巴氏杀菌对餐厨垃圾高温厌氧发酵的影响

巴氏杀菌对餐厨垃圾高温厌氧发酵的影响

苏鑫1，2李伟1，2李文进1，2，3刘松毅1，2张文凯1，2刘旭明1，2
（1.国家蛋品工程技术研究中心，北京 102115；2.北京德青源农业科技股份有限公司，北京 100081； 3.北京化工大学 100029）

通过对杀菌、未杀菌餐厨垃圾高温发酵对比试验的研究分析，阐述了餐厨垃圾杀菌处理对发酵的影响。杀菌方式为巴氏消毒法，温度70℃，持续时间10 min，接种物为德青源实验室自行培养的高温发酵菌，底物为餐厨垃圾，有机负荷5 gVS/L，污泥负荷（F/M）为0.5，试验持续32 d，结果显示：杀菌组累计产气量895 mL/gVS，未杀菌组累计产气量795 mL/gVS；杀菌样品产气速率高于未杀菌样品，其VS去除率略低于未杀菌样品。

高温发酵 餐厨垃圾 巴氏杀菌 高效产气

生物质一直是农村的主要能源之一，在国家能源构成中也占有重要地位。目前，可以作为能源利用的生物质主要包括薪柴、秸秆、生活垃圾和有机废渣废水等［1-4］。餐厨垃圾是城市生活垃圾中有机相的主要来源。餐厨垃圾中含有大量的蛋白质、淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类等有机物质，是能源和肥料潜在的资源。由于餐厨垃圾含水率高，若处理不慎，渗沥液易通过渗透作用污染地下水，产生出大肠杆菌等病原微生物，直接危害人体健康［5］。而餐厨垃圾高温发酵技术既能有效处理餐厨垃圾，又能产出沼气能源物质。德青源废弃物综合利用部对杀菌后的餐厨垃圾进行了发酵试验，并与未杀菌样品进行了对比，来探究巴氏杀菌对餐厨垃圾高温发酵产气的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 接种污泥与底物 接种污泥为德青源自行培养的高温发酵菌群，底物取自北京大学学生食堂餐厨垃圾。经测定其物化特性见表1，垃圾成分见表2。

1.1.2 试验器材 广口瓶（1L）9个、橡胶塞（12#）9个、玻璃管（6×9）9支、乳胶管（6×9）9根、史式发酵管9个、HH-6数显恒温水浴锅2个、烧杯、

FA2004B电子天平、坩埚、DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱、KSW-12-12A箱式电阻炉。

表1 物化特性检测结果

1.2.3 试验参数 有机负荷为5 gVS/L，污泥负荷（F/M）为0.5。使用的发酵瓶中有效体积V=0.5L，储气空间V=0.5 L。充气方式为用氮气对起始发酵瓶进行充气3 min，保证厌氧状态。发酵温度52℃。试验设一组空白组，只加接种物，3个平行样。两试验组分别为加餐厨垃圾做发酵原料，并添加接种物，3个平行样，以及所加餐厨垃圾中的10%经杀菌处理，并添加接种物，3个平行样。1.2 方法

1.2.1 试验流程 分别测定接种物和底物物化特性指标，依据此物化特性指标和试验设计参数进行物料投加。用水定容至500 mL，连接发酵装置，待气量稳定后开始产气记录。待产气量较少且平稳达3 d以上时，即可终止发酵。终止发酵后测定料液物化特性指标。

1.2.2 物性测定方法［6］

（1）干物质（TS）：（105±5）℃的烘箱中烘至恒重，根据公式（1）计算得到。

TS（%）=样品烘干后质量/样品烘干前质量×100% （1）

（2）挥发性干物质（VS）：550℃马弗炉中烘至恒重，由公式（2）计算得到。

VS（%）=样品煅烧前质量-样品煅烧后质量/样品煅烧前质量×100% （2）1.2.3 产气量计量方法 采用史式管进行产气量计量。史式管中加入酸水（pH＜3），每日早晚定时摇匀料液，进行产气量记录。

1.2.4 杀菌方法 将需要杀菌的餐厨垃圾进行70℃水浴10 min，以此来达到杀菌目的。

2 结果与分析

2.1 日净产气量结果与分析

经过32d发酵试验，其日净产气量结果如图1所示。由图1所示，经过32 d的发酵试验，杀菌与未杀菌的餐厨垃圾日净产气量趋势一致。在第3 d，杀菌样品产气出现第一次高峰，日净产气量为29 mL/gVS，而未杀菌样品日净产气量仅为11 mL/gVS。

图1 餐厨垃圾日净产气量

可能原因为，（1）餐厨垃圾中本身带有大量的细菌，其中不乏很多兼性厌氧菌群，这些菌群会对接种物中的菌群产生一定的干扰，而使得发酵产气速度的下降。样品经过杀菌处理后，能够杀死大部分此类细菌，减少了其对接种物菌群的干扰，使料液中的环境更适合发酵菌群的生长和繁殖；（2）餐厨垃圾中带有的大量细菌中，部分菌种为酸化细菌，从而使未杀菌的餐厨垃圾在发酵初期的有机酸含量高于杀菌后的样品，过高的有机酸会对产甲烷菌产生抑制，以致从第3 d开始至第22 d的产气结果中，杀菌样品的产气量均高于未杀菌的样品。

