不同有機廢水厭氧產(chǎn)酸過程的研究

計紅芳1，蔡稷元2，王遠鵬2, 胡宏友1

(1.廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院環(huán)境工程與科學系，福建 廈門 361005；

2.廈門大學化學與化工學院化學工程與生物工程系，福建 廈門 361005)

摘要：主要研究了不同類廢棄有機物厭氧產(chǎn)酸過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)量和組成比例。研究發(fā)現(xiàn)，廢糖蜜溶液、蛋白廢液和淀粉廢液在達到最高產(chǎn)酸量時，超過50%的VFAs是乙酸，其次是丙酸，還含有少量的丁酸和戊酸。廢甘油溶液在達到最高產(chǎn)酸量時，產(chǎn)生的VFAs的主要成分是丙酸。4種有機廢液中，相同初始COD濃度條件下，淀粉廢液產(chǎn)生的VFAs產(chǎn)量最多，初始COD為5000mg/L時最高產(chǎn)量為2.321g/L，其次是廢甘油溶液，最高產(chǎn)量是2.244g/L。

關(guān)鍵詞：厭氧產(chǎn)酸；廢糖蜜溶液；廢甘油溶液；蛋白廢液；淀粉廢液；揮發(fā)性有機酸

收稿日期：2014-05-26

通訊作者：胡宏友。

中圖分類號：X703文獻標識碼： A

1引言

廢棄有機物是一種潛在的能源和資源，其主要特征是含水率高、產(chǎn)生量大、易滋生致病菌、污染強度高、易降解有機物含量高、具有較好的生物降解性等。盡管廢棄有機物復雜多樣，但其大部分都以碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪為主要成分，可以作為微生物發(fā)酵的碳源，在實現(xiàn)廢棄有機物無害化、減量化的同時，實現(xiàn)資源化利用。目前，人們對于廢棄有機物的主要處理手段是焚燒、堆肥、厭氧消化等。厭氧消化具有動力消耗低，產(chǎn)生大量的清潔能源等優(yōu)點，因而得到了人們的青睞并且被廣泛應用。

由于厭氧產(chǎn)沼氣方法中甲烷的實際利用率不高，且在甲烷生產(chǎn)過程中伴隨著二氧化碳排放問題，產(chǎn)沼氣已經(jīng)不是厭氧消化的唯一目的，人們更想要從有機廢棄物中回收價值更大的物質(zhì)。

在厭氧消化過程中，各種復雜的有機物在兼性細菌和專性厭氧細菌的作用過程中會產(chǎn)生乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等有機酸。揮發(fā)性短鏈脂肪酸如乙酸等不僅具有較高的附加值，而且用途也較為廣泛，如為生物法合成聚羥基脂肪酸(PHAs)提供碳源[1]。因此，廢棄有機物生產(chǎn)揮發(fā)性短鏈脂肪酸受到越來越多的關(guān)注[2~4]。Horiuchi等[5]研究在厭氧發(fā)酵過程中pH對有機酸的影響時發(fā)現(xiàn)，pH為酸性時厭氧發(fā)酵產(chǎn)物主要為丁酸，pH為中性時發(fā)酵產(chǎn)物主要為乙酸和丙酸。不同的底物組成也會在厭氧消化過程中對揮發(fā)性脂肪酸的組成和比例產(chǎn)生影響。

國內(nèi)外對于有機廢棄物的厭氧發(fā)酵的研究主要集中在城市污泥的發(fā)酵和廚余垃圾發(fā)酵產(chǎn)酸，對于工業(yè)廢棄物的研究則很少。

廢糖蜜是糖廠制造原糖和精糖的副產(chǎn)品，采用普通方法無法進一步把廢蜜中的糖分結(jié)晶出來，是糖廠嚴重的污染源。廢甘油是在生物柴油生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，具有雜質(zhì)多、價格低廉、產(chǎn)量規(guī)模大等特點。豆腐廢水是在豆腐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的瀝水，其主要成分是蛋白質(zhì)。淀粉廢水是食品工業(yè)中產(chǎn)生的，主要含有溶解性淀粉。表1所示的是本文所用各種廢氣有機物的濃度特征。

本文主要研究廢糖蜜、淀粉、甘油以及蛋白質(zhì)等在厭氧消化產(chǎn)酸階段生成的各種揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)量和組成比例，同時考察了不同廢棄物在厭氧發(fā)酵時的底物利用率等。

表1　各種廢棄有機物的濃度特征

2實驗方法和材料

2.1實驗材料

用于污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的接種活性污泥取自福建省廈門市石渭頭污水處理廠的厭氧消化塔。廢糖蜜取自廣東省海晏華僑農(nóng)場糖廠，廢甘油取自廈門卓越生物質(zhì)能源發(fā)展公司，豆腐作坊廢水取自廈門市百家村菜市場豆腐作坊，水面作坊廢水取自廈門市第八菜市場水面作坊。

