瓜果废弃物厌氧发酵产酸及发酵液作为反硝化外加碳源的研究

侯银萍, 东王涛, 张安龙, 王先宝, 裴立影

(陕西科技大学 环境科学与工程学院, 陕西 西安 710021)

0 引言

随着人口和人类活动的增加,城市污水排放量急剧增大,污水中所含氮磷元素为水体富营养化提供条件,导致污水的处理成本和难度增加,同时也会引发水环境的生态破坏,对水质和水生动植物造成不可逆的损害,威胁人类的健康安全[1].碳源是微生物进行反硝化的必备要素,微生物可以直接使用有机碳作为电子供体,对净化污水具有重要意义[2].我国生活污水普遍存在碳氮比(C/N)低,污水处理厂进水碳源不足导致生物除磷脱氮效果差,有效解决污水处理厂碳源不足问题,是提高污水脱氮除磷效率从而实现达标排放的有效途径[3,4].提高污水脱氮除磷效果最常用的的方法是投加外碳源.目前,外碳源可为两大类:传统外加碳源和新型碳源.传统外加碳源主要以甲醇、乙酸钠和葡萄糖为主;新型碳源主要有固体有机碳源、高浓度有机废水和厌氧发酵产物(如秸杆、餐厨垃圾厌氧发酵液).传统外碳源会增加污水处理成本;新型碳源如秸杆释放周期短、释放分布不均匀,可控性差,厨余垃圾含水率高、含油量高,会对其厌氧发酵过程产生一定影响[5,6].因此,开发高效、廉价和可持续的生物碳源对于降低污水处理的运行成本尤为必要[7].

目前,农村经济不断发展、瓜果种植技术不断改进,在种植地采摘、市场流通等过程中会产生的大量瓜果废弃物.瓜果废弃物具有含水量高、有机物含量高、易腐败变质等特性,容易滋长蚊虫和散播病原.瓜果废弃物的大量产生和堆积已经对农田、水体、果蔬配送市场和其他人居环境构成了严重威胁,成为一种不可忽视的污染源[8].我国每年都会产生大量瓜果废弃物,常用的处理方法有填埋、焚烧、好氧堆肥和厌氧消化等[9-12].瓜果废弃物因其含水率过高,在处理过程中会存在很多问题.填埋处置是利用自然环境将其分解,这种处理方式不仅会产生毒有害气体,还会产生一定的渗滤液,对土壤也会有一定危害;焚烧过程中会产生废气和一些致癌物质,危害人体健康.而瓜果废弃物含碳量很高,其作为一种优质有机碳源,在厌氧微生物的作用下能够将瓜果废弃物中的有机物(多糖、蛋白质、纤维素等大分子物质)分解转化为小分子碳源[13],最终产生富含挥发性脂肪酸(VFAs)的发酵液,将该发酵液作为污水处理厂脱氮除磷工艺的外加碳源.对于瓜果废弃物而言不但可以解决城市污水处理厂碳源不足的问题而且可以避免资源浪费,是符合“双碳”理念的绿色可持续方法.

基于上述背景,本课题以瓜果废弃物作为研究对象,探究不同接种比(F/M=0.5、1.0和1.5)下的乳酸菌和厌氧污泥对瓜果废弃物厌氧发酵产酸的影响.选取最优厌氧发酵条件下的发酵液作为活性污泥反硝化外加碳源,与传统外加工业碳源乙酸钠进行对比,进行反硝化实验评定反硝化性能.

1 实验部分

1.1 实验材料

实验所用瓜果废弃物主要为香蕉、火龙果和苹果,取自校园餐厅的水果摊废弃物.将实验所用瓜果每500 g加100 mL蒸馏水,利用破碎机(九阳JYL-Y99)进行机械破碎制为果泥,并放置于4 ℃冰箱中保存备用.