从第23 d开始，未杀菌的样品产气量开始高于杀菌后的样品。出现该现象可能是与杀菌后接种物的良好生长环境有关系。接种物的酸化菌群中，产乳酸菌最适应此类环境，而无论杀菌还是未杀菌，在发酵过程中有机酸的含量均会不断增加，致使杀

菌后的样品有机酸中的乳酸含量高于未杀菌中有机酸的乳酸含量。相关检测发现有机酸在发酵到后期其含量均相差不多，乳酸含量高代表乙酸含量相对较少［7］。说明未杀菌样品中的乙酸含量高于杀菌样品，而70%的甲烷气体产自乙酸，所以在发酵后期，有机酸的抑制不明显时，未杀菌样品产气量会高于杀菌样品。

2.2 产气潜力结果与分析

经过32 d的发酵后，杀菌的样品产气潜力为895 mL/gVS，高于未杀菌的样品795 mL/gVS。杀菌样品在整个发酵过程中发酵产气速度快，发酵周期短。在第22 d就达到了近800 mL/gVS的累计产气量。而未杀菌的样品在第28 d才达到了相同的产气量。同样第20 d时，杀菌样品产气潜力比未杀菌样品产气量高32%。其原因是由于杀菌处理减少了大量餐厨垃圾中的细菌的干扰，使得发酵菌群可以更迅速的利用有机物，并且与未杀菌样品相比，其含量较低的有机酸也使得前期的发酵速度更快，更有利于产生甲烷气体。

图2 餐厨垃圾产气潜力

2.3 发酵后料液物化特性分析

发酵32 d之后的料液进行物化特性分析，结果如表3所示。由表3可知，其发酵后的物化特性结果，以及该试验的参数设计，得出杀菌样品VS去除率88.64%，未杀菌样品VS去除率93.84%。杀菌样品VS去除率略低于未杀菌样品。原因在于巴氏杀菌处理杀死了大量细菌，致使消耗VS的细菌总量减少，在发酵前期，VS去除率不如未杀菌的样品。由于微生物繁殖很快，到发酵中后期，微生物环境已经稳定，使得两物料VS去除率相近，致使样品VS去除率趋于一致。

表3 发酵后样品料液物化特性检测结果

3 结论

餐厨垃圾巴氏杀菌处理能够加快厌氧发酵产气速度，增加物料的产气潜力。对于实际工程而言，为保证较小的物料水力停留时间，减小罐体体积，就要求尽可能的加快物料的厌氧降解速率。餐厨垃圾高温发酵前经过巴氏杀菌预处理，可提升物料生物转化效率，节约运行成本，同时杀死部分有害病菌，因此杀菌处理对高效产沼气的意义十分重要。

［1］ 孙振均. 中国生物质产业及发展取向［J］.农业工程学报, 2004, 20（5）：1-5.

［2］ lsci A, Demirer GN.Biogas production potential from cotton wastes［J］. Renewable Energy, 2007, 32（5）：750-757.

［3］ WeilandP.Anaerobic waste digestion in Germany-Status and recent developments［J］. Biodegradation, 2000, ll（6）：415-421.

［4］ SkoulouV, ZabaiotouA.Investigation of agricultural and animal wastes in Greece and their allocation to potential application for energy production［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2007, 11（8）：1698-1719.

［5］ 王中民.城市垃圾处理与处置［M］. 北京：中国建筑工业出版社, 1991：1-5.

［6］ 中国科学院成都生物研究所.沼气发酵常规分析［M］.北京：北京科技出版社, 1984：19-20.

［7］ 王琦. 提高厨余垃圾厌氧消化水解酸化阶段挥发性脂肪酸产率的技术研究［D］.上海：上海交通大学, 2007：34-37.

（责任编辑 李楠）

Influence of Restaurant and Kitchen Waste Through The Pasteurization Treatment on The High Temperature Anaerobic Digestion

Su Xin1，2Li Wei1，2Li Wenjin1，2，3Liu Songyi1，2Zhang Wenkai1，2Qin Qianshan1，2Liu Xuming1，2
（1. Chinese National Egg Engineering Research Center，Beijing 102115； 2. Beijing DQY Agriculture Technology Co. Ltd，Beijing 100081；3. Beijing University of Chemical Technonlgy，Beijing 100029）

The influence of restaurant and kitchen waste through the pasteurization treatment on the anaerobic digestion is summarized in this paper on the basis of the experiment. Pasteurization parameters：temperature is 70℃，duration time is 10 min. Inoculum is high temperature fermentation sludge，which is cultivated by DQY’s laboratory. Feedstock is restaurant and kitchen waste. OL：5 gVS/L，F/M：0.5. The experiment lasted 32 days，accumulative biogas yield of sterilized samples is 895 mL/gVS and non sterilized sample is 795 mL/gVS. The gas production rate of sterilization sample was significantly higher than that of non sterilized samples. And the VS removal rate of non sterilized sample was little higher than that of sterilization samples.

High temperature anaerobic fermentation Restaurant and kitchen waste Pasteurization Efficient gas production

2013-10-20

国家科技支撑计划课题（2011BAD15B01），北京市科技计划课题（Z111105076111001），国家科技支撑计划课题（2012BAC25B06）

苏鑫，男，研究方向：微生物厌氧发酵；E-mail：suxin@dqy.com.cn

李文进，男，博士，研究方向：生物质能源工程；E-mail：li.wj@foxmail.com