我国的餐厨垃圾产生量与日俱增,2016年全国餐厨垃圾产生量高达9731万吨,日均产量达26万吨口;并且随着时间的增长,其数量以每年10%的速度增长2。餐厨垃圾具有高油脂和盐分、高含水率、易发生厌氧腐烂等特点35,沼气池厌氧消化技术是能够资源化处理餐厨垃圾的重要手段之一6。沼气池水解酸化

过程作为沼气池厌氧消化的限速步骤,对后续的甲烷化过程影响显著。在此过程中产生的挥发性脂肪酸(VFAs)8种类复杂,产甲烷菌对有机酸的代谢次序为乙酸>丁酸>丙酸,乙醇介于乙酸和丁酸之间。其  中丙酸的大量存在会引起系统的酸化甚至酸败问题,  且更难被产甲烷菌利用和转化0-1。相比于其他有

机酸,丁酸和乙酸较容易产生和利用,所以常常将丁酸型发酵(丁酸和乙酸占VFAs的70%~90%)作为餐厨垃圾沼气池沼气池水解酸化性能优良的评价指标。

VFAs的成分受很多环境因子的影响,包括温度、F/M(Food/Mud)、初始pH值、有机负荷(OL)以及水力停留时间(HRT)等,不同的因子影响不同的发酵类型131-51。其中,FM反映了餐厨垃圾和接种物的相互作用,可直接影响餐厨垃圾酸化过程中发酵类型的种类0,同时也影响产气性能。较低的F/M可以为微生物提供优越的产酸和产气条件但厌氧发酵潜力有限。过高的F/M会导致过量的有机酸积累,使产气性能受抑制。因此,选择合适的F/M提高沼气池厌氧消化的酸化效率至关重要。

笔者诵过研究了餐厨垃圾沼气池厌氧消化中不同F/M

2试验设计方案

在限定影响因子水平(污泥负荷、初始pH值、温度、水力停留时间)内,对F/M进行考察,确定餐厨垃圾沼气池厌氧消化酸化阶段最优F/M的取值范围。设置F/M分别0.5,1.0,2.0,2.5,3.0,4.0,每隔16h取1次样。设定工艺参数为:污泥负荷15gvs·L1,初始pH值为7,温度35℃,水力停留时间96h。反应装置为1L蓝盖瓶,瓶顶端安装接头,通过硅胶管与集水瓶连接,蓝盖瓶置于温度为35℃±1℃恒温水箱中。测定酸化过程中出料pH值,碱度,VFAs含量,产气成分以及产气量。

1.3分析方法

采用排水法计量试验日产气量,产气成分(H2,N2,CH4,CO2)使用气相色谱(SP2100, BeifenruiliCo, Beijing, China)分析测定,挥发性脂肪酸VFAs和乙醇含量采用气相色谱(GC2014, Shimadzu co,Japan)测定,具体分析乙醇、乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸戊酸含量变化,碱度和pH值测定参照标准方法,碱度采用电位滴定法,pH值采用电极法用pH计( Thermo868, Thermo Orion,Us)测定。2结果与分析

2.1不同F/M对酸化的影响

通过分析酸化产物浓度、单位负荷产酸率、乙醇

下的酸化效果及产气状态,分析酸化期间乙醇及VFAs变化趋势;利用相同时间内单位负荷产生乙醇和VFAs的特性,判断不同F/M对产酸效果的影响;并结合pH值与碱度,判断系统酸化程度。通过以上研究,确定不同F/M下的酸化类型及系统稳定性,为后续甲烷化提供目标性产物。

材料与方法

1.1试验材料

试验所用餐厨垃圾原料取自北京化工大学食堂,经手工分拣后,打碎成浆状,放于-20℃冰箱冷冻储存待用。沼气池厌氧消化试验所用接种物为北京市顺义区某沼气站的进料。餐厨垃圾和接种污泥的基本性质参见表1。

