巴氏殺菌對餐廚垃圾高溫厭氧發(fā)酵的影響

蘇鑫1，2李偉1，2李文進1，2，3劉松毅1，2張文凱1，2劉旭明1，2
（1.國家蛋品工程技術研究中心，北京 102115；2.北京德青源農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，北京 100081； 3.北京化工大學 100029）

通過對殺菌、未殺菌餐廚垃圾高溫發(fā)酵對比試驗的研究分析，闡述了餐廚垃圾殺菌處理對發(fā)酵的影響。殺菌方式為巴氏消毒法，溫度70℃，持續(xù)時間10 min，接種物為德青源實驗室自行培養(yǎng)的高溫發(fā)酵菌，底物為餐廚垃圾，有機負荷5 gVS/L，污泥負荷（F/M）為0.5，試驗持續(xù)32 d，結果顯示：殺菌組累計產(chǎn)氣量895 mL/gVS，未殺菌組累計產(chǎn)氣量795 mL/gVS；殺菌樣品產(chǎn)氣速率高于未殺菌樣品，其VS去除率略低于未殺菌樣品。

高溫發(fā)酵 餐廚垃圾 巴氏殺菌 高效產(chǎn)氣

生物質一直是農(nóng)村的主要能源之一，在國家能源構成中也占有重要地位。目前，可以作為能源利用的生物質主要包括薪柴、秸稈、生活垃圾和有機廢渣廢水等［1-4］。餐廚垃圾是城市生活垃圾中有機相的主要來源。餐廚垃圾中含有大量的蛋白質、淀粉類、食物纖維類、動物脂肪類等有機物質，是能源和肥料潛在的資源。由于餐廚垃圾含水率高，若處理不慎，滲瀝液易通過滲透作用污染地下水，產(chǎn)生出大腸桿菌等病原微生物，直接危害人體健康［5］。而餐廚垃圾高溫發(fā)酵技術既能有效處理餐廚垃圾，又能產(chǎn)出沼氣能源物質。德青源廢棄物綜合利用部對殺菌后的餐廚垃圾進行了發(fā)酵試驗，并與未殺菌樣品進行了對比，來探究巴氏殺菌對餐廚垃圾高溫發(fā)酵產(chǎn)氣的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 接種污泥與底物 接種污泥為德青源自行培養(yǎng)的高溫發(fā)酵菌群，底物取自北京大學學生食堂餐廚垃圾。經(jīng)測定其物化特性見表1，垃圾成分見表2。

1.1.2 試驗器材 廣口瓶（1L）9個、橡膠塞（12#）9個、玻璃管（6×9）9支、乳膠管（6×9）9根、史式發(fā)酵管9個、HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋2個、燒杯、

FA2004B電子天平、坩堝、DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱、KSW-12-12A箱式電阻爐。

表1 物化特性檢測結果

1.2.3 試驗參數(shù) 有機負荷為5 gVS/L，污泥負荷（F/M）為0.5。使用的發(fā)酵瓶中有效體積V=0.5L，儲氣空間V=0.5 L。充氣方式為用氮氣對起始發(fā)酵瓶進行充氣3 min，保證厭氧狀態(tài)。發(fā)酵溫度52℃。試驗設一組空白組，只加接種物，3個平行樣。兩試驗組分別為加餐廚垃圾做發(fā)酵原料，并添加接種物，3個平行樣，以及所加餐廚垃圾中的10%經(jīng)殺菌處理，并添加接種物，3個平行樣。1.2 方法

1.2.1 試驗流程 分別測定接種物和底物物化特性指標，依據(jù)此物化特性指標和試驗設計參數(shù)進行物料投加。用水定容至500 mL，連接發(fā)酵裝置，待氣量穩(wěn)定后開始產(chǎn)氣記錄。待產(chǎn)氣量較少且平穩(wěn)達3 d以上時，即可終止發(fā)酵。終止發(fā)酵后測定料液物化特性指標。

