油脂降解及其對餐廚廢水厭氧發酵性能影響

廖家林， 趙明星， 黃振興， 阮文權

（江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫214122）

餐飲業產生的餐廚垃圾中富含各種動植物油脂[1]。在利益的驅動下，一些不法商販非法販賣由廢棄餐廚油脂制成的“地溝油”，致其回流餐桌，嚴重危害人們身體健康[2]。因此，安全妥善地解決餐廚垃圾及油脂問題具有重大意義。當前，國內外對餐廚油脂資源化利用的方式主要有兩種，一是將其從餐廚垃圾中分離后提煉成生物柴油，二是直接與餐廚垃圾一起轉化成生物氣[3-4]。由于油脂提煉工藝繁瑣、流程復雜，目前直接發酵產氣因其安全高效、流程簡單而受到越來越多的關注。

研究表明，油脂與糖類、蛋白質等相比具有更高的產甲烷潛力，是一種較為理想的發酵底物[5]。但油脂代謝的中間產物長鏈脂肪酸（LCFA）常常會在系統內累積，對降解微生物產生抑制效應，甚至會造成系統崩潰[6]。最新的研究表明，LCFA產生的抑制是可逆的[8]，且抑制作用主要與油脂濃度等有關。Palatsi等[9]研究發現，LCFA的質量濃度超過1.0 g/L會產生抑制，而Kwaku[10]等在用JAT菌株對質量濃度高達100 g/L的油脂進行降解試驗時發現，7 d的降解率就能達到50%以上。

餐廚油脂成分復雜，且在烹飪過程中還會產生大量醛、酮以及多環芳烴類物質[11]，為了明確其降解過程，作者以實際廢棄餐廚油脂為研究對象，探究其厭氧降解特性及發酵產沼氣潛力，同時分析其對餐廚廢水厭氧發酵的影響，為實際工程化應用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

餐廚油脂:由蘇州某環境公司提供，其性質見表1；餐廚廢水:去除餐廚垃圾中固形物和油脂后的廢水，由蘇州某環境公司提供，其性質見表2；接種污泥:取自江南大學環境與資源研究室處理餐廚廢水的反應器。

表1 餐廚油脂性質成分Table 1 Components and characteristic of kitchen grease

表2 餐廚廢水性質Table 2 Characteristic of kitchen wastewater

1.2 實驗方法

試驗裝置見文獻 [12]。于500 mL血清瓶中進行，發酵溫度（55±1）℃。油脂降解試驗中設置油脂質量濃度分別為 2.5、5.0、8.0、12.5、20.0 g/L。 廢水降解試驗中，一組加入130 mL去除油脂的餐廚廢水，另一組加入含3%油脂的餐廚廢水。各組加蒸餾水至400 mL后進行試驗，具體設置見表3。采用排水法收集氣體，每天產生的氣體取樣后排空。以接種污泥作空白對照，每組試驗做3組平行，取平均值作最終結果。

表3 試驗設計方案Table 3 Design of experiment

1.3 測定方法

長鏈脂肪酸組成測定:氣相色譜法[13]；皂化值、碘值、酸價均采用國標方法[14-16]；小分子有機物含量:氣相色譜法[17]；堿度:酸堿指示劑滴定法[18]；CODCr測定:重鉻酸鉀氧化法[18]；總磷:過硫酸鉀氧化-銻鉬抗分光光度法[18]；總氮:過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法[18]；采用Modified Gompertz方程對累積產氣數據進行分析[19]。方程如下:

式中，M（t）為累積氣體產量（mL/g）；P 為最大累積產氣量（mL/g）；Rm為最大產氣速率（mL/（g·d））；λ為延滯時間（d）；e=2.718 281 8。

2 結果與分析

2.1 餐廚油脂厭氧降解沼氣產量情況

采用批次發酵法對餐廚油脂厭氧消化進行研究。各組的產氣時間持續約30 d。對累積產氣數據用Modified Gompertz方程進行擬合，相關系數（R2）都大于0.986，見表4。可知模型與試驗的相關性比較高，能夠很好地反映油脂厭氧發酵沼氣產生過程。

