城市生物質(zhì)廢物的水解產(chǎn)酸研究*

王凱楠，王 偉，周穎君，劉 曉

（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

城市生物質(zhì)廢物的水解產(chǎn)酸研究*

王凱楠，王 偉，周穎君，劉 曉

（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

采用CSTR反應(yīng)器處理城市生物質(zhì)廢物，并進(jìn)行水解產(chǎn)酸試驗(yàn)，結(jié)果表明：CSTR反應(yīng)器從啟動(dòng)至穩(wěn)定共運(yùn)行了227 d，整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了丁酸型發(fā)酵向乙醇型發(fā)酵的演替，水解率達(dá)到（19．0±4．7）%。丁酸型發(fā)酵產(chǎn)物以丁酸和乙酸為主，分別占總有機(jī)酸的45%～61%和30%～42%，容積產(chǎn)氣率約2．5 m3/m3，H2含量約41%；乙醇型發(fā)酵產(chǎn)物以乙酸和乙醇為主，乙酸濃度占總有機(jī)酸的80%～95%，乙醇濃度達(dá)到11 000 mg/L左右，容積產(chǎn)氣率約0．2 m3/m3。從發(fā)酵產(chǎn)物的成分和VSS的轉(zhuǎn)化考慮，乙醇型發(fā)酵比丁酸型發(fā)酵更適合兩相厭氧消化系統(tǒng)。

城市生物質(zhì)廢物；兩相厭氧消化；水解酸化；發(fā)酵類型

城市生物質(zhì)廢物是指城市生活垃圾中的有機(jī)部分，主要包括餐廚垃圾、集市果蔬垃圾、城市糞便以及城市污泥等［1］。由于其產(chǎn)生量大，有機(jī)物含量高，含水率高，采用傳統(tǒng)固體廢物處理處置技術(shù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫室氣體、高濃度滲瀝液和公眾阻力等問(wèn)題［2］。近年來(lái)，厭氧消化技術(shù)由于能耗低、效率高，同時(shí)產(chǎn)生清潔能源，在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［3］。與傳統(tǒng)的單相厭氧消化工藝相比，兩相厭氧消化技術(shù)通過(guò)相分離，為產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供了有利的生長(zhǎng)環(huán)境，使廢物處理效率得到相應(yīng)的提高［4-5］。本試驗(yàn)使用CSTR反應(yīng)器對(duì)城市生物質(zhì)廢物進(jìn)行水解酸化，分析了城市生物質(zhì)廢物水解酸化過(guò)程中乙醇型發(fā)酵（產(chǎn)物以乙醇和乙酸為主）和丁酸型發(fā)酵（產(chǎn)物以乙酸和丁酸為主）的特點(diǎn)，并探討了產(chǎn)酸相的最佳發(fā)酵類型。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)選取廚余垃圾、果蔬垃圾、市政污泥為原料。廚余垃圾取自清華大學(xué)學(xué)生食堂，果蔬垃圾取自北京某菜市場(chǎng)，市政污泥取自北京某污水處理廠。按廚余垃圾∶果蔬垃圾∶市政污泥=2∶1∶1的比例混合并破碎至平均粒徑小于1 mm，置于4℃冷柜內(nèi)保存待用。

1.2 試驗(yàn)裝置及操作

酸化反應(yīng)器采用CSTR反應(yīng)器，有效容積8 L。通過(guò)循環(huán)水浴加熱使反應(yīng)器內(nèi)溫度穩(wěn)定在（37±2）℃。通過(guò)機(jī)械攪拌使反應(yīng)器內(nèi)物料充分混勻，攪拌強(qiáng)度為10 min/h。以厭氧消化污泥作為接種污泥，采用半連續(xù)操作方式運(yùn)行，即每天進(jìn)、出料各1次。水力停留時(shí)間（HRT）為5 d，有機(jī)負(fù)荷（OLR） 為 （24．6±1．3） kg/（m3·d）。

