餐廚垃圾熱水解生產(chǎn)碳源的效能研究

更新時間：2021-10-11 11:26 來源：《科學(xué)與技術(shù)》作者: 崔超朱瀟楓閱讀：4078

谷騰環(huán)保網(wǎng)訊：摘要：食物垃圾可以通過厭氧消化經(jīng)濟地轉(zhuǎn)化為一種碳資源，這被認(rèn)為是一種可以將“廢物”轉(zhuǎn)化為“財富”的途徑。熱水解預(yù)處理促進污泥固體部分有機物的溶出，使得長鏈有機聚合物水解成小分子有機物，進而改善污泥的消化性能通過對餐廚垃圾水熱預(yù)處理，比較不同溫度下餐廚垃圾溶出的有機物含量，確定最佳的水熱溫度，并探究熱水解對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的影響。在180℃以內(nèi)，水熱預(yù)處理能有效增加餐廚垃圾液中可溶有機物的含量，其中提高水熱溫度，蛋白質(zhì)和氨氮的含量也會增加。由于SCOD/TN的值很大，作為反硝化碳源不會引入新的氮污染物。

關(guān)鍵字：熱水解預(yù)處理；碳源；餐廚垃圾

利用有機物作為外加碳源的研究已有二十年的歷史。許多文獻已經(jīng)驗證了常見碳源（乙酸、乙醇和葡萄糖）的有效性，但這些碳源高昂的成本導(dǎo)致其難以應(yīng)用于實際[1]。餐廚垃圾由于其富含有機物，是理想的碳源制備基質(zhì)[2]。厭氧發(fā)酵的第一個階段水解是其限速步驟，因此是提高發(fā)酵效率關(guān)鍵。通過酸/堿處理、熱處理、超聲處理和水熱處理促進水解效率已經(jīng)被廣泛研究[3]。王佳明等研究表明超聲波預(yù)處理可以促進餐廚垃圾的水解效率和VFAs產(chǎn)率[4]。Yin等在100-200℃不同溫度水熱預(yù)處理后，發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾中SCOD、蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類隨溫度增加而增加，水熱預(yù)處理可顯著提高餐廚垃圾發(fā)酵時VFAs的產(chǎn)量[5]。宋珍霞等研究表明餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs的最佳熱堿預(yù)處理pH值為11[6]。

熱水解預(yù)處理雖然促進了餐廚垃圾固體有機物溶解，但是餐廚垃圾中的有機物并沒有完全溶出。為了得到最大產(chǎn)量的可溶性碳源，還要將固態(tài)餐廚部分進一步進行厭氧發(fā)酵。厭氧發(fā)酵的第一個階段水解是其限速步驟[7]，提高餐廚垃圾的水解效率也是生產(chǎn)反硝化碳源的關(guān)鍵。前兩步水解酸化的發(fā)酵產(chǎn)物是可行的替代碳源，因為溶解的有機物含量（由有機酸組成，主要是乙酸、丙酸和乳酸）很高。

因此，本章通過對餐廚垃圾水熱預(yù)處理，比較不同溫度下餐廚垃圾溶出的有機物含量，確定最佳的水熱溫度，并探究熱水解對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的影響。

1.材料與方法

1.1 實驗設(shè)計

實驗設(shè)置五個預(yù)處理溫度，即常溫、110℃、135℃、160℃和185℃。取TS=26%的儲備餐廚垃圾19.2 g加去離子水30.8 mL稀釋到TS=10%，倒入100 mL反應(yīng)釜內(nèi)膽中，從常溫加熱到設(shè)定溫度后，在鼓風(fēng)干燥箱中加熱30 min后取出自然冷卻，將處理后的餐廚垃圾倒入50 mL離心管中離心5 min，轉(zhuǎn)速設(shè)為8000 r/min。離心后用5 mL注射器吸取上清液，用0.45 μm濾頭進行過濾，過濾液用于測定SCOD、VFAs、多糖、蛋白、氨氮、硝態(tài)氮和總氮。

以常溫作為對照組，110℃、135℃和160℃為實驗組，取30.77 g TS=26%的餐廚按上述步驟處理，將離心后的上清液倒掉，處理過后的固態(tài)餐廚與1g活性污泥與151 mL去離子水混合均勻得到TS=5%的餐廚垃圾并分別裝到四個250 mL鹽水瓶中，用氮氣吹脫5 min后密封，然后放在33℃恒溫培養(yǎng)箱中進行發(fā)酵6天。每天取3 mL發(fā)酵液，離心過濾后測定發(fā)酵液中的SCOD、VFAs、乳酸、多糖。

