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隨著社會經濟的發(fā)展,有機廢物的數量急劇增加。據統計,我國每年農林廢物產量不低于1.1× 10°",其中稻谷殼產量為4×10121,花生渣產量 為3.6×10t3);生活垃圾的年產量同樣高達1.79 10°t4),其中水果皮和淘米水是生活中最常見的 有機廢物。然而,目前我國對于上述有機廢物主要 以堆肥、填埋、焚燒等傳統處理方式進行處理,具有 選址難、耗能高、投資大,污染環(huán)境等缺點。而相 比于傳統處理技術,厭氧沼氣池發(fā)酵處理技術則具有所需 能量消耗較低、處理周期短等優(yōu)點并且還能回收甲
烷6、氫氣門)、揮發(fā)性脂肪酸( Volatile fatty acids,VFAs)8等清潔能源。因此,選用厭氧沼氣池發(fā)酵處理有機廢物的技術更具有資源回收利用價值。
其中,有機廢物運用厭氧沼氣池發(fā)酵技術產生的VFAs,包含了甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸”。并且可作為提高污水脫氮除磷的外加碳源、聚羥基脂肪酸酯( Polyhydroxy- alkanoate,PHAs)合成原料(1和甲烷、生物柴油2等清潔能源的生產原料。從而使眾多學者致力于對有機廢物厭氧沼氣池發(fā)酵產VFAs的研究。目前,學者們主要以剩余污泥、泔
水4、秸稈)、禽畜糞便6等有機廢物進行厭氧產VFAs的研究。相比之下,水稻殼、淘米水、花生渣和水果皮這4種有機廢物具備以下優(yōu)點:其理化性質受地域及時間的影響較小,且抑制厭氧微生物生長繁殖的物質(鹽分、重金屬等)較少、收集更便捷等。此外,這4種有機廢物作為厭氧沼氣池發(fā)酵底物產VFAs的研究并沒有相關的報道,故具有巨大研究前景
本試驗選用稻谷殼、淘米水、花生渣和水果皮作為厭氧沼氣池發(fā)酵底物,并通過分析其沼氣池發(fā)酵過程中二次基質的釋放對VFAs產量的影響。以期為這4種有機廢物資源化利用提供新的出路。
材料與方法
1.1試驗裝置
厭氧沼氣池發(fā)酵裝置如圖1所示,反應器由石英玻璃制成,密封蓋子由塑料制成,內徑為13cm,高為20cm,有效容積為2L。密封蓋子設置有3個孔,分別用于布置攪拌器、取樣口、pH值探頭。攪拌器與密封蓋子接觸口之間安裝密封圈密封。反應器外層包裹遮光布。試驗運行通過恒溫水浴鍋水浴加熱,并以電動攪拌器間歇性攪拌提高固液混合程度。
1.2試驗材料 試驗所選取有機廢物的初始狀態(tài)如圖2所示 其中有機廢物的來源和相關性質見表1。
1.3分析項目 1.3.1常規(guī)分析項目 NH4-N,SCOD,總固體( Total Solid,Ts),揮發(fā)性 固體( Volatile Solid,Vs)測定均采用國家發(fā)布的標 準方法”。pH值:在線監(jiān)測儀器法;可溶性糖 酮一濃硫酸法 方法 vFAc的含量測定采用氣相色譜法。測定 步驟:將混合液離心后得到的上清液經過0.45 的水系濾頭過濾,隨后使用甲酸酸化至pH值小于 3。進樣1uL,每組數據測3次,取平均值分析。僅 器條件:天美(C7900),色譜柱型號 CNW CD WAX,進樣口溫度220℃,FID溫度250℃。
1.4試驗設計 試驗所需的有機廢物前期處理:淘米水不需做 任何處理;水稻殼、花生渣經過研缽研磨后,顆粒粒 徑小于1mm;水果皮由橙皮、木瓜皮、蘋果皮、梨皮 菠蘿皮各濕重1:1比值組成,并且采用料理機粉碎 直至糊狀;前期處理目的使4種廢棄物顆粒粒徑基本一致,減少試驗誤差。 安裝4套如圖1所示的厭氧沼氣池發(fā)酵裝置。分別加 入經處理過的稻谷殼、淘米水、花生渣、水果皮。控 制相同初始VS16g·L-,加入量分別為38.3g 1.69L,39.0g,215.7g,同時補充去離子水使體積至2L。 試驗反應裝置運行條件:將沼氣池發(fā)酵裝置密封處理 后置于恒溫水浴鍋中,在35℃±0.5℃,0 r·min的條件下每天在6:00~8:00時間段攪 兩小時,持續(xù)22d。運行過程中不額外加入沼氣池發(fā)酵層物和排出沼氣池發(fā)酵混合液。 試驗取樣處理:攪拌均勻后,記錄在線監(jiān)測
