零价铁强化水解酸化对厨余与餐厨垃圾混合厌氧消化性能的影响.pdf

第 50 卷 第 3 期2023 年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science)Vol.50,No.32023引用格式:李子庆,陈锡腾,袁海荣,等.零价铁强化水解酸化对厨余与餐厨垃圾混合厌氧消化性能的影响J.北京化工大学学报(自然科学版),2023,50(3):41-48.LI ZiQing,CHEN XiTeng,YUAN HaiRong,et al.Effect of zero鄄valent iron enhanced hydrolytic acidification on the anae鄄robic digestion of kitchen waste and food wasteJ.Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Sci鄄ence),2023,50(3):41-48.零价铁强化水解酸化对厨余与餐厨垃圾混合厌氧消化性能的影响李子庆摇 陈锡腾摇 袁海荣*摇 李秀金(北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室,北京摇 100029)摘摇 要:基于厨余垃圾成分复杂而难以水解酸化的特点,提出通过投加零价铁强化厨余与餐厨垃圾水解酸化进而提高厌氧消化性能的策略。将厨余垃圾和餐厨垃圾按照不同配比混合,设置零价铁投加量为 5、10、15 和20 g/L,考察不同投加量条件下厌氧体系的消化性能。结果表明:酸化阶段厨余垃圾质量分数 50%的试验组水解酸化效率最高,产生的乙醇和总挥发性脂肪酸(TVFA)总量比单独厨余垃圾试验组提高了206郾 78%;适量投加零价铁可以提高乙醇和 TVFA 的总产量,且投加量与油脂降解率、溶解性化学需氧量(SCOD)、乙醇和 TVFA 产量呈正相关;当投加量超过10 g/L 后,零价铁对水解酸化的促进效果不明显。利用酸化出料进行甲烷化试验,投加零价铁组的累积产甲烷量有所增加,且产气速率提高,其中厨余垃圾占比 100%、零价铁投加量 10 g/L 试验组的累积产甲烷量为(2 664 依130)mL,比对照组提高了 15郾 61%。综合以上结果,在酸化相投加零价铁能够提高混合垃圾产气效率。关键词:厨余垃圾;餐厨垃圾;零价铁;水解酸化中图分类号:X705摇 摇 DOI:10.13543/j.bhxbzr.2023.03.005收稿日期:2022-10-16基金项目:国家重点研发计划(2018YFC1900903)第一作者:女,1998 年生,硕士生*通信联系人E鄄mail:引摇 言厨余垃圾为家庭在日常生活中产生的食品加工废弃物以及瓜果蔬菜运输过程中腐坏的废弃物等有机垃圾,餐厨垃圾为餐饮行业、酒店等产生的剩余饭菜及后厨的果蔬、肉食、面点等在加工过程中产生的废弃物。厨余和餐厨垃圾在环卫运输和处理过程中经常合并在一起,其有机质含量高、含水量高,且易腐烂变质1,如不合理处置会带来严重的环境卫生问题。2020 年我国产生的厨余和餐厨垃圾约为12 103 14 524 万吨,约占城市生活垃圾的 51%61%2,大量的厨余和餐厨垃圾亟待处理。厨余垃圾组分复杂,含有一定的纤维素、半纤维素和木质素3,由于其间的复杂结构,难以被微生物快速利用,因而水解酸化进程较缓慢。近年来,有学者提出通过向厌氧发酵反应器中投加导电材料来提高厌氧发酵的效率和过程稳定性,从而提升电子传递效率和产酸效率,加速挥发性脂肪酸的降解,进而提高甲烷产率4。零价铁是一种能够降低系统氧化还原电位且具有较强还原能力的添加剂,可以通过促进酶的活性来提高微生物活性,在偏酸性环境中能够促进某些难生化降解化学物质的转化利用,从而提高有机物的可生化性5。Feng 等6在厌氧污泥消化系统中加入零价铁,发现其可以促进产乙酸,提高污泥中蛋白质的降解率和甲烷产率。