盐分对餐厨垃圾厌氧消化的影响

刘研萍， 王 玮， 陈 雪， 袁海荣， 邹德勋， 朱保宁， 李秀金

(1.北京化工大学 环境科学与工程系， 北京 100029； 2.北京国能中电节能环保技术有限责任公司， 北京 100020)



盐分对餐厨垃圾厌氧消化的影响

刘研萍1， 王 玮1， 陈 雪2， 袁海荣1， 邹德勋1， 朱保宁1， 李秀金1

(1.北京化工大学 环境科学与工程系， 北京 100029； 2.北京国能中电节能环保技术有限责任公司， 北京 100020)

高盐分对餐厨垃圾厌氧消化具有一定影响作用。文章采用批式试验，考察了不同Na+浓度下，厌氧消化产气量，甲烷含量，VFA，产甲烷菌数量等的变化，分析了不同Na+浓度对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响，同时考察了连续式反应器(CSTR)中Na+浓度的变化趋势。试验结果表明，Na+浓度越高对餐厨垃圾厌氧消化产气性能的抑制越严重。当Na+浓度为5 g·L-1时，累积产气量为对照累积产气量的51%；而当Na+含量为10 g·L-1时，累积产气量为对照组累积产气量的1%；随着Na+浓度的升高，VFA大量积累；通过荧光显微镜观察到，Na+浓度升高后，产甲烷菌数量有所下降。在餐厨垃圾厌氧消化连续运行过程中，随着负荷的升高和运行天数的延续，反应体系中Na+不断累积，Na+累积速率亦逐渐升高。

Na+浓度； 餐厨垃圾； 厌氧消化； 抑制作用

随着经济持续增长和城市化进程，我国城市餐厨垃圾产生量不断攀升，目前，年产生量已达6000多万吨，并持续增长[1]。餐厨垃圾的特点是有机物含量高(80%～90%)、含有多种复杂组分(蛋白质、脂肪、碳水化合物、无机盐类等)、含水率高(75%～90%)，相对于卫生填埋、焚烧和堆肥等处理处置方式，厌氧消化更适合有机物含量和含水率高的生物质废物的处理与能源化转化[2]。它通过厌氧微生物的分解代谢活动，把餐厨垃圾中的有机组分转化为生物气体，从而实现餐厨垃圾的无害化处理和生物能源转化，具有广阔发展潜力。

文章主要针对食堂餐厨垃圾，研究了Na+浓度变化对单相中温厌氧消化过程的影响，通过产气性能，产物组成，VFA的变化分析，以及荧光显微镜对产甲烷菌的观察分析，探索了影响中温厌氧消化的Na+浓度范围及影响趋势，为餐厨垃圾厌氧消化的盐分控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用餐厨垃圾取自北京化工大学招待餐厅，包括蔬菜、肉、米饭、鱼、豆制品、水果等。将餐厨垃圾中大块的杂质如果核、骨头、纸巾，一次性餐具等分拣出来。混合之后用食物垃圾处理器打碎成粒径约5～10 mm左右。

接种物为北京小红门污水处理厂中温(35℃)厌氧消化污泥。为保证试验的接种比，批式试验的接种污泥静置沉淀后，采用3000 r·min-1，5 min离心后的离心污泥；连续搅拌反应器(continuous stirred tank reactor，CSTR)接种泥为自然沉降后的厌氧污泥。

试验原料和接种物性质见表1。

表1 试验原料和接种物基本性质 (%)

1.2 试验装置

批式试验反应器容积为1 L，采用排水集气法，反应器置于可控温摇床中，摇床温度设置为35℃±2℃，转速为120 r·min-1。

连续搅拌反应器(CSTR)有效容积为8 L，置于35℃±2℃的恒温箱中，搅拌器每隔2小时搅拌5 min，搅拌速率为3000 r·min-1。

1.3 试验方案

批式试验中设置7个Na+浓度水平，分别为对照组(不外加Na+)，2 g·L-1，4 g·L-1，6 g·L-1，8 g·L-1和10 g·L-1，通过添加NaCl实现。餐厨垃圾的进料负荷为15 gVS·L-1，F/M(以VS计)为0.5。设置纯接种污泥试验组以了解接种污泥对产气率的贡献。

CSTR起始负荷为1.0 gVS·L-1.d-1，稳定后以0.5 gVS·L-1.d-1递增，反应器连续运行110天。

1.4 分析方法

试验原料总固体(TS)，挥发性固体(VS)均采用重量法，参考标准分别为CJ/T 3039-1995和CJ/T 96-1999。pH值采用玻璃电极法(Orion 3-star，美国)。氨氮测定采用纳氏比色法，使用仪器为分光光度计(UV-2000，unico，上海)。Na+浓度的测定采用原子火焰光度计法(日立Z-8000，日立，日本)。产甲烷菌的观察使用Olympus BX51显微镜。气体成分采用气象色谱法测定(GC，SP-2100，北京北分，中国)，检测器：TCD；载气：氩气；流量：20 mL·min-1；填充柱：3 m长TDX-02柱，柱温：100℃；TCD温度：120℃；进样口温度：100℃；电流：65mA；进样：采用手动进样，进样量为1 mL。挥发性脂肪酸(VFAs)采用气相色谱法测定(GC，GC2010，岛津，日本)，检测器和温度：FID，250℃；载气和流速：氮气/空气，30 mL·min-1；色谱柱：2 m长玻璃填充柱；柱温：程序升温(180℃，6 min，230℃，20 min)。