2.2實驗方法

將廢棄有機物(廢糖蜜、廢甘油、蛋白廢水、淀粉廢水)加自來水配制為廢棄有機物溶液，在5000g相對離心力下離心15min，將分離得到的上清液調(diào)節(jié)pH值約為10.0后，分別將COD濃度稀釋為1000、2000、3000、4000、5000mg /L左右，各取100ml，加入到150ml的厭氧反應器中，添加1g接種污泥(濕重)，置于控溫磁力攪拌器控制厭氧發(fā)酵溫度為35℃左右，于溶液液面下和瓶口各氮吹1min，迅速蓋上丁基橡膠塞，用卡口鉗使鋁皮卷鉤將瓶口密閉，開啟磁力攪拌進行厭氧產(chǎn)酸實驗，定時取樣測定底物的含量和各種VFAs含量。

2.3實驗裝置

2.4分析檢測方法

對于溶解性有機質(zhì)，樣品先在10625g相對離心力下離心10min，取上清液測定。溶解性碳水化合物濃度采用苯酚硫酸法進行測定[6]。蛋白質(zhì)濃度采用考馬斯亮藍法進行測定[7]。甘油濃度采用高碘酸氧化法進行測定[8]。

VFAs濃度的測定采用氣相色譜法(FID)[9]。氣相色譜(GC9560)采用SE-30毛細管柱，以氮氣為載氣，氫火焰離子檢測器檢測峰信號。進樣口溫度170℃，柱溫110℃，檢測器溫度110℃，進樣量1μl。測定VFAs樣品時，將待測液在10625g相對離心力下離心10min，加入適量的甲酸，使其pH值在3以下，然后進行測定。

3結(jié)果與討論

3.1厭氧產(chǎn)酸過程中廢糖蜜溶液內(nèi)各物質(zhì)的變化

厭氧產(chǎn)酸過程中不同初始COD濃度的廢糖蜜溶液內(nèi)溶解性碳水化合物的濃度和產(chǎn)生的VFAs的濃度隨時間變化趨勢如圖2所示。由圖可知，VFAs的產(chǎn)量隨著溶液COD的增加而增加，初始COD濃度為3000mg/L、4000mg/L和5000mg/L時，厭氧發(fā)酵5h可達到最高產(chǎn)酸量，分別為1.640g/L、1.248g/L和2.048g/L，當各溶液中的VFAs產(chǎn)量達到最高時，溶解性碳水化合物的利用率約為91%；各溶液的最高產(chǎn)酸量與初始COD濃度近似成正比關(guān)系。

3.2厭氧產(chǎn)酸過程中廢甘油溶液內(nèi)各物質(zhì)的變化

廢甘油厭氧產(chǎn)酸過程中甘油濃度和VFAs濃度的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，VFAs的產(chǎn)量隨著溶液COD的增加而增加，初始COD濃度為4000mg/L和5000mg/L時，厭氧發(fā)酵6h可得到最大VFAs產(chǎn)量，分別為1.831g/L和2.243g/L。當各溶液中產(chǎn)酸量分別達到最高值時，甘油的利用率約為95%，各溶液的最高產(chǎn)酸量與初始COD濃度近似成正比關(guān)系。與廢糖蜜中的主要成分蔗糖和還原糖相比，甘油分子的結(jié)構(gòu)較為簡單，因此廢甘油溶液中甘油的利用率也較廢糖蜜溶液中溶解性碳水化合物的利用率略有提高。而相比達到產(chǎn)酸量最高值的時間，廢甘油溶液有所延長，這是因為廢甘油溶液厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的VFAs絕大部分是丙酸(見圖6)，當丙酸進入細胞質(zhì)內(nèi)會干擾細胞膜兩側(cè)的pH梯度，從而會抑制營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸和細胞生長[10]，對產(chǎn)酸過程的進一步進行造成影響[11, 12]。

