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随着我国经济快速发展,污泥和餐厨垃圾导致的环境问题日益突出。湿污泥年产量预计2020年将突破6×107 t[1];而餐厨垃圾目前产生量仅次于建筑垃圾,已成为第二大垃圾产生源[2]。但另一方面,污泥及餐厨垃圾有机质含量高,适合进行资源化处理[3]。餐厨垃圾碳水化合物丰富,具有较高的生物可降解性,但因其C/N过高,极易酸化,餐厨垃圾单独发酵面临一定困难;污泥富含蛋白质和微生物,但由于其C/N较低且多为不可溶有机物,单独发酵效果不佳。基于二者性质互补的特点,往往将其进行联合发酵[4]。
污泥和新鲜餐厨垃圾本身有机质含量高,且含有较多细菌[5-6],其自身性质在存放过程中会发生一定变化,因此,如何适当保存是值得关注的问题。目前,研究人员对于如何保存污泥和餐厨垃圾已做了一些研究。李佳佳[7]发现低温7 ℃对浓缩污泥中酸化菌和产甲烷古菌的代谢活性保存效果最佳。关于厌氧氨氧化污泥和好氧颗粒污泥的储存研究则较多,主要集中在不同保存温度和保存时间对其活性以及再活化性能的影响[8-16]。相关研究结果均表明,低温冷藏(4~5 ℃)是保持污泥活性的较佳条件,并且再次活化后胞外聚合物均能恢复到贮存前水平。CASTRO等[17]发现,室温和4 ℃冷藏比-20 ℃冷冻和冷冻干燥能更好地保护厌氧污泥的产甲烷活性。由此可见,有关污泥保存的研究多集中于探究保存条件对污泥活性以及恢复后活性的影响,而没有从理化性质角度探究温度和时间对污泥保存的影响。关于餐厨垃圾的保存,ZHANG等[18]主要讨论了乳酸菌的生物防腐对餐厨垃圾腐败的抑制效果。刘晓英[19]对比了各个季度餐厨垃圾的性质变化,但研究重点是各季度餐厨垃圾在理化指标方面的差别,并未涉及保存条件对各季度餐厨垃圾性质的影响。因此,对污泥和餐厨垃圾在保存过程中本身理化性质的变化研究尚少。
本研究探讨了污泥和餐厨垃圾自身理化性质随保存时间的变化情况,考虑到夏季和冬季环境温度差异较大,将污泥和餐厨垃圾分为夏季取样和冬季取样,考察了各样品在不同保存温度下基质指标的变化,为污泥和餐厨垃圾资源化研究及利用提供依据。
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摘要
为确定污泥和餐厨垃圾在不同条件下的保存期限,以夏、冬季取样的污泥和餐厨垃圾为研究对象,考察了其在4、20、和35 ℃条件下自身理化性质随保存时间的变化情况。通过总糖、总蛋白质、NH3-N、pH和总挥发性脂肪酸(TVFA)等理化指标和乳酸、乙酸等有机酸的变化规律确定其最佳保存期限。结果表明,在污泥保存过程中,总糖、总蛋白质表现为下降趋势,NH3-N和pH则持续上升,整体表现为随着保存温度的升高,总糖、总蛋白质、NH3-N和pH的上升和下降趋势更加明显;餐厨垃圾在各保存条件下均出现明显的变质酸化现象,其中,乳酸为最主要有机酸。冬季和夏季取样污泥在4 ℃环境中分别可以保存30 d和15 d;对于餐厨垃圾,冬季取样时可在4 ℃环境中保存1 d,而在其他情况下均达不到理想的保存效果。
随着我国经济快速发展,污泥和餐厨垃圾导致的环境问题日益突出。湿污泥年产量预计2020年将突破 6×1
污泥和新鲜餐厨垃圾本身有机质含量高,且含有较多细
本研究探讨了污泥和餐厨垃圾自身理化性质随保存时间的变化情况,考虑到夏季和冬季环境温度差异较大,将污泥和餐厨垃圾分为夏季取样和冬季取样,考察了各样品在不同保存温度下基质指标的变化,为污泥和餐厨垃圾资源化研究及利用提供依据。
实验所用污泥取自上海某污水处理厂浓缩池,静置24 h,过1.25 mm筛。餐厨垃圾取自上海某高校食堂,先手工分拣出骨头、鱼刺以及饮食器具等杂物,再用食品搅拌机搅碎,以增加样品的均一
