2017, Vol. 38
2. 中国科学技术大学纳米科学技术学院, 苏州 215123
, KONG Xiao-ying1 , LI Lian-hua1 , LI Ying1 , YUAN Zhen-hong1 , SUN Yong-ming1
, LÜ Peng-mei1
2. Nano Science and Technology Institute, University of Science and Technology of China, Suzhou 215123, China
果蔬垃圾因其含水量大、有机成分含量高、易腐烂等特点, 已成为人居环境的重要威胁之一.据国家统计局统计, 2010~2015年我国每年的水果和蔬菜总产量为8.5~10.5亿t[1], 按其中有20%~30%的部分被丢弃变成垃圾计算[2], 每年的果蔬垃圾总量约为1.7~3.0亿t.由于氢气是最理想的清洁能源, 通过厌氧发酵制备氢气对于资源有效利用和减少环境污染具有重要意义.
微生物的种类和数量对发酵产物有显著影响, 由于氢营养型产甲烷菌的存在, 在厌氧发酵酸化过程中产生的氢气会被氢营养型产甲烷菌作为基质消耗, 产生较多甲烷, 降低发酵系统的产氢效率, 因此许多学者对于如何抑制产甲烷活性展开了研究.
目前最主要的方法是通过预处理达到筛选产氢菌种、抑制或杀灭产甲烷菌的目的, 其中报道的最经济有效的方法是热处理.但也有研究证实, 热处理并不能完全抑制氢营养型产甲烷菌的活性, 如Oh等[3]发现一些同质醋酸菌能耐受热处理, 在发酵过程中消耗氢气产生乙酸.通过提高热处理温度和延长处理时间也不能明显提高氢气产量, 如Wang等[4]发现热处理的温度并非越高越好, 昌盛等[5]指出延长处理时间对提高产氢量的影响亦不大, 且提高温度和延长处理时间还会增加能耗和大批量处理难度.因此, 寻找更经济有效的方法抑制产甲烷活性, 对于提高厌氧发酵产氢效率和稳定性具有重要的意义.
有研究发现, 通过调控环境因子如pH值、水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)和食微比(food-microorganism ratio, F/M)等, 可以起到抑制产甲烷活性的作用.如李建政等[6]证实, 采用逐级降低pH值的方式, 将pH值从6.5~7.2降低为4.0~5.0, 可以使具有显著产甲烷特征的厌氧发酵系统转变至产氢系统. Moreno-Andrade等[7]和Chen等[8]指出, 较短的HRT有利于提高氢气的生成速度和减少甲烷的产生. Dareioti等[9]在研究HRT对牛粪和工业废水共发酵的影响时发现, HRT较长时在酸化阶段会产生甲烷, 缩短HRT后未检出甲烷产生. Zhu等[10]报道了当HRT小于24 h时, 甲烷的产量为零, 因为在这种条件下, 产甲烷菌流失的很快, 不适宜生长.
因此, 本文通过中温半连续厌氧发酵实验, 考察了果蔬垃圾在不同F/M及HRT下的产氢性能和产甲烷情况, 得出适宜果蔬垃圾连续产氢的最佳F/M与HRT条件, 以期为进一步提高其连续产氢效率提供依据.
1 材料与方法 1.1 实验材料果蔬垃圾采自广州市天河区长湴菜市场, 经破碎机破碎成浆后待用, 其总固体含量(total solid, TS)为8.94%, 挥发性固体含量(volatile solid, VS)为8.20%, 碳氮比(carbon-nitrogen ratio, C/N)为13.95.原始接种物取自实验室以葡萄糖等为基质的CSTR反应器, 经孔径为1 mm的筛网过滤后的滤液在100℃下煮沸15 min[11], 自然冷却后作为产氢接种物.产氢接种物的pH值、挥发性脂肪酸(volatile fatty acids, VFAs)和VS分别为9.5、490 mg·L-1和0.85%.
1.2 实验装置采用500 mL血清瓶作为发酵反应器(有效体积500 mL), 血清瓶顶端橡胶塞设有一个进出料口, 用气体采集袋采集气体, 反应器置于恒温(37℃±1℃)水浴锅中, 具体见图 1.
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图 1 实验装置示意 Fig. 1 Experimental apparatus |
本实验共设置4个反应器：1、2、3和4号, 分别按F/M为0.5、0.75、1.0和1.5半连续运行, 即每天进出料一次, 保持总发酵体积不变(500 mL), 相应地有机负荷(organic loading rate, OLR, 以VS计, 下同)分别为3.4、5.1、6.8和10.2 g·(L·d)-1.其中F/M按原料与接种物的挥发性固体比(VS/VS)计算, 4组实验均接种经煮沸后的产氢接种物, 加入产氢接种物既可以增加发酵系统中的产氢菌数量, 又可以调节发酵液pH值使之不逐渐降低, 接种后均通过2 mol·L-1 HCl调节初始pH为6.0, 通入高纯氮气驱出反应器上层空气.根据各反应器的运行情况, 通过相应的进出料量调节不同的HRT.每个HRT阶段达到稳定时再运行5~6个HRT周期, 具体操作见表 1.定期监测产气量、气体成分、VFAs和pH值等.
