pH对餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程的影响

袁雨珍，肖利平，刘传平，窦飞

1. 湘潭大学环境工程系，湖南 湘潭 411105；2. 广东省生态环境技术研究所//广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650

pH对餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程的影响

袁雨珍1,2，肖利平1*，刘传平2，窦飞2

1. 湘潭大学环境工程系，湖南 湘潭 411105；2. 广东省生态环境技术研究所//广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650

餐厨垃圾具有含水率高、有机物含量高、易腐败等特点，若处理不当，必然造成资源浪费和环境污染。餐厨垃圾减量化、无害化、资源化处理是环境科学领域近年来关注的热点与难点。为解决餐厨垃圾的减量化问题，同时产生清洁能源——氢气，利用自制小型序批式厌氧发酵产氢反应装置，以蒸煮餐厨垃圾为发酵底物，接种污水处理厂剩余污泥进行厌氧发酵产氢，在底物与接种物质量比为4∶1，温度为37 ℃的条件下，研究pH对蒸煮餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响。结果表明，厌氧发酵底物中乙酸和丁酸是挥发性酸（VFA）中主要的组成部分，占总挥发性酸的80%以上，同时含有少量的丙酸，属于典型的丁酸型发酵。初始pH为9.0时，厌氧发酵效果最佳，累积产气量和产氢量最大，分别为748 mL和371 mL；在整个厌氧发酵过程中氢气的体积分数最高可达80.5%，平均产氢速率为10.31 mL·h-1，单位产氢量（以VS计）为72.9 mL·g-1，总固体（TS）和挥发性固体（VS）的去除率分别高达26.6%和34.4%；脱氢酶的活性呈现出先增强后减弱的趋势，产氢速率与脱氢酶的活性呈正相关；发酵反应进行到16 h时，脱氢酶的活性最好，此时产氢速率最大，为19.2 mL·h-1。因此，调节初始pH为9.0，可以提高餐厨垃圾产氢效率，实现餐厨垃圾减量化和产生清洁能源的双重目标。

餐厨垃圾；厌氧发酵；产氢量；pH

随着饮食业的快速发展，中国餐厨垃圾产量逐年上涨。2007年，全国的餐厨垃圾产量约为9×107t（王延昌等，2009），北京和上海市的日产量均超过1200 t（崔亚伟等，2006）；全国餐厨垃圾产生量以每年约10%的速度递增，年新增产生量达5×106t（袁玉玉，2007），给市政、环卫部门带来了巨大的压力。由此引发的环境污染事件，在危害市民健康的同时，也造成了资源的浪费。若能将餐厨垃圾作为城市资源的来源之一，变废为宝，必将带来良好的经济效益和社会效益。

餐厨垃圾的主要处置方式有焚烧、填埋、饲料化和生物处理技术（袁玉玉等，2006）。焚烧、填埋餐厨垃圾会导致大量有机物的浪费，同时还会因燃烧不充分而产生二噁英等，造成环境的二次污染。许多国家和地区（如美国、欧盟、韩国和日本等）已经严禁将餐厨垃圾进行填埋和焚烧处置（Kim et al.，2008）。另外，饲料化技术处理餐厨垃圾很难保证将餐厨垃圾中的动物源成分彻底转化，可能导致蛋白同源性污染问题（徐长勇等，2011）。因此，生物处理技术是现阶段处理餐厨垃圾的主流工艺。常用的生物处理技术包括蚯蚓堆肥、好氧堆肥、生物柴油技术、厌氧发酵产气，其中，厌氧发酵产气不仅实现了餐厨垃圾减量化、资源化和无害化，而且能够获得甲烷和氢气等能源。氢气是最清洁高效的能源，被认为是21世纪最具应用价值的可再生能源之一（Benemann，1997；周俊虎等，2007）。

目前，国内外许多学者对餐厨垃圾厌氧产甲烷进行了大量的试验，Neves et al.（2004）研究了不同接种物对餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷的影响；段妮娜等（2013）采用完全混合式反应器，在半连续运行的状态下，考察了停留时间为20 d的脱水污泥和餐厨垃圾混合干法厌氧消化产甲烷的情况；蔡玮玮等（2013）研究了接种比例对酒糟与餐厨垃圾混合厌氧发酵产沼气的影响；林云琴等（2011）采用中温单相间歇式厌氧消化工艺，对造纸污泥和餐厨垃圾进行混合厌氧消化产甲烷。然而，目前对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的试验研究较少。虽然餐厨垃圾等混合底物厌氧发酵产氢过程可行，但影响因素较复杂，其中pH是影响微生物厌氧产氢过程中最重要的因素之一。因此，本研究以长沙市联合餐厨垃圾处理厂的蒸煮餐厨垃圾为底物，利用餐厨垃圾联合剩余污泥厌氧发酵产氢，探讨在餐厨垃圾与剩余污泥质量混合比为4∶1的条件下，pH对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响。

