餐厨垃圾制备高性能反硝化碳源的厌氧发酵条件优化＊

梁曼丽，袁维波，敖 冬，高婷婷，李 倩，陈 荣

（1. 同方水务集团有限公司，江苏 南京 210046；2. 西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西西安 710055；3.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055）

1 引言

随着我国生态文明建设的深入发展，污水处理厂的排放标准逐步提高，其面临着有机物和氮去除效率的提高［1］；但是由于我国的管道收集系统以合流制为主、微生物在管道系统中的好氧降解作用等原因，造成许多城市污水水质都呈现出有机物浓度低、氮含量高，污水处理厂进水中COD/TN 较低的现象［2］，这会使得处理过程中脱氮效率不高，而现有解决办法是人工投加乙酸钠等碳源，以提高脱氮效果［3-6］。

但投加上述碳源对于污水处理的成本增加较大，因此，用其他廉价原料替代是一种有效方式。随着我国生活水平提高，城市中产生的餐厨垃圾越来越多，由于餐厨垃圾中组分简单，主要以碳水化合物为主，被认为是较为理想的碳源制备基质［7-9］。因此近几年来，国内外研究者对餐厨垃圾厌氧发酵的研究越来越多。

在厌氧发酵过程中包含水解和酸化两大步骤，其中水解被认为是颗粒态有机物厌氧消化的主要限速步骤［10-12］，而酸化产物的组成分布则会影响其后续利用的可行性［13-15］。在现有研究中，涉及到的条件包括温度、初始固体浓度、pH 等［14,16］，而不同操作条件下的发酵产物的浓度和性质差别较大。其中，pH 是调控水解和酸化过程的主要环境因素［11-12］，而且在酸化过程中有机酸的组成也主要受pH 的影响［15,17］。餐厨发酵产物作为碳源，主要是针对其中的溶解性产物，目前研究中大都关注溶解性产物中的乙酸、丙酸和丁酸等挥发性有机酸（VFAs）组分［10-15］。但是，对同样作为具有良好反硝化特性的乳酸则研究较少［3］。另外，对厌氧发酵产物的反硝化性能进行测试时，往往也只是针对硝氮的去除效果，忽视了亚硝氮的积累［3,14］，而有研究认为碳源类型直接影响反硝化过程中亚硝酸盐浓度的积累情况［18-19］。

因此，本研究以实际餐厨垃圾为例，探究pH调节在餐厨垃圾厌氧发酵过程中，对有机物降解与发酵产物中VFAs 和乳酸等有机酸组分变化规律的影响，并通过研究其作为外加碳源的反硝化过程中的硝态氮和亚硝态氮的变化，全面评估其作为碳源的反硝化性能，以此获取较为理想的发酵条件，提高其作为反硝化碳源的能力。

2 材料与方法

2.1 餐厨垃圾厌氧发酵

本试验采用的原料为某校园食堂餐厅新鲜的餐厨垃圾（简称厨余）。厨余经挑选去除骨头、废纸、木质等，然后通过2～3 次的热水搅拌，去除油脂，再通过磨碎机将处理的厨余打碎，经1 mm孔径的筛网过滤后，用自来水将其总固体含量（TS） 稀释至10.0%。其COD 和溶解性COD（SCOD）浓度分别为138.4、30.4 g/L，VFAs 和乳酸浓度较低，均为2.0 g/L 左右。

为考察pH 对厨余发酵的影响，设置4 个相同的批次反应器，且为保证发酵产物中小分子有机酸较多，将pH 设定为5、6 和7。反应器有效容积为2 L，接种污泥为本实验室甲烷相的厌氧活性污泥，按照4∶1 比例混合。发酵过程中通过搅拌器和37 ℃水浴锅，使反应器内保持匀质和恒温状态。反应器中pH 是每隔12 h 通过投加5 mol/L 的NaOH 手动调节至设定值（5、6 和7），并以不控制pH 的反应器作为对照组。当体系中组分基本保持稳定时，实验停止。

2.2 反硝化实验

2.3 分析方法

对于厌氧发酵，每隔12 h 采样，每次取20 mL，分析其TS、VS、COD 和氨氮等，分析方法参照文献［18］。SCOD、乳酸及VFAs 样品预处理方法是：将其样品在10 000 r/min 离心机上离心10 min后，取其上清液过0.45 μm 滤膜。乳酸利用HPLC进行分析，VFAs 则利用GC 分析［3,14］。

本次实验采取3 次平行数据，根据实验结果，其误差值均小于5%。

2.4 计算方法

厨余水解率和酸化率根据发酵前后COD 及有机酸的含量计算，具体公式如下：

式中：SCOD 和SCOD0分别是发酵结束后和发酵开始时反应器中的溶解性COD，g/L；TCODin为进水基质的TCOD 浓度，g/L；CODVFAs和COD乳酸分别是发酵结束后反应器中VFAs 和乳酸的COD 当量，g/L。