pH值,同時使用200mL針筒從取樣口抽取40mL酵 沼氣池發(fā)酵混合液,在10000mpm轉速下離心10min,上清 液用于測定NH4N,SCOD,可溶性糖含量,底部的 不溶物用于TS和Vs測定。
2結果與討論
2.1VS的降解對VFAs影響
如圖3所示,可以看出,伴隨著厭氧沼氣池發(fā)酵過程的進行,不同廢物的有機質VS含量越來越低。經過 厭氧沼氣池發(fā)酵22d后,VS的減量花生渣>淘米水>水果皮>水稻殼,分別是10.81,9.58,5.69,3.34
L-;Vs的減量率分別是67.6%,59.9%35.6%,20.9%。結合有機廢物的組成成分含量分 析,花生渣的蛋白質和多糖占干重比例分別為48.7%,32.5%2;淘米水主要有機物成分與大米 相似2,大米的淀粉含量達到87.99%21。而水 稻殼的纖維素占干重的35.5%~45.5%2,水果皮 含有較高纖維素。使得花生渣、淘米水相比水稻殼水果皮更易被分解。
如圖4所示,不同有機廢物厭氧沼氣池發(fā)酵液中的VFAs含量隨試驗運行時間的增加先上升再下降。水稻殼、淘米水、花生渣、水果皮沼氣池發(fā)酵液中VFAs含量分別在第3,10,11,14天達到最峰值42.4,76.5,263.9,10.5 mg COD·gVs,其中花生渣的單位Vs轉化為VFAs是最高,而水果皮ⅤFAs的產量最不明顯。與圖3結合分析,比較VFAs含量變化與VS降解量可以發(fā)現,除了水果皮以外,VS降解越多,其VFAs的產量也相對較高。這與蘇高強2認為VFAs主要通過消耗Vs產生,形成ⅤS減量較大,相應VFAs產量較多是一致。而水果皮VFAs的產量低很可能是pH值低的緣故。稻谷殼Ⅴs的減量對比其余有機廢物VS的減量是最低,導致其厭氧發(fā)
2.2NH4N釋放對VFAs影響
NH4N的釋放量對于分析有機物厭氧沼氣池發(fā)酵產VFAs較為重要。由于在厭氧沼氣池發(fā)酵過程中,VFAs其
產生途徑是通過蛋白質的分解3,而NH4-N釋放量就能直接反應蛋白質降解的程度。不同有機廢物沼氣池發(fā)酵液NH4N含量逐日變化過程見圖5。從中可以看出,沼氣池發(fā)酵底物不同導致NH4N的釋放量有很大差異,花生渣沼氣池發(fā)酵底物單位S的NH4-N釋放量明顯高于其余3種,其NH4-N的釋放量影響VFAs的積累較為明顯。結合圖4分析,花生渣沼氣池發(fā)酵液ⅤFAs含量積累在第7天迎來第1個折點,其NH4-N釋放量在這天出現折點,隨后相對出現穩(wěn)定。主要原因是由于花生渣蛋白質的含量高于其余的廢棄物所引起的。而水稻殼淘米水、水果皮的NH4N的釋放量相對較小,蛋白質、氨基酸等轉化 VFAs的途徑并非主導途徑,從而使得NH4N的釋放規(guī)律對VFAs積累的影響不明顯。
2.3可溶性糖的含量變化對VFAs的影響
有機物的厭氧沼氣池發(fā)酵水解階段所產生的可溶性 糖、氨基酸等是厭氧沼氣池發(fā)酵產VFAs的前題321。通
過分析可溶性糖在不同有機廢物厭氧沼氣池發(fā)酵過程中含 量的釋放,能間接反應該類廢棄物對于厭氧沼氣池發(fā)酵產 VFAs是否具有優(yōu)勢。圖5是不同底物厭氧沼氣池發(fā)酵過
程中可溶性糖隨運行時間的變化?？梢缘贸?底物
種類不同,可溶性糖的變化態(tài)勢及含量差別甚大
在含量角度分析,水稻殼、花生渣沼氣池發(fā)酵液中可溶性糖
含量的變化范圍在0~10mg·gVs之間,而淘米
水、水果皮則在0-400mg·gws之間。在變化
的態(tài)勢角度分析,淘米水、水果皮沼氣池發(fā)酵液中可溶性糖初始值達到最大,隨著運行的時間而逐步下降,而花 生渣隨著運行時間先增大后減少;水稻殼變化趨勢
不明顯。由此可以得出,花生渣在厭氧沼氣池發(fā)酵過程中可溶性糖是由不溶性有機物大分子分解得到;而水 果皮、淘米水本身具有較多可溶性糖類物質;水稻殼本身具有可溶性糖低,并且其有機物水解效果差
