基质组分对厨余与污泥共发酵动力学特性的影响

许曼娟; 李倩; 张念瑞; 陈荣

doi:10.12030/j.cjee.201705086

基质组分对厨余与污泥共发酵动力学特性的影响

1.
西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安 710055
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(51608430)

中国博士后科学基金资助项目(2016M602781)

Effects of substrates components on kinetic characterization of co-digestion of food waste and waste activated sludge

1.
School of Environmental & Municipal Engineering, Xi′an University of Architecture & Technology, Xi′an 710055,China
Fund Project:

摘要: 通过厌氧发酵4阶段动力学实验、产甲烷抑制实验及单一VFA的产甲烷动力学实验,探明了厨余和污泥共发酵过程中,典型组分对其潜在的酸积累类型以及甲烷化过程的影响。结果表明,不同基质组分在厌氧发酵过程中的VFA组成比例以及单一VFA的产甲烷化动力学特性,对其产甲烷潜能及速率有着决定性影响。乙酸的甲烷化速率高达44.80 mL·d-1,丁酸略慢于乙酸,而丙酸和戊酸的甲烷化速率不足乙酸的1/2,其中丙酸的延滞期长达1.76 d。因此,产酸类型以乙酸为主的污泥、菜类在产甲烷阶段不存在延滞期；而蛋肉类及油的产甲烷速率受到丙酸、戊酸动力学特性的影响相对较慢。通过调整共发酵基质配比不仅能够提高发酵潜能,还能够优化VFA组成比例,实现较高的甲烷产率及甲烷化速率。
- 中温厌氧发酵 /
- 厨余 /
- 污泥 /
- 动力学特性 /
- 挥发性脂肪酸
Abstract: The effects of substrate components on VFA accumulation and methane production during the co-digestion of food waste (FW) and waste activated sludge (WAS) were investigated by batch tests involving kinetic test of 4 stages of anaerobic digestion, methanogenesis inhibition test and kinetic test of methane production from individual VFA. Results showed that the composition of VFA which generated during anaerobic digestion of different substrate fraction and the kinetic characteristics of methanogensis of individual VFA affected the methane production potential and rate significantly. The methanogenesis rate of acetic acid was 44.80 mL·d-1, while, the methanogenesis rate of butyric acid was slightly lower than that of acetic acid. However, the methanogenesis rates of propionic acid and valeric acid were lower than half of that of acetic acid, and the lag time of propionic acid was as long as 1.76 d. Therefore, the methane production from WAS and vegetable of which acetate accounted for a large proportion showed no lag time. While, the methane production rate of the egg, meat and oil was affected by the kinetic characteristics of methanogenesis of propionic acid and velaric acid, thus it was relatively low. Co-digestion of FW and WAS could promote the potential of methane production, and achieve higher methane yield and production rate by optimizing the composition of generated VFA.
- mesophilic anaerobic digestion /
- food wastes /
- waste activated sludge /
- kinetic characterization /
- volatile fatty acids

近年来，随着城市化进程的加速和人民生活水平的提高，厨余垃圾和污水处理厂产生的污泥以超过10%的增长速率逐年递增^[1]。含水率和有机物含量高的共性，使得厌氧发酵技术成为这2类有机废弃物“减量化、资源化和无害化”的最佳处理方式。厨余垃圾C/N较高，且含有大量易腐败物质，容易在发酵过程中过快酸化造成有机酸积累，同时，过高的Na⁺含量，也可能对厌氧发酵过程产生不利影响^[2]；而污泥的C/N较低，容易引起氨抑制^[3]，且污泥中存在的重金属、药物、病原菌^[4]等有毒有害物质也可能会影响发酵过程的正常进行。因此，与单基质发酵相比，能够平衡C/N、稀释毒性物质、改善微生物协同作用的共发酵是提高厨余垃圾与污泥厌氧发酵产甲烷效率及稳定性的更优处理方式^[5]。

