隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,有機(jī)廢物的數(shù)量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年農(nóng)林廢物產(chǎn)量不低于1.1×  10°",其中稻谷殼產(chǎn)量為4×10121,花生渣產(chǎn)量  為3.6×10t3);生活垃圾的年產(chǎn)量同樣高達(dá)1.79  10°t4),其中水果皮和淘米水是生活中最常見的  有機(jī)廢物。然而,目前我國(guó)對(duì)于上述有機(jī)廢物主要  以堆肥、填埋、焚燒等傳統(tǒng)處理方式進(jìn)行處理,具有  選址難、耗能高、投資大,污染環(huán)境等缺點(diǎn)。而相  比于傳統(tǒng)處理技術(shù),厭氧沼氣池發(fā)酵處理技術(shù)則具有所需  能量消耗較低、處理周期短等優(yōu)點(diǎn)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(jī)廢物的技術(shù)更具有資源回收利用價(jià)值。

其中,有機(jī)廢物運(yùn)用厭氧沼氣池發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)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(chǎn)原料。從而使眾多學(xué)者致力于對(duì)有機(jī)廢物厭氧沼氣池發(fā)酵產(chǎn)VFAs的研究。目前,學(xué)者們主要以剩余污泥、泔

水4、秸稈)、禽畜糞便6等有機(jī)廢物進(jìn)行厭氧產(chǎn)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(jī)廢物具備以下優(yōu)點(diǎn):其理化性質(zhì)受地域及時(shí)間的影響較小,且抑制厭氧微生物生長(zhǎng)繁殖的物質(zhì)(鹽分、重金屬等)較少、收集更便捷等。此外,這4種有機(jī)廢物作為厭氧沼氣池發(fā)酵底物產(chǎn)VFAs的研究并沒有相關(guān)的報(bào)道,故具有巨大研究前景

本試驗(yàn)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(zhì)的釋放對(duì)VFAs產(chǎn)量的影響。以期為這4種有機(jī)廢物資源化利用提供新的出路。

材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

厭氧沼氣池發(fā)酵裝置如圖1所示,反應(yīng)器由石英玻璃制成,密封蓋子由塑料制成,內(nèi)徑為13cm,高為20cm,有效容積為2L。密封蓋子設(shè)置有3個(gè)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(yīng)器外層包裹遮光布。試驗(yàn)運(yùn)行通過恒溫水浴鍋水浴加熱,并以電動(dòng)攪拌器間歇性攪拌提高固液混合程度。

1.2試驗(yàn)材料  試驗(yàn)所選取有機(jī)廢物的初始狀態(tài)如圖2所示  其中有機(jī)廢物的來源和相關(guān)性質(zhì)見表1。

1.3分析項(xiàng)目  1.3.1常規(guī)分析項(xiàng)目  NH4-N,SCOD,總固體( Total Solid,Ts),揮發(fā)性  固體( Volatile Solid,Vs)測(cè)定均采用國(guó)家發(fā)布的標(biāo)  準(zhǔn)方法”。pH值:在線監(jiān)測(cè)儀器法;可溶性糖  酮一濃硫酸法  方法  vFAc的含量測(cè)定采用氣相色譜法。測(cè)定  步驟:將混合液離心后得到的上清液經(jīng)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(jìn)樣1uL,每組數(shù)據(jù)測(cè)3次,取平均值分析。僅  器條件:天美(C7900),色譜柱型號(hào) CNW CD  WAX,進(jìn)樣口溫度220℃,FID溫度250℃。

1.4試驗(yàn)設(shè)計(jì)  試驗(yàn)所需的有機(jī)廢物前期處理:淘米水不需做  任何處理;水稻殼、花生渣經(jīng)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(jī)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(yàn)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(jīng)處理過的稻谷殼、淘米水、花生渣、水果皮?？?nbsp; 制相同初始VS16g·L-,加入量分別為38.3g  1.69L,39.0g,215.7g,同時(shí)補(bǔ)充去離子水使體積至2L。  試驗(yàn)反應(yīng)裝置運(yùn)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(shí)間段攪  兩小時(shí),持續(xù)22d。運(yùn)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(yàn)取樣處理:攪拌均勻后,記錄在線監(jiān)測(cè)

pH值,同時(shí)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(zhuǎn)速下離心10min,上清  液用于測(cè)定NH4N,SCOD,可溶性糖含量,底部的  不溶物用于TS和Vs測(cè)定。