发酵实验分别接种乳酸菌和厌氧颗粒污泥,其中乳酸菌为食品发酵所用的混合菌型(川秀®,乳酸菌酸奶发酵粉,北京),厌氧颗粒污泥取自西安市某啤酒厂UASB反应器.反硝化速率实验所用活性污泥取自西安市某污水处理厂缺氧池,取得污泥后重力浓缩弃去上清液并用纯水淘洗两遍,调整污泥浓度(MLSS)约为5 000 mg/L.果泥及厌氧颗粒污泥基本性质如表1所示.

表1 果泥和厌氧颗粒污泥的基本性质

1.2 实验方法

1.1.1 果泥发酵产酸

采用序批式实验方法,探究接种菌剂以及接种比对瓜果废弃物厌氧发酵产物的影响.取200 mL果泥置于7个500 mL厌氧血清瓶中,其中1瓶作为对照组不接种发酵菌,其余每3瓶为一组,每组分别接种乳酸菌和厌氧污泥,各组的3个厌氧瓶中分别按照F/M(果泥/接种菌,以VSS计)为0.5、1.0和1.5接种发酵菌,并将以上厌氧瓶进行编号,如表2所示.在每个厌氧瓶中加入5 mmol/L甲烷菌抑制剂二溴乙烷磺酸钠(BES)0.475 gBES,氮气吹扫5 min后密封,并置于(35±1)℃水浴摇床中进行厌氧发酵.分别于第1、3、5、7、9、12、15天取样测定发酵液中SCOD、多糖和VFAs含量变化.VFAs达到最大产量时停止发酵,对厌氧瓶中混合液过滤并取发酵液保存备用.

表2 各实验组接种比(F/M)情况

1.1.2 活性污泥反硝化速率

1.3 检测及分析方法

常规项目均参照《水和废水监测分析方法》第四版中常用分析方法[14],MLSS和MLVSS采用重量法测定,SCOD和TCOD采用重铬酸钾法测定,硝态氮采用紫外分光光度法测定[15],溶解性多糖采用苯酚-浓硫酸法测定[16].

发酵液中VFAs含量及组分采用气相色谱法(GC)测定[17].取5 mL发酵混合液经8 000 r/min,离心10 min后,用0.45 μm滤膜过滤,取1 mL滤液于气相色谱进样瓶中并加50 μL 甲酸酸化后,密封并置于4 ℃冰箱待测.所用仪器为福立GC9790plus气相色谱仪,配备FID检测器,Rtx@-Wax的毛细管色谱柱,氮气作为载气,进气流速为20 mL/min,进样口与检测器温度分别为220 ℃ 和250 ℃,色谱柱起始柱温60 ℃,以5 ℃/min 的速度升至150 ℃,维持5 min,最后以20 ℃/min升温至230 ℃/min,维持10 min.样品进样量为1 μL.试验测定的VFAs组分包含乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸.为方便比较,将VFAs浓度换算为COD浓度,换算系数分别为:乙酸1.07、丙酸1.51、正丁酸与异丁酸1.82、正戊酸与异戊酸2.04.

果泥水解转化率的计算方法根据公式(1)得出[18]:

(1)

式(1)中:SCODt为发酵瓶混合液中溶解性化学需氧量(mg/L);SCOD0为发酵瓶中初始溶解性化学需氧量(mg/L);TCOD为发酵瓶中混合液总化学需氧量(mg/L).

果泥发酵酸化率的计算方法根据公式(2)得出[18]:

(2)

式(2)中: VFAs—以果泥发酵混合液中溶解性化学需氧量(COD)计(mg/L);SCOD—(SCODt-SCOD0),即发酵瓶中果泥转化的溶解性化学需氧量(mg/L).

