高负荷条件下pH调控对厌氧发酵产酸的影响*

韩丹，郑明月，王凯军

（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京100082；2.清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084）

高负荷条件下pH调控对厌氧发酵产酸的影响*

韩丹1，2，郑明月2，王凯军2

（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京100082；2.清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084）

通过对果蔬垃圾的连续流厌氧发酵实验，考察了控制温度为35℃，控制pH（4.0、5.0、5.5、6.0），产酸相发酵产物组分的变化规律；考察了控制pH高负荷条件下不同有机负荷对酸化类型的影响。结果表明：负荷逐渐提高，酸化类型不变，酸化产物浓度基本不变；高负荷下控制pH=4能够形成稳定的乙醇化产物，但总体酸化率较低。

高负荷；厌氧发酵类型；pH；果蔬垃圾

水果蔬菜废弃物在我国城市垃圾中占有较大的比例，由于其自身较高的含水率以及含量较高的有机成分，采用厌氧消化工艺是处理这些废弃物的合理选择。酸化过程是果蔬垃圾厌氧发酵产生甲烷与二氧化碳的首要步骤。在实际垃圾的厌氧处理过程中，常规的产酸相反应器中的微生物均为混合菌种，这些种群间存在生态位的相互补充和重叠，导致它们之间存在种群间的协作和竞争，不同的酸化产物和乙醇在酸化反应器中生成。由于酸化产物的组成影响后续甲烷相的处理效果，选择合适的操作参数和负荷，控制酸化相的产物组成对果蔬垃圾的厌氧消化尤为重要［1］。

产酸发酵过程受多种因素影响，主要有温度、pH、ORP、HRT及有机负荷等生态因子。通过对以上生态因子的调控，可以影响产酸相的末端发酵产物以及发酵类型。pH对产酸发酵细菌的发酵末端产物组成影响很大，是发酵过程中最重要的生态因子之一。研究表明，pH的高低影响参与代谢过程中酶的活性，从而影响代谢活动的正常进行［2］。何品晶等［3］研究了pH对有机垃圾厌氧水解和酸化速率的影响，发现了发酵液pH=7时最有利于微生物的合成代谢；碱性条件会抑制有机垃圾的酸化速率。李杨等［4］研究了pH对剩余污泥厌氧酸化的影响，发现碱性条件剩余污泥的酸化率大于酸性条件。郑明月等［5］考察了控制pH时果蔬垃圾发酵产物组分的变化规律，发现发酵产物随pH变化明显。对于有机负荷对产酸发酵过程的影响方面，尚缺乏系统研究。而且通过对乙醇型反应器进行连续运行，发现乙醇浓度随着负荷提高而提高，说明发酵类型与有机负荷密切相关，但是负荷最高达到10 g/（L/d），仍然为较低负荷水平。本研究通过果蔬垃圾连续厌氧发酵实验，考察高负荷条件下，控制pH和温度，对发酵产物组成和发酵类型的影响，比较不同pH条件下发酵产物的分布及随负荷变化的演变规律，为果蔬垃圾的厌氧发酵系统的运行控制提供理论和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

接种所用污泥为北京市小红门污水处理厂污泥消化池厌氧污泥，厌氧消化污泥VSS浓度为10.0 g/L。发酵的原料为西瓜、苹果、土豆按4∶2∶1的比例经垃圾处理器破碎混匀而成，冷冻保存备用，其pH=4.5，TS为9.9%，VS为8.75%。

1.2 试验设计和方法

试验采用4个直径为13.5 cm，高为14 cm的有机玻璃反应器，有效容积为1.5 L，4个反应器均使用pH控制器通过启动加酸加碱泵自动调节反应器内pH在设定范围内。调节pH使用8%的NaOH溶液和1 mol/L的HCl溶液。采用磁力搅拌器对污泥进行搅拌，搅拌速度为490 r/min，反应装置于35℃恒温室内运行。4个反应器pH分别设为4.0、5.0、5.5、6.0，每天进出料1次，污泥接种后使反应器内污泥浓度VSS达到10.0 g/L，反应器启动和运行条件见表1。

表1 反应器运行条件

1.3 测定项目和分析方法

有机物含量（Volatile Solid，VS）、污泥挥发性悬浮固体（Volatile Suspended Solids，VSS）含量均采用重量法测量［6］，pH使用pH测定仪测定（美国HACH，sension1）。TCOD、SCOD使用微回流消解比色法测定［6］。气体产量使用湿式流量计测定。使用气相色谱方法测定挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFAs）和乙醇。样品预处理方法：以15 000 r/min低温离心15 min，上清液pH加磷酸调节到小于2，再先后过0.45 μm和0.22 μm滤膜。气相色谱仪（美国Agilent，7890A）：FID检测器，毛细管柱，柱温由70℃升温到180℃，恒定柱流量2.77 mL/min。

