餐厨垃圾热水解生产碳源的效能研究

讯：摘要：食物垃圾可以通过厌氧消化经济地转化为一种碳资源，这被认为是一种可以将“废物”转化为“财富”的途径。热水解预处理促进污泥固体部分有机物的溶出，使得长链有机聚合物水解成小分子有机物，进而改善污泥的消化性能通过对餐厨垃圾水热预处理，比较不同温度下餐厨垃圾溶出的有机物含量，确定最佳的水热温度，并探究热水解对餐厨垃圾厌氧发酵的影响。在180℃以内，水热预处理能有效增加餐厨垃圾液中可溶有机物的含量，其中提高水热温度，蛋白质和氨氮的含量也会增加。由于SCOD/TN的值很大，作为反硝化碳源不会引入新的氮污染物。

关键字：热水解预处理；碳源；餐厨垃圾

利用有机物作为外加碳源的研究已有二十年的历史。许多文献已经验证了常见碳源（乙酸、乙醇和葡萄糖）的有效性，但这些碳源高昂的成本导致其难以应用于实际[1]。餐厨垃圾由于其富含有机物，是理想的碳源制备基质[2]。厌氧发酵的第一个阶段水解是其限速步骤，因此是提高发酵效率关键。通过酸/碱处理、热处理、超声处理和水热处理促进水解效率已经被广泛研究[3]。王佳明等研究表明超声波预处理可以促进餐厨垃圾的水解效率和VFAs产率[4]。Yin等在100-200℃不同温度水热预处理后，发现餐厨垃圾中SCOD、蛋白质、碳水化合物和脂类随温度增加而增加，水热预处理可显著提高餐厨垃圾发酵时VFAs的产量[5]。宋珍霞等研究表明餐厨垃圾厌氧发酵产VFAs的最佳热碱预处理pH值为11[6]。

热水解预处理虽然促进了餐厨垃圾固体有机物溶解，但是餐厨垃圾中的有机物并没有完全溶出。为了得到最大产量的可溶性碳源，还要将固态餐厨部分进一步进行厌氧发酵。厌氧发酵的第一个阶段水解是其限速步骤[7]，提高餐厨垃圾的水解效率也是生产反硝化碳源的关键。前两步水解酸化的发酵产物是可行的替代碳源，因为溶解的有机物含量（由有机酸组成，主要是乙酸、丙酸和乳酸）很高。

因此，本章通过对餐厨垃圾水热预处理，比较不同温度下餐厨垃圾溶出的有机物含量，确定最佳的水热温度，并探究热水解对餐厨垃圾厌氧发酵的影响。

1.材料与方法

1.1 实验设计

实验设置五个预处理温度，即常温、110℃、135℃、160℃和185℃。取TS=26%的储备餐厨垃圾19.2 g加去离子水30.8 mL稀释到TS=10%，倒入100 mL反应釜内胆中，从常温加热到设定温度后，在鼓风干燥箱中加热30 min后取出自然冷却，将处理后的餐厨垃圾倒入50 mL离心管中离心5 min，转速设为8000 r/min。离心后用5 mL注射器吸取上清液，用0.45 μm滤头进行过滤，过滤液用于测定SCOD、VFAs、多糖、蛋白、氨氮、硝态氮和总氮。

以常温作为对照组，110℃、135℃和160℃为实验组，取30.77 g TS=26%的餐厨按上述步骤处理，将离心后的上清液倒掉，处理过后的固态餐厨与1g活性污泥与151 mL去离子水混合均匀得到TS=5%的餐厨垃圾并分别装到四个250 mL盐水瓶中，用氮气吹脱5 min后密封，然后放在33℃恒温培养箱中进行发酵6天。每天取3 mL发酵液，离心过滤后测定发酵液中的SCOD、VFAs、乳酸、多糖。

1.2餐厨垃圾和接种污泥

实验所用餐厨垃圾取自合肥工业大学德园食堂，主要是大米、鸡肉、鱼肉、豆制品、青菜等。将餐厨垃圾预处理，通过添加少量水，利用豆浆机将餐厨垃圾打碎呈糊状，保存在4℃冰箱中。测得餐厨垃圾的TS为26%，挥发性固体（VS）为24%。

