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接种比例对酒糟与餐厨垃圾混合 厌氧发酵产沼气的影响 * 蔡玮玮 1 张笑 1 王利红 2 汪群慧 1 1． 北京科技大学环境工程系，北京 100083;2． 邯郸职业技术学院建工系，河北 邯郸 056001 摘要 采用酒糟与餐厨垃圾作为混合发酵物料， 并接种消化污泥进行厌氧干式发酵， 比较接种比例 inoculum to substrate ratios， ISRs VS 质量比 分别为 0. 5、 0. 8、 1. 0、 2. 0 时的甲烷产率和产量、 体系 VFA、 碱度、 游离氨等指标。结 果表明 接种比例的提高可有效提高甲烷产生速率， 缩短发酵周期， 减弱较高浓度 VFA 引起的抑制作用。当 ISRs 1. 0 时产甲烷效果较好， 累计产甲烷率为 222. 58mL/g， VS 去除率达 83. 4 ， 继续增加接种比例对发酵效果影响不显 著。此外， 试验中适宜的 VFA/碱度值为 0. 3 ～ 1. 2， 过大或过小都有可能抑制产甲烷过程。 关键词 接种比例;酒糟;餐厨垃圾;甲烷;厌氧混合干式发酵 INFLUENCE OF THE INOCULUM TO SUBSTRATE RATIO ON THE ANAEROBIC CO- DIGESTION OF DISTILLER’ S GRAINS AND FOOD WASTE Cai Weiwei1Zhang Xiao1Wang Lihong2Wang Qunhui1 1． Department of Environmental Engineering，Beijing University of Science and Technology，Beijing 100083，China; 2． Department of Architectural Engineering，Handan Polytechnic College，Handan 056001，China AbstractThe of anaerobic solid-state digestion was used to examine the effects of different ISRs inoculum to substrate ratioson methane production，VFA concentration，alkalinity and free ammonia from distiller’ s grains and food waste at inoculum to substrate volatile solids ratios of 0. 5， 0. 8， 1. 0，and 2. 0 with activated sludge as inocula． The results showed that the increasing ISRs could effectively boost the production of methane，shorten fermentation period and alleviate inhibition effects caused by high VFA concentration． The highest accumulated methane yield was 222. 58mL/g at ISRs value of 1. 0 with 83. 4 removal rate of VS．Keeping increasing ISRs has no significant influence on fermentation results．In addition， appropriate VFA/alkalinity value has to be kept at 0. 3 ～ 1. 2 in this experiment，otherwise methanogenesis process may be inhibited． Keywordsinoculum to substrate ratio;distiller’ s grains;food waste;methane;anaerobic solid-state co-digestion *国 家 自 然 科 学 基 金 51278050 ;国 家 国 际 科 技 合 作 专 项 2013DFG92600 ; 环保公益行业专项 201109024 。 