1.3 分析方法

產(chǎn)氣量通過(guò)濕式氣體流量計(jì)測(cè)定。pH采用FE20型pH計(jì)測(cè)定?？偣腆w（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、總懸浮固體 （SS） 和揮發(fā)性懸浮固體（VSS）采用烘干法測(cè)定。揮發(fā)性溶解固體（VDS）通過(guò)計(jì)算VS和VSS的差值得到。氫氣、乙醇和揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA） 采用氣相色譜法測(cè)定（GC2010，島津，日本）。測(cè)定乙醇和揮發(fā)性有機(jī)酸的GC條件為：進(jìn)樣口溫度200℃；FID檢測(cè)器溫度250℃；RTX-1毛細(xì)管色譜柱（長(zhǎng)15 m×直徑 0．53 mm×膜厚 0．50 μm）。柱升溫程序：初始溫度60℃，以15℃/min升溫至105℃；載氣為高純氮?dú)?；進(jìn)樣量2 μL；分流比50∶1。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸化反應(yīng)器的運(yùn)行

酸化反應(yīng)器從啟動(dòng)到穩(wěn)定共運(yùn)行227 d，其容積產(chǎn)氣率和pH的變化見圖1。

圖1 酸化相容積產(chǎn)氣率和pH

由圖1可以看出，酸化反應(yīng)器的運(yùn)行可劃分為3個(gè)階段：第1階段（0～10 d） 為酸化反應(yīng)器的啟動(dòng)階段，pH從7．6迅速下降至5．6左右，容積產(chǎn)氣率從7．5 m3/m3左右下降至2．5 m3/m3左右。第2階段（11～95 d） 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，pH維持在5．5左右，容積產(chǎn)氣率穩(wěn)定在2．5 m3/m3左右。第3階段（96～227 d），pH迅速下降至4．0以下，之后緩慢上升并穩(wěn)定在4．5左右，容積產(chǎn)氣率下降至約0．2 m3/m3。3個(gè)階段中pH和容積產(chǎn)氣率的顯著差異與各階段所形成的水解酸化發(fā)酵類型有關(guān)。

2.2 各階段的發(fā)酵產(chǎn)物特點(diǎn)

2.2.1 第1階段

第1階段反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)酸濃度和相對(duì)含量見圖2、3?？梢钥闯觯瑔?dòng)前總有機(jī)酸（TVFA）濃度為1 790 mg/L左右，其中大部分為乙酸與丙酸，分別占總量的47%和16%。啟動(dòng)開始后，有機(jī)酸濃度迅速上升。啟動(dòng)后的第5天，TVFA濃度達(dá)到近19 000 mg/L。其中，乙酸濃度約5 800 mg/L，占TVFA的31%；丙酸濃度約6 100 mg/L，占TVFA的32%。第5天后，乙酸、丁酸和戊酸的濃度繼續(xù)上升，而丙酸濃度則開始下降。到啟動(dòng)期的末期，乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的濃度分別達(dá)到約 13 000、4 600、6 700、7 600 mg/L。

啟動(dòng)前5天，乙酸和丙酸含量較高，原因可能是在啟動(dòng)初期，反應(yīng)罐內(nèi)有殘留的空氣，系統(tǒng)呈兼性厭氧狀態(tài)。丙酸型發(fā)酵細(xì)菌能夠適應(yīng)兼性厭氧環(huán)境［6］，因此丙酸型發(fā)酵細(xì)菌在啟動(dòng)期初期成為優(yōu)勢(shì)菌群。5 d后，隨著反應(yīng)器內(nèi)殘留空氣被排盡，系統(tǒng)內(nèi)形成了絕對(duì)厭氧狀態(tài)，乙醇型發(fā)酵細(xì)菌和丁酸型發(fā)酵細(xì)菌更適應(yīng)絕對(duì)厭氧環(huán)境，因此逐漸替代了丙酸型發(fā)酵細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)菌群。