由于稻谷殼和花生渣的沼氣池發(fā)酵液中可溶性糖含量偏低,其轉化為VFAs途徑并非主導,所導致其可溶性糖對產VFAs效果影響不明顯。而水果皮厭氧沼氣池發(fā)酵過程中受pH值的影響較大,引起VFAs產量低使其可溶性糖釋放變化對VFAs影響不明顯。結合VFAs含量變化規(guī)律分析,淘米水厭氧沼氣池發(fā)酵試驗過程中,其沼氣池發(fā)酵液的可溶性糖含量在試驗運行的前5d迅速下降,其沼氣池發(fā)酵液VFAs含量在第5天前同樣上升得快。隨后隨著試驗運行時間增加,可溶性糖含量緩慢下降,同時VFAs含量變化相對緩慢。直至試驗運行到第9天,可溶性糖含量突然急劇下降,引起VFAs含量突然快速上升。隨后其可溶性糖含量徘徊于10 moOD·gVs,VFAs含量到達最大值,隨后接著緩慢下降。從而說明了可溶性糖對淘米水的VFAs產量影響明顯
2.4SCOD對VFAs影響 沼氣池發(fā)酵液中SCOD包含VFAs、可溶性糖、蛋白質
氨基酸、脂類物質和腐殖酸等2。圖7是試驗運行 中,沼氣池發(fā)酵液的SCOD積累含量的逐日變化。可以 出,淘米水和水果皮的SCOD在試驗運行的開始 到最大值,隨著運行時間增加而逐漸下降。由于水 果皮經過粉碎后,糖類物質和大分子有機物質溶入 液相;淘米水絕大部分有機物顆粒較為微小,大部分 懸浮在液相當中,部分溶于水。隨著可溶性有機物 在厭氧條件下進入酸化階段和產甲烷階段,SCOD 逐步下降,直至單糖、VFAs等小分子有機物消耗完 SCOD趨于穩(wěn)定。水稻殼、淘米水沼氣池發(fā)酵液的 SCOD隨著試驗運行時間增加先上升后下降,由于 在厭氧微生物和水解酶的共同作用下,釋放細胞內外的有機物于液相中,與有機物分解共同形成sCOD先上升后下降的趨勢。另外結合圖4分析水稻殼、淘米水、花生渣、水果皮的SCOD的減量分別是85.8,552.5,568.3,495.8mg·glVs,與VFAs產量最高值相比較可以發(fā)現,除了水果皮以外,SCOD減量越大,單位VS轉化為VFAs越高。由于SCOD減量直接反應單位VS溶出易降解性有機物的量,從而得到SCOD減量越大,即可轉化為VFAs的有機物相對偏多,引起有機廢物VFAs產量偏高。
2.5pH值變化對VFAs影響 不同有機廢物厭氧沼氣池發(fā)酵過程pH值變化如圖8 所示。水稻殼、淘米水、花生渣的pH值隨運行時間 先降低后上升,可能由于開始有機物轉化為VFA 等酸性物質,使其pH值降低。隨著運行時間增加, 酸性物質積累速度小于NH4-N等堿性物質的釋放,從而引起pH值上升。這與吉芳英2等人認為厭氧沼氣池發(fā)酵過程中,pH值的變化很大程度上取決于VFAs等酸性物質積累量和NH4-N釋放量,是一致的。然而,水果皮厭氧沼氣池發(fā)酵產VFAs的效果不明顯
很有可能是因為PH值過低的沼氣池發(fā)酵環(huán)境所導致,其 沼氣池發(fā)酵環(huán)境pH值基本小于3.5,這與周曉杰研究 表明pH值≤3.5環(huán)境下厭氧沼氣池發(fā)酵呈典型乙醇型發(fā) 酵,沼氣池發(fā)酵液中乙酸、丁酸等揮發(fā)性脂肪酸含量極少基 本一致。然而在一般情況下,厭氧沼氣池發(fā)酵過程中pH 值低于4.5時,厭氧微生物基本失活,乙酸丙酸、丁 酸型沼氣池發(fā)酵基本停止。
3結論
少2、(1)對比4種有機廢物VFAs的產量,花生渣 As的產量最高,水果皮VFAs的產量最低。 (2)水稻殼、淘米水、花生渣這4種VFAs產量 的變化規(guī)律相似,其VS降解率高,SCOD減量大均 對VFAs產量促進作用。 (3)NH4-N和可溶性糖的釋放分別對花生渣、 淘米水的VFAs產量的影響較為明顯。 (4)有機廢物在厭氧產VFAs過程中,pH值過 低,VFAs產量低,導致基質釋放規(guī)律對VFAs產量影響不明顯。 (5)綜合4種有機廢物各項指標變化規(guī)律對 VFAs產量的影響以及VFAs產量,花生渣為最適合 厭氧水解產VFAs的底物。
摘自《中國沼氣》2018第一2期 肖英豪 方茜 賀詩雅
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