为研究污泥与餐厨垃圾自身特性的变化情况,选取2个比较有代表性的季节进行采样,即微生物最为活跃的夏季和最不活跃的冬季进行采样。虽然采集前的存放时间、存放条件会对餐厨垃圾与污泥性质变化产生影响,但事实上,目前在收集前做不到控温保存。因此,本研究主要关注收集后的保存。由于从采样地点到实验室,路上的时间均不超过5 min,故路途运输对基质性质的可能影响可以忽略。采集的样品到实验室后立即经过挑选粉碎等处理后分成3份,用玻璃容器盛装分别放置在4、20、35 ℃的培养箱中并保持温度恒定,玻璃容器不进行密封,每隔一段时间取样,测定其化学指标以表征其自身特性的变化。
图1所示为夏季和冬季取样污泥在不同温度环境中各指标的变化情况。如图1(a)和图1(b)所示,在4 ℃条件下,冬季取样的污泥总糖和总蛋白质在42 d内基本没有降解,其降解率分别仅为0.28%与0.60%;NH3-N在42 d的保存时间内逐步被释放,基本呈现稳步上升的趋势(图1(c));pH的波动较明显,在保存前30 d内pH均在初始值附近,而在30 d之后出现了较明显上升(图1(d))。由此可见,4 ℃是污泥储存的较佳环境,并且对于冬季取样污泥,在4 ℃环境中可以储存30 d。夏季取样污泥的总糖和总蛋白质在保存15 d左右开始略有降解,在33 d的保存时间内总糖降解率为1.33%,总蛋白质为1.35%(图1(a)和图1(b))。NH3-N与pH也是在15 d后开始出现了明显上升(图1(c)和图1(d))。由此可见,夏季取样污泥在4 ℃环境中的可保存时间为15 d。
图1 不同季节取样的污泥在不同温度环境中各主要指标随保存时间的变化
Fig. 1 Variation of main indexes of sludge taken in different seasons with different storage times at different temperatures
由图1(a)和图1(b)可知,在保存温度为20 ℃时,冬季与夏季取样的污泥,其总糖和总蛋白质在观察期内降解率相当,分别在3%~4%及16%左右,但其开始大幅降解的时间有所不同:冬季取样污泥的总糖从第18天开始降解率才略有增加,总蛋白质从第9天开始有较大幅度降解。pH在前12 d均在初始值附近波动,12 d后开始出现较明显上升(图1(d));而NH3-N从保存初期就出现含量升高的现象(图1(c))。对于夏季取样污泥,总糖总蛋白质在第6天开始有较明显降解(图1(a)和图1(b)),而pH在第2天就开始出现较大幅度上升,在33 d的保存时间内,pH由6.32上升至7.08(图1(d));NH3-N在20 ℃的保存环境中,自始至终均呈现稳步上升的趋势(图1(c))。经过以上分析可知,无论冬季还是夏季取样,污泥在20 ℃的环境中保存效果不佳,20 ℃条件不利于污泥的储存。
同保存在20 ℃环境中类似,保存在35 ℃环境中的冬季与夏季取样污泥,其总糖和总蛋白质在观察期内降解率相当,分别为7%和20%左右,但其开始大幅降解的时间有所不同:冬季取样污泥,其总糖和总蛋白质在第3天有较明显降解;夏季取样污泥,其总糖在第1天、蛋白质在第2天就有较明显的降解(图1(a)和图1(b))。NH3-N在夏季和冬季取样污泥中均有较大幅度上升,在观察期内(33 d/42 d)分别上升为初始值的4.42倍和7.3倍(图1(c))。由此可见,污泥的各项指标在35 ℃环境中变化幅度较剧烈,不利于污泥的储存。
综上所述,为要保持污泥的理化性质,4 ℃为较佳的保存条件。这是由于低温可以抑制污泥内部水解以及内核中蛋白的转化,有利于维持储存过程中污泥的稳定