2.2.2 第2階段

從圖4、5可看出，第2階段有機(jī)酸以乙酸和丁酸為主。第2階段初期，乙酸從約16 000 mg/L下降至11 000 mg/L左右，丁酸從5 000 mg/L左右上升至9 000 mg/L左右。乙酸的含量在50%以上，略有下降；丁酸含量在40%左右，略有上升。在第28天，乙酸濃度突然降低并在之后穩(wěn)定于3 000～5 700 mg/L，占TVFA的30%～42%；丁酸濃度超過(guò)了乙酸，穩(wěn)定于5 500～7 600 mg/L，占TVFA的45%～61%。原因可能是乙醇型發(fā)酵細(xì)菌對(duì)厭氧條件的要求比丁酸發(fā)酵細(xì)菌更為嚴(yán)格［6］，而第2階段系統(tǒng)處于絕對(duì)厭氧初期，因此丁酸型發(fā)酵細(xì)菌更具有競(jìng)爭(zhēng)力并逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌群，系統(tǒng)內(nèi)形成了丁酸型發(fā)酵。

丁酸型發(fā)酵階段pH穩(wěn)定在5．5左右，容積產(chǎn)氣率穩(wěn)定在2．5 m3/m3左右（圖1）。產(chǎn)生的氣體中只含有H2和CO2，H2含量約為40%，略低于李白昆等的靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果（47%～55%）［6］。

在丁酸型發(fā)酵階段的第43天至第67天，受試驗(yàn)條件限制，進(jìn)料性質(zhì)不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)氣率出現(xiàn)波動(dòng)（圖1），這期間沒(méi)有進(jìn)行有機(jī)酸濃度的測(cè)定。進(jìn)料性質(zhì)恢復(fù)穩(wěn)定后，恢復(fù)有機(jī)酸濃度的測(cè)定。從結(jié)果可看出，系統(tǒng)仍表現(xiàn)為丁酸發(fā)酵特征。

2.2.3 第3階段

第3階段反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)酸濃度和相對(duì)含量見圖6、7。從圖6可以看出，在反應(yīng)器運(yùn)行的第3階段初期，乙酸的濃度迅速上升。運(yùn)行至第134天時(shí)，乙酸濃度達(dá)到約29 000 mg/L；之后急劇下降，在第140天降至9 000 mg/L以下，最低達(dá)到5 000 mg/L左右。第182天又出現(xiàn)了類似的劇烈波動(dòng)。

從圖7可以看出，雖然乙酸濃度波動(dòng)較大，但其相對(duì)含量保持在80%～95%，發(fā)酵產(chǎn)物中的酸性產(chǎn)物以乙酸為主。另外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)了大量乙醇，其平均濃度為（10 800±2 180） mg/L。從發(fā)酵產(chǎn)物的組成來(lái)看，第3階段發(fā)酵產(chǎn)物以乙酸和乙醇為主，形成了乙醇型發(fā)酵。其原因可能是進(jìn)料濃度波動(dòng)，負(fù)荷增加，導(dǎo)致pH降低。而pH較低時(shí)，酸性發(fā)酵產(chǎn)物（如VFA）的減少有利于發(fā)酵過(guò)程的正常進(jìn)行，因此發(fā)酵過(guò)程中更傾向于以中性產(chǎn)物乙醇為發(fā)酵產(chǎn)物，這樣可以減小酸性發(fā)酵產(chǎn)物的抑制作用。由此推測(cè)，在工程應(yīng)用中，可通過(guò)人為調(diào)節(jié)pH使反應(yīng)器快速形成乙醇型發(fā)酵。后續(xù)研究中，將在中試規(guī)?；A(chǔ)上對(duì)此推測(cè)加以證實(shí)。

從酸化相的發(fā)酵產(chǎn)物成分考慮，對(duì)于產(chǎn)甲烷細(xì)菌，最容易利用的基質(zhì)是乙酸，其次是乙醇，再次是丁酸，而丙酸最不易被產(chǎn)甲烷菌利用［7］。因此乙醇型發(fā)酵的產(chǎn)物最適合作為產(chǎn)甲烷相的底物。但乙醇型發(fā)酵中，較低的pH會(huì)對(duì)后續(xù)的產(chǎn)甲烷相造成較大沖擊，應(yīng)根據(jù)情況調(diào)整產(chǎn)甲烷相的進(jìn)、出料操作方式，降低對(duì)產(chǎn)甲烷相的不利影響。