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表 1 厌氧发酵过程中各阶段的OLR与HRT情况 Table 1 Organic loading rate and hydraulic retention time during the anaerobic digestion processes |
1.4 分析方法
TS、VS采用标准方法测定[12]; 原料的元素组成C、H、O、N采用Vario EL元素分析仪(德国elementar公司)测定; pH值采用梅特勒-托利多PE28型pH计测定; 挥发性有机酸的测定(乳酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等), 采样后离心(10 000 r·min-1, 10 min), 取上清液过滤(0.22 μm聚醚砜过滤器)后采用Waters e2695高效液相色谱仪(美国Waters公司)测定, 色谱柱型号Shodex KC-811, 柱温50℃, 流动相为0.1% H2SO4, 流速0.5 mL·min-1; 气体成分(H2、N2、CH4和CO2)采用岛津GC-2014型高效气相色谱仪(日本岛津公司)测定, 色谱柱型号Porapak Q, TCD检测器, 载气为Ar, 检测器和进样口温度分别为120℃和100℃, 柱箱温度为50℃.产气体积通过气体采集袋收集后采用带刻度的医用注射器抽取测量.
2 结果与讨论 2.1 厌氧发酵产气性能F/M为0.5时, 各HRT阶段的产气性能见图 2.当HRT为2 d时系统产氢不稳定, 在前9 d的平均容积产氢量为(104±95) mL·(L·d)-1, 混合气中氢气的体积分数为20%~60%, 未检出甲烷; 从第10 d开始产氢量下降为零, 这说明, 在较高的pH值条件下不适宜产氢.当HRT为3 d时, 仍未检出有氢气产生, 但甲烷的体积分数逐渐升高, 最高时可达74%, 说明此阶段氢气可能被氢营养型产甲烷菌利用转化为甲烷.为了灭活系统中的氢营养型产甲烷菌, 使系统重新产氢, 将反应器内发酵液采用100℃煮沸15 min, 并调整HRT为4 d继续运行, 结果显示系统仍以产甲烷为主, 且甲烷产量逐渐增大至约400 mL·(L·d)-1, 甲烷体积分数最高可达54%, 且未检出氢气.
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图 2 F/M为0.5时的产气性能 Fig. 2 Biogas production during the anaerobic digestion processes when the F/M was 0.5 |
F/M为0.75时, 各HRT阶段的产气性能见图 3.当HRT为2 d时系统产氢不稳定, 只在前10 d有较多氢气产生, 平均容积产氢量为(124±111) mL·(L·d)-1, 氢气体积分数在20%~60%之间, 无甲烷产生; 从第11 d开始产氢量明显下降直至完全停止, 主要是因为此时pH值下降较低.当HRT为3 d时只在第36~42 d有少量氢气产生, 随后甲烷产量和体积分数逐渐升高, 最高时分别达到304 mL·(L·d)-1和47%.当HRT为4 d时, 为了灭活系统中的氢营养型产甲烷菌, 使系统重新产氢, 将反应器内发酵液采用100℃煮沸15 min, 甲烷产量也因此在第55 d降为零, 但随后又逐渐增大至约300 mL·(L·d)-1, 仍未检出有氢气产生.以上讨论说明, 当F/M为0.5和0.75时, HRT为2、3和4 d皆不适宜连续产氢, 且在3 d和4 d时, 容易产生大量甲烷.
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图 3 F/M为0.75时的产气性能 Fig. 3 Biogas production during the anaerobic digestion processes when the F/M was 0.75 |
F/M为1.0时, 各HRT阶段的产气性能见图 4.当HRT为2 d时, 只在第1 d有103 mL·(L·d)-1的氢气产生, 主要是由于pH值迅速下降至4.5以下导致, 产氢停止.当HRT为1.5 d时, 在第16~22 d平均产氢量为(128±114) mL·(L·d)-1, 氢气含量越来越少, 之后不产氢.当调节HRT为3 d后, 从第37 d开始, 产氢量缓慢增加, 至第46 d时产氢量最高达451 mL·(L·d)-1, 之后产氢量稳定在180 mL·(L·d)-1左右, 稳定运行6个HRT周期, 平均产氢量为(186±29) mL·(L·d)-1, 氢气体积分数为20%~30%, 此过程无甲烷产生.当HRT延长为4 d时, pH值从5.5降至3.5以下, 产氢停止.