2 结果分析和讨论

2.1 反应器pH变化规律

4个反应器H1、H2、H3、H4使用pH控制器对其pH不间断调控，每隔24 h进出料1次，并测定其pH，结果如图1所示。

图1 反应器内pH变化规律

从图1可以看出，通过pH的不间断调控，H1、H2、H3、H4的pH分别稳定在4.0、5.0、5.5、6.0左右。

2.2 不同pH条件下酸化产物的变化规律

采用连续运行方式，对pH分别为4.0、5.0、5.5、6.0条件下VFA浓度随发酵时间的变化进行了为期3个月的连续测定，分别为3个阶段，结果见图2～6。

果蔬垃圾厌氧发酵过程中产生的VFA主要为乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸，图2为不同pH条件下VFA产量随时间的变化。

图2 不同pH条件下VFA产量的变化

图3 H1（pH=4.0）酸化产物各组分变化情况

图4 H2（pH=5.0）酸化产物各组分变化情况

图5 H3（pH=5.5）酸化产物各组分变化情况

图6 H4（pH=6.0）酸化产物各组分变化情况

有机负荷13 g/L，不同pH条件下的酸化产物组成如图2所示，调控pH能够使主要酸化产物比例发生变化。从图3可以看出，pH=4.0，有机负荷为13 g/L，连续运行26 d，发酵液的主要挥发酸组分为乙醇和乙酸，运行到第10天，乙醇浓度达到最大值18 g/L，乙醇乙酸含量占总挥发酸的98.9%，乙醇转化率达到51.77%，为典型的乙醇型发酵，高浓度乙醇产量维持14 d，随后降低。由于产甲烷相微生物对底物的转化速率依次为乙醇＞戊酸＞丁酸＞乙酸＞丙酸［7］，乙醇最容易转化，且产生的乙醇可通过提纯用做燃料，所以乙醇型发酵为最佳发酵类型。

从图4可以看出，pH控制在5.0，酸化产物的主要成分为乙酸和丁酸，含有少量的乙醇、丙酸和戊酸，乙酸和丁酸在总酸中的质量比分别为20%和30%，其余3种酸在总酸中的质量比都为10%，呈现出混合酸发酵的特点。在反应的第5天，单酸浓度都达到最大值，随后就稳定在一定浓度范围。所以控制pH为5.0可以形成稳定的混合酸发酵。由于含有一定量的丙酸和戊酸，所以混合酸发酵不适于工业应用。

从图5可以看出，控制pH为5.5，酸化产物的主要成分为丁酸和乙酸，含有少量的丙酸，基本不含乙醇。在反应的前15 d，累积丁酸浓度逐渐增加，随后稳定在15 g/L，丁酸和乙酸在总酸中所占质量比为70%～80%，为典型的丁酸型发酵。

从图6可以看出，控制pH为6.0，酸化产物的主要成分同样为丁酸和乙酸，含有少量的丙酸和极少量的乙醇。在反应的第12天，丁酸浓度达到最大值，随后就稳定在13 g/L，丁酸和乙酸在总酸中所占质量比为70%～90%，为典型的丁酸型发酵。说明pH在5.5～6.0可以形成稳定的丁酸型发酵，且pH增高，丁酸浓度减少，乙酸浓度增加。这与赵丹等［8］的研究一致。在pH=5.5条件下，既可发生丁酸型发酵，又可发生丙酸型发酵。此条件下，系统处于微生物生长和代谢的非稳定状态，各个种群微生物对环境中ORP干扰较敏感。丁酸型发酵的优势菌种多为专性厌氧菌，ORP较低的条件下，进行丁酸型发酵的顶极群落与环境相适应，而丙酸型发酵的细菌往往为兼性厌氧菌，适于在较高的ORP条件下生存［9］。这也解释了pH控制在5.5没有形成丙酸型发酵的原因。虽然pH=6.0酸化效果较好，有易分解的丁酸产生，但为了维持pH，需要不断投加碱性物质，增加运行成本，不宜采用。

以上结果表明，pH可以有效地选择发酵类型，pH=4.0可以形成乙醇乙酸为主的发酵，pH=5.0～6.0可以形成丙酸、丁酸、乙酸为主的发酵，pH越高，乙醇含量越少。pH除影响功能酶的活性外，还会导致发酵细菌代谢途径的选择，表现在酸化产物的种类和产生量的变化，并进一步反馈抑制水解过程，另外pH会使酸化产物以不同形态（分子态或离子态）存在，从而形成不同程度的产物抑制。pH对发酵的影响主要是通过影响厌氧优势菌种和同一种群的代谢途径实现［7］。

2.3 不同有机负荷对酸化产物浓度的影响

4个反应器分别固定pH为4.0、5.0、5.5、6.0，通过调节不同阶段有机负荷，考察不同pH条件下有机负荷对发酵类型的影响。实验分为3个阶段，如图7，第一阶段有机负荷为13 g/L，第二阶段有机负荷为20g/L，第三阶段有机负荷为30g/L。