2.3 各階段的水解率和VSS轉(zhuǎn)化情況

水解細(xì)菌將物料中的顆粒有機(jī)物水解為溶解性有機(jī)物。水解率按公式（1）計(jì)算：

式中：VSSgas為轉(zhuǎn)化為氣體的 VSS，g/L；VDS0為進(jìn)料中的VDS濃度，g/L；VDSe為酸化反應(yīng)器出料中VDS的濃度，g/L；VSS0為進(jìn)料中的VSS濃度，g/L。

式中：Qgas為反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率，m3/（m3·d）；C1為氣體中H2的含量；C2為氣體中CO2的含量；MH2為H2的摩爾質(zhì)量，2 g/mol；MCO2為CO2的摩爾質(zhì)量，44 g/mol；θ為反應(yīng)器的水力停留時(shí)間。

反應(yīng)器運(yùn)行的第1階段沒(méi)有形成穩(wěn)定的產(chǎn)酸發(fā)酵，因此僅對(duì)第2和第3階段的水解率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

圖8 酸化反應(yīng)器水解率

從圖8可以看出，第2階段酸化反應(yīng)器的水解率逐漸上升，第 57 天之后保持在 （19．0±4．7）%，至第3階段結(jié)束?？梢?，酸化反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后，城市生物質(zhì)廢物丁酸型發(fā)酵和乙醇型發(fā)酵的水解率基本一致。

第2和第3階段反應(yīng)器內(nèi)的VSS、VDS和轉(zhuǎn)化為產(chǎn)氣的VSS（VSSgas）見表1?？梢钥闯?，第2階段（丁酸型發(fā)酵）中，VSS和VDS都會(huì)降解，產(chǎn)生 H2和CO2。而第3階段（乙醇型發(fā)酵） 中，VDS反而增加，可見在乙醇型發(fā)酵過(guò)程中，大部分VSS降解轉(zhuǎn)化為VDS，使VDS濃度增加，只有少量的VSS轉(zhuǎn)化為氣體。

表1 第2、3階段的VSS、VDS和VSSgas

本試驗(yàn)的乙醇型發(fā)酵過(guò)程中，轉(zhuǎn)化為氣體的VSS量很少，容積產(chǎn)氣率僅為約0．2 m3/m3。在秦智等的研究中，乙醇型發(fā)酵的最大產(chǎn)氣率可達(dá)到3．12 m3/m3，其中氫氣含量為 50%［8］。造成這種差異的原因可能是在酸化反應(yīng)器運(yùn)行到第3階段時(shí)，已經(jīng)經(jīng)歷了多次生態(tài)因子的變化（pH變化、負(fù)荷不穩(wěn)定等）。生態(tài)因子的頻繁變化，對(duì)細(xì)菌的發(fā)酵方式、優(yōu)勢(shì)菌群的形成有較大影響。產(chǎn)氫細(xì)菌在生態(tài)因子的頻繁變化下逐漸處于競(jìng)爭(zhēng)中的弱勢(shì)，而酵母菌逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌群，系統(tǒng)H2產(chǎn)量減少。李白昆等［6］也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。

在丁酸型發(fā)酵和乙醇型發(fā)酵中，有機(jī)物的水解率基本一致，而水解后的形態(tài)有所不同。丁酸型發(fā)酵中，VSS與VDS都發(fā)生了降解，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的H2和CO2。大量氣體的產(chǎn)生和VDS的減少導(dǎo)致產(chǎn)甲烷相的進(jìn)料中有機(jī)物總量和溶解性組分相對(duì)含量的減少。這顯然不利于產(chǎn)甲烷相處理效率的提高。雖然產(chǎn)甲烷相中存在同型產(chǎn)乙酸菌，能夠以H2和CO2為基質(zhì)生成乙酸，但將H2和CO2通入甲烷相無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，不利于工程推廣。乙醇型發(fā)酵中，VSS降解量略高于丁酸型發(fā)酵，而產(chǎn)氣量很少，降解的VSS大部分轉(zhuǎn)化為VDS，使VDS的濃度提高了31%左右。增加的VDS以乙酸和乙醇為主，利于被產(chǎn)甲烷相利用。因此從VSS的轉(zhuǎn)化考慮，乙醇型發(fā)酵也要優(yōu)于丁酸型發(fā)酵。

