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有机物沼气池发酵基质释放规律对VFAs产量的影响
时间 : 2019-03-15 浏览量 : 28

随着社会经济的发展,有机废物的数量急剧增加。据统计,我国每年农林废物产量不低于1.1×  10°",其中稻谷壳产量为4×10121,花生渣产量  为3.6×10t3);生活垃圾的年产量同样高达1.79  10°t4),其中水果皮和淘米水是生活中最常见的  有机废物。然而,目前我国对于上述有机废物主要  以堆肥、填埋、焚烧等传统处理方式进行处理,具有  选址难、耗能高、投资大,污染环境等缺点。而相  比于传统处理技术,厌氧沼气池发酵处理技术则具有所需  能量消耗较低、处理周期短等优点并且还能回收甲


烷6、氢气门)、挥发性脂肪酸( Volatile fatty acids,VFAs)8等清洁能源。因此,选用厌氧沼气池发酵处理有机废物的技术更具有资源回收利用价值。

其中,有机废物运用厌氧沼气池发酵技术产生的VFAs,包含了甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸”。并且可作为提高污水脱氮除磷的外加碳源、聚羟基脂肪酸酯( Polyhydroxy- alkanoate,PHAs)合成原料(1和甲烷、生物柴油2等清洁能源的生产原料。从而使众多学者致力于对有机废物厌氧沼气池发酵产VFAs的研究。目前,学者们主要以剩余污泥、泔


水4、秸秆)、禽畜粪便6等有机废物进行厌氧产VFAs的研究。相比之下,水稻壳、淘米水、花生渣和水果皮这4种有机废物具备以下优点:其理化性质受地域及时间的影响较小,且抑制厌氧微生物生长繁殖的物质(盐分、重金属等)较少、收集更便捷等。此外,这4种有机废物作为厌氧沼气池发酵底物产VFAs的研究并没有相关的报道,故具有巨大研究前景

本试验选用稻谷壳、淘米水、花生渣和水果皮作为厌氧沼气池发酵底物,并通过分析其沼气池发酵过程中二次基质的释放对VFAs产量的影响。以期为这4种有机废物资源化利用提供新的出路。


材料与方法


1.1试验装置


厌氧沼气池发酵装置如图1所示,反应器由石英玻璃制成,密封盖子由塑料制成,内径为13cm,高为20cm,有效容积为2L。密封盖子设置有3个孔,分别用于布置搅拌器、取样口、pH值探头。搅拌器与密封盖子接触口之间安装密封圈密封。反应器外层包裹遮光布。试验运行通过恒温水浴锅水浴加热,并以电动搅拌器间歇性搅拌提高固液混合程度。


1.2试验材料  试验所选取有机废物的初始状态如图2所示  其中有机废物的来源和相关性质见表1。


1.3分析项目  1.3.1常规分析项目  NH4-N,SCOD,总固体( Total Solid,Ts),挥发性  固体( Volatile Solid,Vs)测定均采用国家发布的标  准方法”。pH值:在线监测仪器法;可溶性糖  酮一浓硫酸法  方法  vFAc的含量测定采用气相色谱法。测定  步骤:将混合液离心后得到的上清液经过0.45  的水系滤头过滤,随后使用甲酸酸化至pH值小于  3。进样1uL,每组数据测3次,取平均值分析。仅  器条件:天美(C7900),色谱柱型号 CNW CD  WAX,进样口温度220℃,FID温度250℃。


1.4试验设计  试验所需的有机废物前期处理:淘米水不需做  任何处理;水稻壳、花生渣经过研钵研磨后,颗粒粒  径小于1mm;水果皮由橙皮、木瓜皮、苹果皮、梨皮  菠萝皮各湿重1:1比值组成,并且采用料理机粉碎  直至糊状;前期处理目的使4种废弃物颗粒粒径基本一致,减少试验误差。  安装4套如图1所示的厌氧沼气池发酵装置。分别加  入经处理过的稻谷壳、淘米水、花生渣、水果皮。控  制相同初始VS16g·L-,加入量分别为38.3g  1.69L,39.0g,215.7g,同时补充去离子水使体积至2L。  试验反应装置运行条件:将沼气池发酵装置密封处理  后置于恒温水浴锅中,在35℃±0.5℃,0  r·min的条件下每天在6:00~8:00时间段搅  两小时,持续22d。运行过程中不额外加入沼气池发酵层物和排出沼气池发酵混合液。  试验取样处理:搅拌均匀后,记录在线监测


pH值,同时使用200mL针筒从取样口抽取40mL酵  沼气池发酵混合液,在10000mpm转速下离心10min,上清  液用于测定NH4N,SCOD,可溶性糖含量,底部的  不溶物用于TS和Vs测定。