1 材料与方法

1.1 材料来源及基本特性

接种物取自湘潭市河西污水处理厂二沉池的剩余污泥，将取回的污泥于常温下静置分层60 min，弃去上层清液后置于4 ℃冰箱中保存备用，作为天然产氢菌源；底物取自长沙市联合餐厨垃圾处理厂经高温蒸煮的餐厨垃圾（可认为无菌），在室温下冷却后，置于4 ℃冰箱中保存备用。经测定，餐厨垃圾和剩余污泥的特性如表1所示。

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置及仪器

试验采用自行设计的小型序批式反应装置，如图1所示。采用有效容积为100 mL的厌氧发酵瓶作为反应容器；通过恒温磁力搅拌水浴锅控制厌氧反应温度，保持在37 ℃，同时加入B310磁力转子，调节转速120 r·min-1，底物与接种物质量比为4∶1，总质量为60 g，用氮气吹脱3 min保持发酵体系的厌氧环境。

图1 发酵产氢实验装置示意图Fig.·1 Experimental configuration of hydrogen production fermentation

1.2.2 测定方法

气相组分由气相色谱仪（GC-9790，浙江福立分析仪器有限公司）测定，采用热导检测器（TCD），色谱柱为1 m×3 mm的TDX-01，进样器温度为120 ℃，检测器温度为120 ℃，柱温为80 ℃，以高纯氩气为载气，流量为30 mL·min-1。采用外标法定量分析气体中各组分的含量，所产生的气体采用排水法收集和计量。

发酵液组分采用安捷伦1200Infinity LC液相色谱仪测定，以10 mmol·L-1磷酸二氢钠溶液和甲醇溶液混合（体积比78∶22）作为流动相，检测器为二极管阵列，XDB-C18色谱柱规格为150 mm×4.6 mm×5 µm，波长为210 nm，流速为1.00 mL·min-1，柱温为30 ℃，进样量为10 μL。

气体体积采用排饱和食盐水法测定；可溶性化学需氧量（SCOD）、总有机碳（TOC）、总固体（TS）、挥发性固体（VS）、总磷（TP）、总氮（TN）的测定参照国家标准方法（魏复盛，2002）；脱氢酶活性的测定采用TTC-脱氢酶活性检测方法（周春生等，1996）。

2 结果与分析

2.1 pH对产气量的影响

pH是影响餐厨垃圾厌氧发酵产气过程中最重要的因素之一，产气量是厌氧发酵过程中一个重要参数，能直观地反映厌氧发酵系统的产气性能，是判断厌氧发酵过程好坏的重要依据。不同初始pH值对蒸煮餐厨垃圾厌氧发酵产氢量的影响如图2所示；初始pH为9.0时，整个厌氧发酵过程中产气量与pH随时间的变化如图3所示。

图2 pH对产氢量的影响Fig.·2 Influence of pH on hydrogen production

表1 餐厨垃圾和剩余污泥的特性Table 1 Characteristics of kitchen waste and residual sludge

图3 pH与产气量的变化Fig.·3 Variation of pH and gas production

由图2可知，随着初始pH的增加，产氢量呈现先增加后降低的趋势。在初始pH为9.0时，发酵产生的氢气总量最多，达371 mL。这表明较低或者较高的pH均不利于产氢菌发酵产氢，可能是因为pH的提高增强了产氢酶的活性，产氢菌群占据优势（陈琛等，2011）；同时加快了底物中大分子有机物的水解、酸化速率，为产氢菌产氢提供了充足的营养物质（赵明星等，2009）；但过高的初始pH会引起微生物结团，影响传质过程和可溶性有机物的吸收（肖本益等，2009）。初始pH 在5.0~11.0范围内，发酵初期（0~8 h），产氢量较少，此时产氢菌处于停滞期；8~24 h，产氢菌处于对数生长期，新陈代谢旺盛，产氢量迅速增加；24~28 h，产氢速率较为平缓、稳定，产氢菌处于稳定期；28 h以后，厌氧发酵产氢量几乎为零。由此可见，厌氧发酵过程产氢量的积累趋势与微生物生长繁殖各阶段的趋势一致。