1.2.2 物性測定方法［6］

（1）干物質（TS）：（105±5）℃的烘箱中烘至恒重，根據(jù)公式（1）計算得到。

TS（%）=樣品烘干后質量/樣品烘干前質量×100% （1）

（2）揮發(fā)性干物質（VS）：550℃馬弗爐中烘至恒重，由公式（2）計算得到。

VS（%）=樣品煅燒前質量-樣品煅燒后質量/樣品煅燒前質量×100% （2）1.2.3 產(chǎn)氣量計量方法 采用史式管進行產(chǎn)氣量計量。史式管中加入酸水（pH＜3），每日早晚定時搖勻料液，進行產(chǎn)氣量記錄。

1.2.4 殺菌方法 將需要殺菌的餐廚垃圾進行70℃水浴10 min，以此來達到殺菌目的。

2 結果與分析

2.1 日凈產(chǎn)氣量結果與分析

經(jīng)過32d發(fā)酵試驗，其日凈產(chǎn)氣量結果如圖1所示。由圖1所示，經(jīng)過32 d的發(fā)酵試驗，殺菌與未殺菌的餐廚垃圾日凈產(chǎn)氣量趨勢一致。在第3 d，殺菌樣品產(chǎn)氣出現(xiàn)第一次高峰，日凈產(chǎn)氣量為29 mL/gVS，而未殺菌樣品日凈產(chǎn)氣量僅為11 mL/gVS。

圖1 餐廚垃圾日凈產(chǎn)氣量

可能原因為，（1）餐廚垃圾中本身帶有大量的細菌，其中不乏很多兼性厭氧菌群，這些菌群會對接種物中的菌群產(chǎn)生一定的干擾，而使得發(fā)酵產(chǎn)氣速度的下降。樣品經(jīng)過殺菌處理后，能夠殺死大部分此類細菌，減少了其對接種物菌群的干擾，使料液中的環(huán)境更適合發(fā)酵菌群的生長和繁殖；（2）餐廚垃圾中帶有的大量細菌中，部分菌種為酸化細菌，從而使未殺菌的餐廚垃圾在發(fā)酵初期的有機酸含量高于殺菌后的樣品，過高的有機酸會對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制，以致從第3 d開始至第22 d的產(chǎn)氣結果中，殺菌樣品的產(chǎn)氣量均高于未殺菌的樣品。

從第23 d開始，未殺菌的樣品產(chǎn)氣量開始高于殺菌后的樣品。出現(xiàn)該現(xiàn)象可能是與殺菌后接種物的良好生長環(huán)境有關系。接種物的酸化菌群中，產(chǎn)乳酸菌最適應此類環(huán)境，而無論殺菌還是未殺菌，在發(fā)酵過程中有機酸的含量均會不斷增加，致使殺

菌后的樣品有機酸中的乳酸含量高于未殺菌中有機酸的乳酸含量。相關檢測發(fā)現(xiàn)有機酸在發(fā)酵到后期其含量均相差不多，乳酸含量高代表乙酸含量相對較少［7］。說明未殺菌樣品中的乙酸含量高于殺菌樣品，而70%的甲烷氣體產(chǎn)自乙酸，所以在發(fā)酵后期，有機酸的抑制不明顯時，未殺菌樣品產(chǎn)氣量會高于殺菌樣品。

2.2 產(chǎn)氣潛力結果與分析

經(jīng)過32 d的發(fā)酵后，殺菌的樣品產(chǎn)氣潛力為895 mL/gVS，高于未殺菌的樣品795 mL/gVS。殺菌樣品在整個發(fā)酵過程中發(fā)酵產(chǎn)氣速度快，發(fā)酵周期短。在第22 d就達到了近800 mL/gVS的累計產(chǎn)氣量。而未殺菌的樣品在第28 d才達到了相同的產(chǎn)氣量。同樣第20 d時，殺菌樣品產(chǎn)氣潛力比未殺菌樣品產(chǎn)氣量高32%。其原因是由于殺菌處理減少了大量餐廚垃圾中的細菌的干擾，使得發(fā)酵菌群可以更迅速的利用有機物，并且與未殺菌樣品相比，其含量較低的有機酸也使得前期的發(fā)酵速度更快，更有利于產(chǎn)生甲烷氣體。

