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隨著社會經濟的發展,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,污染環境等缺點。而相  比于傳統處理技術,厭氧沼氣池發酵處理技術則具有所需  能量消耗較低、處理周期短等優點并且還能回收甲

烷6、氫氣門)、揮發性脂肪酸( Volatile fatty acids,VFAs)8等清潔能源。因此,選用厭氧沼氣池發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酵底物,并通過分析其沼氣池發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常規分析項目  NH4-N,SCOD,總固體( Total Solid,Ts),揮發性  固體( Volatile Solid,Vs)測定均采用國家發布的標  準方法”。pH值:在線監測儀器法;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酵裝置。分別加  入經處理過的稻谷殼、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22d。運行過程中不額外加入沼氣池發酵層物和排出沼氣池發酵混合液。  試驗取樣處理:攪拌均勻后,記錄在線監測

pH值,同時使用200mL針筒從取樣口抽取40mL酵  沼氣池發酵混合液,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

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酵產VFAs較為重要。由于在厭氧沼氣池發酵過程中,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酵液NH4N含量逐日變化過程見圖5。從中可以看出,沼氣池發酵底物不同導致NH4N的釋放量有很大差異,花生渣沼氣池發酵底物單位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酵水解階段所產生的可溶性  糖、氨基酸等是厭氧沼氣池發酵產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酵產  VFAs是否具有優勢。圖5是不同底物厭氧沼氣池發酵過

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

的態勢角度分析,淘米水、水果皮沼氣池發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含量變化規律分析,淘米水厭氧沼氣池發酵試驗過程中,其沼氣池發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趨于穩定。水稻殼、淘米水沼氣池發酵液的  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值過低的沼氣池發酵環境所導致,其  沼氣池發酵環境pH值基本小于3.5,這與周曉杰研究  表明pH值≤3.5環境下厭氧沼氣池發酵呈典型乙醇型發  酵,沼氣池發酵液中乙酸、丁酸等揮發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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