0引言 我国是酿酒大国， 2009 年我国白酒酒糟的产量 为 2. 1 107～ 2. 8 107t［1］， 酒糟中含有氨基酸、 维生 素及多种微量元素， 但其酸度较高， 易腐败变质， 因此 不经处理的酒糟直接排放， 不仅浪费资源且对生态环 境造成严重污染。与此同时， 我国餐厨垃圾产量剧 增， 与其他垃圾相比， 餐厨垃圾具有含水率高、 含盐量 高、 营养元素丰富等特点， 具有很大的回收利用价 值 ［2- 4］。厌氧消化处理技术则为上述两类废物处理提 供了良好途径 Cigdem Eskicioglu［5］利用酒糟进行甲 烷发酵， 当选择合适的接种比例， 最大甲烷产率可达 458 mL/g。Forster-Carneiro 等 ［6］研究了餐厨垃圾产 气能力， 试验结果表明 当 TS 含量为 20 ， 污泥接种 量为 30 时， 餐厨垃圾 CH4产率可达 490 mL/g。El- Mashad 等 ［7］探索餐厨垃圾与牛粪混合发酵， 发现牛 粪与餐厨垃圾配比在 58 /42 时发酵产气量较大。但 迄今为止， 酒糟与餐厨垃圾混合厌氧发酵技术目前仍 无相关报道。 本试验选用干式发酵方式 总固体含量 TS 为 20 ［8］， 可提高单位容积产气率， 减少发酵需水量 99 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 或不需水 ， 消化后产品不需脱水即可作为肥料或 土壤调节剂等， 降低处理成本。与单一原料发酵相 比， 酒糟与餐厨垃圾混合厌氧发酵产沼气具有如下优 势 1 可同时实现两种有机固体废弃物的减量化; 2 可适当调节两种物料的混合比例以保证发酵原料适 宜的 C/N， 使之更适合微生物的生长; 3 可利用餐厨 垃圾易降解的特点， 为酒糟发酵微生物提供容易利用 的营养物质， 而酒糟也可缓解餐厨垃圾初期降解快而 使体系易酸化的问题。 本文在前期研究 ［9- 10］的基础上， 进一步探索接种 比例对酒糟与餐厨垃圾混合发酵产甲烷率及发酵过 程的影响， 考察不同接种条件下各项试验参数变化， 以寻求最佳的接种比例。 1试验部分 1. 1试验材料 厌氧发酵底物 酒糟取自北京某白酒厂， 研磨后 放入冰箱储存备用; 餐厨垃圾取自北京科技大学学生 食堂， 经简单分拣、 绞碎后 4℃ 冷藏备用; 接种污泥取 自北京农林科学院厌氧消化池， 其主要成分指标见表 1。由表 1 可知 混合发酵原料酒糟和餐厨垃圾中有 机固体含量较高， 约占总固体含量的 93 以上， 是良 好的发酵底物。 表 1厌氧发酵原料主要成分 原料 总固体 TS/ 有机固体 VS/ VS/ TS C / TKN / 纤维 素 / 灰分 / C /N 酒糟33. 5331. 2993. 33 42. 941. 5719. 928. 6527. 35 餐厨垃圾27. 5927. 5199. 74 43. 212. 374. 438. 0718. 23 接种污泥20. 4315. 6076. 39 27. 532. 4018. 47 17. 3511. 47 1. 2试验装置 本试验采用 500mL 广口瓶作为反应容器， 置于 恒温水浴中， 温度为 37 1 ℃ 。发酵过程产生气体 通过导气管进入装有 3 NaOH 溶液集气装置中， 以 排水法收集 见图 1 。 图 1厌氧发酵试验组成装置示意 1. 3试验方法 试验采用间歇发酵方式， 选择 4 组接种比例 接 种污泥 VS∶ 混合发酵原料 VS， 以干质量计， 以下简称 ISRs ， 即 ISRs 分别为 0. 5、 0. 8、 1. 0、 2. 0， 并设置对照 组， 以消除接种污泥本身对总产气量的影响。为消除 料液浓度对发酵的影响， 每组 TS 浓度均为 20 ， 且 酒糟与餐厨垃圾 VS 比例为 8∶ 1， 具体试验方案见表 2。试验开始前， 各试验组分别加入 60g/L NaHCO3 溶液 50mL 以调节初始料液碱度， 并向反应器内通入 氮气 2min 以排出残留空气， 发酵温度保持 37 1 ℃ 。发酵进行期间， 每天搅拌物料 2 次 手动摇晃 5min ， 使其保持在最佳产气状态。记录每 24h 净产 气量， 并每 2d 取液样 5mL， 进行各项参数测定。 1. 