Cao 等7发现添加零价铁可以刺激相关微生物的生长以及代谢酶的活性,从而提高挥发性脂肪酸的浓度,进而提高餐厨垃圾厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸的浓度。虽然零价铁已被广泛应用于厌氧发酵领域,但在不同混合垃圾配比情况下利用零价铁提高水解酸化效率以及产甲烷性能的研究目前鲜有报道。因此,本文以厨余垃圾和餐厨垃圾为原料,在不同垃圾配比的水解酸化相中投加零价铁,分析零价铁对底物的水解酸化强化作用,并通过厌氧甲烷产量情况考察零价铁对混合垃圾厌氧发酵性能的影响。1摇 材料与方法1郾 1摇 试验材料本文所用的厨余垃圾来自北京化工大学食堂后厨,主要成分为菜叶、果皮、蛋壳等,餐厨垃圾来自北京化工大学食堂,主要为剩饭剩菜。两者分拣去除包装塑料袋、砂石等杂物,捡出骨头、纸巾后,打成糊状并置于 4 益环境中保存待用。厌氧发酵酸化相为自然发酵未加接种物,甲烷相所用接种物来自北京市某餐厨处理厂。物料的基本性质如表 1 所示。零价铁采用直径为 0郾 15 mm 的还原铁粉(Macklin 公司,纯度 98%)。表 1摇 物料基本性质Table 1摇 The basic characteristics of thesubstrates and inoculum基本性质数值厨余垃圾餐厨垃圾接种物TSa)/%13郾 16 依0郾 62 27郾 70 依1郾 12 13郾 17 依0郾 74VSa)/%11郾 41 依0郾 53 25郾 90 依0郾 78 6郾 04 依0郾 52pH5郾 33 依0郾 013郾 71 依0郾 018郾 28 依0郾 01油脂含量(TS)b)/%2郾 78 依1郾 02 27郾 52 依1郾 24粗蛋白含量(TS)b)/%15郾 60 依0郾 88 17郾 18 依0郾 97总糖含量(TS)b)/%7郾 93 依0郾 51 11郾 85 依0郾 43木质素含量(TS)b)/%8郾 08 依0郾 975郾 99 依0郾 63纤维素含量(TS)b)/%22郾 12 依0郾 15 9郾 50 依0郾 41半纤维素含量(TS)b)/%16郾 38 依0郾 34 22郾 94 依0郾 53摇 摇 表中数据均为 3 次测量后的平均值;TS总固体含量;VS挥发性固体含量;a以鲜重计;b以干重计。1郾 2摇 试验方法为研究零价铁对不同配比混合垃圾厌氧发酵的影响,将零价铁投加量和原料配比作为试验因子,乙醇和挥发性脂肪酸产量作为响应值,进行全因子分析试验,明确在水解酸化阶段零价铁用量的最优值。零价铁投加量设定为0、5、10、15 和20 g/L 共5 个水平。通过厨余垃圾和餐厨垃圾的不同配比对混合垃圾进行调控,以厨余垃圾的质量分数为试验参数设计值,配比设置为 0、25%、50%、75%和 100%共 5个水平(以厨余垃圾在总发酵底物中的总固体含量占比计),厨余垃圾占比50%、零价铁投加10 g/L 的试验组记为 50%KW+10 g/L Fe0。水解酸化相试验选用 1 L 批式厌氧反应器,有效工作体积 700 mL,系统含固率为 20%。将厨余垃圾和餐厨垃圾混合,充分搅拌均匀,过程中保持厌氧状态,放入 35 益 水浴反应器中持续运行 5 d,每隔24 h 充分振荡搅拌一次。在试验初始时刻和发酵结束时测定体系酸化出料的总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、溶解性化学需氧量(SCOD)和油脂含量,每日定时测定反应气体的 pH 值、乙醇和挥发性脂肪酸(VFAs)浓度。通过统计学分析明确最优的水解酸化试验组,利用酸化出料进行甲烷化试验。采用 500 mL 的批式厌氧反应器(有效工作体积为 400 mL),厌氧甲烷化启动阶段加入接种物,接种比(以 TS 计)为 3颐 1。每天测定气体组分,并通过排水法测定产气量,每个条件的所有试验均设置 3 个平行组,试验结果为三平行平均值。1郾 3摇 分析方法总固体含量、挥发性固体含量的测定参考国际标准方法8。