发酵液作为碳源的反硝化速率（VDN）和反硝化能力（PDN），其计算方法如下：

（2）对于施工材料做不到严格的查验。施工材料是保证整个工程质量的基础前提，任何一个行业都不例外，尤其是建筑行业，对材料的要求标准更高。但在实际的施工过程中，对于施工材料的要求并没有严格的把控，材料监管员起不到严格检测的作用，基本上都是处于应付的状态，使建筑工程质量从最根本上失去了保障。

式中：Ts为碳源中被微生物快速利用完的时间，h；NOx,in和NOx,end（s）分别是在反应刚开始和在Ts时的NOx浓度，mg/L；MLVSS 为反硝化的污泥质量浓度，mg/L；CODin和CODend分别是外源COD和反硝化结束时COD 浓度，mg/L；NOx,end为碳源被微生物利用完时的NOx浓度，mg/L。

异氧缺氧增殖系数（YH）是根据发酵液的PDN确定的［21］，用于表征碳源中用于反硝化的有机物量，具体公式如下：

3 结果与讨论

3.1 不同pH 条件下发酵产物变化规律

不同pH 条件下发酵产物中SCOD 的变化规律如图1 所示。

图1 不同pH 条件下发酵产物中SCOD 的变化规律Figure 1 The SCOD concentration variation during food waste fermentation with different pH

SCOD 在前24 h 内的变化较小，这可能是由于接种污泥所处的环境与原来不同，微生物需要形成与新环境相适应的运行体系，因此其活性较低［22］。在此之后，SCOD 浓度增加较快。在pH 不控制时，其SCOD 小幅度上升，从28.4 g/L 增加至35.9 g/L，然后基本保持不变。这主要是在厌氧发酵过程中，会产生大量的游离酸［3,14］，而在此条件下，酸性物质消耗不掉，导致pH 逐渐下降至3.5左右，且此后其pH 稳定在此水平。微生物在此低pH 下，其活性较低，水解作用大幅降低［11-12］。而在调节pH 至5、6 和7 时，往反应器中投加的NaOH 会中和其产生的游离酸，从而反应器中pH可维持较高水平，这时微生物活性较高，其水解作用较强，SCOD 含量逐渐增加。但是到96 h 之后，由于易水解的有机物已经在前期被水解完，而剩下的难水解有机物仅依靠反应器内自身微生物的作用，是无法进行进一步水解的［14］。因此，其SCOD 在这之后也基本保持不变，分别为74.3、85.3、93.0 g/L。

通过图1 对比可以看出，不控制pH 条件下，水解率最低，仅为5% 左右；而pH 调节至5、6和7 时，其水解速率快速增加，只是调节pH 后其幅度增加缓慢，其水解率分别达到35%、40% 和48%左右。这主要归因于在较高的pH 条件下，微生物及其酶的活性较高，有利于有机物的水解［11-12］。

不同pH 条件下发酵过程中VFAs 和乳酸的变化规律如图2 所示。

图2 不同pH 条件下发酵产物中VFAs 和乳酸的变化规律Figure 2 The VFAs and lactic acid concentration variation during food waste fermentation with different pH

另外，pH 对发酵前期过程有较大影响。在发酵前期（第84 小时以前），pH 为7.0 的产酸速率明显高于其他条件，而在不控制pH 及pH 为5 时，反应器中VFAs 浓度较低，这是因为VFAs 是由厌氧产酸细菌在代谢过程中所产生的，而pH 则通过影响产酸细菌的代谢过程间接地影响VFAs 浓度［13,15］。当pH 为7 时，反应器中大部分时间的pH 保持在4.8～5.6，其水解效率较高，但不易于产甲烷菌的生长，有利于VFAs 的积累；而在不控制pH 及间歇控制pH 为5 时，反应器的pH 保持在较低水平，此时产酸菌的活性被抑制［3,15］，使得产酸菌的代谢产物VFAs 浓度较低。

对于乳酸而言，其变化趋势与VFAs 类似，各条件下的乳酸浓度均先缓慢增加，后迅速增加，最后逐步趋于平稳（图2）。在不控制pH 时，由于pH 较低，乳酸增加缓慢（约10.0 g/L）。pH 被控制时，乳酸快速增加；pH 为5、6、7 时，其乳酸峰值分别为54.3、45.3、50.6 g/L。而且pH 为5时，乳酸浓度随反应时间持续增加；但pH 为6 和7 时，在发酵阶段的后期，其乳酸有下降趋势（峰值分别是在96 h 和84 h），这可能是因为随着反应器中微生物种类随着其基质组分、pH 等外界环境变化而变化，使得将乳酸可降解为VFAs 的微生物种类和数量增加［14］。这点可由VFAs 浓度在发酵末端增加侧面说明。而pH 为5 时，其乳酸持续增加可能是反应器中pH 较低，适合产乳酸菌的生长。