圖2 餐廚垃圾產(chǎn)氣潛力

2.3 發(fā)酵后料液物化特性分析

發(fā)酵32 d之后的料液進行物化特性分析，結果如表3所示。由表3可知，其發(fā)酵后的物化特性結果，以及該試驗的參數(shù)設計，得出殺菌樣品VS去除率88.64%，未殺菌樣品VS去除率93.84%。殺菌樣品VS去除率略低于未殺菌樣品。原因在于巴氏殺菌處理殺死了大量細菌，致使消耗VS的細菌總量減少，在發(fā)酵前期，VS去除率不如未殺菌的樣品。由于微生物繁殖很快，到發(fā)酵中后期，微生物環(huán)境已經(jīng)穩(wěn)定，使得兩物料VS去除率相近，致使樣品VS去除率趨于一致。

表3 發(fā)酵后樣品料液物化特性檢測結果

3 結論

餐廚垃圾巴氏殺菌處理能夠加快厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速度，增加物料的產(chǎn)氣潛力。對于實際工程而言，為保證較小的物料水力停留時間，減小罐體體積，就要求盡可能的加快物料的厭氧降解速率。餐廚垃圾高溫發(fā)酵前經(jīng)過巴氏殺菌預處理，可提升物料生物轉化效率，節(jié)約運行成本，同時殺死部分有害病菌，因此殺菌處理對高效產(chǎn)沼氣的意義十分重要。

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［5］ 王中民.城市垃圾處理與處置［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1991：1-5.

［6］ 中國科學院成都生物研究所.沼氣發(fā)酵常規(guī)分析［M］.北京：北京科技出版社, 1984：19-20.

［7］ 王琦. 提高廚余垃圾厭氧消化水解酸化階段揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率的技術研究［D］.上海：上海交通大學, 2007：34-37.

（責任編輯 李楠）

Influence of Restaurant and Kitchen Waste Through The Pasteurization Treatment on The High Temperature Anaerobic Digestion

Su Xin1，2Li Wei1，2Li Wenjin1，2，3Liu Songyi1，2Zhang Wenkai1，2Qin Qianshan1，2Liu Xuming1，2
（1. Chinese National Egg Engineering Research Center，Beijing 102115； 2. Beijing DQY Agriculture Technology Co. Ltd，Beijing 100081；3. Beijing University of Chemical Technonlgy，Beijing 100029）

The influence of restaurant and kitchen waste through the pasteurization treatment on the anaerobic digestion is summarized in this paper on the basis of the experiment. Pasteurization parameters：temperature is 70℃，duration time is 10 min. Inoculum is high temperature fermentation sludge，which is cultivated by DQY’s laboratory. Feedstock is restaurant and kitchen waste. OL：5 gVS/L，F(xiàn)/M：0.5. The experiment lasted 32 days，accumulative biogas yield of sterilized samples is 895 mL/gVS and non sterilized sample is 795 mL/gVS. The gas production rate of sterilization sample was significantly higher than that of non sterilized samples. And the VS removal rate of non sterilized sample was little higher than that of sterilization samples.

High temperature anaerobic fermentation Restaurant and kitchen waste Pasteurization Efficient gas production

2013-10-20

國家科技支撐計劃課題（2011BAD15B01），北京市科技計劃課題（Z111105076111001），國家科技支撐計劃課題（2012BAC25B06）

蘇鑫，男，研究方向：微生物厭氧發(fā)酵；E-mail：suxin@dqy.com.cn

李文進，男，博士，研究方向：生物質能源工程；E-mail：li.wj@foxmail.com