1、第36卷第4期,2023年7月 宁 波 大 学 学 报（理 工 版）中国科技核心期刊 Vol.36 No.4,July 2023 JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY(NSEE)中国高校优秀科技期刊 DOI:10.20098/ki.1001-5132.2023.0211 进料有机负荷及回流比对餐厨垃圾协同水葫芦发酵产氢的影响研究 李哲璇1,孙叶 2,董志颖1*,余俊新1,李 兵1,胡甜甜1,蒋 丽1（1.宁波大学 土木工程与地理环境学院,浙江 宁波 315211;2.宁波市生态环境局慈溪分局,浙江 慈溪 315302）摘要:有机固体废物进行多组分协同厌氧发酵可以产生清洁能源
2、气体,从而达到资源化处理的目的.本文通过设置不同进料有机负荷及回流比,分析餐厨垃圾协同水葫芦厌氧产氢过程中产气量、氢气含量、SCOD、挥发性脂肪酸(VFAs)、pH 及氨氮(NH+-N)各参数的变化.结果显示,高有机负荷和高回流比会导致系统的VFAs累积,使系统pH值降到5.0以下;进料有机负荷对于餐厨垃圾协同水葫芦厌氧产氢的影响更大,系统内的氨氮浓度及 SCOD 浓度均与进料有机负荷呈正相关;当进料有机负荷为 10kgm-3d-1、回流比为 30%时,系统产氢效果最好,累计产气量为80946mL,氢气含量为 35.83%.本研究结果可为有机固体废物资源化处理提供参考.关键词:进料有机负荷;回
3、流比;餐厨垃圾;水葫芦;厌氧发酵;产氢 中图分类号:X705 文献标志码:A 文章编号:1001-5132（2023）04-0064-06 餐厨垃圾是一种重要的生物质资源,其目前最主要的资源化处理方式是厌氧发酵.厌氧发酵技术能够回收餐厨垃圾中 97.3%的能量1,包含清洁能源氢气.氢气的热值大约是焦炭和汽油等碳氢燃料的3 倍,可作为内燃机和燃气轮机的替代燃料;氢气燃烧时仅产生水,也被视为燃料电池的最佳燃料2.与传统高能耗制氢技术相比,发酵制氢具有微生物比产氢速率高、原料来源广泛、工艺简单等优点,是理想的制氢方法3.有机废物厌氧产氢可利用传统厌氧发酵工艺前半段过程中的副产物,通过技术手段和工艺参
4、数优化来提高产氢效率和氢气量4.餐厨垃圾是较为典型的有机废物,具有丰富可降解组分含量、高油脂与高含盐量等特性,若其单独发酵,在水解阶段会产生大量 VFAs,容易产生酸抑制,而造成厌氧发酵失败.水葫芦作为一种外来入侵水生物种,在快速繁殖过程中会消耗大量溶解氧,加剧水体富营养化,对我国的水体环境造成严重破坏.水葫芦主要特点是纤维素含量高,水解速度慢,发酵周期长.将水葫芦作为餐厨垃圾发酵产氢辅料,不仅可以削弱盐和油对微生物的抑制作用,同时能有效调节系统营养,还可以减轻当前水葫芦对水体的污染现状.进料有机负荷是影响厌氧发酵产氢效果的重要因素之一.有机负荷过低会使系统缺乏充足的能量和营养,导致产气潜力受
5、到抑制5;合适的有机负荷能使系统内部处于较好的动态平衡,最大程度发挥系统消纳有机物与产气能力.与此同时,合适回流比能够帮助维持反应器内的 pH 值,有助于提升反应器内微生物活性6.熊杰等7对餐厨垃圾两相厌氧消化特性试验研究发现,餐厨垃圾最优酸化条件为有机负荷 30gL-1,酸化时间 5d.郭燕峰等8对厨余垃圾厌氧发酵的研究表明,当有机负荷控制在 3.896.49kgm-3d-1之间,池容产气率可稳定在 2.54.5Ld-1.于涛等9以餐厨垃圾为发酵原料,研究有机负荷与工艺参数相互间的作用,结果表明,系统最佳有机负荷为 3.9kgm-3d-1.从 收稿日期:20230206.宁波大学学报（理工版
6、）网址:http:/ One health 交叉学科研究项目（HY202203）.第一作者:李哲璇（1998）,女,浙江宁波人,在读硕士研究生,主要研究方向:固体废弃物处理及水利工程.E-mail:*通信作者:董志颖（1977）,女,吉林农安人,讲师,主要研究方向:环境污染与微生物.E-mail: 第 4 期 李哲璇,等:进料有机负荷及回流比对餐厨垃圾协同水葫芦发酵产氢的影响研究 65 上述研究结果看,不同发酵底物的有机负荷间没有显著相关性,且目前研究主要集中在厌氧发酵产甲烷方面.王星等10也在试验基础上研究了消化液回流比与有机负荷对餐厨垃圾厌氧消化的影响.由此可见,关于进料有机负荷及回流比对