和VFAs百分含量随时间变化规律,研究餐厨垃圾  沼气池厌氧消化沼气池水解酸化阶段,不同F/M对发酵类型的影响

不同F/M条件下,VFAs的主要成分中乙醇、乙  酸、丙酸、丁酸浓度随时间变化如图1~图4所示。  沼气池水解酸化96h时间内,F/M为3和4时,乙醇浓度  较高,且明显高于其它组别,但随着时间的增加逐渐降低,沼气池最高浓度发生在16h,分别为8169.51mg·L和11560.23mg·L-。F/M为2和2.5条件下,乙酸浓度随时间增加,且FM为2.5时的增长速率不断增大,当反应时间为96h时,乙酸浓度达到最大,为4913.11mg·L-。F/M为0.5和1时,丙酸含量有明显的积累,通过对比表3和表4中产气量和产甲烷量发现,F/M为0.5和1的产气量和产甲烷量相对较高,这是因为F/M较低,产甲烷菌活性较强,使乙醇和VFAs(丙酸除外)迅速消耗,造成了丙酸浓度的大量积累。F/M为2和2.5时,pH值>5.6,丁酸浓度(4500~8000mg·L1)高于其它组别(<3000mg·L),且随着时间的增加,出现了波动,含量相对稳定,为丁酸型发酵,且发酵系统稳定

不同FM下,乙醇和VFAs单位负荷产酸率随时间变化如图5~图10所示。F/M为0.5和1时,随着随时间的增加,单位负荷产酸率逐渐降低,到96h时分别降低40%和33%;F/M为2和2.5时,单位负荷产酸率基本保持不变,且高于其它F/M;F/M为3和4时,前48h单位负荷产酸率基本保持不变,48h后单位负荷产酸率随时间逐渐较低,96h时二者均降低了31%,这是因为过高的F/M,使VFAs累积,导致系统pH值降低,影响了微生物的

活性。

根据乙醇和主要VFAs的含量,可以将发酵分为乙醇型发酵、丁酸型发酵、丙酸型发酵等。为了探究不同FM对发酵类型的影响,研究了各种发酵类型主要成分在不同F/M下,随时间的变化如表2所示(A~E分别代表发酵时间为16~96h单位产酸变化,时间间隔为16h)。乙酸含量在各组中

含量较高(除F/M为3和4试验组),将乙酸含量计算在内的其它组分含量随时间变化不明显。对比4组不同VFAs和乙醇含量比较来看,百分含量最高的时乙醇+乙酸,其次时丁酸+乙酸,丙酸+乙酸含量相对较少,这种乙醇和VFAs组成说明餐厨垃圾在沼气池厌氧消化酸化阶段的发酵类型是比较复杂的,且不同F/M对应不同的发酵类型。可以看出,F/M为0.5和1时,丙酸+乙酸含量较高,且随着时间的增加而逐渐积累;F/M为2和2.5时,丁酸+乙酸含量较高,为77%~85%(除个别组别外),属于丁酸型发酵;F/M为3和4时,乙醇+乙酸含量最高,达到80%~92%,属于乙醇型发酵。但结合单位VS产酸率可知,F/M为3和4的单位产酸效果较其它FM低