2 结果与讨论

2.1 乳酸菌接种比(F/M)对瓜果废弃物水解效果的影响

在厌氧发酵过程中,瓜果废弃物中不溶性物质在微生物作用下,会逐渐转化为可溶性有机物,如溶解性糖类和脂肪酸等,这些中间有机质进一步再被微生物发酵转化为VFAs、H2和CO2等,因此SCOD会伴随发酵进程发生变化.图1为不同F/M条件下瓜果废弃物乳酸菌发酵瓶中SCOD浓度随发酵时间的变化.

图1 接种乳酸菌发酵过程中SCOD浓度变化

由图1可知,在F/M为0.5、1.0和1.5三组发酵瓶中SCOD的产量均呈现出先升高再缓慢下降最后稳定的趋势,且都高于对照组.这是由于瓜果废弃物经过机械破碎制备为果泥,其中一部分有机质溶于水中更有利于水解,随着发酵开始SCOD快速积累,随着SCOD的不断升高,微生物也快速增殖,部分有机物在微生物作用下被转化为H2和CO2,因此发酵后期SCOD出现小幅度的降低最后稳定.接种乳酸菌能够加快果泥中不溶态大分子有机质的分解,提高溶解性有机质的转化率,从而使发酵液中SCOD产量较对照组有显著提高.接种比对SCOD产量有显著影响,F/M为0.5发酵至3 d时,发酵液中SCOD产量最大达到26 233±321 mg/L,相应的水解转化率为48.4%,F/M=1.0条件下的发酵液SCOD量次之,F/M为1.5时SCOD产量最小.

图2为分别在F/M为0.5、1.0和1.5条件下采用乳酸菌发酵的多糖产量.各组多糖含量均呈现先增长后稳定趋势,瓜果经破壁为果泥后,有机物快速溶出,溶解性有机物的含量增加显著,接种乳酸菌使更多大分子有机物水解为溶解性多糖.由图2可知,接种比对多糖产量有显著影响,F/M为0.5条件下发酵至11 d时,发酵液中溶解性多糖量达到最大,为892±37 mg/L.

2.2 乳酸菌接种比(F/M)对瓜果废弃物发酵产物的影响

在厌氧发酵过程中有机物逐渐被转化为各类脂肪酸和醇类物质,其中短链脂肪酸VFAs是一类反硝化脱氮的优质碳源.图3为分别在F/M为0.5、1.0和1.5条件下采用乳酸菌发酵的VFAs产量.各组VFAs的产量均呈现先升高后降低的趋势,这是由于瓜果经破壁后果泥中有机物快速溶出,有利于产酸菌的增殖代谢,同时,由于厌氧瓶中投加了BES使产甲烷菌的活性被抑制,从而使发酵液中VFAs不断积累.而随着发酵的进行,厌氧瓶中的甲烷菌活性逐渐恢复,能够利用部分低分子有机酸产甲烷,使得发酵液中VFAs浓度有所降低,该现象在相关研究中也有报道[19-21].接种比对乳酸菌发酵的产酸量有显著影响,F/M=1.0条件下的发酵液产酸量达到最大,为9 145±781 mg COD/L;F/M=1.5条件下的发酵液产酸量次之,为7 916±1 081 mg COD/L.

酸化率,即VFAs/SCOD表示为发酵体系中溶解性物质经过发酵转化为小分子脂肪酸VFAs的累积量,比值越高,说明酸化率越高,体系中产生的VFAs累积量越高,且较难被生物转化和利用的成分越少.要利用瓜果废弃物厌氧产酸液作为反硝化补充碳源,酸化率越高,发酵液生物利用性越好.由图4可得,在对照组和不同接种比(F/M=0.5、1.0、1.5)条件下的酸化率分别为27.6%、26.1%、38.0%和31.7%.从VFAs产量和SCOD酸化率可知,接种比为1.0时,乳酸菌对瓜果有机质的产酸效果较其他条件有较大提升.