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图 4 F/M为1.0时的产气性能 Fig. 4 Biogas production during the anaerobic digestion processes when F/M was 1.0 |
F/M为1.5时, 各HRT阶段的产气性能见图 5. HRT为2 d时, 只在第1 d有少量氢气产生, 也是由于pH值的迅速下降所致. HRT为1.25 d时, 几乎检测不到氢气.当HRT为3 d时, 产氢效果最好, 在第49~67 d的6个HRT周期内稳定运行, 平均产氢量为(176±54) mL·(L·d)-1, 最高产氢量为610 mL·(L·d)-1, 氢气体积分数为10%~36%.当HRT为4 d时, 经过4 d, 产氢量下降至60 mL·(L·d)-1, 直至完全停止产气, 主要是由于VFAs的迅速累积, 使pH值下降至太低所致.以上结果表明, 当F/M为1.0和1.5时, 不适宜产甲烷, 产甲烷活性被抑制, 且在HRT为3 d时可实现连续稳定产氢.
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图 5 F/M为1.5时的产气性能 Fig. 5 Biogas production during the anaerobic digestion processes when the F/M was 1.5 |
4组实验在各HRT阶段的平均产气量和产气率见表 2.当F/M为0.5和0.75时, 容积产甲烷量较高, 尤其是在HRT为3 d和4 d时.虽然在HRT为2 d时有较高的产氢量, 但系统只在前几天有氢气产生且不稳定, 故在HRT为2、3和4 d时均不适宜连续产氢, 主要是因为：① 进入反应器的底物太少, 微生物可利用的营养物质较少, 产氢较少; ② 随着pH值的升高, 产氢过程开始向产甲烷过程转变, 氢气被作为基质消耗, 尤其是在HRT为3 d和4 d时.当F/M为1.0和1.5时, 全过程几乎不产甲烷, 主要是因为：① F/M较高使进料较多, 系统的pH值从一开始就保持较低水平, 不适宜产甲烷; ② 产甲烷菌的增殖速率较慢, 需要保持较长的停留时间, 当HRT较短(小于3 d)时, 产甲烷菌容易大量流失, 而当HRT较长(4 d)时, 系统VFAs积累, 对甲烷菌有抑制作用.此阶段可实现稳定连续产氢, 其最佳HRT都为3 d, 实验结果与Moreno-Andrade的研究相似[7], 且F/M为1.0时的平均VS产氢率高于F/M为1.5时的产氢率.但在HRT为2 d和4 d不宜产氢, 主要是因为, HRT较短, 进入反应器中的有机成分较多, 有机物水解速率较快, 产生大量VFAs, 对系统产生抑制; HRT较长, 反应器内发酵液停留时间较长, 产生的VFAs得不到及时排出, 造成VFAs积累, 使pH值迅速降低.
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表 2 平均产气量和平均产气率 Table 2 Average biogas production and average biogas production rates |
2.2 挥发性脂肪酸与产气性能分析
对4组发酵过程中pH值和VFAs的变化情况进行了定期监测, 结果见图 6.由6(a)可见, 组1号在第10 d后氢气产量迅速下降主要是因为系统总挥发性脂肪酸(total volatile fatty acids, TVFAs)质量浓度减少, 使pH值升高至6.0以上, 超过产氢菌的最佳范围(5.0~6.0)[13~15], 故产氢菌活性受抑制, 而产甲烷菌的适宜pH值为6.8~7.5, 故产甲烷菌的活性也受到抑制.在第30~40 d, pH值又降至6.0以下, 但仍无氢气产生, 而此阶段TVFAs质量浓度和甲烷体积分数均较高, 因此推测可能是在发酵系统中存在耐酸性氢营养型产甲烷菌, 氢气被作为产甲烷过程中的基质消耗.当HRT为4 d时, 反应开始向甲烷化过程转变, 是因为在此F/M下进料量较少, 有机物酸化未引起发酵液pH值明显下降, 加之进料pH值较高(接种物pH值为9.5), 使反应器内pH值逐渐升高, 抑制产氢菌活性而有利于产甲烷菌活性的增强.
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图 6 不同条件下发酵系统的pH值和VFAs质量浓度的变化情况 Fig. 6 Concentration of VFAs and pH values during the anaerobic digestion process |
由图 6(b)可知, 组2号由于VFAs的积累, pH值迅速下降至5.0以下.在第1~10 d, VFAs成分主要为乳酸、甲酸和乙酸, 其中乳酸含量最高, 占50%以上.在第20~40 d, 未检出乳酸, 乙酸、丙酸和丁酸的总含量占90%以上, 其中乙酸含量高达37%~70%.在第50~60 d有少量乳酸积累, 但到第70 d之后未检出乳酸生成, 此阶段甲烷产量的逐渐升高是由于TVFAs质量浓度降低, pH值上升至6.0以上所致.