3.3厭氧產(chǎn)酸過程中蛋白廢水內(nèi)各物質(zhì)的變化

不同初始COD濃度的蛋白廢水厭氧產(chǎn)酸過程中底物濃度和VFAs隨時間變化的趨勢如圖4所示。當初始COD濃度為5000mg/L時，蛋白廢水厭氧發(fā)酵7h后達到最高產(chǎn)酸量1.632g/L，初始COD為4000mg/L和3000mg/L時，他們在6h達到最高產(chǎn)酸量，分別是0.981g/L和1.228g/L。各溶液的最高產(chǎn)酸量與初始COD濃度近似成正比關(guān)系，當各溶液中產(chǎn)酸量分別達到最高時，蛋白質(zhì)的利用率約為64%～69%，與前兩種廢棄有機物溶液相比，蛋白廢水厭氧產(chǎn)酸過程的蛋白質(zhì)利用率和最高產(chǎn)酸量都是最低，卻需要更長的時間來獲得最高產(chǎn)酸量，這可能是由于蛋白質(zhì)是生物大分子，其水解效率較低，同時蛋白質(zhì)在厭氧條件下會發(fā)生脫氨作用，游離氨的大量存在具有較大毒性[13]，會抑制產(chǎn)酸微生物的活性。

3.4厭氧產(chǎn)酸過程中淀粉廢水內(nèi)各物質(zhì)的變化

圖5所示的是不同初始COD濃度的淀粉廢水厭氧產(chǎn)酸過程溶解性碳水化合物濃度和VFAs濃度隨時間變化的趨勢。由圖可以看出，當初始COD濃度為5000mg/L時，厭氧發(fā)酵5h達到最高產(chǎn)酸量2.321g/L，初始COD濃度為4000mg/L和3000mg/L時，需要4h達到最高產(chǎn)酸量，分別是1.851g/L和1.397g/L。當各溶液中產(chǎn)酸量分別達到最高值時，溶解性碳水化合物的利用率約為87%。各溶液的最高產(chǎn)酸量與初始COD濃度近似成正比關(guān)系。

3.5厭氧發(fā)酵時廢棄有機物溶液中VFAs的組成和比例

圖6所示的是初始COD為5000 mg/L各種廢棄有機物溶液獲得最高產(chǎn)量時，單一VFA濃度在總VFAs濃度中的比例。由圖可知，廢糖蜜、廢蛋白、廢淀粉溶液厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的VFAs中乙酸的比例都超過了50%，這說明在偏堿性初始pH條件下進行厭氧產(chǎn)酸時，可以得到較高比例的乙酸。與碳水化合物相比，甘油作為一種還原態(tài)較低的底物，相比于乙酸(HAc)的代謝途徑，通過丙酸(HPr)的代謝途徑更能保持氧化還原電位的平衡[14,15]。

除蛋白廢水外，其他廢棄有機溶液厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的VFAs中正戊酸(HVa)和異戊酸(i-HVa)的比例都遠遠小于乙酸、丙酸和正丁酸(HBu)。這是因為乙酸、丙酸、正丁酸和異丁酸均可由碳水化合物、甘油和蛋白質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生，而較高分子量的VFAs，如正戊酸和異戊酸主要是從蛋白質(zhì)的厭氧發(fā)酵過程中獲得的[16]，而非蛋白質(zhì)類的營養(yǎng)物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生這兩種脂肪酸的量是微乎其微的[17, 18]。

4結(jié)論

在用廢糖蜜溶液、廢甘油溶液、蛋白質(zhì)廢液和淀粉廢水厭氧產(chǎn)酸過程中，當初始COD濃度為5000mg/L時，淀粉廢液和廢糖蜜溶液最先達到最高產(chǎn)酸量，耗時5h，最高產(chǎn)量分別為2.048g/L和2.321g/L，其次為廢甘油廢液，耗時6h，最高產(chǎn)酸量為2.244g/L，蛋白廢水達到最高產(chǎn)酸量耗時最長，且最高產(chǎn)酸量最低，為1.632g/L。各溶液的最高產(chǎn)酸量與初始COD濃度近似成正比關(guān)系。

初始COD為5000mg/L各種廢棄有機物溶液獲得最高產(chǎn)量時溶液中廢糖蜜、廢蛋白、廢淀粉溶液厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的VFAs中乙酸的比例都超過了50%，其次是正丁酸。廢甘油溶液產(chǎn)的VFAs中的主要成分是丙酸。蛋白廢液產(chǎn)的VFAs中，除含有乙酸和正丁酸外，還含有一定量的異戊酸。

參考文獻：

[1]Lemos P.C., Serafim L.S., Reis M.A.M.. Synthesis of polyhydroxyalkanoates from different short-chain fatty acids by mixed cultures submitted to aerobic dynamic feeding [J]. Journal of Biotechnology, 2006, 122 (2): 226-238.

