油脂浓度对餐厨废弃物厌氧消化特性的影响

马宗虎， 傅国志， 叶 骏， 田 立， 冯小清

(中国华电工程(集团)有限公司，北京10016)



油脂浓度对餐厨废弃物厌氧消化特性的影响

马宗虎， 傅国志， 叶 骏*， 田 立， 冯小清

(中国华电工程(集团)有限公司，北京10016)

摘要[目的]研究油脂浓度对餐厨废弃物厌氧消化特性的影响。[方法]在中温条件下，采用批式试验研究了不同油脂浓度(15%、20%、25%、30%和35%TS)对餐厨垃圾中温厌氧消化过程中甲烷日产气量、累积产气量及发酵液中pH、氨氮、碳酸氢盐碱度和总有机酸的变化规律。[结果]油脂浓度为25%TS时，餐厨垃圾的累积甲烷产量最高，为606.0 mL/gVS；发酵液中总有机酸和碳酸氢盐碱度(VFA/TIC)均小于0.4，维持了较强的缓冲能力。动力学模型参数表明，油脂浓度越高，餐厨垃圾厌氧消化启动阶段的延滞期越长，油脂浓度为35%TS时的延滞期比35%TS时的延滞期延长了4.4 d。[结论]油脂浓度为25%TS时，获得最大甲烷产量(606 mL/gVS)。

关键词厌氧消化；餐厨垃圾；油脂浓度；动力学

Effects of Grease Content on the Anaerobic Digestibility of Kitchen Waste

MA Zong-hu,FU Guo-zhi,YE Jun*et al (China HuaDian Engineering (Group) Co.,Ltd.,Beijing 100160 )

Abstract [Objective] To research the effects of grease content on the anaerobic digestibility of kitchen waste.[Method] Under medium temperature conditions,we researched the effects of grease content (15,20,25,30 and 35% TS) on the change laws of methane daily production ,cumulative methane production,pH value,ammonia nitrogen,bicarbonate alkalinity and total organic acids in fermentation broth by batch test.[Result] When grease content was 25% TS,cumulative methane production was the maximum in kitchen wastes,which was 606.0 mL/gVSadded.The ratio ofVFA/TICin fermentation broth was less than 0.4,indicating that the fermentation broth maintained relatively strong buffering capacity.The kinetic model showed that the high grease content led to long lag phase in initiating stage of anaerobic digestion.Lag phase of 35% TS grease content was 4.4 days longer than that of 25% TS grease content.[Conclusion] The maximum methane production (606 mL/gVS) is obtained when grease content is 25% TS.

Key words Anaerobic digestion; Food waste; Grease content; Kinetic

随着我国经济增长和居民生活水平的提高，餐厨垃圾的产量也逐年增加，餐厨垃圾已成为城市生活有机垃圾的主要来源，其在我国主要城市有机垃圾中占37%~62%[1-2]。餐厨垃圾具有高油脂 (干基20%~30%)、高盐分(湿基0.8%~1.5%)、高有机质含量及易腐发臭、易酸化、易生物降解等特点[3-4]。餐厨垃圾的收集处理已成为城市生活垃圾处理的难题，如果处理不当，会对水体、大气造成严重污染，因此餐厨垃圾的及时有效处理对我国绿色生态城市的建设至关重要。

厌氧消化技术不仅能有效实现餐厨垃圾的减量化，还能获得清洁能源，然而，餐厨垃圾的厌氧消化受到高油脂浓度的制约[5-7]，餐厨垃圾中的食用油、动物脂肪等脂类物质经水解菌在其胞外酶的作用下初步水解产生长链脂肪酸(LCFA)，LCFA会进一步通过β-氧化降解为乙酸、丙酸和氢气。一方面，尚未完全降解的LCFA会包裹在产甲烷菌周围形成保护层，阻碍产甲烷菌与挥发性有机酸等的接触反应，并可能引起发泡等现象[8]；LCFA会通过与微生物细胞壁的缔合作用对微生物的代谢产生抑制[9]；Kafle等[5]指出，高油脂含量抑制鱼加工废弃物的厌氧消化过程。另一方面，李东等[10]采用一级降解动力学方程分析了花生油的代谢过程，指出相对于碳水化合物和蛋白质而言，油脂的降解过程需要更长的滞留期；Scherer等[11]指出，油脂的厌氧消化产沼气潜力远远高于碳水化合物和蛋白质；王巧玲等[6]研究表明，餐厨垃圾在含油量为5%时，厌氧消化总固体(TS)和挥发性固体(VS)去除率最大，分别为34.4%和42.9%。因此，合理调控餐厨垃圾厌氧消化过程中的油脂浓度对于维持系统的运行稳定性和经济性具有重要意义。尽管前人针对油脂对餐厨垃圾厌氧消化产气量的影响进行了初步研究，但是对于油脂浓度对餐厨垃圾的厌氧消化特性及其动力学参数的影响的研究还不足。为此，笔者研究了在一定初始发酵浓度下，不同油脂浓度对餐厨垃圾厌氧消化特性的影响，旨在为我国餐厨垃圾厌氧消化过程的稳定运行提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料餐厨垃圾取自北京某单位食堂。收集的新鲜餐厨垃圾人工分选出其中不易被生化降解的物质(如塑料袋、骨头等)，然后用匀浆机打碎，以保证发酵底物的均质性，将搅拌均匀的餐厨垃圾置于4 ℃冰箱贮存。接种污泥取自北京某大型污水处理厂运行稳定的厌氧发酵罐。发酵原料和污泥的理化特性见表1。