由图3可知，在初始pH为9.0时，随着发酵的进行，pH逐渐降低，0~8 h，pH迅速由9.0下降至6.73，这可能是因为在碱性条件下底物中的大分子有机物迅速水解、酸化产生大量可溶性机物造成的；8~24 h，发酵液中pH在6.73~5.94之间，此时产气量和产氢量显著增加，分别增加了425 mL和253.5 mL，12~16 h内氢气占总气体体积的80.5%，可能是因为此时产氢菌体内GAD、DHA等酶活性较强，产氢菌群处于优势地位；28~36 h，挥发性有机酸的大量积累导致pH降到6.0以下，从而抑制产氢菌的活性，使产氢速率减慢。在整个发酵产气过程中，总产气量和总产氢量分别为748 mL和371 mL，平均产气速率和产氢速率分别为20.7 mL·h-1和10.3 mL·h-1，单位产氢量（以VS计）为72.9 mL·g-1。因此，pH对微生物厌氧发酵影响较大，过高或过低的pH可能不利于微生物的生长与繁殖，导致厌氧发酵产氢效率降低。

2.2 pH对VFA组分与比产氢速率的影响

VFA是厌氧发酵过程中有机质水解酸化的重要产物，同时也是产氢菌的底物，影响着厌氧发酵产氢过程。随着餐厨垃圾水解酸化过程的进行，pH下降迅速，大量VFA产物积累，发酵初期pH下降迅速（图3）。根据末端代谢产物的组成，可将发酵类型分为丁酸型发酵产氢、乙醇型发酵产氢、丙酸型发酵产氢和混合酸型发酵产氢。不同发酵类型主要由厌氧发酵系统中优势菌群决定。厌氧发酵系统中存在多种微生物，每种微生物对外界环境的耐受性不同，因此在特定环境条件下，不同优势菌群会造成不同产物的大量产生。

丁酸型发酵制氢的菌类主要是一些厌氧菌和兼性厌氧菌，主要优势种群是梭菌属（Clostridium），如丁酸梭状芽孢杆菌（C.butyricum）等。丁酸型发酵产氢过程的末端产物主要是丁酸、乙酸、H2、CO2和少量丙酸。许多可溶性的碳水化合物（如葡萄糖、蔗糖、淀粉等）以丁酸型发酵为主。这些物质在严格的厌氧细菌或兼性厌氧菌的作用下，经过三羧酸循环生成丙酮酸，丙酮酸在丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶催化作用下脱酸，羟乙基结合到酶的TPP上，生成乙酞辅酶A，脱下的氢使铁氧还蛋白还原，而还原型铁氧还蛋白在氢化酶的作用下被还原同时释放出H2（秦智等，2004；丁杰等，2004）。由图4可知，在初始pH为9.0时，乙酸和丁酸是挥发性酸中主要的组成部分，占总挥发性酸的80%以上，同时含有少量的丙酸。由此可见，产氢过程属于典型的丁酸型发酵。随着发酵时间的延长，发酵底物中丁酸比例先增大后减小，乙酸比例先减小后增大。其中，丁酸/乙酸的值可以作为衡量产氢效率的一个重要指标，其比值越大，产氢速率越快（Van et al.，2002；Hawkes et al.，2002）。在整个厌氧发酵的过程中丁酸/乙酸的值先增大后变小，其比值范围在0.9~2.1之间，当发酵进行到16 h时丁酸/乙酸为2.1，此时丁酸/乙酸的值显著高于其他时间段，单位比产氢速率（以VS计）最高，达3.77 mL·h-1·g-1。本试验表明丁酸与乙酸的比值确实可以作为衡量产氢效率的重要指标。

图4 厌氧发酵过程VFA组分与比产氢速率的变化Fig·4 Variation of VFA composition and hydrogen production rate during anaerobic fermentation

2.3 pH对产氢速率与脱氢酶活性的影响

脱氢酶是能量代谢过程中氢释放的最后限速酶系。与非产氢细菌相比，产氢微生物存在着特殊的氢代谢系统，其中脱氢酶在产氢代谢过程中发挥着重要作用（李秋波等，2006）。脱氢酶活性的高低以及表达周期的长短直接影响产氢细菌的能量代谢，从而影响氢气的释放速度和产量。在初始pH为9.0的整个厌氧发酵过程中，脱氢酶活性及产氢速率的变化如图5所示。