7、厌氧发酵产氢的影响都未见相关报道.基于此,本文以餐厨垃圾及水葫芦作为发酵原料,分析了不同进料有机负荷及回流比对餐厨垃圾协同水葫芦厌氧发酵的产氢效果及产氢过程的影响,以期为固体废物厌氧发酵产氢技术提供理论和数据支撑.1 材料与方法材料与方法 1.1 实验材料实验材料 实验所用餐厨垃圾取自宁波某大学食堂,主要成分为米饭、面食、蔬菜和肉类等.人工分选出骨头、纸巾、鱼刺、塑料袋及其他难降解物质,然后用小型粉碎机将其打碎至粒径为25mm的糊状,再将其密封至于 4的冰箱中冷藏待用.水葫芦取自宁波某大学校园景观河,人工去除枯枝烂叶和贝壳类生物,风干后,用小型粉碎机将其充分粉碎,并置于干燥器中待用.接种液取自
8、宁波某餐厨垃圾处理企业厌氧发酵罐中的发酵液,发酵液经高压灭菌锅 100灭菌处理 30min,以灭活杂菌,后将其密封至于 4的冰箱中冷藏待用.餐厨垃圾、水葫芦、接种液的各种理化参数见表 1.表 1 餐厨垃圾干燥基、水葫芦干燥基、接种液的理化参数 参数 餐厨垃圾 水葫芦 接种液 TS/%18.360.19 94.610.26 7.630.18 VS/%92.430.21 84.690.19 94.360.21 pH 5.630.06-7.120.08 脂肪/%18.240.11-粗蛋白/%24.180.15-碳水化合物/%43.680.17-TC/%53.840.18 36.570.19-TN/%
9、3.040.09 0.630.05-C/N 20.670.21 58.320.26-注:TS 为总固体;VS 为挥发性固体;TC 为总碳;TN 为总氮.从表 1 中可以看出,餐厨垃圾 C/N 比值低,水葫芦 C/N 比值高,将餐厨垃圾与水葫芦进行厌氧共发酵能均衡系统 C/N,以满足微生物生长需求.1.2 实验装置实验装置 图 1 厌氧反应器主体由亚克力玻璃和不锈钢组成.反应器容积为8L,本实验中有效容积为5L.反应器采用隔层水浴加热.顶部设有电机,连接罐体内的搅拌轴,反应器上端进料,下端出料.反应器内置 pH 值在线监测系统,反应产生的气体采用集气袋收集.图 1 实验装置示意图 1.3 实验设
10、实验设计计 根据前期餐厨垃圾协同水葫芦厌氧产氢的物料配比及预处理实验结果,将餐厨垃圾与水葫芦按照最佳比例 6:1(以 TS 计)配比,并采用高温进行预处理后,按照不同进料有机负荷及回流比分为 9组,分别编号 A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3.其中,A、B、C 分别代表进料有机负荷为5、10、15kgm-3d-1,1、2、3 分别代表回流比为10%、30%、50%,具体实验方案设计见表 2.将物料与接种液按 VS 质量比 6:1 进行接种,随后投入到图 1 所示的反应器中.前期实验结果显示,系统运行至 24h,产气效率最高,因此实验中每隔 24h出料(经过发酵产氢阶段后排出的
11、物料)一次,同 表 2 实验方案设计 实验编号 有机负荷/(kgm-3d-1)回流比/%A1 5 10 A2 5 30 A3 5 50 B1 10 10 B2 10 30 B3 10 50 C1 15 10 C2 15 30 C3 15 50 1.排气口;2.搅拌器;3.进料口;4.回流端;5.控制器;6.pH 监测探头;7.温度监测探头;8.取样口;9.出料口;10.循环水浴加热器.回流 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 66 宁波大学学报（理工版）2023 时将出料物按照设计回流比进行回流,水浴温度设定为 55,电动搅拌器转速设置为 400rmin-1,实验过程中产生气体采用 E-