对比不同条件下小分子有机酸浓度（VFAs 与乳酸之和），都随时间的延长而增加，且在发酵末端，不同pH 下，其总浓度无显著差异。而对比VFAs 和乳酸的浓度，可以看出乳酸浓度大多高于同等条件下VFAs 浓度，这可能是由于此次发酵接种污泥来自甲烷相的厌氧活性污泥，其中产乳酸菌微生物种群较为丰富［16］，而且，本次调节的pH范围都较低，从而产乳酸菌微生物增长较快，使得乳酸浓度较高。

3.2 不同pH 条件下发酵液的成分分析

稳态条件下不同pH 的发酵产物组成成分见图3。

图3 稳态条件下不同pH 的发酵产物组成成分Figure 3 The distribution of the food waste fermentation in steady-state with different pH

由图3 可以看出，4 种条件下发酵产物的组成成分差异较大。总体而言，调节pH 后，大部分多糖被乳酸菌降解转化为乳酸，产物中有机酸含量明显增加，这主要是pH 影响微生物的种群结构及其活性［15-16］。而且在控制pH 时，发酵液中乙酸含量明显增加，比不控制pH 高5 倍以上。这可能是接种液含有某些细菌，使得体系中发生异型乳酸发酵过程，在碳水化合物转化为乳酸的过程中，有少量的乙酸产生；另一方面是产乙酸菌也会在其发酵过程中，将基质直接转化为乙酸［14,16］。

在不控制pH 时，发酵产物中以多糖为主，SCOD 占比大于58%。其他组分则相对较低，其中占比较大的是乳酸，为29.47%，这主要是由于接种污泥中乳酸菌丰富［16］，在反应器pH 为3.5 左右时，厨余中部分有机物能转化为乳酸［13,15］。

pH 为5 时，微生物活性增加，水解和酸化效率提高，其有机酸含量显著增加，VFAs 和乳酸总占比为SCOD 的93.04%。而且，其环境适合乳酸菌的生长，乳酸含量增加更为明显，其占SCOD 的67.77%，VFAs 则相对较低。

pH 为6 和7 时，两者组分差异较小。VFAs和乳酸总占比分别约为SCOD 的88% 和83%，这可能是由于乳酸发酵的最佳pH 条件为4 左右，较高的pH 容易导致乳酸降解［3,10-12］。但在pH 为6 和7 时，乳酸都是其主要成分，占比SCOD 分别为40.63%和49.06%。

因此，通过不同pH 下厨余发酵过程中的小分子有机酸的细分组成变化规律，可得出pH 调节会增强其水解和酸化作用，而且pH 对稳态条件下的发酵产物组成成分有显著影响。pH 控制越低，其乳酸含量越高。但pH 对乳酸和VFAs 等小分子有机酸总含量影响较小。

3.3 不同pH 条件下发酵液的反硝化性能测试

为探究pH 对发酵产物作为反硝化碳源性能的影响，将发酵结束经沉淀过滤后的发酵液作为碳源，并以常规乙酸钠作为对比，研究其反硝化效果，其结果如图4 所示。

图4 不同碳源下反硝化过程中NO、NO 的变化规律Figure 4 The variations of NO and NO during denitrification process with different carbon source

稳定条件下不同pH 的发酵产物作为碳源的反硝化特征参数如表1 所示。

表1 稳态条件下不同pH 的发酵液的反硝化特征参数Table 1 Denitrification performance parameters of fermentation liquor in steady-state with different pH

由表1 可以看出，调节pH 后的发酵液PDN都有较大提高，其相比不控制pH 时高出30%以上，说明提高pH 有利于提高其发酵液的反硝化性能。而且在pH 为5 时，其发酵液PDN与乙酸钠更为相近。此外，不控制pH 时发酵液的YH最大，达到0.69 g/g；pH 为5 与乙酸钠的YH均较低，且无明显差别，分别为0.58 g/g 和0.56 g/g；pH 为6 和7 时发酵液的YH都在0.60 g/g 及以上。综合以上分析，说明pH 间歇调节为5 时，发酵液中乳酸含量较高，且其具有较好的反硝化能力。

4 结论

1） pH 调节会增强厨余厌氧发酵过程中的水解和酸化作用。调节pH 为5、6 和7 时，SCOD 分别为74.3、85.3、93.0 g/L，明显高于不控制pH 时的35.9 g/L；pH 为6 和7 时，VFAs 的浓度较大，分别为38.04、33.20 g/L；对于乳酸，调节pH 为5、6、7 时，其值分别为54.3、45.3、50.6 g/L（不控制pH 时约为10.0 g/L）；但就小分子有机酸浓度而言，在发酵末端不同pH 下无显著差别。

2）pH 对稳态条件下的发酵产物组成成分有显著影响。调节pH 后，产物中有机酸含量明显增加；SCOD 含量中有机酸含量占比都高于80%（不控制pH 时约为38%）。而且，pH 为5 时，其乳酸含量较高，占SCOD 的67.77%；pH 为6 和7 时，其乳酸含量相对较低，其占比SCOD 分别为40.63%和49.06%。