2.2不同F/M下的酸化产气特性

酸化阶段产生甲烷并不利于乙醇和VFAs的积累,使乙醇、乙酸、丁酸被提前利用,导致丙酸含  量升高,使后续甲烷化进程受到阻碍。笔者通过研

究不同F/M下酸化阶段的产气量和产甲烷量随时  间的变化,结合乙醇和VFAs积累情况,以确定甲烷化适宜的F/M范围。

不同F/M条件下,产气量和产甲烷量如表3和表4所示,pH值和碱度的变化如图3所示。当F/M为3和4时,酸化阶段的pH值较低(4.3~5.0)。这是由于有机负荷较高,造成了沼气池水解酸化产生的VFAs过量积累,致使pH值降低,阻碍了沼气池水解酸化及后续甲烷化进程。当FM为2和2.5时,反应体系pH值为5.63~5.82,在沼气池水解酸化细菌的活性范围内(pH值5.3~6.2),合理的pH值促进了沼气池水解酸化细菌对于有机物的降解效率,沼气池水解酸化程度较高,  产生了大量的ⅤFAs;另一方面,在此范围内,几乎没有甲烷的产生,说明VFAs的大量积累抑制了产甲烷菌的活性,可为后续甲烷化进程提供目标性产物。  当F/M为0.5和1时,乙醇和ⅤFAs积累量不高(见  图1),产甲烷水平相对较高,最高达到了50.38  mg·LˉVS,这是由于较低的有机负荷,使得水解酸  化产生的VFAs还未积累,就被产甲烷菌利用产生甲

烷,系统中的pH值也有利于产甲烷细菌的生存。但产甲烷菌使得乙醇、乙酸、丁酸还未积累就被利用分解,造成丙酸的积累,且单位负荷产酸率不高,不利于后期甲烷化过程中甲烷的生成。

反应体系的pH值和碱度是沼气池厌氧消化系统稳  定正常运行不可缺少的重要评价指标。图11为发酵前后碱度和pH值变化,不同F/M下,发酵后碱度较发酵前碱度均有明显升高,表明系统趋于稳定化。其中F/M为2和2.5时,碱度分别达到了4800mg·L和5650mg·L-,pH值分别为5.82和5.63,系统稳定性良好,结合发酵产物,证明系统的丁酸型发酵稳定。F/M为0.5,1,3,4时,碱度在3000-4000mg·L之间,系统稳定性相对较差,且F/M为3和4时发酵后的pH值仅为5和4.3,说明系统酸化现象严重。

综合以上分析,在餐厨垃圾沼气池厌氧消化的酸化阶  段,当F/M=0.5和1时,丙酸+乙酸含量较高,并  伴有甲烷产生,这是因为乙酸和丁酸被产甲烷菌利  用产生甲烷,导致了丙酸的积累,丙酸+乙酸含量达

到了56%~80%,属于丙酸型发酵,此发酵类型并不利于后续甲烷化进程,且系统的碱度较低,稳定性差;当FM=2和2.5时,酸化末端产物以乙酸和丁酸为主,丁酸+乙酸含量为77%-85%,属于丁酸型发酵,几乎没有甲烷产生,可为后续积累大量可利用的VFAs,系统的碱度最高达到了5650mg·L-,证明此时的丁酸型发酵稳定;当F/M=3和4时,乙酸和乙醇浓度较高,乙醇+乙酸含量为77%85%,为乙醇型发酵,碱度仅为3000mg·L-左右,系统稳定性较差,此时的发酵系统不稳定,较低pH值(5和4.3)会使甲烷化过程中产甲烷菌活性受到抑制,而且单位负荷产酸率不高,影响后续甲烷的产生量。

3结论

(1)F/M对发酵类型影响显著。当F/M≤1时为丙酸型发酵,并伴有甲烷产生,该发酵类型并不利于后续甲烷化进程;当1<F/M≤2.5时为丁酸型发酵,单位负荷产酸率最高,可为后续甲烷化进程提供可利用的VFAs;当F/M>2.5时,发酵类型为乙醇型发酵,但单位产酸率不高,会使后续甲烷化进程受到阻碍

(2)F/M对餐厨垃圾酸化过程的产气量和产甲烷量存在影响。F/M≤1时,单位VS产气量和产甲烷量较大,说明在沼气池水解酸化阶段就伴有甲烷化过程,并不利于酸化水解过程中VFAs的积累。

(3)F/M≤1和F/M>2.5时,碱度在3000~4000mg·L-,单位产酸效率相对较低,系统稳定性相对较差,且F/M>2.5时发酵后的pH值仅为5和4.3,超出了沼气池水解酸化细菌的产酸活性范围。1<F/M≤2.5时,碱度达到了5650mg·L,系统稳定性良好。

本文摘自《中国沼气》2018第一期