厌氧发酵过程中，水解酸化速率往往高于甲烷化速率，这种动力学的不平衡极易造成高负荷条件下挥发性脂肪酸(VFA)的过量积累，而不同VFA的动力学特性也存在较大差异。YANG等^[6]指出以乙酸、丙酸、丁酸和戊酸为基质的微生物最大比增长速率分别为0.30、0.06、0.07和0.15 d^-1。LI等^[7]的研究也表明，以乙酸为基质的产甲烷速率远高于丙酸。此外，产甲烷菌对不同VFA的耐受程度也有较大差异。HANAKI等^[8]指出产甲烷菌对乙酸和丁酸的承受浓度均在10 000 mg·L^-1以上，而对丙酸的耐受浓度在1 000 mg·L^-1以下。这就意味着水解酸化生成的VFA类型会对后续产甲烷过程有着显著影响。

许之扬等^[9]发现在以厨余垃圾为基质的厌氧发酵过程中，随着负荷的提升，出现了严重的乙酸积累(4～6 g·L^-1)，最终导致发酵系统产气速率骤减甚至崩溃。LI等^[10]以咖啡渣、污泥和牛奶废弃物为基质的高温共发酵过程中出现了以丙酸为主的有机酸积累。而张玉静等^[11]在以厨余垃圾为基质的中温共发酵连续实验中却发现VFA浓度最高时，乙酸和丁酸较多。可见，不同基质在发酵过程的酸积累类型有着较大差异。

因此，本研究根据有机废弃物的主要成分(碳水化合物、蛋白质和脂肪等)，将厨余垃圾及污泥共发酵基质分为菜类、主食类、蛋肉类、食用油及污泥，研究其单独及共发酵基质的厌氧发酵4阶段动力学特性，通过产甲烷抑制实验及不同VFA的产甲烷动力学实验，探明厨余和污泥共发酵过程中，典型有机成分对其潜在的酸积累类型以及甲烷化过程的影响，为优化厨余和污泥共发酵提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 基质及种泥来源和特性

1.1.1 基质组成

本研究根据厨余垃圾组分将其分为油O (菜籽油)、菜类C(胡萝卜、白菜)、蛋肉类D(鸡蛋、鸡肉、猪肉)、主食类Z(米饭、面条、土豆)，根据学生食堂厨余垃圾主要成分进行人工配制。剩余污泥(WAS)取自西安市第五污水处理厂。剩余污泥与厨余垃圾按1:4进行混合作为共发酵基质(S)。实验所用发酵原材料均用破壁机粉碎至粒径1 mm以下后储存于4 ℃基质罐中。其基本物化特性如表 1所示。

表1 基质的物化指标
Table 1 Physicochemical properties of substrates

基质	TS/%	蛋白质/(g·L^-1)	多糖/(g·L^-1)	COD/(g·L^-1)	脂肪/(g·L^-1)
WAS	6.83	18.60	7.00	78.61	8.76
S	8.74	25.60	38.30	153.80	14.21
O	99.80	2.89	4.63	3 818.40	872.60
C	4.01	3.69	32.00	60.86	—
D	11.50	47.60	3.61	363.50	86.05
Z	6.88	4.04	97.90	71.44	—

1.1.2 种泥来源

批次实验使用的种泥取自以厨余垃圾和污泥为共发酵基质的中温发酵罐。为了消除VFAs和COD及其他溶解性物质对厌氧发酵过程中的影响，接种前用营养液^[12](表 2)将种泥清洗2次后，放至35 ℃的水浴摇床2～3 d，待其恢复产甲烷活性后再作为批次实验种泥进行实验^[7]。

表2 营养液的组成
Table 2 Composition of nutrient solution

成分	浓度/(g·L^-1)
NH₄Cl	0.50
MgCl₂·6H₂O	0.10
K₂HPO₄	0.40
CaCl₂·2H₂O	0.05
FeCl₃·4H₂O	2.00
CoCl₂·6H₂O	2.00
MnCl₂·4H₂O	0.50
CuCl₂·2H₂O	0.03
NaS·9H₂O	0.10
NiCl₂·6H₂O	0.05
Na₂SeO₃·5H₂O	0.10
(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O	0.09
ZnCl₂	0.05

