超声波预处理对餐厨垃圾产VFAs的影响

王佳明 ,蒋建国,2,3*,宫常修,张玉静,李梦露 (.清华大学环境学院,北京 00084；2.清华大学固体废物处理与环境安全教育部重点实验室,北京 00084；3.清华大学区域环境质量协同创新中心, 北京 00084)

超声波预处理对餐厨垃圾产VFAs的影响

王佳明1,蒋建国1,2,3*,宫常修1,张玉静1,李梦露1(1.清华大学环境学院,北京 100084；2.清华大学固体废物处理与环境安全教育部重点实验室,北京 100084；3.清华大学区域环境质量协同创新中心, 北京 100084)

采用超声波预处理餐厨垃圾以提高产挥发性脂肪酸(VFAs)产率.结果表明,在超声强度720W/L下处理15min后,餐厨垃圾SCOD含量比原样中SCOD提高了1倍,其中有机质中碳水化合物溶出量最大,由原样中8.2g/L提高到处理后的43.5g/L;在pH=6、温度35℃条件下,对含固率约为12%的餐厨垃圾进行厌氧发酵,未预处理和超声处理后的餐厨垃圾产生的VFAs最大值分别达到33.4,42.5g/L,经超声预处理的餐厨垃圾产VFAs的量提高了27.2%.

餐厨垃圾；超声波；挥发性脂肪酸；厌氧消化

目前餐厨垃圾问题对环境和人们的日常生活影响日趋严重,餐厨垃圾的减量化、无害化、资源化成为大家关注的焦点[1].餐厨垃圾因其富含可以转化为能量的大量有机物,是一种宝贵的资源[2],因此以资源化为导向处理和处置餐厨垃圾是重点考虑的问题[3].

目前我国城镇污水碳氮比偏低,为了满足脱氮除磷的要求,污水处理厂需投加大量的外加碳源.甲醇、乙酸等常规外加碳源成本高昂,利用餐厨等废弃物水解酸化液作为外加碳源不仅能够大幅降低成本,而且酸化液生化性更好,脱氮除磷的效率更高.其中餐厨垃圾水解酸化液中挥发性脂肪酸的被利用率较高,所以需要尽可能将餐厨垃圾定向产酸.众多研究采用厌氧消化来处理污泥、化工污水和餐厨垃圾等[4-10].其中厌氧发酵的底料大多以颗粒形式存在,Zeikus[11]认为水解阶段通常是反应的限速步骤.为了加快厌氧消化的过程,缩短发酵时间或在一定时间内增加发酵产物的产量,通常需要对反应底料进行必要的预处理.由于超声波可以用来破解有机物结构,已经广泛用来作为污泥的预处理[12-13],但是采用超声波作为餐厨垃圾预处理手段提高其水解程度的研究很少[14-15],Elbeshbishy等[16]研究了超声波辅助的厌氧消化餐厨垃圾一阶段和两阶段处理技术,但是他的主要目的在于提高餐厨垃圾的产氢量.本文开展了餐厨垃圾在机械破碎混合前提下,通过超声波预处理提高产酸效果的研究.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用餐厨垃圾自配,即按照米饭35%(质量分数)、蔬菜(鲜重,大白菜)45%、猪肉 16%、豆腐4%的配比进行实验,其中蔬菜、猪肉和豆腐来自附近菜市场,米饭来自学校食堂.将蔬菜、豆腐、米饭、猪肉混合,按照质量比2:1加入自来水,满足约 12%的含固率要求后放入搅拌机粉碎,并于 4℃下保存,接种污泥取自于北京某污水处理厂厌氧阶段回流污泥,取回储存于4 ℃条件下备用.餐厨垃圾和接种污泥的性质见表1.

表1 餐厨垃圾与接种污泥的性质Table 1 Characteristics of the food waste and tested sludge

1.2 实验方法

图1 探头式超声波反应器[17]Fig.1 The probe type ultrasonic reactor

采用超声波细胞粉碎仪,结构示意如图 1所示.超声波细胞粉碎仪具有自动谐振点和强度控制、60min过程控制定时器、剩余显示、独立开/关脉冲定时器、开和关循环均可从 1、4、8s、连续选择设定等功能.