2结果与讨论


2.1VS的降解对VFAs影响


如图3所示,可以看出,伴随着厌氧沼气池发酵过程的进行,不同废物的有机质VS含量越来越低。经过  厌氧沼气池发酵22d后,VS的减量花生渣>淘米水>水果皮>水稻壳,分别是10.81,9.58,5.69,3.34

L-;Vs的减量率分别是67.6%,59.9%35.6%,20.9%。结合有机废物的组成成分含量分  析,花生渣的蛋白质和多糖占干重比例分别为48.7%,32.5%2;淘米水主要有机物成分与大米  相似2,大米的淀粉含量达到87.99%21。而水  稻壳的纤维素占干重的35.5%~45.5%2,水果皮  含有较高纤维素。使得花生渣、淘米水相比水稻壳水果皮更易被分解。


如图4所示,不同有机废物厌氧沼气池发酵液中的VFAs含量随试验运行时间的增加先上升再下降。水稻壳、淘米水、花生渣、水果皮沼气池发酵液中VFAs含量分别在第3,10,11,14天达到最峰值42.4,76.5,263.9,10.5 mg COD·gVs,其中花生渣的单位Vs转化为VFAs是最高,而水果皮ⅤFAs的产量最不明显。与图3结合分析,比较VFAs含量变化与VS降解量可以发现,除了水果皮以外,VS降解越多,其VFAs的产量也相对较高。这与苏高强2认为VFAs主要通过消耗Vs产生,形成ⅤS减量较大,相应VFAs产量较多是一致。而水果皮VFAs的产量低很可能是pH值低的缘故。稻谷壳Ⅴs的减量对比其余有机废物VS的减量是最低,导致其厌氧发


2.2NH4N释放对VFAs影响


NH4N的释放量对于分析有机物厌氧沼气池发酵产VFAs较为重要。由于在厌氧沼气池发酵过程中,VFAs其

产生途径是通过蛋白质的分解3,而NH4-N释放量就能直接反应蛋白质降解的程度。不同有机废物沼气池发酵液NH4N含量逐日变化过程见图5。从中可以看出,沼气池发酵底物不同导致NH4N的释放量有很大差异,花生渣沼气池发酵底物单位S的NH4-N释放量明显高于其余3种,其NH4-N的释放量影响VFAs的积累较为明显。结合图4分析,花生渣沼气池发酵液ⅤFAs含量积累在第7天迎来第1个折点,其NH4-N释放量在这天出现折点,随后相对出现稳定。主要原因是由于花生渣蛋白质的含量高于其余的废弃物所引起的。而水稻壳淘米水、水果皮的NH4N的释放量相对较小,蛋白质、氨基酸等转化  VFAs的途径并非主导途径,从而使得NH4N的释放规律对VFAs积累的影响不明显。


2.3可溶性糖的含量变化对VFAs的影响


有机物的厌氧沼气池发酵水解阶段所产生的可溶性  糖、氨基酸等是厌氧沼气池发酵产VFAs的前题321。通


过分析可溶性糖在不同有机废物厌氧沼气池发酵过程中含  量的释放,能间接反应该类废弃物对于厌氧沼气池发酵产  VFAs是否具有优势。图5是不同底物厌氧沼气池发酵过

程中可溶性糖随运行时间的变化。可以得出,底物

种类不同,可溶性糖的变化态势及含量差别甚大

在含量角度分析,水稻壳、花生渣沼气池发酵液中可溶性糖

含量的变化范围在0~10mg·gVs之间,而淘米

水、水果皮则在0-400mg·gws之间。在变化

的态势角度分析,淘米水、水果皮沼气池发酵液中可溶性糖初始值达到最大,随着运行的时间而逐步下降,而花  生渣随着运行时间先增大后减少;水稻壳变化趋势

不明显。由此可以得出,花生渣在厌氧沼气池发酵过程中可溶性糖是由不溶性有机物大分子分解得到;而水  果皮、淘米水本身具有较多可溶性糖类物质;水稻壳本身具有可溶性糖低,并且其有机物水解效果差