1.2 实验步骤

1.2.1 批次实验

4阶段动力学实验在220 mL的血清瓶中进行，分别以单一基质(WAS、O、C、D、Z)和混合基质(S)为底物，按负荷0.14 g(底物的TS):1 g(种泥的VS)进行混合后，用氮气对瓶中的空气进行置换2 min以保证实验在绝对厌氧的环境中进行。随后将血清瓶置35 ℃水浴摇床中，5 min后，用针头释放顶空热膨胀产生的压力。

产甲烷抑制实验是在分别以单一基质(WAS、O、C、D、Z)和混合基质(S)为底物的4阶段动力学实验的基础上向反应体系加入40 mmol·L^-1的产甲烷抑制剂(C₂H₄BrNaO₃S)，从而明确不同基质在厌氧发酵过程的产VFAs特性。

1.2.2 单一VFA产甲烷动力学实验

实验分别以2 000 mg·L^-1(以COD计)的乙酸、丙酸、丁酸和戊酸为底物，与种泥混合后调节pH至7.20，实验步骤与批次实验相同。

1.3 分析方法

1.3.1 物化指标分析

产气量采用玻璃注射器进行测定；TS、VS采用重量法；化学需氧量(COD)、多糖、蛋白、脂质分别采用快速消解分光光度法、苯酚-硫酸法、Folin-酚法、氯仿-甲醇法测定；甲烷含量使用气相色谱(GC-PE680，美国)，填充色谱柱固定相(Porapak Q)进样口温度130 ℃，柱温箱温度140 ℃，TCD温度：160 ℃，载气为氩气，流速4 mL·min^-1；采样后离心(10 000 r·min^-1，5 min)，取上清液(0.45 μm膜滤)后，测VFA使用气相色谱(GC-Shimadzu2014，日本)，色谱柱：DB-FFAP，FID检测器230 ℃，进样口温度200 ℃，程序升温：100 ℃保持2 min，以10 ℃·min^-1的速率上升到120 ℃并保持2 min，再以5 ℃·min^-1的速率上升到200 ℃并保持2 min。

1.3.2 模拟

本研究将厌氧发酵过程分为水解、酸化、乙酸化和甲烷化4阶段。各阶段转化率η如方程(1)～(4)所示。

${{\eta }_{\text{水解}}}\text{=}\left( {{V}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}/350+{{C}_{\text{SCOD}}}\cdot V \right)/{{m}_{\text{COD}}}$

(1)

${{\eta }_{\text{酸化}}}\text{=}\left( {{V}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}/350+{{C}_{\text{TVFAS}}}\cdot V \right)/{{m}_{\text{COD}}}$

(2)

${{\eta }_{\text{乙酸化}}}\text{=}\left( {{V}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}/350+{{C}_{\text{acetate}}}\cdot V \right)/{{m}_{\text{COD}}}$

(3)

${{\eta }_{\text{甲烷化}}}\text{=}\left( {{V}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}/350 \right)/{{m}_{\text{COD}}}$

(4)

式中：V_CH₄为甲烷的体积，mL；m_COD为加入的COD，g；V为种泥的体积，L；C_SCOD为溶解性COD的浓度，g·L^-1；C_TVFAS为总的挥发性脂肪酸的浓度(以COD计)，g·L^-1；C_acetate为乙酸浓度(以COD计)，g·L^-1。标准状况下，1 g COD理论上可产生350 mL甲烷。

本研究采用Gompertz方程对4阶段进行拟合。

$P={{P}_{0}}\cdot \exp \left\{-\exp \left[{{R}_{\max }}\cdot \text{e}\cdot \left( {{t}_{0}}-t \right)/{{P}_{0}}+1 \right] \right\}$

(5)

式中：P为扣除空白后某阶段t时刻转化潜能(以COD计)，g·g^-1；P₀为某阶段最大转化潜能(以COD计)，g·g^-1；R_max为某阶段最大转化速率(以COD计)，g·(g·d)^-1；t₀为迟滞期，d；t为批次实验持续时间，d; e=2.718 281 828。数据与图形处理使用Microsoft office Excel 2010软件，主成分分析使用SPSS 8.0，Gompertz拟合采用Originpro 8.0。

