烷基多苷对餐厨垃圾干式厌氧发酵的影响*

杨 云

(天津商业大学理学院，天津 300134)

随着人们生活水平的不断提高，餐厨垃圾产出量不断增大，若不能得到有效处置，极易产生有毒气体和渗滤液污染空气和地下水体[1]。然而，餐厨垃圾中富含大量的碳水化合物，是一种可利用资源。近年来，餐厨垃圾厌氧发酵技术得到广泛关注，一方面厌氧发酵可以实现餐厨垃圾的减量化，另一方面餐厨垃圾在厌氧发酵过程中可以回收能源物质甲烷[2-3]。相较于餐厨垃圾厌氧发酵生产甲烷，餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸(VFA)受到学者更多的关注，因为生产VFA的环境相对宽松，且得到的VFA可以作为污水处理厂外加碳源，提高污水处理厂生物脱氮除磷效果。

表面活性剂具有良好的溶解性能，它能够溶解污泥外包裹的胞外聚合物(EPS)及细胞壁进而释放更多的胞内物质供产酸细菌利用，有研究者发现，表面活性剂可以促进剩余污泥的水解和酸化进而导致VFA大量积累。然而，以往研究中使用的表面活性剂大多为化学类表面活性剂，这类表面活性剂在应用过程中不能分解，会造成二次污染。生物类表面活性剂具有可降解性，在实际应用中更有前景。烷基多苷(APG)是一类产量较大且应用性较强的生物表面活性剂，笔者应用APG强化餐厨垃圾干式厌氧发酵生产VFA，研究了APG对餐厨垃圾厌氧发酵的影响，并探究了其作用机制。

1 材料与方法

1.1 实验材料

餐厨垃圾取自某高校学生食堂5个连续工作日的厨余垃圾，首先人工将餐厨垃圾中少量纸屑、塑料包装、一次性筷子、大块骨头、鱼刺等剔除，用粉碎机将餐厨垃圾粉碎至颗粒直径小于5 mm，然后用蒸馏水清洗餐厨垃圾3次以去除垃圾中的大部分油脂，按照餐厨垃圾与蒸馏水9∶1的质量比稀释混合。稀释后餐厨垃圾总固体(TS)质量分数为33.2%±1.3%，挥发性悬浮固体(VSS)质量分数为17.5%±1.2%。

接种污泥取自某污水处理厂二沉池的剩余污泥，将取回的剩余污泥在实验室内逐步培养成厌氧污泥，接种污泥的基本性质如下：pH=6.9±0.1，总悬浮固体(TSS)=(12 500±169) mg/L，VSS=(10 230±125) mg/L，水溶性蛋白质=(8 560±89) mg/L，水溶性多糖=(1 250±68) mg/L。

实验中使用的生物表面活性剂为市售APG，纯度97.8%。

1.2 APG投加量对VFA最大累积量的影响

分别向5个有效体积为1.0 L的厌氧反应器内加入0.6 L混合均匀的餐厨垃圾及0.2 L接种污泥，再分别投加一定APG使其质量浓度分别为0(空白组)、0.1、0.5、1.0、1.5 g/L，控制搅拌器转速150 r/min，发酵温度(35±1) ℃，发酵周期12 d，考察APG投加量对VFA最大累积量的影响。

1.3 APG自身分解对VFA贡献的影响

APG在发酵过程中会发生分解，因此APG对餐厨垃圾厌氧发酵生产VFA也有一定影响。为明确APG分解对VFA的贡献，在厌氧反应器内接种0.2 L接种污泥，添加0.6 L蒸馏水，投放一定的APG使得APG的质量浓度为0.5 g/L，其他反应条件同1.2节，通过厌氧反应器中VFA的积累量判断APG对VFA的贡献。

1.4 分析方法

TSS采用重量法测定；VSS采用马弗炉灼烧法测定；将餐厨垃圾上清液过0.45 μm滤膜后采用标准方法测定SCOD[10]。水溶性蛋白质采用Folin-酚法测定，以牛血清蛋白为标准底物[11]。水溶性多糖采用蒽酮比色法测定，以葡萄糖为标准底物[12]。VFA及其组分测定采用气相色谱法测定，具体方法详见文献[13]。

2 结果与讨论

2.1 APG投加量对VFA最大累积量的影响

餐厨垃圾厌氧发酵过程中,APG投加量对VFA最大积累量的影响见图1。由图1可见，随着APG投加量的升高，VFA最大积累量也呈上升趋势。空白组VFA最大积累量为8.1 g/L，当APG投加量为0.5 g/L时，VFA最大积累量为18.5 g/L，为空白组的2.3倍，说明投加APG能够显著提高餐厨垃圾厌氧发酵生产VFA的积累量。继续增加APG的投加量，VFA最大积累量增幅不明显，当APG投加量为1.5 g/L时，VFA最大积累量仅提高到19.8 g/L。综合考虑处理效果与处理成本，最佳APG投加量宜为0.5 g/L。

