脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷及其影响因素研究

孔立志

(山东省环境保护科学研究设计院，山东 济南 250013)

脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷及其影响因素研究

孔立志

(山东省环境保护科学研究设计院，山东 济南 250013)

油脂降解缓慢是影响餐厨垃圾厌氧发酵的重要原因。应用脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷，探究了脂肪酶投加量、温度和pH对产甲烷的影响。结果表明，脂肪酶能够促进餐厨垃圾厌氧发酵的水解和酸化，为产甲烷菌提供物质基质，还能提高脱氢酶的活性。脂肪酶最佳投加量为0.4g/L，最适温度为35 ℃，最适pH为7.0。

餐厨垃圾 厌氧发酵 脂肪酶 温度pH甲烷

随着人们生活水平的不断提高，餐厨垃圾的产生量越来越大。据报道，我国每年的餐厨垃圾产生量为6.0×107t，呈逐年上升趋势[1-3]。由于餐厨垃圾中含有较高的水分、盐分和油脂，因此不适合用填埋、焚烧、堆肥等传统的处理方法处理。此外，餐厨垃圾中还携带大量的细菌等病原体。由此可见，若餐厨垃圾处理不当会引起环境污染、影响人体健康[4-6]。

餐厨垃圾厌氧发酵不仅可以实现餐厨垃圾的无害化、减量化，而且还能回收甲烷，因此厌氧发酵被认为是一种理想的餐厨垃圾处理方法[7-8]。在厌氧微生物的作用下，油脂首先被分解成甘油和长链脂肪酸(LCFA)，再被产甲烷菌所利用而生产甲烷[9]。餐厨垃圾中油脂的质量分数一般可以达到22.8%～31.5%，但油脂降解过程缓慢是限制餐厨垃圾厌氧发酵的重要原因。此外，油脂还会包裹在厌氧微生物表面，阻止其进行物质交换。

由于餐厨垃圾厌氧发酵所需时间长、设施占地面积大、产气效率及产气量低，超声、热水解、微波、生物酶等被用于强化餐厨垃圾厌氧发酵[10]。其中，生物酶的应用最为广泛。脂肪酶是生物酶的一种，能够催化分解油脂类物质，有利于厌氧发酵产甲烷反应的进行。LUSTE等[11]研究发现，脂肪酶能够显著降低屠宰废水中油脂的含量。ADULKAR等[12]研究表明，超声联合脂肪酶能够降低乳制品废水的COD含量。因此，本研究尝试应用脂肪酶催化降解油脂以强化餐厨垃圾厌氧产甲烷，并探究了脂肪酶投加量、温度和pH的影响，为脂肪酶在餐厨垃圾厌氧发酵的实际工程应用提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

餐厨垃圾取自山东济南某餐厅，厌氧发酵前人工剔除一次性筷子、玻璃残渣等不易发酵的物质。为了便于餐厨垃圾的厌氧发酵，将其磨成浆糊状。

接种污泥取自某污水处理厂的厌氧发酵反应罐排泥口。接种污泥取回后过2 mm筛以去除大颗粒物质。餐厨垃圾和接种污泥的基本性质如表1所示。

1.2 脂肪酶投加量对餐厨垃圾厌氧发酵的影响

向5个有效容积为1.0 L的广口瓶中分别投加600 mL浆糊状的餐厨垃圾和400 mL接种污泥，脂肪酶投加量分别控制为0、0.1、0.2、0.4、0.8 g/L，调节pH=7.0±0.1。向广口瓶中充纯度为99%的氮气5 min排净氧气，保证厌氧环境，用丁基橡胶瓶塞和铝封封口，在35 ℃、120 r/min下厌氧发酵。

表1 餐厨垃圾和接种污泥的基本性质1)

注：1)TSS和VSS以餐厨垃圾中的质量分数计；糖类、蛋白质和油脂以VSS中的质量分数计；C/N为质量分数。

1.3 温度对脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷的影响

向3个有效容积为1.0 L的广口瓶中分别投加600 mL浆糊状的餐厨垃圾和400 mL接种污泥，脂肪酶投加量为0.4 g/L，调节pH=7.0±0.1。向广口瓶充纯度为99%的氮气5 min排净氧气，保证厌氧环境，用丁基橡胶瓶塞和铝封封口。控制温度分别为15、25、35 ℃，在摇床转速为120 r/min下厌氧发酵。

