楊 云

(天津商業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津 300134)

隨著人們生活水平的不斷提高，餐廚垃圾產(chǎn)出量不斷增大，若不能得到有效處置，極易產(chǎn)生有毒氣體和滲濾液污染空氣和地下水體[1]。然而，餐廚垃圾中富含大量的碳水化合物，是一種可利用資源。近年來，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)得到廣泛關(guān)注，一方面厭氧發(fā)酵可以實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的減量化，另一方面餐廚垃圾在厭氧發(fā)酵過程中可以回收能源物質(zhì)甲烷[2-3]。相較于餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生產(chǎn)甲烷，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)受到學(xué)者更多的關(guān)注，因?yàn)樯a(chǎn)VFA的環(huán)境相對(duì)寬松，且得到的VFA可以作為污水處理廠外加碳源，提高污水處理廠生物脫氮除磷效果。

表面活性劑具有良好的溶解性能，它能夠溶解污泥外包裹的胞外聚合物(EPS)及細(xì)胞壁進(jìn)而釋放更多的胞內(nèi)物質(zhì)供產(chǎn)酸細(xì)菌利用，有研究者發(fā)現(xiàn)，表面活性劑可以促進(jìn)剩余污泥的水解和酸化進(jìn)而導(dǎo)致VFA大量積累。然而，以往研究中使用的表面活性劑大多為化學(xué)類表面活性劑，這類表面活性劑在應(yīng)用過程中不能分解，會(huì)造成二次污染。生物類表面活性劑具有可降解性，在實(shí)際應(yīng)用中更有前景。烷基多苷(APG)是一類產(chǎn)量較大且應(yīng)用性較強(qiáng)的生物表面活性劑，筆者應(yīng)用APG強(qiáng)化餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵生產(chǎn)VFA，研究了APG對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的影響，并探究了其作用機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

餐廚垃圾取自某高校學(xué)生食堂5個(gè)連續(xù)工作日的廚余垃圾，首先人工將餐廚垃圾中少量紙屑、塑料包裝、一次性筷子、大塊骨頭、魚刺等剔除，用粉碎機(jī)將餐廚垃圾粉碎至顆粒直徑小于5 mm，然后用蒸餾水清洗餐廚垃圾3次以去除垃圾中的大部分油脂，按照餐廚垃圾與蒸餾水9∶1的質(zhì)量比稀釋混合。稀釋后餐廚垃圾總固體(TS)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.2%±1.3%，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%±1.2%。

接種污泥取自某污水處理廠二沉池的剩余污泥，將取回的剩余污泥在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)逐步培養(yǎng)成厭氧污泥，接種污泥的基本性質(zhì)如下：pH=6.9±0.1，總懸浮固體(TSS)=(12 500±169) mg/L，VSS=(10 230±125) mg/L，水溶性蛋白質(zhì)=(8 560±89) mg/L，水溶性多糖=(1 250±68) mg/L。

實(shí)驗(yàn)中使用的生物表面活性劑為市售APG，純度97.8%。

1.2 APG投加量對(duì)VFA最大累積量的影響

分別向5個(gè)有效體積為1.0 L的厭氧反應(yīng)器內(nèi)加入0.6 L混合均勻的餐廚垃圾及0.2 L接種污泥，再分別投加一定APG使其質(zhì)量濃度分別為0(空白組)、0.1、0.5、1.0、1.5 g/L，控制攪拌器轉(zhuǎn)速150 r/min，發(fā)酵溫度(35±1) ℃，發(fā)酵周期12 d，考察APG投加量對(duì)VFA最大累積量的影響。

1.3 APG自身分解對(duì)VFA貢獻(xiàn)的影響

APG在發(fā)酵過程中會(huì)發(fā)生分解，因此APG對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生產(chǎn)VFA也有一定影響。為明確APG分解對(duì)VFA的貢獻(xiàn)，在厭氧反應(yīng)器內(nèi)接種0.2 L接種污泥，添加0.6 L蒸餾水，投放一定的APG使得APG的質(zhì)量濃度為0.5 g/L，其他反應(yīng)條件同1.2節(jié)，通過厭氧反應(yīng)器中VFA的積累量判斷APG對(duì)VFA的貢獻(xiàn)。