组3号和组4号的pH值和VFAs的变化情况相似.从第1 d开始pH值迅速降低至4.5以下, 产气停止, 到第10 d时降至3.5以下, 此时TVFAs的主要成分为乳酸和甲酸, 两者占比高达90%以上.在第20~70 d内TVFAs浓度较低, pH值稳定在5.0~6.0之间, 大量乳酸和甲酸被降解转化, 稳定产氢也发生在此阶段.当HRT调整为4 d时, TVFAs浓度又急剧增加, 可能是因为随着HRT的延长, 每天的出料减少, 使物料停留在反应器内的时间变长, 酸化反应时间也相应的变长, 且产生的VFAs得不到及时的排出, 导致VFAs的快速积累, pH值降至3.5以下, 产气停止, 此时VFAs的成分又以乳酸和甲酸为主, 占TVFAs的74%~88%.
综上所述, VFAs和pH值的变化对厌氧发酵的产气性能有显著影响.当F/M较低(0.5和0.75) 时, pH值容易升高, 使适宜产甲烷; 当F/M较高(1.0和1.5) 时, 产生大量VFAs(尤其是乳酸和甲酸), 使pH下降, 影响产氢和产甲烷效率.
2.3 乳酸与厌氧发酵产气性能分析F/M为1.0和1.5时, HRT较短(2 d)或较长(4 d)均会出现产气量急剧下降、pH值迅速降低的现象.由图 6(c)和图 6(d)可见这主要是由于VFAs的快速累积所致, 尤其是乳酸的累积, 当乳酸质量浓度达到5 000 mg·L-1以上时发酵系统没有氢气和甲烷产生; 而当HRT为3 d时, 乳酸质量浓度很低, 产氢效果最好.由此可见, 乳酸质量浓度对产氢率有显著影响.据报道, 产乳酸菌分布广泛, 常见于果蔬和餐厨垃圾的厌氧发酵体系中, 其具有强抗酸能力, 在pH值低于5.0时仍能生长[16~18].为找出发酵产乳酸的原因, 比较4组F/M在各HRT阶段的pH值可发现, 当F/M为0.5时, 全过程pH值均高于5.5, 几乎没有乳酸生成, 而当F/M为0.75、1.0和1.5时, 从第1 d开始pH值就分别下降至4.8、4.5和4.2, 产生大量乳酸, 由此推测产生大量乳酸的主要原因是进入物料较多, 产酸量大, pH值较低的环境下不利于其他产酸菌的生长而有利于产乳酸菌的生长, 产乳酸菌不断产出乳酸又会进一步降低环境pH值而杀死其他不耐酸的细菌, 在后期HRT为4d时出现大量乳酸积累的原因也是如此.
F/M为1.0和1.5时, 各HRT阶段发酵液中乳酸质量浓度与产氢率随时间的变化曲线(图 7).产氢率随着乳酸质量浓度的减小而增大, 随着乳酸质量浓度的增大而减小.当HRT为2 d时, 虽然乳酸质量浓度呈下降趋势, 但因为反应开始时产生的大量VFAs(主要是乳酸)已引起pH值迅速降低, 且乳酸一直积累, pH值难以恢复至正常范围内, 故产氢率较小; 当HRT为3 d时, 乳酸质量浓度迅速降低, 产氢率增大; 当HRT为4 d时, 乳酸质量浓度较高, 快速积累导致产氢率迅速下降.而当F/M为0.5时, 整个发酵过程中几乎没有乳酸生成, 当F/M增加时才开始有较明显的出现, 且随着F/M的增大而增加.以上分析表明, F/M为1.0和1.5, HRT为2 d和4 d时产氢效果不好的主要原因是VFAs(主要是乳酸)的过度累积.
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图 7 乳酸质量浓度与产氢率的变化 Fig. 7 Concentration of lactic acid and hydrogen yield during the anaerobic digestion process |
(1) 当F/M为0.5和0.75时, HRT为2 d、3 d和4 d皆不适宜连续产氢, 且在HRT为3 d和4 d时有大量甲烷产生; 当F/M为1.0和1.5时, 通过调控HRT可以控制发酵过程几乎不产甲烷, 实现稳定连续产氢.
(2) 当F/M及HRT分别为1.0及3d时产氢效率最高, 其最高容积产氢量和平均容积产氢量分别为451 mL·(L·d)-1和(186±29) mL·(L·d)-1, 最高VS产氢率和平均VS产氢率分别为133 mL·g-1和(27±5) mL·g-1, 氢气体积分数可达20%~30%.
(3) 当F/M为1.0和1.5时, 在HRT较低(小于3 d)或较高(4 d)时, 因为挥发性有机酸(主要是乳酸)大量累积, 会导致pH值过低不适宜连续产氢.
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