2結(jié)果與討論

2.1VS的降解對(duì)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(jìn)行,不同廢物的有機(jī)質(zhì)VS含量越來越低。經(jīng)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(jié)合有機(jī)廢物的組成成分含量分  析,花生渣的蛋白質(zhì)和多糖占干重比例分別為48.7%,32.5%2;淘米水主要有機(jī)物成分與大米  相似2,大米的淀粉含量達(dá)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(jī)廢物厭氧沼氣池發(fā)酵液中的VFAs含量隨試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)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(dá)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(zhuǎn)化為VFAs是最高,而水果皮ⅤFAs的產(chǎn)量最不明顯。與圖3結(jié)合分析,比較VFAs含量變化與VS降解量可以發(fā)現(xiàn),除了水果皮以外,VS降解越多,其VFAs的產(chǎn)量也相對(duì)較高。這與蘇高強(qiáng)2認(rèn)為VFAs主要通過消耗Vs產(chǎn)生,形成ⅤS減量較大,相應(yīng)VFAs產(chǎn)量較多是一致。而水果皮VFAs的產(chǎn)量低很可能是pH值低的緣故。稻谷殼Ⅴs的減量對(duì)比其余有機(jī)廢物VS的減量是最低,導(dǎo)致其厭氧發(fā)

2.2NH4N釋放對(duì)VFAs影響

NH4N的釋放量對(duì)于分析有機(jī)物厭氧沼氣池發(fā)酵產(chǎn)VFAs較為重要。由于在厭氧沼氣池發(fā)酵過程中,VFAs其

產(chǎn)生途徑是通過蛋白質(zhì)的分解3,而NH4-N釋放量就能直接反應(yīng)蛋白質(zhì)降解的程度。不同有機(jī)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(dǎo)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(jié)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(gè)折點(diǎn),其NH4-N釋放量在這天出現(xiàn)折點(diǎn),隨后相對(duì)出現(xiàn)穩(wěn)定。主要原因是由于花生渣蛋白質(zhì)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(duì)較小,蛋白質(zhì)、氨基酸等轉(zhuǎn)化  VFAs的途徑并非主導(dǎo)途徑,從而使得NH4N的釋放規(guī)律對(duì)VFAs積累的影響不明顯。

2.3可溶性糖的含量變化對(duì)VFAs的影響

有機(jī)物的厭氧沼氣池發(fā)酵水解階段所產(chǎn)生的可溶性  糖、氨基酸等是厭氧沼氣池發(fā)酵產(chǎn)VFAs的前題321。通

過分析可溶性糖在不同有機(jī)廢物厭氧沼氣池發(fā)酵過程中含  量的釋放,能間接反應(yīng)該類廢棄物對(duì)于厭氧沼氣池發(fā)酵產(chǎn)  VFAs是否具有優(yōu)勢(shì)。圖5是不同底物厭氧沼氣池發(fā)酵過

程中可溶性糖隨運(yùn)行時(shí)間的變化?？梢缘贸?底物

種類不同,可溶性糖的變化態(tài)勢(shì)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(shì)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(dá)到最大,隨著運(yùn)行的時(shí)間而逐步下降,而花  生渣隨著運(yùn)行時(shí)間先增大后減少;水稻殼變化趨勢(shì)