pH 值使用 FiveEasy Plus FE28 型 pH计(梅特勒-托利多公司)测量,油脂含量通过索氏提取法(GB 5009.62016)测定,SCOD 采用快速消解分光光度法(HJ/T 3992007)测定,粗蛋白含量采用燃烧法(GB 5009.52016)测定,总糖含量采用差值法计算,纤维素、半纤维素、木质素含量由ANKOM A2000 全自动纤维仪(海能未来技术公司)测定。厌氧发酵沼气组分(甲烷、二氧化碳和氢气)采用气相色谱仪(GC鄄2014,日本岛津)检测。乙醇和挥发性脂肪酸含量采用 GC鄄2014 气相色谱仪分析,使用氢火焰离子化检测器和 HP鄄FFAP 毛细色谱柱,以高纯氮气为载气,进样口温度和检测器温度分别为 220 益和 250 益,色谱柱升温程序如下:初始温度 60 益,保留时间 2 min,随后以 20 益为初始温度升温至 220 益,保留时间 10 min。全因子试验设计和数据分析采用 Minitab 20 软件,各试验组乙酸占总挥发性脂肪酸(TVFA)质量分数的 95%以上,因此软件响应值仅设置为乙醇和TVFA 浓度。利用 Canoco 5 进行相关性分析,采用OriginPro 2022 进行图像绘制。2摇 结果与讨论2郾 1摇 原料配比对水解酸化性能的影响利用 Minitab 20 对厌氧发酵5 d 后乙醇和 TVFA24北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2023 年的产量进行方差分析,乙醇的多元相关系数 R2=92郾 71%,修正的多元相关系数 R2adj=89郾 07%。TV鄄FA 的 R2和 R2adj分别为 90郾 50%和 87郾 76%。统计分析结果表明,R2均高于 90%,P 值小于 0郾 05,由此可知对于乙醇和 TVFA 的产量来说零价铁投加量和原料配比均为显著因子。在水解酸化过程中,复杂有机物先转化成中间小分子产物进而代谢成乙酸,部分短链脂肪酸产氢产乙酸过程的转化速率顺序为乙醇 乳酸 丁酸 丙酸9,因而乙酸和乙醇是理想的发酵产物。利用摇 摇全因子设计试验可以确定零价铁投加量、原料配比与响应值的等值关系(图 1),可以看出厨余垃圾占比越低、零价铁投加量越高,发酵体系的乙醇产量越高,而厨余垃圾占比越高、零价铁投加量越高时,发酵体系的 TVFA 产量越高。综合等值关系图,最佳的厨余占比和零价铁投加用量分别为 40%60%和 7郾 5 12郾 5 g/L。图 2(a)为发酵 5 d 后不同原料配比组的乙醇和 TVFA 产量,可以看出当厨余垃圾占比在 50%以下时,乙醇和 TVFA 产量随着厨余垃圾占比提高而增加,厨余垃圾占比 50%组的乙醇和摇 摇图 1摇 零价铁投加量和原料配比与响应值的等值线图Fig.1摇 Contour maps of zero鄄valent iron dosage and raw material ratio and response values图 2摇 不同因素对乙醇和 TVFA 产量的影响Fig.2摇 Effects of different factors on the total production of ethanol and TVFAs34第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李子庆等:零价铁强化水解酸化对厨余与餐厨垃圾混合厌氧消化性能的影响TVFA 产量可达(7 119郾 4 依60)mg/L,与单独厨余垃圾组和单独餐厨垃圾组相比分别提高了 206郾 78%和 13郾 98%。而当厨余垃圾占比超过 50%后,系统水解酸化能力下降,厨余垃圾占比 100%组的乙醇和 TVFA 产量仅为(3 246郾 2 依100)mg/L,这主要是因为厨余垃圾中纤维类有机质含量过高10,其水解速率远低于淀粉、蛋白质等有机物,且在含固率20%的发酵体系中物料均质效果较差,一定程度上也影响了体系的水解酸化进程。2郾 2摇 零价铁对水解酸化性能的影响乙醇和乙酸是厨余垃圾和餐厨垃圾的主要水解酸 化 产 物,乙 酸 在 TVFA 中 占 比 95%以 上(图 2),这是因为厨余垃圾和