3 結(jié)論

1）以城市生物質(zhì)廢物為原料，運(yùn)行酸化反應(yīng)器227 d，HRT=5 d，OLR=（24．6±1．3）kg/（m3·d）。整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了丁酸型發(fā)酵向乙醇型發(fā)酵的演替。

2）丁酸型發(fā)酵的產(chǎn)物以丁酸和乙酸為主。乙酸穩(wěn)定在3 000～5 700 mg/L，占總有機(jī)酸的30%～42%；丁酸穩(wěn)定在5 500～7 600 mg/L，占總有機(jī)酸的45%～61%。乙醇型發(fā)酵的產(chǎn)物以乙酸和乙醇為主。乙酸含量波動(dòng)較大（5 000～29 000 mg/L），但其相對(duì)含量較穩(wěn)定，占總有機(jī)酸的80%～95%；乙醇達(dá)到11 000 mg/L左右。

3） 從發(fā)酵產(chǎn)物的組成和VSS的轉(zhuǎn)化考慮，乙醇型發(fā)酵是兩相厭氧消化中酸化相的最佳發(fā)酵類型。pH的降低可能會(huì)促使乙醇型發(fā)酵的快速形成，不過(guò)較低的pH可能會(huì)對(duì)后續(xù)的產(chǎn)甲烷相造成較大沖擊，應(yīng)根據(jù)情況調(diào)整產(chǎn)甲烷相的進(jìn)、出料操作方式，降低對(duì)甲烷相的不利影響。

［1］張麗穎，姜永海，鄧舟，等．城市生物質(zhì)廢物厭氧消化處理可行性分析［J］．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33 （5）：143-146，150．

［2］侯華華．城市生物質(zhì)廢物“水熱-ASBR”厭氧消化工藝研究［D］．北京：清華大學(xué)，2010．

［3］ De Baere L．Will Anaerobic Digestion of Solid Waste Survive in the Future？［J］．Water Sci Technol，2006，53 （8）： 187-194．

［4］李東偉，王克浩，李斗，等．兩相厭氧消化的研究現(xiàn)狀及展望［J］．水處理技術(shù)，2007，33 （12）：1-6．

［5］李剛，歐陽(yáng)峰，楊立中，等．兩相厭氧消化工藝的研究與進(jìn)展［J］．中國(guó)沼氣，2001，19（2）：25-29．

［6］李白昆，呂炳南，任南琪．厭氧產(chǎn)氫細(xì)菌發(fā)酵類型和生態(tài)學(xué)的研究［J］．中國(guó)沼氣，1997，15（2）：3-7．

［7］馬放，曾莉．產(chǎn)酸相最佳發(fā)酵類型［J］．哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，28（5）：63-68．

［8］秦智，任南琪，李建政，等．乙醇型發(fā)酵和混合酸發(fā)酵產(chǎn)氫能力的比較［C］．21世紀(jì)太陽(yáng)能技術(shù)：2003年中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2003．

Hydrolysis and Acidification of Municipal Biomass Waste

Wang Kainan，Wang Wei，Zhou Yingjun，Liu Xiao
（School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084）

Municipal biomass waste was treated in an CSTR reactor for 227 days．Fermentation type changed from butyric acid-type fermentation to ethanol-type fermentation．The hydrolytic rate was（19．0±4．7）%．In butyric acid-type fermentation，the relative content of acetic acid and butyric acid in TVFA (total volatile fatty acid) were 30%～42%and 45%～61%,respectively,the biogas production was about 2．5 m3/m3，and H2content was about 41%．In ethanol-type fermentation，the relative content of acetic acid in TVFA was 80%～95%and ethanol concentration reached to about 11 000 mg/L，the biogas production was about 0．2 m3/m3．Considering fermentation products and evolution of organic matters，it is thought that ethanoltype fermentation is better than butyric acid-type fermentation for two-phase anaerobic digestion．

municipal biomass waste；two-phase anaerobic digestion；hydrolysis and acidification;fermentation type

X 705

A

1005-8206（2012）05-0007-04

國(guó)家科技支撐課題——集中式城市生活垃圾生物制氣成套設(shè)備研發(fā)與示范（2010—2013）

2012-03-26

王凱楠（1987—），在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣腆w廢物處理處置和資源化。

E-mail：wknhuang@163．com。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）