表4 油脂厭氧發酵反應速率常數 （Modified Gompertz方程）Table 4 Parameters of anaerobic digestion of grease（Modified Gompertz equation）

由表4可知，在起始階段不同起始質量濃度油脂的降解都存在一個延滯期，且濃度越高，延滯期越長（λ）。這是因為較高的油脂濃度會產生較強的抑制，微生物調整適應所需要的時間也越長。

由圖 1（a）（b）可以看出，在延滯期后，各組產氣速率逐漸升高達到最大值后逐漸變緩直至最終停止。在起始油脂質量濃度分別為2.5、5.0、8.0 g/L時，其延滯期結束時的產氣速率逐漸提高，分別為74、118、145 mL/d，同時最大產氣速率（Rm）也逐漸升高，經過 12、19、26 d達到各自最大產氣量 897、1 782、2 871mL。這說明在一定質量濃度范圍內，較長時間的延滯期適應過程能使微生物活性恢復更充分，從而表現出更強的底物降解能力。系統中油脂量越多，充分降解需要的時間越長，同時也會產生更多的沼氣；但起始油脂質量濃度為12.5、20.0 g/L時，延滯期結束時的產氣速率為91、78 mL/d，最大產氣速率也出現下降，同時維持產氣時間較短，最終累積產氣分別只有1 820、1 386 mL，這說明高質量濃度的油脂對微生物產生了強烈的抑制作用，即使經過延滯期長時間的適應調整，微生物的活性仍不能完全恢復。這一結論與Broughton等[20]在用羊油試驗時得到的結果較一致。對油脂降解過程中系統pH值變化見圖2。在較高油脂質量濃度下試驗后期的系統pH仍在較適宜的范圍內，未出現系統酸化，這說明抑制并非由接種負荷過大引起VFA積累造成。因此，在起始油脂質量濃度為12.5 g/L和20.0 g/L時，對系統的抑制可能是由于油脂自身及其代謝過程中的某些中間產物所共同引起的。

圖1 不同質量濃度油脂發酵產氣情況Fig.1 Variations of biogas production at different grease concentration

圖2 不同質量濃度油脂發酵pH變化Fig.2 Variations of pH at different grease concentration

2.2 油脂厭氧消化最佳質量濃度及半抑制質量濃度確定

油脂質量濃度過高會對產沼氣產生較強的抑制作用，因此，控制油脂質量濃度在較低水平是一種較為安全的方法。但在實際工程處理中，餐廚垃圾中油脂質量濃度較高，維持較低的質量濃度意味著需要較大的反應器體積來緩沖稀釋，這在成本上考慮是不合理的。因此，確定油脂發酵的最佳質量濃度具有十分重要的現實意義。

圖3為不同油脂質量濃度下，單位質量油脂產氣量變化圖。在質量濃度低于8.0 g/L時，油脂能夠較為徹底的發酵，單位油脂產氣量達到891～897 mL/g。隨著油脂質量濃度逐漸升高，單位產氣量迅速降低。當油脂質量濃度為11.6 g/L時，其產氣量只有447 mL/g，是完全降解單位產氣量的50%左右，可以認為油脂發酵的半抑制質量濃度為11.6 g/L。

圖3中單位產氣量變化的拐點出現在10 g/L左右，為了得到較為準確的拐點質量濃度，重新設計了一批試驗。設置油脂質量濃度分別為9.0、9.5、10.0、10.5、11.0 g/L，其余條件均與第一次試驗相同，記錄產氣。對數據進行處理后，與第一次的部分結果一同列于表5。

圖3 不同質量濃度下單位油脂產氣情況Fig.3 Ultimate biogas production yields obtained of per unit of grease at different grease concentration

表5 不同質量濃度下油脂的單位產氣量Tab.5 Ultimate biogas production yields obtained of per unit of grease at different grease concentration