图1 APG投加量对VFA最大积累量的影响Fig.1 Effect of APG dosage on the maximum VFA production

2.2 VFA组分构成

考虑到生产的VFA主要用作污水处理厂的外加碳源，因此本研究仅对几种碳原子数小于6的VFA进行分析，其中包括乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸和异戊酸。APG投加量为0.5 g/L时，餐厨垃圾厌氧发酵12 d后的VFA组分构成见图2。由图2可见，6种VFA中乙酸所占比例最大，为45%(质量分数，下同)，其次是丙酸，占VFA的28%。乙酸和丙酸是生物脱氮除磷微生物比较喜爱的小分子酸[14-15]，餐厨垃圾在APG强化厌氧发酵生产的VFA中乙酸和丙酸占比较大，可以用作污水生物脱氮除磷的碳源。VFA中乙酸含量高于其他小分子酸的原因在于有机物厌氧发酵生产乙酸的途径比较多，一方面有机物可以在产酸细菌的作用下通过相应代谢直接生产乙酸，另一方面，生成的丁酸和戊酸等可以被产乙酸菌所利用进一步生产乙酸。

图2 6种VFA的构成Fig.2 Composition of 6 types of VFA

2.3 APG强化机制的研究

2.3.1 APG对SCOD变化的影响

餐厨垃圾的主要成分为碳水化合物跟蛋白质，这两种物质主要以颗粒状或者大分子状态存在，若要被厌氧微生物所利用则首先需分解变成小分子状态，因此笔者以SCOD的含量表征小分子有机质含量研究碳水化合物及蛋白质的分解情况。不同APG投加量下餐厨垃圾在厌氧发酵过程中SCOD的变化见图3。

由图3可见，不同APG投加量下SCOD浓度均随着厌氧发酵时间的延长呈现先上升后下降的趋势，这是因为在厌氧发酵初期，随着餐厨垃圾中碳水化合物和蛋白质的分解，小分子物质逐渐增多，表现在SCOD质量浓度的上升，随着厌氧发酵继续进行，大部分小分子物质被利用生成甲烷和二氧化碳等气体，消耗量大于产生量，导致SCOD浓度下降。从图3还可看出，投加APG使餐厨垃圾厌氧发酵产生的SCOD明显高于同时期空白组SCOD浓度，说明APG能够强化大分子物质的分解过程，使得餐厨垃圾分解产生更多的小分子物质。

图3 APG投加量对SCOD变化的影响Fig.3 Effect of APG dosage on the variations of SCOD

2.3.2 APG对溶解性蛋白质和溶解性多糖的影响

餐厨垃圾的水解过程主要发生在厌氧发酵初期，水解程度可通过反应体系中溶解性蛋白质和溶解性多糖的变化来体现。不同APG投加量下，溶解性蛋白质和溶解性多糖随时间变化见表1。

由表1可知，随着厌氧发酵时间的延长，溶解性蛋白质与溶解性多糖均呈现先上升后下降的趋势。厌氧发酵时间为3 d时，空白组中溶解性蛋白质和溶解性多糖的质量浓度分别为(698±16)、(6 528±120) mg/L，而APG投加量为0.5 g/L时，溶解性蛋白质和多糖的质量浓度分别为(1 325±27)、(9 150±110) mg/L，分别为空白组的1.90、1.40倍。可见，厌氧发酵反应器中存在APG时，餐厨垃圾中溶解性蛋白质和溶解性多糖的含量明显增加，为后续产酸细菌提供了更多的发酵基质，进而产生更多VFA。

2.3.3 APG对VFA转化率的影响

厌氧反应的最后一步为产甲烷菌在厌氧的环境中利用VFA生产气体甲烷和二氧化碳。图4为不同APG投加量下餐厨垃圾厌氧发酵系统中VFA的转化率。由图4可见，随着APG投加量的增大，VFA的转化率呈现下降的趋势。APG的投加量分别为0.1、0.5、1.0、1.5 g/L时，甲烷转化率分别为52%、38%、32%、29%，远低于空白组的76%，说明APG的存在能够抑制产甲烷菌的活性，进而导致VFA消耗量减少，累积量增加。

图4 APG投加量对VFA转化率的影响Fig.4 Effect of APG dosage on the conversion rate of VFA

2.4 APG对VFA的贡献

APG作为生物类表面活性剂在发酵体系中也会被发酵微生物所分解，进而导致不同投加量下发酵基质浓度不同[16]。为排除APG分解对VFA的影响，考察了0.5 g/L APG在降解过程中的VFA变化，结果见表2。由表2可见，随着发酵时间的延长，APG被逐渐降解，VFA呈现上升趋势。厌氧发酵12 d时，APG被完全分解，此时VFA仅为239 mg/L，远远小于APG强化餐厨垃圾厌氧发酵所产生的VFA，可见APG分解对VFA的贡献量有限。

表2 APG及VFA随发酵时间的变化

3 结 论

(1) 生物表面活性剂APG能够有效强化餐厨垃圾干式厌氧发酵生产VFA，APG的最佳投加量为0.5 g/L，此时VFA的最大累积量为18.5 g/L，VFA转化率为38%。

(2) APG强化餐厨垃圾厌氧发酵生产的VFA中乙酸的比例最高，其次为丙酸，获得的VFA可以作为污水生物脱氮除磷的碳源。

(3) APG能够强化餐厨垃圾的水解反应，使溶解性蛋白质和溶解性多糖含量明显增加，为后续产酸细菌提供了更多的发酵基质，同时APG还能限制甲烷的产生进而积累更多VFA。

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