餐廚垃圾水解酸化菌種比選小試

李勛耀

1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

基于餐廚垃圾現(xiàn)有工藝中，預(yù)處理車(chē)間不可避免的產(chǎn)物產(chǎn)量大，填埋成本大的原因，進(jìn)行擠壓渣的減量化試驗(yàn)，減少擠壓渣的處理成本或綜合利用。

2 試驗(yàn)方法

餐廚垃圾主要成分包括米和面粉類(lèi)食物殘余、蔬菜、動(dòng)植物油、肉骨等，從化學(xué)組成上，有淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)和無(wú)機(jī)鹽。擠壓渣主要是油、水、果皮、蔬菜、米面、魚(yú)、肉、骨頭、毛發(fā)以及廢餐具、塑料、紙巾、牙簽、玻璃等多種物質(zhì)的混合物。擠壓渣的含水率在65～80%，VS值在60～75%，因此，有機(jī)物占總重的20%左右。

本實(shí)驗(yàn)選擇微生物處理法，生物處理系統(tǒng)去除有機(jī)物最重要的機(jī)理是細(xì)菌代謝。代謝涉及對(duì)有機(jī)物作為能源或碳源的利用。當(dāng)有機(jī)物被利用作能源時(shí)，其被分解為穩(wěn)定的最終產(chǎn)物，這一過(guò)程稱(chēng)為分解代謝。有機(jī)物被轉(zhuǎn)變結(jié)合為細(xì)胞質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為合成代謝。合成代謝是耗能過(guò)程，僅僅當(dāng)同時(shí)發(fā)生分解代謝供給細(xì)胞物質(zhì)合成所需的能量時(shí)才可能進(jìn)行。分解代謝和合成代謝是互相依賴(lài)、同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)過(guò)程。微生物主要的生物代謝為：1）、氧化代謝；2）、發(fā)酵代謝；3）、合成代謝。

2.1 發(fā)酵代謝（厭氧產(chǎn)氣法）

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

有機(jī)物發(fā)酵分解代謝發(fā)生在缺乏氧化劑的條件下，這種情況發(fā)生分解代謝沒(méi)有電子轉(zhuǎn)移。厭氧消化過(guò)程是產(chǎn)生甲烷的過(guò)程，甲烷是最具還原態(tài)的化合物。從這種意義上講，厭氧發(fā)酵是進(jìn)行最徹底的發(fā)酵過(guò)程，伴隨著產(chǎn)生甲烷，也形成最具氧化態(tài)的化合物-二氧化碳。對(duì)有機(jī)物CxHyOz，厭氧發(fā)酵過(guò)程可以寫(xiě)成：

CxHyOz+（4x-y-2z）/4H2O→（4x-y+2z）/8CO2+（4x+y-2z）/8CH4

在厭氧條件下，將污水中的復(fù)雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣，需要多種不同微生物種群的作用。Gujer和Zehnder（1983）描述了蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類(lèi)厭氧降解步驟的圖式（見(jiàn)下圖1）。據(jù)圖，顆粒有機(jī)物降解為甲烷的過(guò)程包括六個(gè)步驟。1）生物多聚物的水解階段；2）產(chǎn)酸作用階段；3）β-氧化階段；4）乙酸化階段；5）同型產(chǎn)乙酸階段；6）甲烷化階段。

圖1 復(fù)雜大分子的厭氧消化反應(yīng)順序

其中比較重要的一個(gè)階段為（1）生物多聚物的水解階段。大分子有機(jī)物分子量大，不能透過(guò)細(xì)胞膜直接為細(xì)菌利用。在水解階段，它們被細(xì)菌胞外酶分解為小分子，這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶解于水并透過(guò)細(xì)胞膜為細(xì)菌所利用。這一過(guò)程由發(fā)酵細(xì)菌所分泌的胞外酶參與。碳水化合物（纖維素、半纖維素、淀粉、果膠等糖類(lèi)）、蛋白質(zhì)、脂肪、核酸等大分子物質(zhì)，分別被不同的微生物水解成單糖（和雙糖）、多肽（然后氨基酸）、多元醇、長(zhǎng)鏈脂肪酸、甘油、嘧啶和嘌呤堿基等，同時(shí)還產(chǎn)生H2和CO2。