12、Switch 集气袋进行收集,所有实验在相同条件下设置 3 组平行试样.为定性分析不同阶段产气量以及系统内各组分变化情况,每隔 4h 进行一次取样.厌氧发酵系统持续反应时间设定为 48h.1.4 分析方法和数据处理分析方法和数据处理 氢气含量及挥发性脂肪酸采用北京北分瑞利SP2100气相色谱仪进行测定,pH采用梅特勒-托利多 FE28-Standard pH 计测量,NH+-N 通过尤尼柯7200 型可见分光光度计测定,SCOD 采用重铬酸钾法11进行测量.采用 Excel 2019、Origin 2018 等软件进行数据处理及图形绘制.2 结果与讨论结果与讨论 2.1 进料有机负荷和回流比对
13、产氢量的影响进料有机负荷和回流比对产氢量的影响 图 2 为不同进料有机负荷及回流比下,协同厌氧发酵过程中的产气量及氢气含量.在发酵前 8h,接种液内的厌氧微生物逐渐适应新环境,并大量增殖,此时产气量及氢气含量均呈现快速增长趋势.随着反应进行,系统内有机物被大量消耗,因此在12h后,部分实验组的产气量和氢气含量开始逐渐下降.系统运行至 24h,随着物料的回流,部分实验组的产气量及氢气含量又逐步提升.但 A3组、B3 组及有机负荷为 15kgm-3d-1实验组的产气量及氢气含量均呈现下降趋势,并直至为 0.表明高回流比和高有机负荷都会对系统造成较大冲击,并不能有效地提升产氢效果.原因可能是由于过高
14、回流比会使出料中的大量耗氢细菌及抑制剂随着回流液与原料混合12,过高的有机负荷增大了有机质之间的传质阻力,不利于微生物与底物接触,且底物浓度过高会造成氨氮、重金属、VFAs大量累积,抑制微生物活性13.从图 3 可见,在 10kgm-3d-1有机负荷及 30%回流比(B2 组)的情况下,系统的累计产气量和氢气含量均处于最高值,累计产气量达到 80946mL,氢气含量为 35.83%,系统的产气效果达到最佳.因此,在餐厨垃圾与水葫芦以较高进料有机负荷协同发酵过程中,辅以合适的回流比可以更好地减轻系统内 VFAs 与氨氮的累积,平衡系统酸碱性,削弱有机质之间的传质阻力,激发产氢菌活性,从而可以提高
15、系统产氢效果,这与 Nordberg 等14及傅国志15的研究结果较接近.2.2 进料有机负荷和回流比对产氢过程的影响进料有机负荷和回流比对产氢过程的影响 SCOD 是表征厌氧发酵液中有机物含量的重要指标.厌氧发酵体系中碳水化合物和蛋白质多以固相形式存在,它们在转化为 VFAs 之前首先需要溶解,并释放至发酵液中,通过 SCOD 可以表征发酵过程中有机物的溶出情况16,这些可溶性的有机物是厌氧发酵产氢系统内微生物进行生命代谢活动的主要能量来源.在厌氧发酵产氢过程中,系统内SCOD含量随反应时间变化情况如图 4(a)所示.在发酵前期,系统内SCOD在22000mgL-1左右,随着反应的进行,图
16、2 厌氧发酵过程中的产气量(a)及氢气含量(b)图 3 厌氧发酵 48 h 的累计产气量及氢气含量 第 4 期 李哲璇,等:进料有机负荷及回流比对餐厨垃圾协同水葫芦发酵产氢的影响研究 67 大量的固态有机废物在微生物及酶的作用下被水解为溶解性的有机物,系统内的 SCOD 浓度迅速上升,反应进行 12h时,系统内SCOD质量浓度已经接近 45000mgL-1.在发酵 1224h 内,SCOD 浓度持续下降,这是由于系统内的厌氧微生物正在进行生命活动,消耗了大量溶解性有机物.在 24h时,排出物料大大降低了 SCOD 浓度;后期随着新物料的不断分解,系统中 SCOD 浓度又再一次升高.在发酵后期的 SCOD 浓度变化中可以看出,不同的有机负荷对于厌氧发酵系统内 SCOD 浓度的影响更加明显,有机负荷越高,SCOD 浓度越高,这与孟宪武等17的研究结果一致.在厌氧发酵 32h之后,SCOD 浓度开始下降,这是由于溶解性有机物的消耗速率大于有机物从固相中溶出的速率.相对于其他组别,C1 组、C2 组、C3 组、B3 组及A3 组的 SCOD 浓度降幅并不明显,且其浓度处于较高水平,结合图4(b