2 结果与讨论

2.1 盐分对厌氧消化影响的批式试验

2.1.1 对日产气量的影响

不同Na+浓度对餐厨垃圾厌氧消化产日产气量的影响情况见图1。

在厌氧消化的第1天，不同Na+浓度的底物都出现了产气的第一个高峰。Na+浓度与首日产气量是成反比例关系，Na+浓度越高，峰值越小。整体看来，加Na+后的底物产气高峰比不外加Na+的产气高峰要滞后数天，且产气高峰值也随Na+浓度的增加而降低。对照组的产气高峰在第10天出现，日产气量为1540 mL，产气周期为25天；Na+浓度为2 g·L-1时，产气高峰在第13天出现，日产气量为1290 mL，由于产气高峰的延后，产气周期为27天；当Na+浓度为8 g·L-1时，产气高峰在第24天出现，日产气量为150 mL，日产气量仅为对照组的9.7%；当Na+浓度为10 g·L-1时，产气周期仅为8天，且每天仅有10 ～ 20 mL微量产气。可以看出，随着Na+浓度的升高，产气高峰有延后的趋势，且产气量有所下降。

图1 日产气量的变化

2.1.2 对VS累计产气率的影响

不同Na+浓度条件下，餐厨垃圾厌氧消化VS累计产气率的变化见图2。从图2可以看出，底物中Na+浓度对厌氧消化的VS累积产气量的影响显著。对照组的累积产气量为391 mL·g-1VS，当Na+浓度为5 g·L-1时，累积产气量为198 mL·g-1VS，为对照组累积产气量的51%；而当Na+浓度为10 g·L-1时，累积产气量为5 mL·g-1VS，仅为对照组累积产气量的1%。

试验结果表明，消化系统中Na+浓度的变化对餐厨垃圾厌氧消化产气量的影响显著。Na+浓度较低(2 g·L-1)时，对系统影响不大；Na+浓度超过4 g·L-1时，产气量开始急剧下降，这可能是因为外部环境中高浓度的Na+改变了厌氧微生物的渗透压，阻碍了微生物的代谢活动，甚至导致微生物大量死亡[9]。

图2 VS累积产气量的变化

2.1.3 对甲烷体积分数的影响

不同Na+浓度条件下，甲烷体积分数如图3所示。随着Na+含量的增加，不仅产气出现滞后的现象，甲烷体积分数达到稳定状态的时间也呈延后的现象。对照组的甲烷含量在第6天后基本稳定在70%～78%之间；当Na+浓度为5g·L-1时，甲烷含量达到稳定的时间变为10天，体积分数在70%～75%之间甲烷含量在第8天后基本稳定在70%～77%之间；当Na+浓度为8 g·L-1时，甲烷含量达到稳定的时间变为15天，体积分数在40%～46%之间；当Na+浓度为10 g·L-1时，8天以后已经不再产气，且甲烷含量的最高为24%。可以看出，当Na+浓度在5 g·L-1左右时，与对照组相比，系统中的微生物需要更长的时间适应高盐的环境；当Na+浓度超过5 g·L-1，甚至达到10 g·L-1时，由于系统中微生物，尤其是产甲烷菌受到不可逆的冲击，微生物活性下降，甚至大量死亡，导致甲烷体积分数急剧下降[10]。

图3 甲烷体积分数的变化

2.1.4 对TS和VS去除率的影响

随着Na+浓度的增加，TS和VS去除率均逐渐减少，如图4所示。当Na+浓度为2 g·L-1时，TS和VS去除率分别为24.59%和36.82%；当Na+浓度为10 g·L-1时，TS和VS去除率分别为13.45%和15.45%。可见，Na+浓度的增加，TS和VS去除率逐渐降低，底物中有机组分的降解也因厌氧代谢受阻受到了影响[11]。

图4 TS和VS的变化

2.1.5 对pH值和VFA的影响

餐厨垃圾厌氧消化反应结束后，反应器中pH值和挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid，VFA)的变化见图5。当Na+浓度为5g·L-1时，VFA总量为对照组中VFA总量的3倍；当Na+浓度为10g·L-1时，VFA总量约为对照组中VFA总量的5倍。可以看出，随着Na+浓度的增加，反应器中微生物的代谢，尤其是产甲烷菌，受到抑制的程度不断增大，导致VFA无法作为底物被利用，从而发生大量累积，导致pH值下降。