水解過(guò)程通常較緩慢，因此認(rèn)為是大分子有機(jī)物或懸浮物厭氧降解的限速階段。多種因素可能影響水解除速率和水解程度，如：水解溫度、有機(jī)質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間、有機(jī)質(zhì)的組成、有機(jī)質(zhì)顆粒的大小、PH值、氨的濃度、水解產(chǎn)物（如揮發(fā)性脂肪酸）的濃度、胞外酶能否有效接觸到底物，對(duì)水解速率的影響很大。

其中，雖然甲烷的生長(zhǎng)溫度很廣，但不同溫度類(lèi)型的產(chǎn)甲烷菌存在一個(gè)很窄的最適宜的溫度范圍，并存在一最大值。這也是甲烷對(duì)溫度十分敏感的原因。在達(dá)到最大值之后，產(chǎn)甲烷菌的活性下降規(guī)律與上升階段是不對(duì)稱(chēng)的，即存在一個(gè)突降，這使得在高溫菌群和中溫菌群之間的交匯處出現(xiàn)低谷，這是由雙鋒曲線所造成。如圖2。

圖2 幾種產(chǎn)甲烷菌在不同溫度下的產(chǎn)甲烷活性

2.1.2 總固體（TS）的測(cè)定

將瓷坩堝洗滌后在105℃烘箱烘1h，取出瓷坩堝于干燥器中冷卻，瓷坩堝降溫至室溫后稱(chēng)重。重復(fù)以上操作至瓷坩堝稱(chēng)量恒重，數(shù)據(jù)記為ag；取m1克試樣（約25ml或1～2g污泥），置于坩堝，如果樣品為污泥可將其與坩堝一起稱(chēng)重并記作bg。然后將樣品的坩堝放入干燥箱，在105℃±2℃下干燥至恒重，干燥后的瓷坩堝與干料總重記作cg。結(jié)果計(jì)算公式：TS=（c-a）/（b-a）×100%。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，初步對(duì)溫度選為35℃，初始PH值調(diào)整為中性。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1）取適量當(dāng)天鮮料，物料先經(jīng)過(guò)高壓鍋加壓處理（120℃，加壓20min），按重量分裝。

2）配制適量重量比為5%的紅糖水（加熱燒開(kāi)）。

3）按照實(shí)驗(yàn)的干料比，稱(chēng)量菌種于錐形瓶中，并加入10～20ml5%的紅糖水。

4）把加有紅糖水的菌種放置在40℃水浴中恒溫30min以上。

5）將恒溫后的菌種對(duì)應(yīng)加入到填裝好的渣料中，并放置在35℃水浴鍋中發(fā)酵。每天及時(shí)補(bǔ)充水浴鍋的水，按時(shí)測(cè)量發(fā)酵后的總固體含量。

2.1.5 厭氧實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)

擠壓渣水解試驗(yàn)-厭氧產(chǎn)氣小試水解率曲線圖

厭氧小試總共進(jìn)行8組試驗(yàn)，在相同實(shí)驗(yàn)、相同菌種投加量的條件下，定性試驗(yàn)擠壓渣的水解率。從8組的水解率看，整體水解效果不佳，最高為第7號(hào)的值37.17%，且與5號(hào)空樣（不加菌）的值相同，說(shuō)明菌種對(duì)擠壓渣的水解效果不好。

2.1.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)水解率的曲線圖，整體水解率不高，初步判斷為菌種對(duì)擠壓渣水解不適應(yīng)，或者是反應(yīng)時(shí)間充足。同時(shí)考慮到工程實(shí)用上，反應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，罐體的體積比較大，投資成本高等因素，停止了厭氧產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)。

