Fe2+投加方式对餐厨垃圾厌氧产甲烷的影响研究

2019-05-07刘亚利余紫薇孟小凡丁菁菁张晗

应用化工 2019年4期

刘亚利，余紫薇，孟小凡，丁菁菁，张晗

(南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037)

我国2016年产生9 500万t的餐厨垃圾，且其有机干物质含量达到97%[1]。餐厨垃圾经厌氧消化(AD)可产生生物能源，然而，AD过程常出现反应器酸化、产甲烷终止等问题[2-4]。向餐厨垃圾中添加适量的微量元素能够参与并激活多种金属酶活性，提高甲烷产量[4-6]。然而，添加的微量元素会与硫酸根、磷酸根等阴离子形成沉淀，阻碍微生物的吸收利用[6-8]。乙二胺四乙酸(EDTA)等人工合成的螯合剂可与微量元素螯合，提高微量元素的生物利用度[9-11]。

本实验对比研究EDTA与FeCl2单独、同时投加对餐厨垃圾厌氧产甲烷过程的影响，考察蛋白和多糖的降解过程，分析EDTA阻碍FeCl2沉淀，促进生物气产生的机理。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

接种污泥，由南京市桥北污水厂的二沉池污泥经厌氧驯化后得到，其性质见表1；餐厨垃圾，取自南京林业大学学生餐厅，经过人工分拣、清洗除油、粉碎处理后，餐厨垃圾中的总固体(TS)、挥发性固体(VS)、总化学需氧量(TCOD)、溶解性化学需氧量(SCOD)等指标见表1；HCl(质量分数为36.5%)、FeCl2·4H2O、EDTA和NaOH均为分析纯。

表1 接种污泥和餐厨垃圾的性质Table 1 Characteristics of inoculation sludge and kitchen wastes

THZ-82A气浴恒温振荡器；Agilent 6890GC气相色谱仪。

1.2 实验方法

厌氧消化反应在4个250 mL的血清瓶中进行(编号为1～4号)。分别向1～4号血清瓶中加入100 mL的餐厨垃圾和50 mL的接种污泥。向2号瓶中投加100 mg/g TS的FeCl2，向3号瓶投加146 mg/g TS的EDTA，向4号瓶同时投加100 mg/g TS的FeCl2和146 mg/g TS的EDTA、而未添加其它物质的1号瓶作为对照。用1.0 mol/L的NaOH或1.0 mol/L 的HCl将1～4号瓶的pH调至7.0。分别向1～4号瓶中通2 min的N2后密封，并将其置于气浴恒温振荡器中，转速控制为80 r/min，温度为室温。

1.3 分析方法

TS、VS、COD、氨氮和磷酸盐的监测依据《水和废水分析检测方法》[12]；挥发酸(VFAs)采用气相色谱进行测定[13]；溶解性蛋白采用Lowry法测定[14]；溶解性多糖采用福林酚法检测[15]。

2 结果与讨论

2.1 生物气产量

投加不同添加剂后，累计生物气产量随时间的变化见图1。

图1 累计生物气产量随时间变化Fig.1 Changes of cumulative biogas production with time

由图1可知，投加FeCl2-EDTA反应器中的累计生物气产量在前8 d快速升高，而后趋于稳定，反应13 d后可达321 mL，分别是投加FeCl2反应器的4.1倍、对照实验的7.22倍。这说明投加FeCl2-EDTA和FeCl2均能够促进餐厨垃圾厌氧产甲烷过程，且以螯合态存在的Fe更容易被产甲烷吸收利用，促进生物气产生[5，7]。此外，投加EDTA反应器中产生的生物气量有所降低，这可能是因为EDTA对产甲烷菌产生了一定的抑制作用[9]。

2.2 溶解性蛋白和多糖浓度的变化

溶解性蛋白和多糖浓度随时间的变化规律，见图2。

由图2可知，在前5 d，溶解性蛋白质浓度随时间的延长逐渐降低，而后出现不同程度的波动。这可能是因为初始阶段颗粒蛋白的水解速率低于溶解性蛋白的降解速率，而后二者的速率达到相对稳定[4]。由图可见，对于任一时间来说，投加FeCl2-EDTA反应器内的溶解性蛋白浓度相对较高，这说明FeCl2-EDTA能促进颗粒蛋白的水解。

图2 溶解性蛋白和多糖随时间的变化Fig.2 Changes of soluble proteins andpolysaccharides with time

溶解性多糖的变化趋势与蛋白类似，但溶解性多糖浓度的快速降低出现在前3 d，比溶解性蛋白所用的时间短，这说明碳水化合物的转化速率比蛋白更快。

2.3 氨氮和磷酸盐浓度的变化

投加不同添加剂时，氨氮浓度随时间的变化，见图3。

图3 氨氮浓度随时间的变化Fig.3 Changes of ammonia nitrogen with time

由图3可知，在初始1～3 d，投加FeCl2-EDTA反应器中的氨氮浓度突然升高，这说明溶解性蛋白被微生物快速降解[10]，其变化规律与溶解性蛋白的变化规律一致。

各反应器中磷酸盐浓度随时间的变化见图4。

由图4可知，磷酸盐浓度随时间的变化相对稳定。对于任一时间来说，各反应器内的磷酸盐浓度变化较大，以13 d为例，磷酸盐浓度从高到低的顺序为：EDTA(176.7 mg/L)>FeCl2-EDTA(102.1 mg/L)>对照组(61.2 mg/L)>FeCl2(40.7 mg/L)。影响磷酸盐变化的因素有两个：(1)投加到反应器内的铁与脂类水解释放的磷酸盐发生沉淀反应，导致磷酸盐浓度降低。与投加FeCl2相比，投加FeCl2-EDTA能够阻止铁的沉淀反应，进而提高水解酶活性，促进脂类水解释放；(2)投加的EDTA可能会使餐厨垃圾中的脂类化合物得以释放，增加脂类与厌氧微生物的接触机会，提高脂类的水解速率。

图4 磷酸盐浓度随时间的变化Fig.4 Changes of phosphorus with time

2.4 VFAs 浓度及构成变化

VFAs浓度随时间的变化见图5。

图5 VFAs浓度随时间的变化Fig.5 Changes of VFAs with time

由图5可知，VFAs浓度随时间呈上升趋势，这主要归因于餐厨垃圾中溶解性有机物的快速酸化过程。投加FeCl2和FeCl2-EDTA反应器中的VFAs浓度变化较快，这也说明铁促进了蛋白等底物的水解酸化反应，导致VFAs的产生速率高于降解速率[6-7]。反应结束时，投加FeCl2-EDTA反应器中的VFAs浓度最低，而投加EDTA反应器中的VFAs 最高，这是因为FeCl2-EDTA对产甲烷菌产生促进作用，而EDTA则产生了一定的抑制。