图4 不同乳酸菌接种比时发酵液SCOD与VFAs累积量以及酸化率对比

发酵产酸过程中主要产生6种短链挥发性脂肪酸,分别为乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸,此外实验初期监测的乙醇产量较低,因此在发酵进程中重点关注上述VFAs的产量和组成.由图5可知,不同接种比瓜果废弃物厌氧发酵产生的VFAs组分含量存在明显差异.乙酸作为脱氮除磷过程中微生物易于利用的碳源,其产量越高越有利于发酵液作为生物脱氮除磷系统的补充碳源.较为遗憾的是,接种乳酸菌的瓜果废弃物发酵液中VFAs主要成分并非为乙酸,F/M为0.5和1.5时产物主要以正戊酸为主,F/M为1.0时产物主要以异戊酸为主,各组中乙酸仅占VFAs总产量的21%～27%,而对照组中乙酸产量却高达VFAs总产量的67%,由此可见,接种乳酸菌进行瓜果废弃物厌氧发酵过程中,发酵产物并非以乙酸为主要成分的小分子快速可生物降解有机物为终产物,其作为反硝化碳源的生物利用性需进一步通过反硝化速率实验进行评价.结合图3和4,选取F/M为1.0和1.5的乳酸菌发酵液作为反硝化碳源进行反硝化速率测定.

图5 乳酸菌发酵液厌氧发酵产酸VFAs组分

2.3 厌氧污泥接种比(F/M)对瓜果废弃物水解效果的影响

图6为厌氧污泥在不同接种比条件下,进行瓜果废弃物发酵的SCOD浓度变化.由图6可知,与接种乳酸菌发酵的规律相似,接种比对SCOD产量有显著影响,F/M为0.5发酵至7 d时,发酵液中SCOD产量最大达到26 007±1 042 mg/L,相应的水解转化率为47.6%;F/M=1.0条件下的发酵液SCOD量次之,为19 634±817 mg/L,水解转化率为35.9%;F/M为1.5时SCOD产量最小,为17 750±699 mg/L,水解转化率为32.5%.与对照组相比(水解转化率为30.6%),接种污泥增强了瓜果有机质中不溶性有机质的水解过程,从而利于发酵液中更多的有机物转化为有机脂肪酸.

图6 接种厌氧污泥发酵过程中SCOD浓度变化

由图7可知,与接种乳酸菌进行瓜果有机质发酵规律相似,接种比对多糖产量有显著影响,F/M为0.5条件下发酵至11 d时,发酵液中溶解性多糖量达到最大,为945.5±113.1 mg/L;F/M为1.0和1.5条件下,发酵液中溶解性多糖量均略低于对照组,这可能是由于厌氧污泥中具有丰富的微生物种群结构.转化的溶解性多糖能够被产酸菌转化为脂肪酸等中间非糖类物质,从而使实验监测获得的最大累计产糖量出现低于对照组的情况[22].

图7 接种厌氧污泥发酵过程中溶解性多糖变化

2.4 厌氧污泥接种比(F/M)对瓜果废弃物发酵产物的影响

在F/M为0.5、1.0和1.5条件下采用厌氧污泥发酵的VFAs产量如图8所示.由图8可知,各组VFAs趋势均出现先升高后降低的趋势,与接种乳酸菌进行发酵产酸呈相似的趋势,这是因为厌氧瓶中投加的BES随着厌氧消化反应时间的增加,使得产甲烷菌活性逐渐恢复,VFAs中部分低分子有机酸在产甲烷菌的作用下被转化生产甲烷,使得VFAs浓度有所降低.发酵至11 d时,VFAs累计产量达到最高,同时接种比对产酸量有显著影响.F/M=0.5条件下的发酵液产酸量达到最大,为11 675±578 mg COD/L;F/M=1.0条件下的发酵液产酸量次之,为7 515±481 mg COD/L;F/M=1.5条件下的发酵液产酸量最小,为7 214±321 mg COD/L.