2 结果与分析

2.1 基质厌氧发酵4阶段动力学特性

2.1.1 水解特性

不同基质的物化特性差别较大，而多糖(纤维素、多糖)、蛋白质、脂肪具有不同的降解潜能，相应的水解产物单糖、氨基酸、脂肪酸和甘油具有不同的代谢特点，因此，不同基质在厌氧发酵4阶段具有不同的动力学特性。如图 1所示，不同基质的厌氧发酵4阶段转化过程的动力学参数由Gompertz方程拟合得到，结果见表 3。

图1 基质厌氧发酵4阶段转化率
Fig. 1 Conversion ratio of four stages in anaerobic digestion

表3 基质发酵4阶段动力学参数
Table 3 Kinetic parameters of four stages in anaerobic digestion

阶段	基质	P₀/(g·g^-1)	R_max/(g·(g·d)^-1)	t₀/d	R²
水解阶段	WAS	0.25	0.05	—	0.71
	S	0.53	0.26	—	0.94
	O	0.80	0.38	1.12	0.99
	C	0.48	0.94	0.08	0.95
	D	0.42	0.13	—	0.91
	Z	0.70	0.33	0.10	0.99
酸化阶段	WAS	0.21	0.05	—	0.88
	S	0.51	0.23	—	0.96
	O	0.80	0.38	1.40	0.99
	C	0.46	0.27	—	0.96
	D	0.40	0.13	0.06	0.98
	Z	0.66	0.23	—	0.96
乙酸化阶段	WAS	0.21	0.05	—	0.89
	S	0.51	0.23	—	0.97
	O	0.80	0.29	1.40	0.99
	C	0.46	0.27	—	0.96
	D	0.40	0.13	0.06	0.96
	Z	0.66	0.23	0.005	0.96
甲烷化阶段	WAS	0.21	0.04	—	0.87
	S	0.51	0.23	—	0.96
	O	0.80	0.29	1.40	0.99
	C	0.46	0.26	—	0.98
	D	0.40	0.13	0.12	0.98
	Z	0.66	0.23	0.18	0.96

实验结果表明，由于油易生化降解为脂肪酸和甘油，其水解率最高，达80%。而污泥的可生化降解性较差，其水解率仅为25%。虽然菜类水解率不足50%，但其水解速率R_max高达0.94 g·(g·d)^-1，是主食类、油和基质的3倍以上；相较而言，由于蛋肉类和污泥的主要成分为蛋白质，不仅水解率低，其水解速度也不足0.10 g·(g·d)^-1。共发酵基质作为混合有机废弃物，其水解过程的动力学特性受各组分的水解特性影响，水解率和水解速率分别为53%、0.26 g·(g·d)^-1。

2.1.2 酸化及乙酸化特性

在厌氧发酵过程中，水解产物需要经过酸化和乙酸化过程才能被产甲烷菌利用生成甲烷。在本研究所采用的6种基质中，仅油的酸化率和水解率相等，达到80%，即：油水解生成的甘油和脂肪酸能被全部转化为VFA，而其他基质的水解产物中可能存在一些难降解物质不能够经酸化全部转化为VFA，意味着酸化效率低于水解效率。

通过比较酸化和乙酸化过程的动力学特性可知，除油外所有基质在酸化过程中产生的VFAs均能被及时且完全转化为乙酸，因此在发酵过程不存在VFAs的积累。而油的酸化速率(0.38 g·(g·d)^-1)显著大于乙酸化速率0.29 g·(g·d)^-1，导致在发酵第3.3天出现了475 mg·L^-1(以COD计)的VFAs积累。

2.1.3 产甲烷特性

由于产甲烷菌对乙酸的利用效率高，在乙酸化过程中产生的乙酸均能够及时被产甲烷菌转化为甲烷，因此，所有基质的甲烷化潜能及速率几乎等于乙酸化潜能和速率(表 3)。比较各个基质的产甲烷过程可知，油的发酵过程存在明显的延滞期(1.40 d)，这可能是由于脂类物质在水解过程生成的长链脂肪酸(LCFA)微生物细胞壁产生缔合作用，从而抑制了微生物活性^[13]。但随着酸化和乙酸化过程的进行，LCFA被转化为VFA，产甲烷速率逐渐加快，最终的甲烷转化率高达80%。