1.4 分析方法

TSS采用重量法測(cè)定；VSS采用馬弗爐灼燒法測(cè)定；將餐廚垃圾上清液過0.45 μm濾膜后采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定SCOD[10]。水溶性蛋白質(zhì)采用Folin-酚法測(cè)定，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)底物[11]。水溶性多糖采用蒽酮比色法測(cè)定，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)底物[12]。VFA及其組分測(cè)定采用氣相色譜法測(cè)定，具體方法詳見文獻(xiàn)[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 APG投加量對(duì)VFA最大累積量的影響

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程中,APG投加量對(duì)VFA最大積累量的影響見圖1。由圖1可見，隨著APG投加量的升高，VFA最大積累量也呈上升趨勢(shì)?？瞻捉MVFA最大積累量為8.1 g/L，當(dāng)APG投加量為0.5 g/L時(shí)，VFA最大積累量為18.5 g/L，為空白組的2.3倍，說明投加APG能夠顯著提高餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生產(chǎn)VFA的積累量。繼續(xù)增加APG的投加量，VFA最大積累量增幅不明顯，當(dāng)APG投加量為1.5 g/L時(shí)，VFA最大積累量?jī)H提高到19.8 g/L。綜合考慮處理效果與處理成本，最佳APG投加量宜為0.5 g/L。

圖1 APG投加量對(duì)VFA最大積累量的影響Fig.1 Effect of APG dosage on the maximum VFA production

2.2 VFA組分構(gòu)成

考慮到生產(chǎn)的VFA主要用作污水處理廠的外加碳源，因此本研究?jī)H對(duì)幾種碳原子數(shù)小于6的VFA進(jìn)行分析，其中包括乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸和異戊酸。APG投加量為0.5 g/L時(shí)，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵12 d后的VFA組分構(gòu)成見圖2。由圖2可見，6種VFA中乙酸所占比例最大，為45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，其次是丙酸，占VFA的28%。乙酸和丙酸是生物脫氮除磷微生物比較喜愛的小分子酸[14-15]，餐廚垃圾在APG強(qiáng)化厭氧發(fā)酵生產(chǎn)的VFA中乙酸和丙酸占比較大，可以用作污水生物脫氮除磷的碳源。VFA中乙酸含量高于其他小分子酸的原因在于有機(jī)物厭氧發(fā)酵生產(chǎn)乙酸的途徑比較多，一方面有機(jī)物可以在產(chǎn)酸細(xì)菌的作用下通過相應(yīng)代謝直接生產(chǎn)乙酸，另一方面，生成的丁酸和戊酸等可以被產(chǎn)乙酸菌所利用進(jìn)一步生產(chǎn)乙酸。

圖2 6種VFA的構(gòu)成Fig.2 Composition of 6 types of VFA

2.3 APG強(qiáng)化機(jī)制的研究

2.3.1 APG對(duì)SCOD變化的影響

餐廚垃圾的主要成分為碳水化合物跟蛋白質(zhì)，這兩種物質(zhì)主要以顆粒狀或者大分子狀態(tài)存在，若要被厭氧微生物所利用則首先需分解變成小分子狀態(tài)，因此筆者以SCOD的含量表征小分子有機(jī)質(zhì)含量研究碳水化合物及蛋白質(zhì)的分解情況。不同APG投加量下餐廚垃圾在厭氧發(fā)酵過程中SCOD的變化見圖3。

由圖3可見，不同APG投加量下SCOD濃度均隨著厭氧發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵趨捬醢l(fā)酵初期，隨著餐廚垃圾中碳水化合物和蛋白質(zhì)的分解，小分子物質(zhì)逐漸增多，表現(xiàn)在SCOD質(zhì)量濃度的上升，隨著厭氧發(fā)酵繼續(xù)進(jìn)行，大部分小分子物質(zhì)被利用生成甲烷和二氧化碳等氣體，消耗量大于產(chǎn)生量，導(dǎo)致SCOD濃度下降。從圖3還可看出，投加APG使餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的SCOD明顯高于同時(shí)期空白組SCOD濃度，說明APG能夠強(qiáng)化大分子物質(zhì)的分解過程，使得餐廚垃圾分解產(chǎn)生更多的小分子物質(zhì)。

