热处理对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响

张国华,黄 黄,黄江丽,张志红,王东升,丁建南

(江西省科学院生物资源研究所，330029，南昌)

热处理对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响

张国华,黄 黄,黄江丽,张志红,王东升,丁建南*

(江西省科学院生物资源研究所，330029，南昌)

餐厨垃圾中有机物含量高，以沼渣为产氢菌种来源，利用餐厨垃圾为原料研究厌氧发酵制备氢气，研究通过热处理沼渣对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响。结果表明，餐厨垃圾是理想的厌氧发酵产氢底物，热处理能够有效的抑制耗氢微生物的活性，提高产氢气浓度。未加热处理发酵产气量大，氢气最大浓度为29%；100 ℃加热处理15 min发酵产氢气最大浓度为38%，产气量大；100 ℃加热处理30 min发酵产氢气最大浓度为35%，产气量下降。以餐厨垃圾为发酵底物微生物产氢发酵的最佳pH值为5.0～6.0。

餐厨垃圾; 厌氧发酵产氢；沼渣; 热处理

0 引言

能源与环境双重危机使绿色可再生能源的开发研究成为当今各国工作的重点。氢气作为清洁高效的能源，在国民经济诸多领域中具有十分重要的用途，其开发与利用受到高度重视[1]。目前，制氢技术主要有物化法和生物法，物化法包括水电解法、甲烷裂化法和水煤气转化法等，存在能耗高，成本高，产生污染等缺陷；生物法主要有光合制氢和厌氧发酵制氢。厌氧发酵制氢是近年来兴起的技术，有机物厌氧消化一般可分为水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段，根据厌氧发酵机理，抑制产甲烷阶段利用有机物制备氢气在理论上是可行的[2]。国内对厌氧发酵制氢的研究起步较晚，还处在初级阶段，目前主要集中在单一组分的基质产氢研究，产氢微生物的研究，厌氧发酵制氢影响因子和过程调控的研究以及厌氧发酵制氢装置的研究等[3]。本试验以餐厨垃圾复杂基质为底物，以沼渣来源的混合产氢微生物作为产氢菌进行厌氧发酵产氢的可行性研究，试验结果可以为今后厌氧生物制氢的机理研究以及餐厨垃圾的资源化利用等提供依据。

1 材料与方法

1.1餐厨垃圾及预处理

试验用餐厨垃圾收集于江西省科学院职工食堂，主要成分为米饭、蔬菜、肉类、骨头、汤汁、纸巾等。将餐厨垃圾中的骨头等分拣出，称重、烘干、粉碎后备用。将餐厨垃圾中的纸巾、筷子、牙签等杂物分拣出计重。分拣后的餐厨垃圾利用湿热法去除其中的油脂[4]，去油后的餐厨垃圾利用粉碎机粉碎，搅拌均匀，为免发生变质腐败，于4 ℃保存备用。

1.2产氢菌种及预处理

产氢菌种取自于农户老沼气池中的沼渣，将沼渣分成3份，放置于高温灭菌锅中，设置高温灭菌锅工作温度100 ℃，打开放气阀，分别进行0 min、15 min、30 min加热处理，冷却后备用[2]。

1.3试验装置

试验装置由1 000 mL广口消化瓶、1 000 mL集气瓶和1 000 mL集水瓶组成，并由硅胶管进行密封连接。试验装置置于(35±1)℃恒温培养箱中，每天定时量取集水瓶中排水体积[5]。

1.4试验操作

取4组1 000 mL广口消化瓶，分别编号为①、②、③、④，在①号消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐厨垃圾，加入300 g热处理0 min的沼渣，加入300 g蒸馏水调节体系含水率为90%左右，混匀后调节体系pH值为6.0左右；在②号消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐厨垃圾，加入300 g热处理15 min的沼渣，加入300 g蒸馏水调节体系含水率为90%左右，混匀后调节体系pH值为6.0左右；在③号消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐厨垃圾，加入300 g热处理30 min的沼渣，加入300 g蒸馏水调节体系含水率为90%左右，混匀后调节体系pH值为6.0左右；在④号消化瓶中加入600 g未经热处理的沼渣，加入300 g蒸馏水调节体系含水率为90%左右，混匀后调节体系pH值为6.0左右，作为试验对照组。将4个消化瓶按照1.3中所述分别组装好厌氧发酵装置，并检查装置的气密性。将发酵装置置于(35±1)℃恒温培养箱中进行厌氧发酵培养，每天定时量取集水瓶中排水体积。