1.2餐廚垃圾和接種污泥

實驗所用餐廚垃圾取自合肥工業(yè)大學(xué)德園食堂，主要是大米、雞肉、魚肉、豆制品、青菜等。將餐廚垃圾預(yù)處理，通過添加少量水，利用豆?jié){機將餐廚垃圾打碎呈糊狀，保存在4℃冰箱中。測得餐廚垃圾的TS為26%，揮發(fā)性固體（VS）為24%。

本次實驗的接種污泥取自合肥市朱磚井污水處理廠。測得污泥的TS為8.8%，VS為4.2%。將污泥混合液倒入50 mL離心管中在6000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心5 min，倒掉上清液后將固體污泥作為接種污泥。

2.結(jié)果與討論

2.1不同溫度對餐廚垃圾組分溶出的影響

從圖1（a）可知在110℃-185℃之間，SCOD隨著溫度增加而有所增加，且均高于對照組。由圖1（b）可知在110℃-185℃之間，在高于135℃的水熱條件下會顯著釋放氨氮從而導(dǎo)致總氮的增加。常溫、110℃、135℃、160℃和185℃熱水解后COD/TN分別為186、229、254、155和128，反硝化脫氮所需要的C/N比為6時基本脫氮完全，以處理20 mg/L的硝態(tài)氮為例，常溫、110℃、135℃、160℃和185℃處理后的餐廚垃圾液體部分作為碳源時需分別稀釋243、324、400、440和502倍，由碳源引入的氨氮和有機氮的濃度分別為0.51、0.31、0.28、0.45和0.82 mg/L。因此由于餐廚垃圾很高的碳氮比，作為碳源時帶入的氮含量極低，不會導(dǎo)致總氮的出水超標(biāo)。可溶性蛋白濃度隨著預(yù)處理溫度的升高而不斷升高，說明水熱預(yù)處理過程中蛋白質(zhì)幾乎沒有分解[8]。185℃水熱條件下的可溶性蛋白含量增加到8.08 g/L，比未經(jīng)水熱預(yù)處理的蛋白質(zhì)濃度高出6.56倍。由此得出結(jié)論，適當(dāng)溫度下的水熱預(yù)處理可以使餐廚垃圾的有機物釋放，溫度更高SCOD中的蛋白含量顯著增加，而蛋白質(zhì)相對于多糖和酸類物質(zhì)更難被微生物利用，并且溫度越高也越浪費熱源，從碳源的可利用性和經(jīng)濟性的角度看，160℃熱水解餐廚垃圾最合適。

圖1 不同溫度下餐廚垃圾熱水解后SCOD、可溶性多糖、蛋白、VFAs、硝態(tài)氮、氨氮和總氮的含量。實驗條件：TS=10%，熱水解時長30 min

2.2 不同溫度對餐廚垃圾發(fā)酵的影響

從圖2（a）可以看到不同溫度預(yù)處理過后的餐廚垃圾發(fā)酵過程SCOD緩慢增加。SCOD的濃度從高到低依次為常溫組、110℃、135℃和160℃，可以發(fā)現(xiàn)預(yù)處理階段溶出的SCOD越高，發(fā)酵階段SCOD越低。這可能是因為在預(yù)處理階段餐廚垃圾熱水解使其中的有機物部分溶出，所以在發(fā)酵過程含量較低。所有組的可溶性多糖的含量在兩天內(nèi)迅速降解并一直保持在很低的濃度（圖2（b）），這一結(jié)果和以前的研究是一致的[5]，發(fā)酵過程中多糖被水解成單糖并進一步被氧化成丙酮酸，丙酮酸又容易被轉(zhuǎn)化成乙酸、丙酸和丁酸[9]。VFAs的增長趨勢和SCOD相似（圖2（d）），整體上呈上升趨勢，各組VFAs/SCOD的比值也由第一天不到20%提高到超過60%。

乳酸也在發(fā)酵過程中的變化如圖2（c）所示，各組的乳酸濃度均保持在3.5 g/L內(nèi)低水平波動，其中160℃的實驗組乳酸含量低于其他組，可能是因為熱預(yù)處理具有滅菌效果[10]，使餐廚垃圾中原本的乳酸菌含量減少。而對照組中的乳酸菌雖然很多，但是乳酸含量卻未高出實驗組很多，這可能是因為乳酸菌將有機物轉(zhuǎn)化乳酸后，乳酸作為中間產(chǎn)物又轉(zhuǎn)化成VFAs。