2.2 氧化代謝（好氧實(shí)驗(yàn)）

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

一般有機(jī)物的氧化還原反應(yīng)可寫(xiě)成：

CxHyOz+（4x+y-2z）/4O2→xCO2+y/2H2O

4e+4H++O2→2H2O

2.2.2 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，初步對(duì)溫度選為35℃，初始PH值調(diào)整為中性。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）取適量當(dāng)天鮮料，物料先經(jīng)過(guò)高壓鍋加壓處理（120℃，加壓20min），按重量分裝；

2）配制適量重量比為5%的紅糖水（加熱燒開(kāi)）；

3）按照實(shí)驗(yàn)的干料比，稱(chēng)量菌種于錐形瓶中，并加入10～20ml5%的紅糖水；

4）把加有紅糖水的菌種放置在40℃水浴中恒溫30min以上。

5）將恒溫后的菌種對(duì)應(yīng)加入到填裝好的渣料中，并放置在35℃水浴鍋中發(fā)酵。每天及時(shí)補(bǔ)充水浴鍋的水，按時(shí)測(cè)量發(fā)酵后的總固體含量。

2.2.4 好氧實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，及選用了3個(gè)公司7個(gè)品種的菌種、酶進(jìn)行試驗(yàn)，水解率都在40%以下?；谥貜?fù)試驗(yàn)的結(jié)果都不高，甚至出現(xiàn)負(fù)值，可能原因是：從反應(yīng)原理看，減少重量主要來(lái)自于CO2的排放，及部發(fā)水分的揮發(fā)，主要的水分還是吸附在無(wú)機(jī)質(zhì)里，因此能減去的重量有限；另外，由于渣料的顆粒大，取值不均也會(huì)產(chǎn)生影響?；谝陨显?，采用測(cè)量TS及剩余總重計(jì)算總固的減少量來(lái)計(jì)算已經(jīng)反應(yīng)的有機(jī)物的量。

從以上的數(shù)據(jù)可以看出，公司提供的菌種試樣結(jié)果，對(duì)VS計(jì)算的有機(jī)物的去除量比較明顯，另外，采用沼液作為菌種的試樣的結(jié)果也比較穩(wěn)定在40%～70%。采取沼液作為菌種，可以提高提出液的揮發(fā)酸及COD值，具體見(jiàn)表1。

擠壓渣水解試驗(yàn)—好氧水解小試水解率曲線圖

2.2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從好氧試驗(yàn)的水解率來(lái)比較，總體的水解率也不高，沒(méi)有明顯的結(jié)果。但是從VS計(jì)算的有機(jī)物減量來(lái)看，是有一定去除率。結(jié)合以上結(jié)果，自培菌種和沼液對(duì)擠壓渣的水解有效。

3 結(jié)論

對(duì)擠壓渣水解菌種的篩選試驗(yàn)做出以下結(jié)論：

1）厭氧產(chǎn)氣的菌種篩選容易，但對(duì)于工程操作比較困難，如進(jìn)料、排料對(duì)設(shè)備要求比較高，反應(yīng)的時(shí)間比較長(zhǎng)，設(shè)備的投資成本大，從減量化的目的出發(fā)建議不選用；

2）好氧實(shí)驗(yàn)的菌種篩選關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的方法，從單純的好氧水解方式的試驗(yàn)結(jié)果看，水解率不高，但是，反應(yīng)時(shí)間比厭氧的短，基本在7天左右，產(chǎn)生的液體不多，反應(yīng)容器體積不大，在工程上比較容易實(shí)現(xiàn)。由于水解率不高，分析可能由其他因素影響，采用VS計(jì)算有機(jī)物減量的方法來(lái)分析，得到自培的菌種對(duì)擠壓渣水解有很大的作用，同時(shí)，據(jù)現(xiàn)有的條件，采用沼液用為菌種也起到的去除效果。試驗(yàn)的其他公司的產(chǎn)品，水解率及去除率不明顯。

基于以上的結(jié)論，及以減量化為目的，工程投資少易于實(shí)現(xiàn)等要求，建議選用沼液作為菌種，進(jìn)厭氧罐前經(jīng)過(guò)沼液進(jìn)行提取，余渣經(jīng)脫水后，進(jìn)行烘干減量，烘干后的渣量可做肥或填埋。

參考文獻(xiàn)

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