pH值是餐厨垃圾厌氧发酵产氢的一个重要影响因素，pH值主要通过对微生物体内NADH/NAD+动态平衡及各种细菌生理活性的影响，而影响发酵代谢过程和产氢效果。据文献报道，厌氧发酵产氢适宜的pH值为4.5～6.5之间，酸性环境有利于抑制产甲烷菌等微生物的生长，但是体系pH值不能太低，当体系pH<4.5时，产氢菌自身的活性也会受到抑制，产氢效果将显著下降[6]。因此，试验中采取适时调节体系pH值于5.5左右。

1.5分析方法

餐厨垃圾及沼渣中的含水率、总固体物质含量(TS)采用烘干法测定，总挥发性物质(VS)、灰分含量采用马弗炉灼烧法测定，含油率采用酸水解法测定，pH值采用pHS-3C型精密pH计测定[7-8]。

气体成分采用美国安捷伦公司Micro-GC 3000A便携式气相色谱仪测定。色谱条件：plot分子筛柱；柱温、气化室以及检测器(TCD)温度分别为110 ℃、100 ℃、110 ℃；氩气为载气[7-8]。

2 结果与分析

2.1餐厨垃圾及沼渣特性

采集自江西省科学院职工食堂的餐厨垃圾经分拣计重后，各组分的占比见表1。

表1 餐厨垃圾分类

沼渣与经分拣粉碎后餐厨垃圾，测得含水率、总固体物质含量(TS)、总挥发性物质(VS)、灰分、含油率等参数见表2。

表2 餐厨垃圾与沼渣参数测定

2.2厌氧发酵体系pH值变化

厌氧发酵装置放置(35±1)℃恒温培养箱后，①、②、③号试验组pH值下降剧烈，体系pH值在12 h内均由6.0下降到4.5左右，产气较少。④号对照组pH值变化比较平稳，产气较少。分析认为①、②、③号试验组由于餐厨垃圾的存在，餐厨垃圾酸化水解速度很快，造成体系pH值下降剧烈，而较低的pH值又抑制了产氢菌的活性。④号对照组中没有餐厨垃圾的快速酸化水解，体系pH值变化较平稳，由于没有发酵底物，因而产气较少。

第一次测量排水后，调节①、②、③号试验组pH值于5.5左右，①、②、③号试验组进入产气阶段，产气量大；之后①、②、③号试验组体系pH值变化波动不大，一直保持在5.0～6.0之间，直至产氢结束。体系pH值变化如图1所示。

图1 餐厨垃圾厌氧发酵产氢pH值变化

2.3餐厨垃圾厌氧发酵产氢变化

①、②、③号试验组在餐厨垃圾酸化水解结束调节体系pH值于5.5左右后进入快速产气阶段。日产气量与累积产气量分别见图2和图3。从图2中可见，餐厨垃圾厌氧发酵产氢迅速，在72 h内产氢完成，在48 h内达到产气高峰期。从图3中可见，④号对照组产气量较少。从图2和图3中可见，累积产气量①号试验组>②号试验组>③号试验组>④号对照组，得出，加热处理菌种来源的沼渣对餐厨垃圾厌氧发酵产氢有一定的影响。

随着厌氧发酵产氢的进行，氢气的浓度随着发酵时间的延长而逐渐升高，当达到产氢高峰期时，氢气浓度也达到最大值，产气高峰期结束后，氢气的浓度也随着下降。①号试验组氢气浓度最高值达到29%，②号试验组氢气浓度最高值达到38%，③号试验组氢气浓度最高值达到35%，④号试验组产气量少难以收集到气体而未进行测定。同时，①号试验组在产氢初期气体成分中检测到甲烷成分，甲烷浓度为0.2%，之后随着发酵反应的进行①号试验组产气气体成分中未检测到甲烷。而②、③号试验组产气气体中一直未检测到甲烷成分。

图2 餐厨垃圾厌氧发酵产氢日产氢气量

图3 餐厨垃圾厌氧发酵产氢累积产氢气量

3 讨论与结论

厌氧发酵制氢技术是一种既能降解有机废水或废弃物，又能产出清洁能源的生物制氢工艺，具有巨大的发展潜力和工程应用前景。餐厨垃圾中有机物含量极高，营养成分丰富，配比均衡，十分容易被生物降解，是十分理想的厌氧发酵底物。

