pH對廚余垃圾發(fā)酵產(chǎn)酸特性影響的研究

酸化過程是廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷與二氧化碳的首要步驟。在實際垃圾的厭氧處理過程中，常規(guī)的產(chǎn)酸相反應(yīng)器中的微生物均為混合菌種，這些種群間存在生態(tài)位的相互補(bǔ)充和重疊，導(dǎo)致它們之間存在種群間的協(xié)作和競爭，不同的酸化產(chǎn)物和乙醇在酸化反應(yīng)器中生成[1]。由于酸化產(chǎn)物的組成影響后續(xù)甲烷相的處理效果，選擇合適的操作參數(shù)，控制酸化相的產(chǎn)物組成對廚余垃圾的厭氧消化尤為重要。何種發(fā)酵產(chǎn)物可以避免甲烷細(xì)菌被抑制及工藝的失敗，不同的研究者有不同的看法。大多數(shù)研究者認(rèn)為丙酸對于產(chǎn)甲烷不利，乙酸、甲酸和氫可以被甲烷菌直接利用，丁酸首先被變成乙酸再生成甲烷，而厭氧消化中丁酸的降解限速步驟是乙酸降解為甲烷。
有報道認(rèn)為在酸化過程中有機(jī)酸的組成主要受pH的影響，但所采用的底物均非廚余垃圾。我們在用兩段法處理廚余垃圾時也曾發(fā)現(xiàn)pH對水解酸化過程的影響較大，為此，我們對酸化相的pH進(jìn)行調(diào)控，結(jié)合以往的研究成果，分析不同pH條件下廚余垃圾酸化產(chǎn)物的組成及酸化的總體效果，從而找出最佳的酸化條件。
1實驗裝置與方法
1.1反應(yīng)器
實驗所用的反應(yīng)器為500mL的錐形瓶，上面設(shè)取樣口，瓶口由帶有乳膠管的膠皮塞密封，氣體由乳膠管導(dǎo)出，用排水法收集。反應(yīng)器置于35℃的恒溫水浴搖床中。
1.2材料
實驗所用垃圾來自上海交通大學(xué)北區(qū)食堂。垃圾的主要成分是吃剩的米飯，另有少量的菜及肉類。收集的垃圾首先人工分選出其中的雜物（包括塑料、筷子及餐巾紙等），然后用食品粉碎機(jī)粉碎，置于4℃的冰箱中保存。經(jīng)測定，實驗所用垃圾含水率為87.29％，揮發(fā)性固體的含量為11.85％（濕重）。
1.3分析測定
pH值采用精密pH計（pH22）測定；總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、總懸浮物（TSS）、揮發(fā)性懸浮物（VSS）采用烘干法測定；揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）濃度采用滴定法測定；進(jìn)料和出料COD濃度采用K2Cr2O7氧化法測定；氨氮（NH4+-N）采用滴定法測定；氣體成分（CO2、H2、NH3）采用日本島津GC-14B型氣相色譜儀測定（TDX-O2色譜柱）測定；總有機(jī)碳（TOC）和總氮（TN）采用multiN/C3000型總有機(jī)碳-氮分析儀測定；VFA的組成采用用日本島津LC-2010型高效液相色譜儀（C18色譜柱）測定。
1.4實驗方法
1.4.1產(chǎn)酸菌的培養(yǎng)與馴化
取本實驗室甲烷相的厭氧活性污泥為產(chǎn)酸菌種，置于35℃的恒溫水浴中培養(yǎng)馴化。
1.4.2反應(yīng)器運行方式
本實驗采用批量運行方式，水浴搖床的溫度為35℃，每分鐘運轉(zhuǎn)110次，定期取樣分析酸化效果。
1.4.3反應(yīng)器中pH值的調(diào)節(jié)
反應(yīng)器中的pH值開始用NaHC03調(diào)節(jié)，反應(yīng)過程中用5mol?L-1的NaOH溶液手動調(diào)節(jié)，每12h調(diào)節(jié)一次。2結(jié)果與討論
2.1不同pH條件下VFA的變化規(guī)律
