,即混合固体废物经过短程好氧发酵后其VS明显减少,而SCOD显著增加。

2.2 短程好氧发酵对餐厨废物厌氧消化稳定性的影响

厌氧消化体系的最佳p H值依赖于厌氧发酵的某个阶段。在酸性发酵阶段产酸菌的适宜p H值范围为5.5～6.5,而在碱性发酵阶段产甲烷菌的适宜p H值范围为6～8。酸性发酵会引起VFA大量积累,导致p H值低于适宜范围,抑制产甲烷菌活性,添加CaCO3可缓冲消化系统的酸碱度[11]。短程好氧发酵对餐厨废物厌氧消化p H值的影响见图3。

图3 短程好氧发酵对厌氧消化p H值的影响Fig.3 Influence of shortcut aerobic fermentation on p H value in anaerobic process for food waste

厌氧消化过程的p H值波动反映了厌氧反应系统的稳定性。正常范围内p H值波动幅度越小,厌氧反应系统越稳定。经过短程好氧发酵后的餐厨废物实现了后续厌氧消化体系的酸化和甲烷化的动态平衡,具有较强的p H缓冲能力,均处在产甲烷菌的适宜p H值范围内。由图3可知,与短程好氧发酵组比较,空白对照组p H值变化幅度最大(7.0～7.8),说明空白对照组厌氧反应过程稳定性最差,但p H值仍处在厌氧消化所许可的范围(6.3～7.8)内[12,13]。短程好氧发酵12 h的餐厨废物厌氧反应系统的p H值变化幅度最小(6.85～7.4),表明该消化系统的稳定性能最好;其它短程好氧发酵6 h、24 h、48 h和72 h的餐厨废物厌氧反应过程的p H值变化范围也较小,处在6.9～7.6范围内,因此它们的厌氧反应系统也具有良好的稳定性[14]。

本实验表明,12 h短程好氧发酵餐厨废物再进行厌氧消化,具有能耗低、生物气产量高、过程稳定性优良的特性。这与Amanda等[15]和El-Mashad等[13]的研究结果相似。Amanda等[15]研究表明,将经24 h高温好氧发酵后的餐厨废物进行厌氧消化,尽管VS降解率和甲烷产率提高不明显,但是有机废物通过好氧发酵过程,增大了后续厌氧消化体系的碱度,防止体系的酸积累造成过酸化状态,从而维持厌氧消化过程的稳定性。El-Mashad等[13]研究牛粪高温厌氧消化时发现,当发酵系统的p H＜6.3或p H＞7.8时,系统的产酸阶段和产甲烷阶段的动态平衡遭受破坏,导致产甲烷速率下降。

2.3 短程好氧发酵对餐厨废物厌氧消化产气的影响(图4)

图4 短程好氧发酵对厌氧消化产气的影响Fig.4 Influence of shortcut aerobic fermentation on biogas production

由图4a可知,厌氧消化前10 d,好氧发酵12 h的餐厨废物的生物气产气速率最高,而好氧发酵72 h的餐厨废物的产气速率最低。这是因为,好氧发酵12 h的餐厨废物含有较多易生物降解有机物,即VFA和SCOD最大,为厌氧消化提供了适宜的营养物质。产气速率与发酵底物浓度成正比,接种厌氧污泥后,消化速率最快,产气速率最高;而好氧发酵72 h的餐厨废物的易降解有机物含量最少,导致系统内SCOD和 VFA最小,产气速率最低。这说明过度好氧发酵,不但增加能耗,消耗过多的底物,而且影响厌氧消化的产气速率和累积产气量;好氧发酵时间过短,则达不到溶解VS、增加SCOD的效果,影响厌氧消化的产气速率、累积产气量和过程稳定性[7]。

经过好氧发酵处理后的餐厨废物具有较高的VS,仍然可作为厌氧消化的底物。由图4b可知,短程好氧发酵0 h、6 h、12 h、24 h、48 h和72 h的餐厨废物的累积产气量分别为23 786 m L、26 689 m L、29 928 m L、25 424 m L、18 452 m L和17 431 m L。与空白对照相比,好氧发酵6 h、12 h与24 h的餐厨废物的累积产气量分别提高了12%、26%和7%,因为餐厨废物经过短程好氧发酵产生的VFA补充到后续厌氧消化过程,为后续产甲烷菌新陈代谢提供了大量易被利用的底物(乙酸),提高了系统的产气量和消化效率。短程好氧发酵48 h与72 h的餐厨废物的累积产气量分别下降了22%和27%,这是因为,餐厨废物中这些易降解有机物很可能在好氧发酵阶段被降解掉,导致48 h和72 h的餐厨废物厌氧消化的产气量降低。该研究结果与刘连开[14]和Cheunbam等[16]的研究结果相似。刘连开[14]研究表明,农业草类废弃物在40℃、50℃好氧发酵可提高厌氧过程反应速率,并增加25%的甲烷产量。Cheunbam等[16]研究表明,高温好氧与中温厌氧消化耦合处理剩余污泥,提高了VS的降解率(14%)和甲烷产量(17%);同时,也改善了消化污泥的脱水性能,降低了污泥处置费用。从好氧发酵转入厌氧消化,厌氧发酵速度很快,其原因是厌氧系统含有大量的微生物。厌氧消化启动时,厌氧微生物数量占主导地位,这主要是因为厌氧污泥接种物充足及其微生物数量多,造成好氧发酵6 h和12 h的餐厨废物进入厌氧消化2 d后的甲烷体积分数分别为52%和53%(图5)。高温好氧堆肥处理生活垃圾,可提高其厌氧反应效率、产气量和CH4含量,降低H2S含量[]。