沼渣中含有种群丰富的厌氧菌种，可以作为产氢菌种很好的来源，但是其中同时存在数量丰富的耗氢微生物，如产甲烷菌、硫化细菌等，如果不抑制耗氢微生物的活性，厌氧发酵产生的氢气会迅速被消耗掉。本论文研究了通过热处理方法控制耗氢微生物的活性，从2.3结果中可见，虽然①号试验组接种沼渣未经热处理，累积产气量较②、③号试验组略高，但是①号试验组气体中检测到了甲烷成分，而且氢气浓度较②、③号试验组气体成分中氢气浓度低。说明①号试验组接种的沼渣未经热处理，沼渣中的耗氢菌消耗了部分产生的氢气，即表明沼渣经热处理后较好的抑制了沼渣中耗氢微生物的活性。同时，试验结果表明热处理15 min较热处理30 min厌氧发酵制氢产气效果好。

pH值是影响餐厨垃圾厌氧产氢过程中一个重要的环境因子。从本论文研究的结果可见，以餐厨垃圾为发酵底物微生物产氢发酵的最佳pH值在5.0～6.0之间，产氢菌能承受的最低pH为4.5。

[1] 邓心安,张应禄.生物能源发展及对未来农业的影响[J].中国农业科技导报,2008,10(2):1-5.

[2]孙岩斌.不同预处理对餐厨垃圾厌氧联产氢气和甲烷的影响及其机理研究[D].北京:北京化工大学,2013:1-40.

[3]孙营军,丁颖,吴伟祥,等.餐厨垃圾发酵生物制氢研究进展[J].科技通报,2009,25(2):226-232.

[4]任连海,金宜英,刘建国,等.餐厨垃圾固相油脂液化及分离回收的影响因素[J].清华大学学报,2009,49(3):386-389.

[5]林云琴,武书彬,梁嘉晋.预处理对造纸污泥和餐厨垃圾混合发酵的影响[J].华南理工大学学报,2012,40(5):71-75.

[6]张玉静,蒋建国,王佳明.pH值对餐厨垃圾厌氧产酸的影响[J].中国给水排水,2013,29(1):30-33.

[7]张国君.餐厨垃圾厌氧发酵产氢研究[D].合肥:合肥工业大学,2011:1-15.

[8]杨力.餐厨垃圾厌氧发酵生物制氢试验研究[D].长沙:湖南大学,2013:1-13.

TheInfluenceofHeatTreatmentonBio-hydrogenProductionUsingKitchenwasteViaAnaerobicFermentation

ZHANG Guohua,HUANG Huang,HUANG Jiangli,ZHANG Zhihong,WANG Dongsheng,DING Jiannan*

(Institute of Biological Resources,Jiangxi Academy of Science,330096,Nanchang,PRC)

High content of organic matter in kitchen waste,study on bio-hydrogen production using kitchen waste via anaerobic fermentation,as biogas residue for hydrogen production bacteria source,researched the effect of heat treatment on biogas residue for hydrogen production by anaerobic fermentation of kitchen waste.The results show that,kitchen waste is an ideal substrate for hydrogen production by anaerobic fermentation,heat treatment can effectively inhibit the hydrogen consumption microbial activity,enhancing the production of hydrogen concentration.Without heat treated fermentation gas production is large,the maximum concentration of hydrogen is 29%;The maximum concentration of hydrogen by anaerobic fermentation is 38% with large amount of gas,by heat treated in 100 ℃ with 15 min;The maximum concentration of hydrogen by anaerobic fermentation is 35% with gas production decreased,by heat treated in 100 ℃ with 30 min.The optimum pH of microbial fermentative hydrogen production is 5.0～ 6.0,as kitchen waste as the fermentation substrate.

kitchen waste;anaerobic fermentation;biogas residue;heat treatment

2014-08-02;

2014-09-22

张国华(1983-)，男，硕士，助理研究员，主要从事应用微生物及废弃资源再利用研究。

江西省科技计划项目(编号:20111BBG70012-1)。

*通讯作者：丁建南(1955-)，男，博士，研究员，从事应用微生物研究。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.006

X705

A

1001-3679(2014)06-0773-04