采用一次投料批量運行方式，對pH值分別為5、7、9、11等條件下VFA濃度隨發(fā)酵時間的變化進(jìn)行了為期近一個月的連續(xù)測定，所得的結(jié)果示于圖1。由圖可見對于不同的pH值，反應(yīng)器中VFA的濃度都先是快速增加，最后增加緩慢并且趨于穩(wěn)定。
表1為從實驗結(jié)果計算出的不同pH值條件下穩(wěn)定運行時VFA的產(chǎn)量及酸化率，可以看出，當(dāng)pH值為7時，VFA產(chǎn)量和酸化率最大，分別為35.100gVFA?L-1，和1096.8mgVFA?g-1TS。
表1不同pH值條件下穩(wěn)定運行時VFA的產(chǎn)量和酸化率.2pH對VFA組成的影響
在實驗進(jìn)行到穩(wěn)定期時，對反應(yīng)器中的VFA組成進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，發(fā)酵液中存在甲酸、乳酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、蘋果酸和琥珀酸等。另外，對其中的幾種揮發(fā)酸進(jìn)行了定量監(jiān)測，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，各種VFA的含量受pH值的影響，但乙酸與乳酸在大多數(shù)的情況下總為主要產(chǎn)物，而丙酸與丁酸在所有的實驗中濃度都很低，這與有關(guān)的研究結(jié)果相同。在pH值為7時丁酸的含量較高，而在pH值大于7時丙酸的含量相對較高。這主要是由于在pH值為7時，有利于丁酸性發(fā)酵細(xì)菌的增長，而丙酸性發(fā)酵細(xì)菌易于在堿性的環(huán)境中生長，從而表現(xiàn)為不同的發(fā)酵類型。通過分析，可以得出以下結(jié)論，不同種群有著不同的最佳生長環(huán)境，在一個穩(wěn)定的生境中，當(dāng)某一種群的最適生長環(huán)境與生境相近時，此種群就成為優(yōu)勢種群。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)利用微生物生長適宜的環(huán)境條件，人為創(chuàng)造有利環(huán)境，促使所需種群處于優(yōu)勢地位。
2.3不同pH條件下TS的去除率及蛋白質(zhì)的降解
蛋白質(zhì)的降解情況用反應(yīng)器中上清液所含氨氮的濃度來估算（因為氣體中所含的氨氣的濃度很低，可以忽略不計）。由圖4可知，在不同的pH條件下，氨氮的濃度隨著反應(yīng)時間的增加呈現(xiàn)出上升趨勢，但在pH值為7時氨氮的濃度遠(yuǎn)高于其他三種pH值條件。這一現(xiàn)象反映出蛋白質(zhì)降解緩慢，隨著反應(yīng)時間的加長，蛋白質(zhì)的降解率提高，并且蛋白質(zhì)適合于在pH為中性的范圍內(nèi)降解。
3結(jié)論
（1）pH對廚余垃圾酸化過程的酸化效果及酸化產(chǎn)物的組成有明顯的影響。可能酸度影響酸化產(chǎn)物主要是由于優(yōu)勢菌群的變化所致。
（2）乳酸和乙酸在不同的pH條件下總為主要產(chǎn)物，當(dāng)pH值大于7時，明顯有丙酸生成。
（3）廚余垃圾酸化的最佳pH值為7，此條件下VFA產(chǎn)量和酸化率最大，分別為35.100g VFA?L-1和1096.8mg VFA?g-1 TS；TS的去除率高達(dá)65.3％；蛋白質(zhì)的降解效果明顯。在整個實驗過程中，用NaHCO3和NaOH來調(diào)節(jié)pH值，這樣操作費用較高。為此，需要研究通過控制廚余垃圾的C/N來調(diào)節(jié)酸化反應(yīng)的pH條件。