图5 好氧发酵对生物气甲烷体积分数的影响Fig.5 Influence of aerobic fermentation on methane volume fraction

2.4 短程好氧发酵对厌氧消化动力学的影响

厌氧消化动力学研究有助于预测消化反应器的消化性能、设计适宜的消化反应器和理解生物降解抑制机理。好氧发酵后餐厨废物厌氧消化反应的一级动力学方程如下[7]:

式中:B为t时刻的累积产气量,m L;B∞为最终的累积产气量,m L;k为厌氧反应速率常数,d-1;e= 2.718281828。对好氧发酵的餐厨废物厌氧消化的累积产气量曲线(图4b),用Curve Expert 1.3进行非线性拟合,获得的厌氧消化产气动力学参数、统计分析见表2。

表2 产气动力学模型拟合参数Tab.2 Parameters of fitting functions for the dynamics model

由表2可知:(1)短程好氧发酵12 h后的累积产气量模型值最高,B∞=31308 m L。(2)短程好氧发酵后的餐厨废物的厌氧反应速率常数相近,这是由于厌氧反应速率主要取决于消化温度。有机生活垃圾高温(55℃)厌氧消化的厌氧反应速率常数为0.1302 d-1[12],比本研究结果稍低,可能是底物和接种物性质差异造成的。(3)通过一级厌氧消化动力学模型求得的累积产气量比实际数值偏高,这主要是因为,动力学模型值是指最大产气潜力,而在实际消化过程中因各种生态因子的不确定性,使得累积产气量偏低[7]。(4)短程好氧发酵48 h和72 h的餐厨废物的厌氧反应速率常数高于空白对照组,可能是由于产气速率不同所致。

3 结论

采用短程好氧发酵餐厨废物,可以提高餐厨废物VS降解率、增大SCOD,为厌氧消化提供适宜的丰富的底物,提高消化效率和累积产气量,增强厌氧系统的稳定性;同时,必须防止过度好氧发酵以免过多地消耗底物和降低产气量。与空白对照相比,短程好氧发酵12 h的餐厨废物厌氧消比过程的p H值波动最小,过程最为稳定,累积产气量提高了26%;而短程好氧发酵48 h、72 h的餐厨废物厌氧消化的累积产气量分别下降了22%和27%。好氧发酵6 h、12 h、24 h、48 h和72 h的餐厨废物的厌氧反应速率常数分别为0.145 d-1、0.143 d-1、0.140 d-1、0.175 d-1和0.182 d-1。

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Shortcut Pre-Aeration of Food Waste Enhances Anaerobic Digestion Performance

ZHANG Ji-shi1,LÜPei-ru2,WANG Qin-qing1
(1.School of Food and Bioengineering,Shandong Polytechnic University,Jinan 250353; 2.Audit Receiving Center for Construction Projects of Shandong Province,Jinan 250011,China)

A shortcut pre-aeration step was investigated as pre-treatment for thermophilic anaerobic digestion of food waste(FW).Shortcut pre-aeration reduced excess easily degradable organic compounds in FW, which were the common cause of acidification during the start-up of the batch system,and enhanced the stability of thermophilic anaerobic reaction with biogas production and digestion efficiency increasing.Careful consideration however must be taken to avoid over aeration as this consumes substrate,which would otherwise be available to methanogens to produce biogas.After pre-aeration of FW for 12 h,biogas production increased 26%, being the most biogas production(29 928 m L)of all others in their anaerobic process.The rate constants of anaerobic process on FW pre-aerated for 6 h,12 h,24 h,48 h and 72 h were 0.145 d-1,0.143 d-1,0.140 d-1, 0.175 d-1and 0.182 d-1,respectively.

food waste(FW);aerobic fermentation;anaerobic digestion;dynamics

X 705

A

1672-5425(2013)07-0074-05

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.07.020

山东省高校科技计划项目(J09LB11),济南市高校院所自主创新计划项目(201004035)

2013-04-19

张记市(1971-),男,山东临沂人,博士,副教授,研究方向:废物污染控制与资源化,E-mail:jnzhanghua@126.com。