由于稻谷壳和花生渣的沼气池发酵液中可溶性糖含量偏低,其转化为VFAs途径并非主导,所导致其可溶性糖对产VFAs效果影响不明显。而水果皮厌氧沼气池发酵过程中受pH值的影响较大,引起VFAs产量低使其可溶性糖释放变化对VFAs影响不明显。结合VFAs含量变化规律分析,淘米水厌氧沼气池发酵试验过程中,其沼气池发酵液的可溶性糖含量在试验运行的前5d迅速下降,其沼气池发酵液VFAs含量在第5天前同样上升得快。随后随着试验运行时间增加,可溶性糖含量缓慢下降,同时VFAs含量变化相对缓慢。直至试验运行到第9天,可溶性糖含量突然急剧下降,引起VFAs含量突然快速上升。随后其可溶性糖含量徘徊于10 moOD·gVs,VFAs含量到达最大值,随后接着缓慢下降。从而说明了可溶性糖对淘米水的VFAs产量影响明显


2.4SCOD对VFAs影响  沼气池发酵液中SCOD包含VFAs、可溶性糖、蛋白质


氨基酸、脂类物质和腐殖酸等2。图7是试验运行  中,沼气池发酵液的SCOD积累含量的逐日变化。可以  出,淘米水和水果皮的SCOD在试验运行的开始  到最大值,随着运行时间增加而逐渐下降。由于水  果皮经过粉碎后,糖类物质和大分子有机物质溶入  液相;淘米水绝大部分有机物颗粒较为微小,大部分  悬浮在液相当中,部分溶于水。随着可溶性有机物  在厌氧条件下进入酸化阶段和产甲烷阶段,SCOD  逐步下降,直至单糖、VFAs等小分子有机物消耗完  SCOD趋于稳定。水稻壳、淘米水沼气池发酵液的  SCOD随着试验运行时间增加先上升后下降,由于  在厌氧微生物和水解酶的共同作用下,释放细胞内外的有机物于液相中,与有机物分解共同形成sCOD先上升后下降的趋势。另外结合图4分析水稻壳、淘米水、花生渣、水果皮的SCOD的减量分别是85.8,552.5,568.3,495.8mg·glVs,与VFAs产量最高值相比较可以发现,除了水果皮以外,SCOD减量越大,单位VS转化为VFAs越高。由于SCOD减量直接反应单位VS溶出易降解性有机物的量,从而得到SCOD减量越大,即可转化为VFAs的有机物相对偏多,引起有机废物VFAs产量偏高。


2.5pH值变化对VFAs影响  不同有机废物厌氧沼气池发酵过程pH值变化如图8  所示。水稻壳、淘米水、花生渣的pH值随运行时间  先降低后上升,可能由于开始有机物转化为VFA  等酸性物质,使其pH值降低。随着运行时间增加,  酸性物质积累速度小于NH4-N等碱性物质的释放,从而引起pH值上升。这与吉芳英2等人认为厌氧沼气池发酵过程中,pH值的变化很大程度上取决于VFAs等酸性物质积累量和NH4-N释放量,是一致的。然而,水果皮厌氧沼气池发酵产VFAs的效果不明显


很有可能是因为PH值过低的沼气池发酵环境所导致,其  沼气池发酵环境pH值基本小于3.5,这与周晓杰研究  表明pH值≤3.5环境下厌氧沼气池发酵呈典型乙醇型发  酵,沼气池发酵液中乙酸、丁酸等挥发性脂肪酸含量极少基  本一致。然而在一般情况下,厌氧沼气池发酵过程中pH  值低于4.5时,厌氧微生物基本失活,乙酸丙酸、丁  酸型沼气池发酵基本停止。


3结论


少2、(1)对比4种有机废物VFAs的产量,花生渣  As的产量最高,水果皮VFAs的产量最低。  (2)水稻壳、淘米水、花生渣这4种VFAs产量  的变化规律相似,其VS降解率高,SCOD减量大均  对VFAs产量促进作用。  (3)NH4-N和可溶性糖的释放分别对花生渣、  淘米水的VFAs产量的影响较为明显。  (4)有机废物在厌氧产VFAs过程中,pH值过  低,VFAs产量低,导致基质释放规律对VFAs产量影响不明显。  (5)综合4种有机废物各项指标变化规律对  VFAs产量的影响以及VFAs产量,花生渣为最适合  厌氧水解产VFAs的底物。


摘自《中国沼气》2018第一2期 肖英豪 方茜 贺诗雅


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