[2]Jowitt Z L，Donald S M，Harlan G K． Pilot-scale operation of thermophilic aerobic digestion for volatile fatty acid production and distribution [J]. Journal of Environmental Engineer and Science, 2003, 2(3): 187-197．

[3]Lei Y F，Chen Y G，Xiong Z． Enhancement of waste activated sludge protein conversion and volatile fatty acids accumulation during waste activated sludge anaerobic fermentation by carbohydrate substrate addition: The effect of pH [J]. Environmental Science and Technology, 2009,(43): 4373-4380．

[4]陳志強,李云蓓,溫沁雪.利用丁酸合成PHA高效菌株的篩選及搖瓶發(fā)酵特性研究[J].環(huán)境科學,2010,31(3):828-832.

[5]Horiuchi J, Shimizu T, Tada K, et al.. Selective production of organic acids in anaerobic acid reactor by pH control [J]. Bioresource Technology, 2002,(82): 209-213．

那天的黃昏是記憶中最美的，在清澈流淌的小河邊，一個簡陋而又能遮風雨的棚，雨后的斜陽滲著無力的光，透過棚架，映在煙霧繚繞的方寸之地，生成了冷抽象的分割?；璋抵杏腥藪炱鹆嗣髁恋臍鉄?，燈在風中搖曳，在動感的燈光與太陽的余暉交相掩映的瞬間，我看到了人們粗獷而善良的眼神，閃爍在驚喜的空間，那氛圍使人突然迸發(fā)出一種讓人畢生難忘的感動。

[6]Dubois M., Gilles K A, Hamilton J K, et al. Colorimetric method for determination of sugars and related substances [J]. Analytical Chemistry, 1956, 28(3): 350-356.

[7]Bradford M M.A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding [J].Analytical Biochemistry,1976,72(1):248-254.

[8]遲云超, 張相育, 桂云. 高碘酸氧化法測肌醇和甘油含量 [J]. 哈爾濱科學技術(shù)大學學報, 1994, 18(2): 94-97.

[9]APHA. Standard methods for the examination of water and wastewater (21st ed.) [M]. Washington, D C: American Public Health Association, 2001.

[10]Gu Z., Glatz A.B., Glatz E.C. Effects of propionic acid onpropionibacteriafermentation [J]. Enzyme and Microbial Technology, 1998, 22(1): 13-18.

[12]Nanba A., Nukada R., Nagai S. Inhibition by acetic and propionic acids of the growth ofPropionibacteriumshermanii[J]. Journal of?Fermentation Technology, 1983, 61(6): 551-556.

[13]劉敏, 任南琪, 丁杰，等. 糖蜜、淀粉與乳品廢水厭氧發(fā)酵法生物制氫 [J]. 環(huán)境科學, 2004, 25(5): 65-69.

[14]Dharmadi Y., Murarka A., Gonzalez R. Anaerobic fermentation of glycerol byEscherichiacoli: a new platform for metabolic engineering [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2006, 94(5): 821-829.

[15]Himmi E.H., Bories A., Boussaid A., et al. Propionic acid fermentation of glycerol and glucose by Propionibacterium acidipropionici and Propionibacterium freudenreichii ssp. Shermanii [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2000, 53(4): 435-440.

[16]McInerney M. J. Anaerobic hydrolysis and fermentation of fats and proteins [A]. In:Zehnder A. J. B. (eds.).Biology of Anaerobic Microorganisms [C].New York: John Wiley and Sons,1988:373-415.

[17]Chen Y. G., Jiang S., Yuan H. Y., et al. Hydrolysis and acidification of waste activated sludge at different pHs [J]. Water Research, 2007, 41(3): 683-689.

[18]Zoetemeyer R.J., Van den Heuvel J.C., Cohen A. pH influence on acidogenic dissimilation of glucose in an anaerobic digester [J]. Water Research, 1982, 16(3): 303-311.

Study on the Process of Releasing Volatile Fatty Acid of Various Kinds

of Organic Wastewater through Anaerobic Fermentation

JI Hong-fang1,CAI Su-yuan2,WANG Yuan-peng2,HU Hong-you1

(1.Department of Environmental Science and Engineering,College of Environment and

Ecology,Xiamen University,Xiamen Fujian 361005 China)

Abstract：The yields and components of the volatile fatty acids(VFAs)from four kinds of organic wastewater(waste molasses,waste protein,waste glycerol,and waste starch)were studied.The results showed that acetic acid accounted for 50% when the mix of waste molasses, waste protein,and waste starch reached the highest yields of VFAs.Propionic acid followed the acetic acid with little butyric acid and pentanoic acid.However, the main component was propionic acid when the waste glycerol reached its highest yields of VFAs.The highest VFAs was 2.321g/L by waste starch when these four organic wastewater had the same initial chemical oxygen demand concentration of 5000mg/L.Waste glycerol produced the second highest VFAs of 2.244g/L under the same condition.

Key words： anaerobic fermentation;waste molasses;waste glycerol;waste protein;waste starch;VFAs