1.2试验装置及方法试验采用中温批式厌氧消化工艺，装置采用带有丁基胶塞的250 mL厌氧发酵瓶，有效发酵体积为200 mL。为避免初始发酵浓度过高而造成厌氧消化过程酸化，笔者设定发酵浓度为5 gVS/L (0.5%VS)，在此基础上设置了5个油脂浓度梯度，分别为15%、20%、25%、30%和35%TS(含油量以占餐厨垃圾干重的百分含量设计)，接种比(VS污泥∶VS原料)设定为3∶1。

活性污泥接种前先进行中温驯化2周至不再产气；根据试验设定的发酵浓度和接种比，分别在不同厌氧瓶中加入对应含量的餐厨垃圾和接种污泥；然后用去离水补充至200 mL。采用5% NaHCO3调节发酵液初始pH为7.0±0.2[12]，并通入高纯N2约2 min排去发酵瓶中的空气达到厌氧环境。每组试验设置3个重复，每天手动摇晃3次，将厌氧发酵瓶放置于恒温发酵室中，发酵温度(37±1)℃，每天使用史氏发酵管排饱和食盐水法测定沼气日产气量，定期测定发酵过程的pH、氨氮(NH4+-N)浓度变化及发酵后发酵液的碳酸氢盐碱度(TIC)和挥发性有机酸(VFAs)含量。试验持续65 d。

表1　餐厨垃圾与接种物的理化性质

注：a表示 O%=1-C%-N%-H%-S%-灰分%。

Note:a indicated O%=1-C%-N%-H%-S%-ash content %.

1.3分析方法TS、VS采用美国水和废水监测标准方法测定[13]，pH采用玻璃电极法(Orion 3-Star，美国，±0.01)；总碳(TC)、总氮(TN)采用CHNOS有机元素分析仪测定(Vario EL cube，德国，±0.01%)；木质纤维素含量的测定：将105 ℃烘干后的猪粪样品粉碎过 1 mm筛，准确称取0.50±0.05 g，装入F57专用袋中，封口，采用改进的范氏洗涤法，用美国ANKOM200i型纤维素分析仪测定纤维素、半纤维素和木质素含量[14]。氨氮浓度采用水杨酸-次氯酸盐分光光度法[15]；TIC和VFAs含量采用两点滴定法[16-17]。沼气成分采用气相色谱法测定(GC，SP-2100，北京北分，中国，±0.1%)，测定条件：热导检测器(TCD)，不锈钢填充柱(2 000 mm×3 mm)，进样器、柱温箱和检测器温度分别为120、80和150 ℃，载气为N2，流速为30 mL/min，沼气标气为甲烷60%(V/V)、二氧化碳40% (V/V)。

1.4动力学模型对于复杂有机物的批式厌氧消化产甲烷过程，在一定程度上甲烷产量是微生物生长的一个函数。zhang等[18]指出，有机物的降解过程可采用修正的Gompertz方程预测，其为典型的“S”型曲线模型：

(1)

式中，M(t)为发酵时间为t时的甲烷累积产量，mL/gVS；Mmax为原料的最大产甲烷潜力，mL/gVS；Rmax为最大产甲烷速率，mL/(gVS·d)；λ为延滞期，d；t为发酵时间，d；exp(1) = 2.718 3。