由表5可知，在油脂質量濃度為10.0 g/L時，單位產氣量還保持在較高水平；但油脂質量濃度為10.5 g/L時，單位產氣量出現了明顯下降。因此，選擇10.0 g/L作為油脂發酵的控制質量濃度較為合適。

2.3 油脂對餐廚廢水發酵的影響

在一定質量濃度下，油脂能充分發酵產氣，但其與餐廚廢水共發酵時是否會對發酵過程造成不利影響，則需進一步研究。從蘇州一家每天處理300 t餐廚垃圾的公司提供的數據分析，一般城市餐廚垃圾中油脂含量在3%左右。試驗取用去除油脂的餐廚廢水和油脂含量為3%的油脂廢水，通過對比研究油脂對廢水產沼氣能效的影響。

2.3.1 油脂對餐廚廢水產沼氣的影響 圖4為餐廚廢水和油脂廢水的累積產氣變化圖?？梢钥闯觯诜磻跗?，油脂廢水的產氣量低于餐廚廢水，這說明油脂影響了微生物對廢水的降解。經過4～5 d的適應后，油脂廢水的產氣量快速增加，經過30 d的發酵后，餐廚廢水累積產氣2 964 mL，而油脂廢水達到6 834 mL，比餐廚廢水產氣提高131%。同時，油脂廢水的產氣量比等量油脂和餐廚廢水分別發酵產氣總和6 488 mL多346 mL，提高5.3%。這可能是油脂與餐廚廢水混合后，調節了底物中的C/N比，使底物降解更加充分，使更多的營養物質用于產氣過程。Neves等[21]在脂肪與豬糞共發酵試驗中也同樣發現了產氣量的提高。

圖4 油脂廢水與餐廚廢水累積產氣變化圖Fig.4 Comparison of grease wastewater and kitchen wastewater on biogas production

2.3.2 油脂對餐廚廢水發酵產氣中甲烷體積分數影響 油脂的加入不僅能提高總體產氣量，對產氣中的甲烷體積分數也會造成影響。圖5為油脂廢水和單獨廢水發酵產氣中甲烷體積分數變化情況。

圖5 油脂廢水與餐廚廢水產氣甲烷體積分數變化圖Fig.5 Comparison of grease wastewater and kitchen wastewater on methane content during fermentation

由圖5可知，油脂的加入明顯提高了沼氣中甲烷的體積分數。單獨廢水發酵中，甲烷平均含量只有58.93%，與油脂混合后，甲烷平均體積分數達到64.06%，提高8.7%。這一方面是由于油脂降解產氣中甲烷平均體積分數較高，提升了整體水平，另一方面也是因為油脂的加入使得廢水自身的產氣中甲烷體積分數有所提高。由圖4可看出，單獨廢水在前2～3 d的產氣量就達到了總產氣量的50%以上，而在起始2～3天產氣中的平均甲烷體積分數遠在平均值以下，這就降低了總體甲烷體積分數水平。而油脂的添加，使得廢水在起始階段的產氣速率變緩，產氣過程向后推延，而隨著微生物對油脂的適應和降解，產甲烷菌的活性逐漸提高[22]，廢水產生的二氧化碳大量用以產生甲烷，從而使得整體的甲烷體積分數有所提高。

3 結語

1）餐廚油脂產氣過程能與Modified Gompertz方程擬合較好，單位油脂的產氣潛力在894 mL/g左右。油脂質量濃度為10.0 g/L時，油脂降解產氣效果最佳。通過單位油脂的產氣量確定油脂的半抑制質量濃度為11.6 g/L。

2）油脂含量3%的油脂廢水比餐廚廢水的發酵產氣量增加131%，且產氣中甲烷平均體積分數從58.93%提高到64.06%，提高8.7%。說明將餐廚油脂與餐廚廢水混合發酵產沼氣是可行的。油脂與餐廚廢水混合后，其產氣量比等量油脂和餐廚廢水分別發酵產氣總和提高5.3%。

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