共发酵基质作为厨余垃圾与污泥的混合物(剩余污泥:主食:菜类:蛋肉类:油=1:1.84:1.4:0.7:0.041 2)，其理论产甲烷潜能为0.48 g·g^-1，但实际共发酵的产甲烷潜能达到0.51 g·g^-1，共消化实现了“1+1>2”的协同效应，并且克服了油、蛋肉类和主食类发酵过程的产甲烷延滞期。比较各阶段的反应速率可知，酸化过程是共发酵基质厌氧发酵的限速步骤。

2.1.4 基质特性对产甲烷性能影响评价

为探明基质特性对产甲烷潜能(P₀)及产甲烷速率(R_max)的影响，本研究采用主成分法(PCA)对其进行综合评价。如图 2所示，P₀、R_max与COD、多糖、脂肪、蛋白质均有一定相关性。

图2 P₀和R_max主成分分析
Fig. 2 Principal components analysis of P₀ and R_max

P₀、R_max与COD、多糖、脂肪呈正相关关系，其中，多糖对R_max影响更为显著，因此，多糖含较高的基质具有较快的产甲烷速率；脂肪与P₀、R_max均有较强的相关性，脂肪的易降解性能决定了富含脂肪的基质具有产甲烷潜能高及产甲烷速率快的特点。

相较脂肪和碳水化合物较难生化降解的特性，使得P₀、R_max均与蛋白质呈显著的负相关(-0.734、-0.652)，即蛋白质含量高的基质的产甲烷潜能及速率相应较低。因此，共发酵基质中的蛋白含量是制约其产甲烷潜能和速率的因素之一。

2.2 基质特性对酸化类型的影响

挥发性脂肪酸作为厌氧发酵过程的重要中间产物，其产酸类型对甲烷化过程的动力学特性有着重要影响。有研究表明，乙酸、丙酸、丁酸均可由碳水化合物、油脂和蛋白质厌氧发酵产生，而较高分子质量的戊酸主要是从蛋白质的厌氧发酵过程中产生的^[14]。多糖、蛋白质和脂肪的水解产物中，单糖经酸化分解成乙酸、丙酸、丁酸等，氨基酸进行氧化脱氮后转化成VFA，脂肪酸经β氧化形成乙酸、丙酸、丁酸等，甘油进一步分解形成小分子有机酸。正是由于水解产物的多样性和代谢路径的差异性，具有不同物化特性的基质具有不同的酸化类型。为了探明基质特性与产酸类型的关系，本研究利用产甲烷抑制剂将发酵过程控制在前3个阶段。结果表明，不同基质在产酸类型上存在显著差异。

如图 3所示，除油外，几乎所有基质的产酸类型在1 d左右即达到稳定，但不同基质产酸类型及比例存在一定差异。作为能够直接被产甲烷菌利用的基质，乙酸在所有基质产生的VFA中均占有较高比例，其中，剩余污泥中乙酸含量最高(约70%)；蛋肉类最低，约40%；蛋白质含量高的污泥和蛋肉类产生的VFA中戊酸所占比例相对较高，约为15%；主食类发酵产生丁酸较多，约占总VFA的30%，远高于其他基质；而丙酸在油和蛋肉类水解产酸生成的VFA中占有相对较高的比例。共发酵基质作为不同基质的混合物，其乙酸和丙酸含量较高，分别约为60%和20%。

图3 不同基质的产酸特性
Fig. 3 Acid production characteristics of different substrates

2.3 单一VFA的甲烷化动力学特性

在厌氧发酵过程中，不同VFA降解的热力学特性存在较大差异，如表 4所示，只有乙酸甲烷化过程的吉布斯自由能为负值(ΔG⁰=-31 kJ·mol^-1)，可以自发进行。而除乙酸以外的丙酸、丁酸、戊酸的乙酸化过程的吉布斯自由能均为正值，需要在互营氧化菌与氢营养型产甲烷菌的协同作用下实现甲烷化过程。因此，探明不同VFA的甲烷化动力学差异，对于分析产酸类型对甲烷化过程的影响具有重要意义。