圖3 APG投加量對(duì)SCOD變化的影響Fig.3 Effect of APG dosage on the variations of SCOD

2.3.2 APG對(duì)溶解性蛋白質(zhì)和溶解性多糖的影響

餐廚垃圾的水解過程主要發(fā)生在厭氧發(fā)酵初期，水解程度可通過反應(yīng)體系中溶解性蛋白質(zhì)和溶解性多糖的變化來體現(xiàn)。不同APG投加量下，溶解性蛋白質(zhì)和溶解性多糖隨時(shí)間變化見表1。

由表1可知，隨著厭氧發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，溶解性蛋白質(zhì)與溶解性多糖均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。厭氧發(fā)酵時(shí)間為3 d時(shí)，空白組中溶解性蛋白質(zhì)和溶解性多糖的質(zhì)量濃度分別為(698±16)、(6 528±120) mg/L，而APG投加量為0.5 g/L時(shí)，溶解性蛋白質(zhì)和多糖的質(zhì)量濃度分別為(1 325±27)、(9 150±110) mg/L，分別為空白組的1.90、1.40倍?？梢姡瑓捬醢l(fā)酵反應(yīng)器中存在APG時(shí)，餐廚垃圾中溶解性蛋白質(zhì)和溶解性多糖的含量明顯增加，為后續(xù)產(chǎn)酸細(xì)菌提供了更多的發(fā)酵基質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生更多VFA。

2.3.3 APG對(duì)VFA轉(zhuǎn)化率的影響

厭氧反應(yīng)的最后一步為產(chǎn)甲烷菌在厭氧的環(huán)境中利用VFA生產(chǎn)氣體甲烷和二氧化碳。圖4為不同APG投加量下餐廚垃圾厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中VFA的轉(zhuǎn)化率。由圖4可見，隨著APG投加量的增大，VFA的轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。APG的投加量分別為0.1、0.5、1.0、1.5 g/L時(shí)，甲烷轉(zhuǎn)化率分別為52%、38%、32%、29%，遠(yuǎn)低于空白組的76%，說明APG的存在能夠抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，進(jìn)而導(dǎo)致VFA消耗量減少，累積量增加。

圖4 APG投加量對(duì)VFA轉(zhuǎn)化率的影響Fig.4 Effect of APG dosage on the conversion rate of VFA

2.4 APG對(duì)VFA的貢獻(xiàn)

APG作為生物類表面活性劑在發(fā)酵體系中也會(huì)被發(fā)酵微生物所分解，進(jìn)而導(dǎo)致不同投加量下發(fā)酵基質(zhì)濃度不同[16]。為排除APG分解對(duì)VFA的影響，考察了0.5 g/L APG在降解過程中的VFA變化，結(jié)果見表2。由表2可見，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，APG被逐漸降解，VFA呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。厭氧發(fā)酵12 d時(shí)，APG被完全分解，此時(shí)VFA僅為239 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于APG強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的VFA，可見APG分解對(duì)VFA的貢獻(xiàn)量有限。

表2 APG及VFA隨發(fā)酵時(shí)間的變化

3 結(jié) 論

(1) 生物表面活性劑APG能夠有效強(qiáng)化餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵生產(chǎn)VFA，APG的最佳投加量為0.5 g/L，此時(shí)VFA的最大累積量為18.5 g/L，VFA轉(zhuǎn)化率為38%。

(2) APG強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生產(chǎn)的VFA中乙酸的比例最高，其次為丙酸，獲得的VFA可以作為污水生物脫氮除磷的碳源。

(3) APG能夠強(qiáng)化餐廚垃圾的水解反應(yīng)，使溶解性蛋白質(zhì)和溶解性多糖含量明顯增加，為后續(xù)產(chǎn)酸細(xì)菌提供了更多的發(fā)酵基質(zhì)，同時(shí)APG還能限制甲烷的產(chǎn)生進(jìn)而積累更多VFA。

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