2结果与分析

2.1不同油脂浓度对餐厨垃圾甲烷产量的影响从图1可以看出，在发酵初期不同油脂浓度餐厨垃圾的甲烷产量逐渐升高，其中在较低油脂浓度下(15%、20%和25%TS)餐厨垃圾产甲烷过程中出现了2个产气峰值，含油量为15%、20%和25%TS的试验组分别在第5、7和6天出现第1个产甲烷峰值，其产气峰值分别为52.7、56.8和62.5 mL/gVS；随后甲烷产率出现逐渐下降和产气量回升的波动，三者分别在第20、18和17天出现第2个产甲烷峰值，分别为20.3、21.8和32.9 mL/gVS；之后甲烷产量逐渐下降，在30 d之后为平稳的低产气量。从甲烷的日产量峰值可以看出，在较低的油脂浓度条件下，随着油脂浓度的增加，其甲烷日产量峰值随之增大，这也证实了Scherer[11]等指出的油脂具有更高的甲烷产率的观点。油脂浓度较低时，第1个产甲烷峰值可能是由于餐厨垃圾中的碳水化合物快速降解产生，而之后在20 d左右产生的第2个产气峰值可能是由于油脂的降解产生，因为油脂的降解过程需要更长的水力停留时间[10]。Yun等[19]研究表明，在开始反应的5 d内，餐厨垃圾中82%的有机物被降解，这说明餐厨垃圾具有较好的生物降解性。彭绪亚等[20]指出在高盐抑制作用下，餐厨垃圾厌氧消化过程也出现了2个产甲烷峰值，王巧玲[21]进行的不同接种率对餐厨垃圾厌氧发酵的影响的研究中也出现了2次产甲烷高峰；然而在油脂浓度为30%和35%TS时，餐厨垃圾的发酵过程仅出现了1次产甲烷峰值，其产气峰值分别为48.8 mL/gVS (第9天)和31.2 mL/gVS(第10天)。油脂浓度较高时，一次产甲烷峰值的出现可能是由于单位体积内高浓度的油脂包裹在产甲烷菌及水解菌周围，延滞了水解菌对碳水化合物的降解，随着油脂的逐渐降解其抑制作用逐渐消除，从而在第10天左右产生了一个较大的产甲烷峰值。然而，与油脂浓度较低时呈现的规律不完全一致，随着油脂浓度提高，其产甲烷峰值反而下降，这可能由于油脂浓度过高，抑制了系统中微生物的代谢活性。

图1　不同油脂浓度的餐厨垃圾甲烷产量随发酵天数的变化趋势Fig.1　Changes of the methane production of kitchen wastes at different grease contents with fermentation days

图2　甲烷累积产气量与油脂浓度的函数关系Fig.2　Relationship between the accumulative methane production and grease content

2.3不同油脂浓度的餐厨垃圾厌氧消化过程降解动力学特性由表3可知，餐厨垃圾在不同油脂浓度下的产甲烷过程与修正的Gompertz方程的相关系数R2均大于0.900，具有较好的相关性；通过修正的Gompertz方程拟合预测的甲烷产量与实际测定值之间的差异性较小(小于5%)，这说明修正的Gompertz方程能够较好地反映各处理组餐厨垃圾的产甲烷规律[26]。由表3可知，油脂浓度为25%TS时，餐厨垃圾获得80%甲烷产量所需时间最短，仅需17 d，这表明餐厨垃圾在适宜的含油量条件下，能在较短的时间内获得更大的甲烷产率，这对实际以餐厨垃圾为主要原料的沼气工程的综合经济效益具有重要作用；而当油脂浓度进一步提高时，要获得80%的甲烷产量，所需的时间大于20 d，这可能是由于油脂浓度较高的处理组在发酵初期限制了微生物的活性，从而延长了厌氧消化系统的滞留期[5]。如表3所示，30%和35%TS的延滞期λ值分别为4.8和6.2 d，明显高于含油量较低(15%、20%和25%TS)处理组的λ值(1.8、2.3和2.2 d)。随着发酵浓度的升高，其最大产甲烷速率常数呈现先上升后下降的趋势，当油脂浓度为25%TS时，餐厨垃圾的Rm值最大，达61.7 mL/(gVS·d)；然而油脂浓度为35%TS时，其最大甲烷产率Rm值最小，仅为33.2 mL/(gVS·d)。不同油脂浓度下的Rm远远大于花生油的最大产甲烷速率常数[15 mL/(gVS·d)][10]，这表明餐厨垃圾中的非油脂类有机物与脂类化合物相互作用，促进了餐厨垃圾的降解和甲烷的生成。

表2　不同发酵浓度下餐厨垃圾厌氧发酵液测定指标

表3　一级动力学和修正的Gompertz方程的模拟参数

注：T80为甲烷产量达到总产量的80%时所需时间；P为修正的Gompertz方程的甲烷产量预测值；D为P与测定值之间的差异性。

Note:T80was the time when methane production was 80% of the total production;Pwas the predicted value of methane production of modified Gompertz equation;Dwas were the differences betweenPand measured value.

3结论

该研究表明，随油脂浓度的升高，餐厨垃圾的甲烷产量呈先上升后下降的趋势；当油脂浓度为25%TS时，获得最大的甲烷产量(606 mL/gVS)。在5 gVS的发酵浓度下，5种不同油脂浓度处理组均未出现明显的pH下降和有机酸累积的现象，维持了较高的缓冲能力和系统运行稳定性；但VFA/TIC值表明，油脂浓度为35%TS的处理组存在酸化的风险。修正的Gompertz方程拟合参数表明，较低含油量的餐厨垃圾在20 d内就可获得80%的甲烷产率，同时油脂浓度越高，餐厨垃圾厌氧消化的延滞期越长，考虑到实际工程的综合经济效益，建议初期阶段的油脂浓度控制在25%TS以下。

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收稿日期2015-12-24

作者简介马宗虎(1981- )，男，北京人，工程师，从事生物质能源专业研究。*通讯作者，高级工程师，从事新能源技术研究。

基金项目“十二五”国家科技支撑计划课题“餐厨废弃物干法发酵制备生物质燃气及并网发电技术及应用”(2012BAC25B05)。

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)03-185-04