表4 单一VFA降解的吉布斯自由能
Table 4 Gibbs free enengy of individual VFA degradation

底物	反应方程	Δ G⁰/(kJ·mol^-1)
乙酸	CH₃COOH→CH₄+CO₂	-31.0
丙酸	CH₃CH₂COOH+2H₂O→CH₂COOH+3H₂+CO₂	+76.1
丁酸	CH₃CH₂CH₂COOH+2H₂O→2CH₃COOH+2H₂	+48.1
戊酸	CH₃CH₂CH₂CH₂COOH+2H₂O→CH₃CH₂CH₂COOH+CH₃COOH+2H₂	+69.8

本研究分别以2 000 mg·L^-1(以COD计)的乙酸、丙酸、丁酸、戊酸为基质进行产甲烷动力学实验(图 4)，并用Gompertz方程对产甲烷阶段进行拟合，得到动力学参数如表 5所示。由于乙酸能够直接被产甲烷菌利用，其甲烷化速率最快(44.80 mL·d^-1)且延滞期最短仅为0.49 d。丁酸的甲烷化速率略慢于乙酸，为35.00 mL·d^-1，但其延滞期为乙酸的1.67倍。在这4种VFA中，丙酸和戊酸的甲烷化速率不足乙酸的1/2，其中丙酸的延滞期长达1.76 d，为乙酸的3.59倍。这意味着，当厌氧发酵系统中产酸类型以乙酸为主时，其随后的甲烷化过程效率可能会越高，而当系统中丙酸和戊酸比例较高时，产甲烷速率会相对较慢，甚至可能存在延滞期。因此，不同的产酸类型对厌氧发酵过程有着至关重要的影响。

图4 单一VFA的甲烷化过程
Fig. 4 Methane production from individual VFA

表5 单一VFA产甲烷动力学参数
Table 5 Kinetic parameters of methane production from individual VFA

VFA	R_max/(mL·d^-1)	t₀/d	R²
乙酸	44.78	0.49	0.99
丙酸	19.44	1.76	0.98
丁酸	34.97	0.82	0.98
戊酸	20.43	1.27	0.99

产酸类型以乙酸为主的污泥、共发酵基质、菜类在产甲烷阶段不存在延滞期；但由于污泥本身可生化降解性较差，即便在发酵过程中产生的VFA以乙酸为主，其产甲烷速率受水解酸化所限，仍相对较慢。虽然蛋肉类的产甲烷潜能与菜类接近，但由于蛋白质类水解酸化产生的丙酸和丁酸占总VFA的45%，远高于菜类的35%，因此，其甲烷化过程不仅存在0.14 d的延滞期，且产甲烷速率仅为菜类的1/2。油类产甲烷潜能最高，为菜类的近2倍，但由于其发酵过程中产生的丙酸和戊酸占较大比例，其产甲烷速率仅略快于菜类。主食类的甲烷化潜能仅次油类，但其丁酸含量最高，从而导致其甲烷化速率仅为0.23 g·(g·d)^-1。可见，由于VFA之间的甲烷化动力学存在显著差异，基质的产酸类型对于甲烷发酵过程的效率及稳定性均有决定性影响。

3 结论

1) 基质的蛋白质含量与产甲烷潜能及速率呈显著负相关，油类的产甲烷潜能高达80%，却存在1.4 d的延滞期，共发酵能够克服单一基质发酵存在的问题，实现“1+1>2”的协同效应。

2) 蛋白质含量高的污泥和蛋肉类产生的VFA中戊酸所占比例相对较高；主食类发酵产生的丁酸较多；而丙酸在油和蛋肉类水解产酸生成的VFAs中占有相对较高的比例。

3) 在厌氧发酵过程产生的4种典型VFA中，乙酸的甲烷化速率为44.80 mL·d^-1，快于丁酸，远快于丙酸和戊酸；丙酸的甲烷化过程最难进行，其延滞期长达1.76 d。

4) 由于VFA之间的甲烷化动力学存在显著差异，基质的产酸类型对于甲烷发酵过程的效率及稳定性均有决定性影响。

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