4分析指标与方法 甲烷体积测定 排水集气法试验组量筒中体积 减去对照组 单纯接种物 气体体积， 再换算为标准 温度与压力 STP 下 体积; TS、 VS 含量测 定 减量 法 ［11］分别于 105℃ 、 600℃ 恒温12 h、 2 h至恒重， 计 算质量减少百分比; pH 值测定 pHS- 3C 型数字式酸 度计测定; 碱度测定 电位滴定法 ［11］; TC 测定 TOC 分 析 仪 测 定 PrimacsSLCTOCAnalyzerModel CS22 ; 氨氮浓度测定 凯氏定氮法 KDN- 2C 型凯氏 定氮仪 ［11］; 挥发性脂肪酸 VFA 测定 比色法［12］ 725N 型分光光度计 ; 纤维素测定 洗涤法 SLQ- 6 型纤维素测定仪 。 表 2试验方案 试验 序号 酒糟餐厨垃圾总原料接种物 质量 /gVS/g 质量 /gVS/g 质量 /gVS/g 质量 /gVS/g 总 TS 质量 /g 固体浓 度 / ISRs 199. 1831. 0414. 103. 88113. 2834. 92111. 9017. 4660200. 5 280. 7325. 2611. 483. 1692. 2128. 42145. 7322. 7460200. 8 371. 8222. 4810. 212. 8182. 0425. 29162. 0625. 2960201. 0 446. 2914. 486. 581. 8152. 8716. 29208. 8832. 5860202. 0 对照000000300. 0046. 8161. 2820. 43 2结果与分析 2. 1接种比例对甲烷产率及 VFA 浓度的影响 不同污泥接种比例条件下， 酒糟与餐厨垃圾混合 发酵累积甲烷产率变化见图 2。由图 2 可知 发酵初 001 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 期随着接种比例提高， 产气速率逐步加快。初始发酵 24d 内， ISRs 为 2. 0、 1. 0、 0. 8、 0. 5 的试验组平均产气 率分别为 9. 12， 8. 93， 5. 78， 4. 00mL/ gd 产气量 以 VS 计， 下同 ， 即当 ISRs 由 0. 5 升高至 2. 0 时， 初 始反应速率提高了 2. 3 倍， 反应速率明显加快。而 ISRs 2. 0 与 ISRs 1. 0 组产甲烷速率相差较小， 表 明 ISRs 1. 0 以后继续增大接种强度对甲烷发酵速 率影响不显著。ISRs 2. 0 试验组在第 29d 基本结束 产气， 而 ISRs 1. 0、 0. 8、 0. 5 试验组持续产气时间分 别为 31， 39， 47d。由此可知， 增加接种比例可缩短发 酵周期， 但对于体积一定的消化槽来说， 则会减少废 物处理量。 图 2不同接种比例下累计产甲烷率 底物中有机物在厌氧消化过程被微生物转化为 挥发性脂肪酸 VFA ， VFA 为产甲烷菌的直接食源， 通过自身代谢作用生成甲烷。但较高的 VFA 浓度会 引起发酵体系酸化， 抑制厌氧微生物代谢作用， 引起 发酵过程失败 ［13- 14］。 各接种比例下日产甲烷率与 VFA 的变化分别见 图 3、 图 4。由图 3、 图 4 可知 发酵第 1 天， 4 组中易 降解物均大量分解生成沼气， 随后由于有机物水解酸 化作用速度较快， 各试验组 VFA 累积浓度显著上升， 发酵过程受到不同程度的抑制作用， 其中 ISRs 2. 0、 1. 0、 0. 8、 0. 5 组 VFA 浓度分别在发酵第 2， 4， 6， 12 天 达到最大值 8 680， 125 00， 13 240， 18 005 mg/L， 且当 ISRs 为 0. 8、 0. 5 时， 由于试验初期有机物负荷较高， 有机酸积累过多， 分别存在长达 9 d 和 5 d 的抑制期。 随后由于水解产酸速度减慢， 有机酸不断被降解， 产 气过程逐步恢复。 综上， 较多的甲烷菌可快速将体系中 VFA 转化 图 3不同接种比例下日产甲烷率 图 4不同接种比例下 VFA 浓度变化 为目标产物甲烷， 防止发酵过程中过多的酸积累， 减 弱体系中由较高 VFA 浓度引起的抑制作用。 此外， ISRs 2. 0、 1. 