图5 厌氧发酵过程中产氢速率与脱氢酶活性的变化Fig.·5 Variation of Hydrogen production rate and Enzyme activity during anaerobic fermentation

pH的波动会导致细胞膜电荷的改变，影响微生物对营养物质的吸收，同时也会影响酶的活性，pH过高或过低都会影响微生物的生长和繁殖（郑育毅等，2015）。由图3可知，初始pH 9.0时，随着发酵的进行，pH逐渐降低，0~4 h，pH由9.0降至7.48，此阶段产氢酶的活性较低，产氢速率为零，可能是因为此环境下的pH不利于产氢菌吸收营养物质和新陈代谢；在4~16h，pH为中性偏酸性，产氢酶活性较高，产氢速率快，此环境下的pH可能有利于产氢菌的生长与繁殖。由图5可知，在初始pH 9.0的整个厌氧发酵产氢过程中，脱氢酶的活性先增强后减弱，产氢速率先增大后减小，发酵反应进行到16 h时，脱氢酶的活性最强，此时产氢速率最大，达19.2 mL·h-1。可能是因为随着发酵反应的进行，微生物的生长繁殖较为旺盛，相应的脱氢酶活性随之增强；当发酵到28 h左右，由于发酵系统中的原料消耗，并伴随VFA的大量积累，对产氢微生物的危害较大，不利于产氢微生物的新陈代谢，因此脱氢酶活性迅速下降，相应的产氢速率也下降；发酵36 h左右脱氢酶活性较弱，厌氧发酵产氢过程基本停滞。由此可见，在初始pH 9.0时，产氢阶段产氢速率和脱氢酶活性呈现正相关规律。

2.4 pH对发酵底物中VS与TS的影响

厌氧发酵过程中，可降解物质在微生物的作用下逐渐被消耗，而可生物降解的成分大多以挥发性固体的形式存在。试验探讨初始pH为9.0时餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程中发酵底物中TS和VS的变化，结果如图6所示。

图6 厌氧发酵过程中底物VS与TS的变化Fig.·6 Variation of VS or TS during anaerobic fermentation

由图6可知，初始pH为9.0的整个厌氧发酵过程中，底物VS和TS含量均呈下降趋势；8~24 h，底物中VS和TS的去除率效果较好，可能是因为此时的微生物代谢比较旺盛，水解产氢效果好，底物中的有机物消耗量大；24 h之后的厌氧发酵过程中，VS和TS的去除效果不佳，可能是24 h之后发酵系统中的营养物质被消耗殆尽，不利于微生物的新陈代谢，微生物的生长处于衰亡期。整个发酵过程中，VS与TS的去除率与产氢量呈正相关，即产氢量越多，去除率越高。随着发酵的进行，VS和TS去除率逐渐增大，分别达到34.4%和26.6%。可能是厌氧发酵过程中，水解细菌、产酸细菌、产氢发酵细菌利用了底物中的固体有机物产生大量的气体，使得有机物总量减少。由此可见，厌氧发酵可以实现餐厨垃圾减量化并提高产氢效率。

2.5 pH对发酵底物中SCOD浓度的影响

图7 厌氧发酵过程中底物SCOD的变化Fig.·7 Variation of SCOD during anaerobic fermentation

SCOD的变化可用于表征体系中VS的去除效果，发酵过程中餐厨垃圾中的颗粒性有机物逐渐被转化为可溶性有机物。由图7可知，餐厨垃圾和剩余污泥体系的SCOD质量浓度较高，达57.1 g·L-1。厌氧发酵在16 h时，SCOD达到最大值，为62.4 g·L-1，这表明餐厨垃圾中的VS被分解为可溶性化合物并进一步被转化为挥发性脂肪酸。发酵液中的SCOD一般由VFA及其他水解产物（溶解性蛋白质、碳水化合物等）组成，36 h时，体系中VFA/SCOD（将VFA折合成SCOD）比值为68.3%，VS的质量不变，这可能是由于VFA的大量积累对微生物产生了毒害作用，阻碍了产氢微生物的新陈代谢。本研究结果与Yu et al.（2008）研究的颗粒性有机物的减少可以通过SCOD的变化来表征相似。