1.4 pH对脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷的影响

向5个有效容积为1.0 L的广口瓶中分别投加600 mL浆糊状的餐厨垃圾和400 mL接种污泥，控制温度为35 ℃，pH分别为6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，其他条件同1.3节，进行厌氧发酵。

1.5 分析方法

溶解性COD(SCOD)、VSS、TSS和pH参照国家有关标准分析[13]。蛋白质采用福林酚试剂法测定，糖类采用蒽酮试剂法测定，C和N使用Vario EL cube型元素分析仪测定。挥发性脂肪酸(VFA)、LCFA和甲烷采用气相色谱法[14]分析。VFA的检测仪器为GC112A型气相色谱仪，GDX103+5%(质量分数)磷酸色谱柱，柱箱温度为160 ℃；甲烷的检测仪器为岛津GC2010型气相色谱仪，ParaPak-QX色谱柱，柱箱温度为50 ℃；LCFA的检测仪器为Agilent 6890气相色谱仪，DB-WAXERTR色谱柱，程序升温由180 ℃升到220 ℃，升温速率为2 ℃/min。脱氢酶活性采用2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法[15]分析。

2 结果与讨论

2.1 脂肪酶投加量对餐厨垃圾水解的影响

有机物厌氧发酵的第1步是水解，水解速率与SCOD含量密切相关，可以用SCOD来表征水解程度。由图1可知，不同脂肪酶投加量作用下SCOD均随时间呈现先上升后下降的趋势。脂肪酶投加量为0 g/L时，SCOD在第7天达到最大值(1 720 mg/L)。投加脂肪酶后，SCOD达到最大值的时间缩短至5 d。随脂肪酶投加量的增加，SCOD最大值提高，脂肪酶投加量由0.1 g/L增加到0.4 g/L，SCOD最大值由1 925 mg/L增加到3 486 mg/L，而进一步增加脂肪酶投加量至0.8 g/L，SCOD最大值仅比脂肪酶投加量0.4 g/L时提高了88 mg/L。上述实验结果表明，脂肪酶的存在能够强化餐厨垃圾厌氧发酵的水解，脂肪酶的最佳投加量为0.4 g/L。

图1 脂肪酶投加量对餐厨垃圾水解的影响Fig.1 Effect of lipase dosage on the process of hydrolysis of kitchen waste

2.2 脂肪酶投加量对餐厨垃圾酸化的影响

LCFA是酸化过程的中间产物，需在产酸菌的作用下转化为VFA等小分子有机酸才能进一步被产甲烷菌利用生成甲烷。脂肪酶投加量对LCFA的影响如表2所示。在脂肪酶投加量为0 g/L时，十六酸和十八酸的质量浓度分别为(658±36)、(589±19) mg/L；当脂肪酶投加量为0.4 g/L时，十六酸和十八酸的质量浓度分别降至(450±26)、(324±14) mg/L；而当脂肪酶投加量继续增加至0.8 g/L，十六酸和十八酸浓度降低不是很明显。

VFA含量直接影响到后续甲烷的产生。图2为脂肪酶投加量对酸化生成的VFA的影响。由图2可知，VFA的变化趋势与SCOD的变化趋势一致，均随时间呈现先上升后下降的趋势。当脂肪酶投加量为0 g/L时，VFA最大值为759 mg/L，而当脂肪酶投加量分别为0.1、0.2、0.4 g/L时，VFA最大值分别增加到952、1 256、1 685 mg/L，进一步提高脂肪酶投加量至0.8 g/L，VFA最大值仅比0.4 g/L时增加了36 mg/L。同时，脂肪酶的投加也能缩短VFA达到最大值的时间。