0 试验组 VFA 最大浓度分别 达 8680， 12500mg/L， 但产甲烷过程可持续进行， 这与 Siegert 等人 ［15］报道不符 当 VFA 浓度超过 2000mg/ L 时即对纤维素降解形成抑制， 超过 4000mg/L 时会 对葡萄糖的降解形成抑制 。但与 Dong 等人 ［16］研究 结果一致 当 VFA 浓度大于 6800mg/L 时仍可保证 发酵正常进行; 当 VFA 浓度达到 22400mg/L 时甲烷 产生受到抑制 。而 ISRs 0. 8、 0. 5 时发生了较强的 酸抑制现象， 究其内在原因应与体系中的碱度和 pH 值相关。 2. 2接种比例对发酵参数的影响 pH 值是表征厌氧发酵能否顺利进行的直接指 标， 而较高的碱度则可为体系提供良好的缓冲能力， 防止由于酸碱积累而使发酵过程受到抑制甚至引起 发酵过程失败 ［17- 18］。各组发酵过程中碱度和 pH 的 101 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 变化分别见图 5、 图 6。如图 5、 图 6 所示 各试验组 pH 值变化与碱度变化趋势基本一致， 均在发酵初期 随着物料的降解有所减少， 随后由于体系中 VFA 的 不断降解， pH 值与碱度值转而上升， 最终达到平衡 值。结合图 4 可知 当 ISRs 0. 5， 发酵第 12 天时， pH 值达到最低 5. 42， 碱度值为 6 295 mg/L， 此时 VFA 浓 度达到最高 18 005 mg/L 。随着发酵进行， pH 值、 碱度最终分别逐渐升高至 8. 33、 11 340 mg/L， 而 VFA 浓度逐渐降低至 2 100 mg/L， 表明在产甲烷菌作用 下， VFA 被逐渐利用， 体系逐步恢复偏碱性状态。此 外， ISRs 0. 8、 0. 5 时， 试验初始体系中的碱度较低， 以至于后续发酵过程中体系的缓冲能力不足， 特别当 ISRs 0. 5 时， 出现较长的发酵抑制期。ISRs 1. 0、 2. 0 试验组的碱度和 pH 值相差不大， pH 大多维持在 6. 7 ～ 8. 5， 初始碱度均高于 13 000 mg/L， 而这可能是 保障发酵过程顺利进行的主要原因之一。 图 5不同接种比例下碱度变化 图 6不同接种比例下 pH 值变化 在厌氧消化体系中， 氨氮对于微生物的生长至关 重要， 但氨氮浓度过高会引起发酵过程失败 ［19］。厌 氧发酵液中氨氮主要以 NH 4 和游离 NH3两种形式 存在， 其中游离 NH3由于可以自由进出生物细胞被 认为是微生物代谢的主要抑制因子 ［20］， 游离 NH 3浓 度可由式 1 计算得出 ρ NH3 ρ TAN 1 10 －pH 10 － 0． 09018 2729． 92 T 1 式中 ρ NH3 为游离 NH3浓度， mg/L; ρ TAN 为总 氨氮浓度， mg/L; T 为开氏温度， K。 本试验中， 由于餐厨垃圾含氮量较高， 游离 NH3 监测较为关键。在沼气发酵全过程中， 随着接种比例 提高， 游离 NH3浓度逐步提升， 即 ISRs 0. 5 试验组 氨氮浓度最低， 而 ISRs 2. 0 试验组氨氮浓度最高 见图 7 。厌氧发酵初期， 由于有机酸积累， 游离 NH3被大量中和， 其浓度大幅度降低。随后由于体系 中蛋白质等物质被降解， 各组发酵液中游离 NH3浓 度不断上升。Siles 等人 ［21］发现 当游离 NH 3浓度大 于 620mg/L 时会抑制微生物代谢作用， 导致厌氧发 酵过程无法正常进行。本次试验中各组最高游离 NH3浓度均小于 300mg/L， 远低于抑制浓度， 发酵体 系不存在氨氮抑制现象。此外， 较高的氨氮可以增加 体系碱度， 提高酸碱缓冲能力。因此， 从氨氮方面考 虑， 提高 接 种 比例 也 可确 保 厌 氧 消 化 过 程 的 顺 利 进行。 图 7不同接种比例下游离 NH 3浓度变化 此外， VFA/碱度是表征厌氧消化过程稳定性的 另一常用指标 ［22］。对于湿式发酵， 最适宜的 VFA/碱 度应维持在 0. 3 ～ 0. 4［23］， 比值超过 0. 8 则会导致发 酵状态恶化。对于干式发酵， 相关报道较少， 只有 Liew 等人 ［18］ 发现适宜的 VFA/碱度值需小于 1. 6。 本试验同时考察了干式发酵中 VFA/碱度与甲烷产 率的关系 图 8 ， 随着 VFA/碱度值升高， 甲烷产率呈 现先升高后降低的趋势， 较高 VFA 浓度或碱度均对 201 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 甲烷产生有抑制作用。