图7 不同阶段有机负荷

从图8可以看出，pH控制在4.0，3个阶段的主要产物为乙醇和乙酸，且随着负荷的提高，乙酸所占质量比逐渐增大，乙醇所占质量比逐渐减小。

图8 pH=4.0不同负荷酸化产物分布情况

图8显示，在第一阶段，运行到第10天，乙醇浓度达到最大值18 g/L，维持14 d，随后降低，第二、三阶段乙醇含量一直维持在1 000～2 000 mg/L。说明在该条件下乙醇菌可以驯化出来但不能很好的存活，受氢分压等环境因素的影响，乙醇很容易转化成乙酸。3个阶段乙醇乙酸含量分别占总挥发酸的98.5%、96%、95%，为乙醇型发酵。结果表明有机负荷的变化没有对发酵类型产生影响，控制pH可以形成稳定的乙醇型发酵，且从控制pH过程中的加酸加碱量可以判断其稳定性高于其他发酵类型。负荷在超过污泥所能承受的能力之后，会导致未降解的营养物质的积累，使产乙醇菌的生存环境发生变化，抑制其产酸活性，使其酸化产量逐渐降低，但不会影响其发酵类型。

从图9可以看出，控制pH为5.0，调控有机负荷，酸化产物浓度变化不大，在23～35 g/L范围内波动。有机负荷提高以后，单酸所占质量比基本不变，乙酸和丁酸质量比分别为20%和30%，其余3种酸质量比都为10%，为混合酸发酵，说明有机负荷变化没有影响其发酵类型，调控pH可以形成稳定的混合酸发酵。

图9 pH=5.0不同负荷酸化产物分布情况

结合图10和图11可以看出，pH分别控制为5.5和6.0，调控有机负荷，酸化产物浓度随阶段负荷的提高呈上升趋势，有机负荷增大，营养物质增多，水解酸化的菌体代谢增强，产酸总量上升。从图10可以看出，pH控制在5.5，有机负荷经过2次提高，酸化产物的主要成分同样为丁酸和乙酸，占VFA总量的70%～80%，含有少量丙酸，为丁酸型发酵，说明负荷提高，发酵类型并未改变。图中结果显示，随着负荷提高，丁酸含量明显增大，3个阶段质量比分别为40%、60%、70%，丙酸含量降低，原因可能是营养液增加，丁酸型发酵菌体对其利用率加快，菌体代谢增强，使丁酸含量逐渐增加［10］。从图11可以看出，pH控制在6.0，调控有机负荷，发酵的主要产物同样为丁酸和乙酸，占VFA总量的70%～90%，依然呈现丁酸型发酵的特点，说明有机负荷提高，发酵类型没有发生变化。其中乙酸含量占总量的10%～30%，高于pH控制在5.5条件下的乙酸产量。随着负荷的提高，酸化产物中乙醇的含量升高，在负荷达到30 g/（L/d），乙醇含量最高达到20%，说明高负荷条件下，pH控制6.0会有乙醇产生。

图10 pH=5.5不同负荷酸化产物分布情况

图11 pH=6.0不同负荷酸化产物分布情况

所以，产酸发酵菌对提高有机负荷所造成的环境变化有很强的适应能力。有机负荷提高，控制pH，单酸及总酸浓度变化不大，有机负荷过高会使底物转化率降低。污泥所能承受的负荷有一个极限值，当超过极限值以后，酸化产物浓度增长率逐渐降低，直到达到恒定值［11］。因此，高负荷条件下，有机负荷提高，发酵类型不变。

3 结论

1）高负荷条件下，控制pH能够有效地选择酸化类型。pH=4.0为乙醇型发酵，pH=5.0为混合酸发酵，pH=5.5和6.0为丁酸型发酵，酸化产物浓度随pH增大有升高趋势。

2）控制pH，有机负荷分阶段提高，酸化类型不变，在高负荷条件下控制pH可以形成稳定的发酵类型。pH=4.0和pH=5.0条件下酸化产物浓度基本不变，pH=5.5和pH=6.0酸化产物浓度随有机负荷提高而增大。

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Effects of pH Regulation on Acid Production by Anaerobic Fermentation under High Load

Han Dan1，2，Zheng Mingyue2，Wang Kaijun2
（1.Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.，Beijing100082；2.State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control，School of Environment，Tsinghua University，Beijing100084）

In this study，the changes of acid-phase fermentation at the control of temperature（35℃）and pH（4.0，5.0，5.5，6.0），and effects of different organic loads on acidification types at the control of pH under high load were studied by continuous anaerobic fermentation of fruit and vegetable wastes.The results showed that the acidification types and the concentration of acidified product kept unchanged as organic loads increased，and stable ethanolized products could be formed at pH=4，the acidification rate ofwhich waslow.

high load；anaerobic fermentation type；pH；fruit and vegetable waste

X833；TQ920.62

A

1005-8206（2017）04-0058-05

韩丹（1988—），助理工程师，主要从事污泥和给水工程设计。

E-mail：wkj@tsinghua.edu.cn。

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2008AA062401）

2017-03-27