图5 pH值和VFA的变化

2.1.6 甲烷菌的定性观察

辅酶F420是产甲烷菌所特有的物质，能够在420 nm波长的入射光激发下，发出蓝绿色荧光，这一特点被广泛应用于产甲烷菌的定性鉴定[12]。图6，图7分别为对照组和5g·L-1Na+试验组的发酵液在激发波长为420 nm的荧光显微镜下的照片。从图6，图7可以看出，两图中发蓝绿色荧光的为产甲烷菌。其中，对照组产甲烷菌数量较多且分布广泛；5 g·L-1Na+试验组中产甲烷菌数量明显减少。Na+浓度的升高对产甲烷菌有抑制作用，浓度过高时甚至可能产生毒害作用[13]。

图6 对照组产甲烷菌荧光照片

图7 5 g·L-1Na+试验组的产甲烷菌荧光照片

2. 2 盐分对厌氧消化影响的连续试验

为了考察餐厨垃圾厌氧消化长期运行过程中Na+变化规律和积累情况，进行了连续试验。CSTR起始负荷为1.0 gVS·L-1d-1，pH值为7.4，系统稳定后，进料有机负荷以0.5 gVS·L-1.d-1递增，每日进出料，每隔2小时搅拌5 min，搅拌速率为3000 r·min-1，反应器连续运行110天。

CSTR连续运行中Na+浓度的变化见图8。纵观厌氧消化的整个过程，Na+的浓度在逐渐增加。当进料负荷低于2 g·L-1d-1时，Na+增加趋势较缓慢，变化范围在0.0008%～0.0012%。系统内液相中Na+的积累速度缓慢，一方面可能是因为反应器内溶液对每天进料中Na+具有较大的稀释作用；另一方面，可能因为反应器中颗粒物或菌体对Na+具有一定吸附能力。从进料负荷达到2.5 g·L-1d-1后，Na+含量由0.0012%增至0.0019%。随着进料负荷的不断增加，Na+进入反应器内的量逐渐增大，颗粒的吸附达到饱和，则进料中的Na+多以游离态存在系统中，且增长速率逐渐提高。试验连续运行过程中，未添加NaOH，NaHCO3等碱性物质调节pH值，若加入，则会导致Na+浓度进一步升高。

图8 CSTR 反应器中Na+浓度的变化

3 结论

(1)底物中Na+浓度对餐厨垃圾厌氧消化的累积产气量的影响显著。当Na+浓度为5 g·L-1时，累积产气量为对照累积产气量的51%；而当Na+含量为10 g·L-1时，累积产气量为对照组累积产气量的1%，抑制程度明显。

(2)在餐厨垃圾的厌氧消化过程中，随着Na+含量的增加，对反应器内微生物受抑制程度逐渐变大，导致VFA大量积累，pH值降低。Na+浓度为5 g·L-1时，VFA总量为对照组中VFA总量的3倍；当Na+浓度为10 g·L-1时，VFA总量约为对照组中VFA总量的5倍。

(3)在餐厨垃圾厌氧消化连续式试验中，随着负荷的升高和运行天数的延续，反应体系中Na+不断累积，Na+的累积速率亦逐渐升高。

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Effect of Salinity Concentration on Anaerobic Digestion of Food Waste /

LIU Yan-ping1, WANG Wei1, CHEN Xue2, YUAN Hai-rong1, ZOU De-xun1, ZHU Bao-ning1, LI Xiu-jin1/

(1.Department of Environmental Science and Engineering，Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2.China Power Conservation & Environment Protection Co Ltd，Beijing 100020, China)

The effect of Na+on the anaerobic digestion process of food waste was experimented by adding different concentration of Na+, and the biogas yield, methane content, VFA, the quantity of methanogens were analyzed. The concentration of Na+in continuous stirred tank reactor was monitored. The results show that the higher the concentration of Na+, the more serious inhibition of anaerobic digestion appeared. When the concentration of Na+was 5 g·L-1, the gas production was 51% of the control, and it was only 1% of gas production of the control when the concentration of Na+was 10 g·L-1. Along with the increase of Na+concentration , the VFA in the system were accumulated, pH was reduced, and consequently the quantity of methanogens decreased. And along with the increase of organic loading and running time, more and more Na+accumulated and the accumulating speed were also gradually became more and more quick. and the rate of Na+accumulation was increased at the same time.

concentration of Na+; food waste; anaerobic digestion; inhibition

2016-01-11

项目来源： “十二五”科技支撑项目(2015BAD21B03，2014BAC24B01)

刘研萍(1972-)，女，博士，副教授，主要研究方向为固体废物处理与资源化，E-mail: liushuihan@163.com

李秀金，E-mail: xjli@mail.buct.edu.cn

S216.4； X705

A

1000-1166(2016)02-0053-05