而当比值介于 0. 3 ～ 1. 2， 甲 烷产率大多介于 4. 0 ～ 26. 1 mL/g， 发酵状态良好。 由此表明， 本试验中适宜的 VFA/碱度应维持在0. 3 ～ 1. 2。 图 8VFA 浓度 /碱度与甲烷产率的关系 2. 3接种比例对总甲烷产率及 VS 去除率影响 VS 是厌氧消化的主要物质来源， 发酵前后 VS 去 除率可较好地反映体系减量化程度。各试验组中总 甲烷产率与去除率的变化情况见图 9。由图 9 可知 各试验组发酵 48d 后， VS 去除率均达 70 以上， 产 气率大于 190mL/g， 且随着接种比例增加， 产气率及 有机物去除效率逐步增强。其中 ISRs 1. 0 时发酵 效果 最 佳， 总 产气率 为 222. 58mL/g， VS 去 除 率为 83. 4 ，而 当ISRs 2. 0时，总 产 甲 烷 率 为 221. 47mL/g， VS 去除率为 84. 1 ， 两组结果相差较 小。同时， 本试验结果表明 在评估最终甲烷产率时， 接种比例是一项较为重要因素， 这与 Gonzalez-Ferna ndez 等人 ［26］研究结果相同。 图 9不同接种比例下总甲烷产率与去除率变化 3结论 增加接种比例可减弱由较高 VFA 浓度引起的抑 制作用， 缩短或消除延迟产气期， 同时显著提高发酵 初期反应速率， 当 ISRs 由 0. 5 升高至 2. 0 时， 发酵初 始反应速率可提高 2. 3 倍， 从而缩短发酵所需时间。 ISRs 1. 0、 2. 0 时， 发酵条件良好， pH 均维持在 6. 7 ～ 8. 5， 初始碱度大于 13000mg/L， 保障发酵过程 顺利进行。其余两试验组发酵初期 pH、 碱度值均较 低。此次干式发酵试验不存在氨氮抑制现象， 适宜的 VFA/碱度值为 0. 3 ～ 1. 2， 较大或较小均有可能抑制 产甲烷过程。 ISRs 2. 0、 1. 0、 0. 8、 0. 5 时的最终累积甲烷产率 分 别 为 221. 47，222. 58，208. 86，193. 44mL/g，当 ISRs 1. 0 时产 气 效 果 最 佳， 此 时 VS 去 除 率 可 达 83. 4 ， 继续增加接种比例对甲烷产率及去除效果影 响不显著。 参考文献 ［1］庞钦， 章克昌． 以酒糟为基质的乳酸生产菌的选育及发酵的研 究［J］． 酿酒， 2001 6 62- 64． ［2］Kuo W C，Cheng K Y． Use of respirometer in uation of process and toxicity of thermophilic anaerobic digestion for treating kitchen waste［J］． Bioresource Technology，2007，98 9 1805- 1811． ［3］马磊， 王德汉，曾彩明． 餐厨垃圾的干式厌氧消化处理技术初 探［J］． 中国沼气， 2007 1 27- 30． ［4］徐衣显， 田书磊， 王伟． 餐厨垃圾半干式高温厌氧发酵快速启 动试验［J］． 环境卫生工程， 2008 6 56- 58． ［5］Eskicioglu C，Ghorbani M． Effect of inoculum/substrate ratio on mesophilic anaerobic digestion of bioethanol plant whole stillage in batch mode［J］． Process Biochemistry，2011， 46 8 1682- 1687． ［6］Forster-Carneiro T，Prez M，Romero L I． Influence of total solid and inoculum contents on 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电话 010 62332778 E- mailwangqh59 sina． com 2012 －06 －14 收稿 131 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期