表2 脂肪酶投加量对LCFA的影响

图2 脂肪酶投加量对VFA的影响Fig.2 Effect of lipase dosage on VFA

由此可见，脂肪酶的存在也能强化餐厨垃圾厌氧发酵的酸化，脂肪酶的最佳投加量也是0.4 g/L。

2.3 脂肪酶投加量对餐厨垃圾产甲烷的影响

餐厨垃圾厌氧发酵的主要目标是获得能源物质甲烷。图3为脂肪酶投加量对餐厨垃圾厌氧发酵的最大甲烷产量的影响。由图3可知，脂肪酶能够促进餐厨垃圾厌氧发酵的甲烷化，脂肪酶投加量越大，最大甲烷产量也越大。脂肪酶投加量为0 g/L时，最大甲烷产量是271 mL/g(以标准状况下单位质量VSS的甲烷体积计)。投加脂肪酶后，最大甲烷产量显著增大，脂肪酶投加量由0.1 g/L增加到0.4 g/L，最大甲烷产量由314 mL/g增加到362 mL/g，然而当脂肪酶投加量进一步增加到0.8 g/L，最大甲烷产量却无明显变化。上述实验结果表明，脂肪酶能够促进甲烷的生成，脂肪酶的最佳投加量为0.4 g/L。

图3 脂肪酶投加量对最大甲烷产量的影响Fig.3 Effect of lipase dosage on maximum methane production

2.4 脂肪酶对餐厨垃圾厌氧发酵过程中关键酶的影响

产甲烷菌对餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷离不开关键酶的调控，脱氢酶是厌氧发酵过程中的关键酶之一[16]。脂肪酶对脱氢酶活性的影响如图4所示。不同脂肪酶投加量下脱氢酶活性呈现先上升后下降的趋势，15 d时达到最大值。脂肪酶投加量越大，脱氢酶活性越高，当脂肪酶投加量从0 g/L增加到0.4 g/L时，脱氢酶的最大活性由5 260 U/g增加到了8 960 U/g，但脂肪酶投加量0.8 g/L时与0.4 g/L时差别不大。

图4 脂肪酶投加量对脱氢酶活性的影响Fig.4 Effect of lipase dosage on the activities of dehydrogenase

2.5 温度对脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷的影响

温度是影响餐厨垃圾厌氧产甲烷的一个重要因素。图5为温度对脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷的影响。由图5可知，不同温度下甲烷产量均随时间的延长而增加，并且甲烷积累主要集中在前20 d。30 d时的最大甲烷产量随温度的升高而增大，当温度由15 ℃升高到35 ℃时，最大甲烷产量由309 mL/g增加到了362 mL/g。35 ℃发酵有利于相关酶活性的提高，并且为产甲烷菌提供了良好的生存环境。李轶等[17]也曾报道，35 ℃有助于餐厨垃圾消化。

2.6 pH对脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷的影响

图5 温度对脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷的影响Fig.5 Effect of temperature on lipase enhanced anaerobic methane production of kitchen waste

pH同样是影响餐厨垃圾厌氧产甲烷的一个重要因素。图6为pH对脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷的影响。由图6可知，不同pH下甲烷产量均随时间的延长而增加。当pH=7.0时，最大甲烷产量最高，为362 mL/g，酸性或碱性条件均会抑制产甲烷菌的活性，进而影响甲烷产量。YUAN等[18]报道，强碱性环境(pH=10)会降低厌氧反应过程中的甲烷产量。

图6 pH对脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷的影响Fig.6 Effect of pH on lipase enhanced anaerobic methane production of kitchen waste

3 结 论

研究了脂肪酶强化餐厨垃圾厌氧产甲烷，探究了脂肪酶投加量、温度和pH对产甲烷的影响。结果显示，脂肪酶能够促进餐厨垃圾厌氧发酵的水解、酸化和甲烷化。脂肪酶的最佳投加量为0.4 g/L，最适温度是35 ℃，最适pH=7.0，最大甲烷产量可以达到362 mL/g。

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Lipaseenhancedanaerobicmethaneproductionofkitchenwasteanditsinfluencefactors

KONGLizhi.

(ShandongInstituteofEnvironmentalScience,JinanShandong250013)

The tardiness of lipid degradation limited the kitchen waste anaerobic fermentation. Lipase enhanced anaerobic methane production of kitchen waste was studied,and the effects of lipase dosage,temperature and pH on the production of methane were explored. Results showed that the presence of lipase promoted the processes of hydrolysis and acidification,thereby provided sufficient substrates for methane production bacteria. In addition,lipase improved the activities of dehydrogenase. The optimal lipase dosage was 0.4 g/L,the optimal temperature was 35 ℃ and the optimal pH was 7.0.

kitchen waste； anaerobic fermentation； lipase； temperature； pH； methane

2016-07-04)

作者：孔立志，男，1972年生，本科，高级工程师，研究方向为固体废物资源化和有机污染物的降解。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.018