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(jī)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(zhì);水稻殼本身具有可溶性糖低,并且其有機(jī)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(zhuǎn)化為VFAs途徑并非主導(dǎo),所導(dǎo)致其可溶性糖對(duì)產(chǎn)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(chǎn)量低使其可溶性糖釋放變化對(duì)VFAs影響不明顯。結(jié)合VFAs含量變化規(guī)律分析,淘米水厭氧沼氣池發(fā)酵試驗(yàn)過程中,其沼氣池發(fā)酵液的可溶性糖含量在試驗(yàn)運(yùn)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(yàn)運(yùn)行時(shí)間增加,可溶性糖含量緩慢下降,同時(shí)VFAs含量變化相對(duì)緩慢。直至試驗(yàn)運(yùn)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(dá)最大值,隨后接著緩慢下降。從而說明了可溶性糖對(duì)淘米水的VFAs產(chǎn)量影響明顯

2.4SCOD對(duì)VFAs影響  沼氣池發(fā)酵液中SCOD包含VFAs、可溶性糖、蛋白質(zhì)

氨基酸、脂類物質(zhì)和腐殖酸等2。圖7是試驗(yàn)運(yùn)行  中,沼氣池發(fā)酵液的SCOD積累含量的逐日變化?？梢?nbsp; 出,淘米水和水果皮的SCOD在試驗(yàn)運(yùn)行的開始  到最大值,隨著運(yùn)行時(shí)間增加而逐漸下降。由于水  果皮經(jīng)過粉碎后,糖類物質(zhì)和大分子有機(jī)物質(zhì)溶入  液相;淘米水絕大部分有機(jī)物顆粒較為微小,大部分  懸浮在液相當(dāng)中,部分溶于水。隨著可溶性有機(jī)物  在厭氧條件下進(jìn)入酸化階段和產(chǎn)甲烷階段,SCOD  逐步下降,直至單糖、VFAs等小分子有機(jī)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(yàn)運(yùn)行時(shí)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(xì)胞內(nèi)外的有機(jī)物于液相中,與有機(jī)物分解共同形成sCOD先上升后下降的趨勢(shì)。另外結(jié)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(chǎn)量最高值相比較可以發(fā)現(xiàn),除了水果皮以外,SCOD減量越大,單位VS轉(zhuǎn)化為VFAs越高。由于SCOD減量直接反應(yīng)單位VS溶出易降解性有機(jī)物的量,從而得到SCOD減量越大,即可轉(zhuǎn)化為VFAs的有機(jī)物相對(duì)偏多,引起有機(jī)廢物VFAs產(chǎn)量偏高。

2.5pH值變化對(duì)VFAs影響  不同有機(jī)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(yùn)行時(shí)間  先降低后上升,可能由于開始有機(jī)物轉(zhuǎn)化為VFA  等酸性物質(zhì),使其pH值降低。隨著運(yùn)行時(shí)間增加,  酸性物質(zhì)積累速度小于NH4-N等堿性物質(zhì)的釋放,從而引起pH值上升。這與吉芳英2等人認(rèn)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(zhì)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(chǎn)VFAs的效果不明顯

很有可能是因?yàn)镻H值過低的沼氣池發(fā)酵環(huán)境所導(dǎo)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(shí),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(jié)論

少2、(1)對(duì)比4種有機(jī)廢物VFAs的產(chǎn)量,花生渣  As的產(chǎn)量最高,水果皮VFAs的產(chǎn)量最低。  (2)水稻殼、淘米水、花生渣這4種VFAs產(chǎn)量  的變化規(guī)律相似,其VS降解率高,SCOD減量大均  對(duì)VFAs產(chǎn)量促進(jìn)作用。  (3)NH4-N和可溶性糖的釋放分別對(duì)花生渣、  淘米水的VFAs產(chǎn)量的影響較為明顯。  (4)有機(jī)廢物在厭氧產(chǎn)VFAs過程中,pH值過  低,VFAs產(chǎn)量低,導(dǎo)致基質(zhì)釋放規(guī)律對(duì)VFAs產(chǎn)量影響不明顯。  (5)綜合4種有機(jī)廢物各項(xiàng)指標(biāo)變化規(guī)律對(duì)  VFAs產(chǎn)量的影響以及VFAs產(chǎn)量,花生渣為最適合  厭氧水解產(chǎn)VFAs的底物。

摘自《中國(guó)沼氣》2018第一2期 肖英豪 方茜 賀詩雅

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