本次实验的接种污泥取自合肥市朱砖井污水处理厂。测得污泥的TS为8.8%，VS为4.2%。将污泥混合液倒入50 mL离心管中在6000 r/min的转速下离心5 min，倒掉上清液后将固体污泥作为接种污泥。

2.结果与讨论

2.1不同温度对餐厨垃圾组分溶出的影响

从图1（a）可知在110℃-185℃之间，SCOD随着温度增加而有所增加，且均高于对照组。由图1（b）可知在110℃-185℃之间，在高于135℃的水热条件下会显著释放氨氮从而导致总氮的增加。常温、110℃、135℃、160℃和185℃热水解后COD/TN分别为186、229、254、155和128，反硝化脱氮所需要的C/N比为6时基本脱氮完全，以处理20 mg/L的硝态氮为例，常温、110℃、135℃、160℃和185℃处理后的餐厨垃圾液体部分作为碳源时需分别稀释243、324、400、440和502倍，由碳源引入的氨氮和有机氮的浓度分别为0.51、0.31、0.28、0.45和0.82 mg/L。因此由于餐厨垃圾很高的碳氮比，作为碳源时带入的氮含量极低，不会导致总氮的出水超标。可溶性蛋白浓度随着预处理温度的升高而不断升高，说明水热预处理过程中蛋白质几乎没有分解[8]。185℃水热条件下的可溶性蛋白含量增加到8.08 g/L，比未经水热预处理的蛋白质浓度高出6.56倍。由此得出结论，适当温度下的水热预处理可以使餐厨垃圾的有机物释放，温度更高SCOD中的蛋白含量显著增加，而蛋白质相对于多糖和酸类物质更难被微生物利用，并且温度越高也越浪费热源，从碳源的可利用性和经济性的角度看，160℃热水解餐厨垃圾最合适。

图1 不同温度下餐厨垃圾热水解后SCOD、可溶性多糖、蛋白、VFAs、硝态氮、氨氮和总氮的含量。实验条件：TS=10%，热水解时长30 min

2.2 不同温度对餐厨垃圾发酵的影响

从图2（a）可以看到不同温度预处理过后的餐厨垃圾发酵过程SCOD缓慢增加。SCOD的浓度从高到低依次为常温组、110℃、135℃和160℃，可以发现预处理阶段溶出的SCOD越高，发酵阶段SCOD越低。这可能是因为在预处理阶段餐厨垃圾热水解使其中的有机物部分溶出，所以在发酵过程含量较低。所有组的可溶性多糖的含量在两天内迅速降解并一直保持在很低的浓度（图2（b）），这一结果和以前的研究是一致的[5]，发酵过程中多糖被水解成单糖并进一步被氧化成丙酮酸，丙酮酸又容易被转化成乙酸、丙酸和丁酸[9]。VFAs的增长趋势和SCOD相似（图2（d）），整体上呈上升趋势，各组VFAs/SCOD的比值也由第一天不到20%提高到超过60%。

乳酸也在发酵过程中的变化如图2（c）所示，各组的乳酸浓度均保持在3.5 g/L内低水平波动，其中160℃的实验组乳酸含量低于其他组，可能是因为热预处理具有灭菌效果[10]，使餐厨垃圾中原本的乳酸菌含量减少。而对照组中的乳酸菌虽然很多，但是乳酸含量却未高出实验组很多，这可能是因为乳酸菌将有机物转化乳酸后，乳酸作为中间产物又转化成VFAs。

图2 水热预处理后的餐厨垃圾厌氧发酵过程中SCOD（a），碳水化合物（b），乳酸（c）和VFAs（d）的变化。实验条件：TS=5%

3.结语

（1）在180℃以内，水热预处理能有效增加餐厨垃圾液中可溶有机物的含量，其中提高水热温度，蛋白质和氨氮的含量也会增加。由于SCOD/TN的值很大，作为反硝化碳源不会引入新的氮污染物。

（2）热水解预处理后的餐厨垃圾固体进行厌氧发酵，VFAs/SCOD的比值增加。