图8 接种厌氧污泥发酵过程中瓜果发酵液中VFAs浓度变化

由图9可得,在对照组和不同接种比(F/M=0.5、1.0、1.5)条件下的酸化率分别为27.6%、44.9%、38.3%和40.6%.结合VFAs产量和SCOD酸化率可知,接种比为0.5时,厌氧污泥对瓜果有机质的产酸效果较其他条件有较大提升.

图9 不同厌氧污泥接种条件下发酵液中SCOD与VFAs累积量以及酸化率对比

如图10所示,厌氧污泥进行瓜果发酵过程中主要产生6种挥发性短链脂肪酸.在接种比为0.5、1.0和1.5时,发酵液中乙酸含量均占主要比例,分别为VFAs产量的67%、68%和72%.结合图8所示的VFAs最大累积产量,能够获得各接种条件下乙酸累积产量分别为7 822±387 mg COD/L、5 110±327 mg COD/L和5 194± 231 mg COD/L.结合图8和图9,选取F/M为0.5的厌氧污泥发酵液作为反硝化碳源进行反硝化速率测定.

图10 厌氧污泥发酵液厌氧发酵产酸VFAs组分

2.5 发酵液作为反硝化外加碳源的生物利用性探究

乙酸作为脱氮除磷过程中微生物易于利用的碳源,其含量越高越有利于发酵液作为生物脱氮除磷系统的补充碳源.结合图3和图5,乳酸菌组发酵液中F/M=1.0和1.5时,发酵液产酸量较大,分别为9 145±781 mg COD/L和7 916±1 081 mg COD/L,产物主要以戊酸为主,乙酸约为VFAs总含量的21%.可见,乳酸菌组发酵液中VFAs主要成分并非乙酸这种结构简单、易于微生物利用的碳源,因此对其作为反硝化碳源的生物利用性通过反硝化速率实验进一步评价.厌氧污泥组发酵液中F/M=0.5时,发酵液产酸量达到最大,为11 675±578 mg COD/L,乙酸占VFAs总产量的68%.对其发酵液作为反硝化碳源的污泥反硝化速率进行测定,并与工业碳源乙酸钠进行对比.

表3 反硝化速率实验数据

3 结论

本文以瓜果废弃物为实验对象,通过序批式厌氧发酵实验,研究分别接种乳酸菌和厌氧污泥以及不同接种比对瓜果废弃物厌氧发酵效果的影响,通过考察不同菌剂以及接种比对发酵液中SCOD、溶解性多糖、VFAs产量及组分的影响,筛选产酸量较高的优质发酵液.在此基础上,通过反硝化实验评价发酵液作为碳源的污泥反硝化性能,并与乙酸钠作碳源进行比较,评价瓜果废弃物厌氧发酵液作为反硝化外加碳源的可生物利用性.研究主要得出以下结论:

(1)接种乳酸菌发酵时,接种比对产酸量有显著影响.F/M为1.0和1.5条件下,VFAs累积产量分别达到9 145±781 mg COD/L和7 916±1 081 mg COD/L,酸化率分别达到38.0%和31.7%,发酵液中VFAs主要以戊酸为主,分别约为VFAs总产量的72%和71%,乙酸仅占VFAs总产量的21%.

(2)接种厌氧污泥发酵时,接种比对产酸量也有显著影响.F/M为0.5条件下,VFAs累积产酸量达到最大,为11 675±578 mg COD/L,酸化率为27.6%,发酵液中乙酸占VFAs总产量的67%,为7 822±387 mg COD/L.

(3)在同等条件下,分别以F/M为1.0和1.5的乳酸菌组发酵液、F/M为0.5的厌氧污泥组发酵液、乙酸钠作碳源进行了活性污泥反硝化速率测定,结果表明F/M=0.5的厌氧污泥组发酵液作为反硝化碳源,与乙酸钠作外加碳源相比反硝化速率提高了31.4%.证明F/M为0.5的厌氧污泥发酵液作为外加碳源具有较好的利用性能.