3 结论

（1）以蒸煮餐厨垃圾为发酵底物，接种污水处理厂剩余污泥进行厌氧发酵产氢。初始pH为9.0时，发酵产生的气体和氢气总量最大，分别达748 mL和371 mL，在发酵过程中氢气的体积分数最高可达80.5%，平均产气速率和产氢速率分别为20.7 mL·h-1和10.3 mL·h-1，单位产氢量（以VS计）为72.9 mL·g-1。因此，pH对微生物的新陈代谢影响较大，过高或过低的pH不利于微生物的生长与繁殖。

（2）发酵过程中乙酸和丁酸是挥发性酸中主要的组成部分，占总挥发酸的80%以上，同时含有少量的丙酸，属于典型的丁酸型发酵；初始pH为9.0时，随着发酵的进行，丁酸/乙酸的值在0.9~2.1范围内，发酵进行到16 h时丁酸/乙酸达到最大（2.1），此时的单位比产氢速率（以VS计）最高，达3.77 mL·h-1·g-1。这表明丁酸/乙酸的值越大越有利于厌氧发酵产生氢气。

（3）初始pH为9.0的整个厌氧发酵产氢过程中，脱氢酶的活性呈现先增强后减弱的趋势，且产氢速率与脱氢酶的活性呈正相关，发酵反应16 h时，脱氢酶的活性最强，此时产氢速率最大，为19.2 mL·h-1。因此，初始pH为9.0时，产氢阶段产氢速率和脱氢酶活性呈现正相关规律。

（4）整个厌氧发酵过程中底物VS和TS含量均呈下降趋势。VS和TS的去除率与发酵过程中产氢量的变化基本一致，且随着发酵的进行，VS和TS去除率逐渐增大，最大去除率分别达到34.4%和26.6%，这说明厌氧发酵可以实现餐厨垃圾减量化并提高产氢效率。

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YUAN Yuzhen, XIAO Liping, LIU Chuanping, DOU Fei. 2017.

Effect of pH on Hydrogen Production during Anaerobic Fermentation of Kitchen Waste

YUAN Yuzhen1,2, XIAO Liping1*, LIU Chuanping2, DOU Fei2
1. Department of Environmental Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;
2. Guangdong Institute of Eco-Environmental Science & Technology, Guangdong Key Laboratory of Integrated Agro-Environment Pollution Control and Management, Guangzhou 510650, China

Due to the characteristics of kitchen waste such as high moisture content, high organic matter content, and easily for decomposition, inappropriate management of kitchen waste can cause a waste of resources and pollution to the environment. More and more attention has been paid to the reduction, harmlessness and recycling treatment of kitchen waste in recent years. In order to reduce the kitchen waste as well as produce clean energy such as hydrogen gas, the effect of pH on hydrogen production during anaerobic fermentation of steamed kitchen waste was investigated in a sequencing batch anaerobic fermentation reactor inoculated with residual sludge from wastewater treatment plant, with a substrate/inoculum ratio of 4/1 and an inoculation temperature of 37 ℃. Butyric acid and acetic acid were the most important components in the substrate, which accounted for more than 80% of the total volatile acid, and there was only a small amount of propionic acid. This suggested that it was a typical type of butyric acid fermentation process. The results showed that the optimized initial pH was 9.0, which lead to the maximum cumulative gas production rate of 748 mL and the maximum hydrogen production quantity of 371 mL. In the whole process of anaerobic fermentation, the highest hydrogen volume fraction was up to 80.5%, and the average hydrogen production rate and unit capacity of hydrogen (VS) was 10.31 mL·h-1and 72.9 mL·g-1, respectively. The removal rate of VS and TS was up to 26.6% and 34.4%, respectively. The activity of dehydrogenase increased during 0~16 h and then decreased gradually over time, which was positively related to the hydrogen production when the initial pH was 9.0. The highest activity of dehydrogenase was detected at 16 h, when the maximum hydrogen production rate was achieved as 19.2 mL·h-1. Therefore, the efficiency of hydrogen production from anaerobic fermentation of kitchen waste can be improved by adjusting the initial pH, which can provide useful information for the application of clean energy production during reduction of the kitchen waste.

kitchen waste; anaerobic fermentation; hydrogen production; pH

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.021

X705

A

1674-5906（2017）04-0687-06

袁雨珍, 肖利平, 刘传平, 窦飞. 2017. pH对餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程的影响[J]. 生态环境学报, 26(4): 687-692.

湖南省自然科学基金项目（13JJ202431270546）

袁雨珍（1987年生），女，硕士，研究方向为固体废物资源化利用新技术。E-mail: msyzyuan@soil.gd.cn

*通信作者：肖利平，副教授。E-mail: 75601003@qq.com

2016-12-06