总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)采用重量法测定,碳水化合物采用硫酸-苯酚法[18]测定,粗脂肪采用索氏脂肪抽提法[19]测定,蛋白质采用考马斯亮蓝染色法[19]测定.溶解性化学需氧量(SCOD)、挥发性脂肪酸(VFA)经过预处理后测定.处理方法为:将样品以15000r/min离心15min,上清液采用0.45μm滤膜过滤.SCOD采用重铬酸钾法测定[18],VFA采用气相色谱法测定.测试条件:进样口温度为 220℃,检测器温度为 250℃,不分流进样,色谱柱为毛细柱stabliwax-DA,柱温由60℃以7℃/min的速率升至150℃,保持5min,后以20℃/min速率升至230℃,保持10min.

2 结果与讨论

2.1 超声时间对餐厨垃圾COD溶出的影响

以SCOD含量变化作为指标,衡量超声波预处理对餐厨垃圾中有机质溶出的影响.在考察超声时间对餐厨垃圾中有机质溶出的影响时,先固定超声功率为额定功率的 80%,即为 960W,改变超声时间,考察餐厨垃圾中SCOD含量变化.

图2 超声时间(0～120min)对餐厨垃圾SCOD的影响Fig.2 The influence of ultrasound action time (0～120min)to produce SCOD

通过图 2可以看出,固定超声强度 960W/L,随着超声时间的增加,SCOD含量迅速增加.在实验 0～20min,SCOD含量增加的速率明显大于实验 20～120min阶段.原样 SCOD 含量(27.85±0.77)g/L,经超声 20min后 SCOD含量达到(53.72±0.44)g/L,增加了 0.93倍.通过线性拟合可以看出,随着超声时间增加SCOD增加速率缓慢.为进一步研究,将超声时间范围缩短,结果如图3.对超声时间(0～12min)与SCOD含量进行线性拟合得出 Y=19.24+2.36X,其中 R2=0.9794.同时,将超声15～30min后超声时间与SCOD含量作线性拟合,得到 Y=0.65X+45.95,其中 R2=0.8863.很显然,K1=2.36>K2=0.65,即前半段 SCOD 增长速率明显快于后半段SCOD增长速率.

图3 超声时间(0～30min)对餐厨垃圾SCOD的影响Fig.3 The influence of ultrasound action time (0～30min)to produce SCOD

2.2 超声强度对餐厨垃圾COD溶出的影响

综合考虑超声强度960W/L ,超声时间15min是有利于餐厨垃圾 SCOD 含量的增加,为此,设定超声时间为15min,改变超声强度,可以得出超声强度的改变对餐厨垃圾SCOD的影响,见图4.

图4 超声强度对餐厨垃圾SCOD的影响Fig.4 The influence of ultrasound action power to produce SCOD

由图4可见,超声强度0～480W/L阶段,SCOD含量基本无变化,超声作用对餐厨垃圾中 SCOD影响不大;480～720W/L阶段,SCOD含量有明显增长,SCOD含量从32.26g/L增长至65.70g/L,提高了1.04倍;720～1200W/L阶段,SCOD含量有一定增长.对图4中后2阶段的超声强度与SCOD含量作线性拟合对比斜率,并综合经济因素可以得出超声强度720W/L、超声时间15min能够很好地促进餐厨垃圾中 SCOD含量的溶出,从32.26g/L增长至65.70g/L,提高了1倍.

2.3 超声作用对餐厨垃圾SCOD中有机质溶出的影响

超声强度720W/L、超声时间15min条件下非常有利于餐厨垃圾SCOD的溶出,在此基础上,深入分析餐厨垃圾 SCOD中脂肪、蛋白质、碳水化合物的变化,见表2.

