生物炭促进餐厨垃圾发酵产己酸效能及机理研究_丁子贞 (1).pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20220907基金项目:国家自然科学基金国际合作与交流资助(52161135105);上海市科技创新行动计划资助(19DZ1204700)第一作者:丁子贞(1997)，女，硕士研究生，主要研究方向为固废处理与资源化。zizhen0312 163com*通信作者:李响(1987)，男，博士，教授，主要研究方向为固废处理与资源化。lix dhueducnDOI:10.13205/jhjgc202212005丁子贞，徐先宝，欧阳创，等 生物炭促进餐厨垃圾发酵产己酸效能及机理研究 J 环境工程，2022，40(12):2936生物炭促进餐厨垃圾发酵产己酸效能及机理研究丁子贞1徐先宝1欧阳创2薛罡1李响1*(1东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620;2上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232)摘要:研究了餐厨垃圾制备的水热炭和热解炭对餐厨垃圾发酵产己酸的影响，分析了生物炭的理化性质及微生物群落结构。结果表明:空白组己酸最大产量仅为 1.65 g COD/L，投加 5 g/L 水热炭和热解炭对产己酸均有促进作用，己酸最大产量分别为 3.64，24.24 g COD/L，为空白组的 2.2，14.7 倍;而过量水热炭和热解炭(10 g/L 和 20 g/L)反而对产己酸具有抑制效应。生物炭理化性质对比分析表明:热解炭可促进直接种间电子传递，比表面积更大的热解炭可为产己酸功能菌群提供更大面积的附着位点，富集己酸功能菌，促进乙醇和丁酸转化成己酸。微生物群落分析表明:5 g/L热解炭组产己酸功能菌 Clostridium_sensu_stricto_12、Caproiciproducens 和 Clostridium_sensu_stricto_11 的相对丰度分别为 35.6%、2.0%和 1.7%。关键词:水热炭;热解炭;餐厨垃圾;厌氧发酵;己酸EFFECT OF BIOCHA ON CAPOATE PODUCTION DUING FOOD WASTEFEMENTATION AND THE MECHANISMDING Zizhen1，XU Xianbao1，OUYANG Chuang2，XUE Gang1，LI Xiang1*(1College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China;2Shanghai Environmental Sanitation Engineering Design Institute，Shanghai 200232，China)Abstract:The effects of hydrochar and pyrochar prepared by food waste on the production of caproate from food wastefermentation were investigated The physicochemical properties of the biochar and microbial community were analyzed Theresults showed that the maximum production of caproate was only 1.65 g COD/L in the blank The addition of 5 g/L hydrocharand pyrochar both promoted the production of caproate with the maximum production at 3.64 g COD/L and 24.24 g COD/L，which were 2.2 times and 14.7 times that in the blank respectively While excess hydrochar and pyrochar(10 g/L and 20 g/L)inhibited the production of caproate The comparative analysis of the physicochemical properties of the biochar showed thatthe pyrochar could promote direct interspecies electron transferring，and pyrochar with a larger specific surface area couldprovide more attachment sites for the functional microbes for caproate production and enrich its abundance，promoting theconversion of ethanol and butyrate into caproate Microbial community analysis showed that the relative abundance of functionalmicrobes for caproate production including Clostridium_sensu_stricto_12，Caproiciproducens and Clostridium_sensu_stricto_11 inthe 5 g/L pyrochar was 35.6%，2.0%and 1.7%，respectivelyKeywords:hydrochar;pyrochar;food waste;anaerobic fermentation;caproate0引言中链酸(如己酸)具有疏水性强、易于分离提纯、附加价值高等特性，广泛用于医疗、纺织、塑料等行业1。