图2所示为夏季和冬季取样的新鲜餐厨垃圾在不同温度环境中各指标随保存时间的变化情况。对于保存在4 ℃环境中冬季取样的餐厨垃圾,总蛋白质含量在保存第6天开始有明显降解,42 d内的降解率为10.58%;总糖在第2天就开始出现较大幅度降解,观察期内(42 d)降解率可达24.95%(图2(a)和图2(b))。pH在保存第2天也出现明显下降,由6.36下降到5.92(图2(d)),说明样品从第2天开始出现较明显的水解酸化。由此可见,冬季取样餐厨垃圾在4 ℃环境中可以保存1 d。夏季取样餐厨垃圾的总糖在前6 d有较明显降解,6 d后降解较少;总蛋白质在2~4 d左右降解明显,35 d内总糖及总蛋白质的降解率分别为23.98%与9.54%(图2(a)和图2(b))。夏季取样餐厨垃圾pH在取样当天仅为5.04(通常pH在6.0~6.5),说明样品在取样当天就出现了较明显的水解酸化;在随后的保存中,pH持续下降,第6天时pH下降至4.38,至观察期末(33 d)pH为4.36(图2(d))。
图2 不同季节取样的新鲜餐厨垃圾在不同温度环境中各主要指标随保存时间的变化
Fig. 2 Variation of main indexes of fresh kitchen waste taken in different seasons with different storage time at different temperatures
在保存条件为20 ℃和35 ℃时,对于总糖,无论冬季还是夏季取样的餐厨垃圾,都是取样前几日就有明显降解。20 ℃环境中,总糖降解率均为53%~54%;35 ℃环境中,总糖降解率均为60%~62%。对于蛋白质,夏季取样的餐厨垃圾在取样第1天就开始降解,而冬季取样的餐厨垃圾在20 ℃环境中第3天才开始有明显降解。20 ℃环境中,总蛋白质降解率为32%(图2(a));35 ℃环境中,总蛋白质降解率为37%(图2(b))。TVFA整体呈持续上升的趋势,最高达到19 994 mg·
在餐厨垃圾保存过程中,随着有机物的水解,产酸细菌会将挥发性有机物转化为各种有机
图3 夏季取样餐厨垃圾在不同温度环境中VFAs随保存时间的变化
Fig. 3 Variation of VFAs of kitchen waste in summer with storage time at different temperatures
图4显示了夏季取样的餐厨垃圾分别在4、20、35 ℃条件下保存过程中的乳酸含量变化情况。由图4可知,采样当天乳酸初始浓度(以COD计)已经达到9 416.44 mg·
图4 夏季取样餐厨垃圾在不同温度环境中乳酸随保存时间的变化
Fig. 4 Variation of lactic acid of kitchen waste taken in summer with storage time at different temperatures
从以上分析可以看出,餐厨垃圾的pH在保存前期下降迅速。pH的变化主要取决于体系中有机酸浓度的变化,因此可以推测,pH快速下降主要是由于乳酸含量的迅速上
综合不同季节取样的污泥和餐厨垃圾在不同保存温度下的性质变化可以发现,同一季节采样并在同样保存温度条件下,污泥和餐厨垃圾的理化性质变化有较明显不同。餐厨垃圾的有机质(总糖和总蛋白质)较污泥的下降更为剧烈,这是由于餐厨垃圾有机质含量很高(TCOD达到200 000~400 000 mg·
由此可知,污泥与餐厨垃圾的保存条件对其后续的使用效果至关重要,保存时间过长或温度不适会导致污泥与餐厨垃圾中的总糖、总蛋白质等有机物被大量降解,pH也与保存之前有较大差异,若继续进行后续的资源化利用如厌氧发酵等将对实验效果产生较大影响。
1) 无论冬季还是夏季取样,35 ℃条件下保存的污泥或餐厨垃圾理化性质变化最为强烈,20 ℃次之,4 ℃变化最为缓慢。
2) 在各温度条件下,夏季与冬季所取样品的降解程度没有太大差异,只是开始明显降解的时间不同,通常夏季早于冬季。
3) 冬季取样的污泥在4 ℃环境中可以保存30 d,夏季取样的污泥在4 ℃环境中可以保存15 d,20 ℃和35 ℃环境对于污泥保存效果不佳。
4) 对于餐厨垃圾,只有在冬季取样时,可在4 ℃环境中保存1 d,而其他情况,餐厨垃圾均发生了明显的变质酸化现象,其中乳酸为最主要有机酸。
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