表2 超声处理前后有机质含量的变化(g/L)Table 2 Organic matter content changes before and after ularasonic pre-treatment(g/L)

经超声波预处理后的餐厨垃圾溶出有机物含量效果显著,碳水化合物、脂肪和蛋白质总量在预处理后提高了1.6倍.从表2中可以看出,3物质溶出的效果碳水化合物>蛋白质>脂肪,尤其是碳水化合物从8.2g/L增加至46g/L,增长幅度很大,而脂肪和蛋白质含量降低,尤其是脂肪.油脂是餐厨垃圾处理过程中面临的一大难题,但在本研究中超声波预处理能够有效地降低油脂含量,从1.6g/L降至0.3g/L,降低了81.2%.这是由于超声波的高震荡及其产生的空化效应,可以破坏细胞壁的维持力,并释放出细胞内容物,碳水化合物含量大幅度增加;同时超声效应有利于促进油脂水解的进行;超声波的热机制使溶液温度升高,导致蛋白质变性,后容易被水解,从而含量降低.

2.4 超声波强化预处理对餐厨垃圾产VFAs的促进作用

在超声强度720W/L、超声时间15min条件下,餐厨垃圾SCOD以及SCOD中碳水化合物易于溶出.结合张玉静等[20]对餐厨垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响研究(厌氧发酵产酸最佳条件:pH6.0,温度35℃)进一步验证超声波强化预处理对餐厨垃圾产VFAs量的影响.

图5 产酸量随发酵时间的变化Fig.5 Production of VFAs during food waste fermentation time

图5是餐厨垃圾产酸量随发酵时间的变化,未经超声处理的餐厨垃圾在48h后产VFAs达到最大值33.4g/L.超声处理后的餐厨垃圾在72h后达到最大值 42.5g/L.因此,超声波预处理(优化条件:超声强度720W/L、超声时间15min)能够有利于提高产酸总量,提高了27.2%.

3 结论

3.1 对超声强度和超声时间两因素进行研究表明:超声强度720W/L、超声15min能够有效地促进餐厨垃圾溶出有机质,SCOD含量能提高1倍.其中碳水化合物、脂肪和蛋白质三者总量在经超声波强化预处理后提高了 1.6倍,碳水化合物溶出量最大.同时,超声波作用能够有效去除餐厨垃圾中的脂肪含量.

3.2 经过超声波预处理后,餐厨垃圾产VFAs量高于未预处理的餐厨垃圾,相比提高了27.2%.

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Effects of ultrasonic pre-treatment on the production of VFAs from food waste.

WANG Jia-ming1, JIANG Jianguo1,2,3*, ZHANG Yu-jing1, LI Meng-lu1(1.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Key Laboratory for Solid Waste Management and Environment Safety, Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China；3.Collaborative Innovation Center for Regional Environmental Quality, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1207～1211

The study aims at improving the efficiency producing volatile fatty acids (VFAs)by ultrasonic pre-treatment and meanwhile overcomes the disadvantages such as the complexity of components and inequality of particles. Under the condition of treatment time of 15min, and ultrasonic intensity of 720W/L, the SCOD dissolution significantly increased,which was twice as the results of original samples. Among the SCOD dissolved, carbohydrate had the highest dissolution,which was increased from 8.2g/L to 43.5g/L. Under the condition of pH of 6and temperature of 35℃, the maximum values of VFAs from untreated and ultrasonic-treated food waste with solid content ration of around 12% were 33.4,42.5g/L, separately. VFAs from food waste after ultrasonic treatment were increased by 27.2%.

food waste；ultrasonic；volatile fatty acids (VFAs)；anaerobic digestion

X705

A

1000-6923(2014)05-1207-05

2013-09-16

国家水体污染控制与治理科技专项基金资助(2012ZX07301-001)

* 责任作者, 教授, jianguoj@tsinghua.edu.cn

王佳明(1988-),男,四川北川人,清华大学环境学院硕士研究生,主要从事固体废物处理处置方面的研究.