现阶段已有研究多采用纯物质作为发酵底环境工程第 40 卷物，探究碳链增长产己酸机理，如 Spirito 等2 研究乙醇与乙酸的比例对发酵产己酸的影响，发现高浓度乙醇有利于己酸的产生。然而，真实餐厨垃圾作为发酵底物产己酸鲜有报道。且利用纯物质作为发酵底物产己酸将提高发酵成本，餐厨垃圾作为发酵底物实现碳链增长产己酸机理尚不清楚。因此，餐厨垃圾作为发酵底物产己酸对餐厨垃圾实现高效资源化具有现实意义。产己酸过程存在菌群驯化周期长3、产物毒性抑制4 等问题。Liu 等5 在纯物质体系下接种厌氧污泥产己酸，产己酸停滞期大约为 40 d。Vasudevan等6 研究发现，低浓度己酸(3.3 mmol/L)降低了微生物的活性，且抑制了丁酸碳链增长产己酸进程。生物炭在环境领域受到广泛关注，具有含碳量高、比表面积大、离子交换能力强等特性7，可缓解发酵毒性抑制作用8、缩短发酵停滞周期9、强化发酵体系电子传递效能10。Wei 等11 发现生物炭可以有效缓解发酵体系氨氮毒性抑制作用，氨氮浓度下降了11.7%。Indren 等12 研究发现生物炭不仅促进甲烷产量，还缩短了 33%产甲烷停滞周期。Zhai 等13 研究表明热解炭表面丰富官能团强化了发酵体系的电子传递能力，短链酸产量提高 40.4%。目前，生物炭促进产己酸的研究多采用纯物质作为发酵底物，探究热解炭对发酵产己酸的影响。Liu 等14 研究热解炭对乙醇和乙酸发酵体系下产己酸的影响，己酸产量提升了 46.5%，且产己酸停滞期缩短了 43.5%。Liu等15 研究不同粒径热解炭对乙醇和乙酸发酵体系下产己酸的影响，粒径为 5 m 热解炭组己酸产量可提高 23 倍，产己酸停滞期缩短至 10 d。然而，水热炭和热解炭对复杂餐厨垃圾发酵产己酸的对比研究目前尚属空白。因此，本文比较了餐厨垃圾水热炭和热解炭在不同投加量下对餐厨垃圾产己酸的影响;分析了水热炭和热解炭不同投加量对发酵过程中电子供体(乙醇)与电子受体(短链酸)的影响;通过生物炭元素组成、比表面积、孔隙度、扫描电镜和官能团表征分析水热炭和热解炭的性质与区别;最后，结合微生物多样性分析揭示生物炭促进餐厨垃圾产己酸的机理。1实验部分餐厨垃圾取自上海市东华大学食堂，主要成分为米饭、肉和蔬菜等，VS(挥发性固体)值为 0.41 g/g，经搅拌机搅碎放入 4 冰箱内保存备用。酒曲取自上海市某酒厂，VS 值为 0.81 g/g，经搅拌机搅碎放入干燥常温处储存。1.1餐厨垃圾生物炭的制备1)水热炭的制备。餐厨垃圾(干基质量)与超纯水按 1 10 混合并搅拌均匀，倒入 250 mL 水热釜内胆后盖紧。将水热釜内胆放入水热釜中，拧紧金属盖，置于烘箱(温度220，时间 3 h)反应。待水热釜冷却后取出，用抽滤装置将水热炭与水热液分开，用超纯水清洗水热炭至清洗液透明无色，并将水热炭放入烘箱烘干(温度105，时间 12 h)。取出水热炭并放入干燥皿待冷却，冷却后经研磨过 100 目筛，即获得餐厨垃圾水热炭。2)热解炭的制备。餐厨垃圾取回后置于 105 烘箱烘 24 h 至恒重，取出并放入干燥皿冷却。将冷却后的餐厨垃圾放入石英舟，并置于管式炉(OTF-1200X)内，通入流速为 100 mL/min 的高纯氮气 20 min，然后在温度为600，氮气流速为 60 mL/min 条件下处理 2 h，反应完成后关闭仪器，待石英管冷却至常温后取出，经研磨过 100 目筛，即可获得餐厨垃圾热解炭。1.2批次实验运行250 mL 厌氧发酵罐分别加入(400.5)g/L 底物的餐厨垃圾和酒曲16，超纯水定容至 200 mL。其中餐厨垃圾与酒曲按其 VS 比为 6 1 加入厌氧发酵罐17，并加入20 g/L CaCO3调节 pH。分别加入不同投加量的水热炭和热解炭(5，10，20 g/L)，不投加生物炭的厌氧发酵罐作为空白对照组，设置 3 组平行实验。反应前通入氮气 5 min 保证厌氧状态，将厌氧发酵罐置于 120 r/min 的磁力搅拌器上，放置于37 恒温箱。每 2 天取 1 次样，样品经 8000 r/min 离心10 min，取上清液过 0.45 m 滤膜，并测定上清液中己酸、乙醇和 VFAs(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸)浓度;将下层固体放入20 冷冻保存，用于微生物多样性分析。1.3分析方法1)己酸、乙醇和 VFAs 的测定。采用气相色谱法测定己酸、乙醇和 VFAs 的浓度，气相色谱仪色谱柱型号为 InertOap FFAP，检测器为氢火焰检测器 FID，检测器温度设置为 250，进样口温度设置为 220，柱箱温度为 50，进样体积为 1 L，以氮气作为载气，且流速为 40 mL/min。03第 12 期丁子贞，等:生物炭促进餐厨垃圾发酵产己酸效能及机理研究升温程序为:初始温度为 50 保持 0.5 min，以30 /min 的速度升温至 110，再以 10 /min 的速度升温至 190，并保持 2.5 min，最后以 30 /min 的速度升温至 220，并保持 1 min。2)生物炭的表征。有机元素分析仪 EA(艾力蒙塔 UNICUBE)用于分析生物炭所含 C、H、N、O 等元素;全自动比表面及孔隙度分析仪 BET(美国 Quantachrome Autosorb IQ3)用于测定生物炭比表面积及孔径;扫描电子显微镜SEM(德国 ZEISS Sigma 300)用于观测生物炭表面微观形态和结构;X 射线光电子能谱 XPS(美国 ThermoScientific K-Alpha)用于表征生物炭表面官能团组成及含量。3)微生物测序方法。发酵 20 d 时，取 5 g/L 水热炭和热解炭组(促进产己酸投量)及空白组进行微生物群落分析;取5 g/L热解炭组发酵16，18，20 d(观测产己酸功能菌的驯化过程)进行微生物群落分析。利用高通量