熱處理對餐廚垃圾厭氧發酵產氫的影響

張國華,黃 黃,黃江麗,張志紅,王東升,丁建南

(江西省科學院生物資源研究所，330029，南昌)

熱處理對餐廚垃圾厭氧發酵產氫的影響

張國華,黃 黃,黃江麗,張志紅,王東升,丁建南*

(江西省科學院生物資源研究所，330029，南昌)

餐廚垃圾中有機物含量高，以沼渣為產氫菌種來源，利用餐廚垃圾為原料研究厭氧發酵制備氫氣，研究通過熱處理沼渣對餐廚垃圾厭氧發酵產氫的影響。結果表明，餐廚垃圾是理想的厭氧發酵產氫底物，熱處理能夠有效的抑制耗氫微生物的活性，提高產氫氣濃度。未加熱處理發酵產氣量大，氫氣最大濃度為29%；100 ℃加熱處理15 min發酵產氫氣最大濃度為38%，產氣量大；100 ℃加熱處理30 min發酵產氫氣最大濃度為35%，產氣量下降。以餐廚垃圾為發酵底物微生物產氫發酵的最佳pH值為5.0～6.0。

餐廚垃圾; 厭氧發酵產氫；沼渣; 熱處理

0 引言

能源與環境雙重危機使綠色可再生能源的開發研究成為當今各國工作的重點。氫氣作為清潔高效的能源，在國民經濟諸多領域中具有十分重要的用途，其開發與利用受到高度重視[1]。目前，制氫技術主要有物化法和生物法，物化法包括水電解法、甲烷裂化法和水煤氣轉化法等，存在能耗高，成本高，產生污染等缺陷；生物法主要有光合制氫和厭氧發酵制氫。厭氧發酵制氫是近年來興起的技術，有機物厭氧消化一般可分為水解、酸化、產氫產乙酸和產甲烷四個階段，根據厭氧發酵機理，抑制產甲烷階段利用有機物制備氫氣在理論上是可行的[2]。國內對厭氧發酵制氫的研究起步較晚，還處在初級階段，目前主要集中在單一組分的基質產氫研究，產氫微生物的研究，厭氧發酵制氫影響因子和過程調控的研究以及厭氧發酵制氫裝置的研究等[3]。本試驗以餐廚垃圾復雜基質為底物，以沼渣來源的混合產氫微生物作為產氫菌進行厭氧發酵產氫的可行性研究，試驗結果可以為今后厭氧生物制氫的機理研究以及餐廚垃圾的資源化利用等提供依據。

1 材料與方法

1.1餐廚垃圾及預處理

試驗用餐廚垃圾收集于江西省科學院職工食堂，主要成分為米飯、蔬菜、肉類、骨頭、湯汁、紙巾等。將餐廚垃圾中的骨頭等分揀出，稱重、烘干、粉碎后備用。將餐廚垃圾中的紙巾、筷子、牙簽等雜物分揀出計重。分揀后的餐廚垃圾利用濕熱法去除其中的油脂[4]，去油后的餐廚垃圾利用粉碎機粉碎，攪拌均勻，為免發生變質腐敗，于4 ℃保存備用。

1.2產氫菌種及預處理

產氫菌種取自于農戶老沼氣池中的沼渣，將沼渣分成3份，放置于高溫滅菌鍋中，設置高溫滅菌鍋工作溫度100 ℃，打開放氣閥，分別進行0 min、15 min、30 min加熱處理，冷卻后備用[2]。

1.3試驗裝置

試驗裝置由1 000 mL廣口消化瓶、1 000 mL集氣瓶和1 000 mL集水瓶組成，并由硅膠管進行密封連接。試驗裝置置于(35±1)℃恒溫培養箱中，每天定時量取集水瓶中排水體積[5]。

1.4試驗操作

取4組1 000 mL廣口消化瓶，分別編號為①、②、③、④，在①號消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐廚垃圾，加入300 g熱處理0 min的沼渣，加入300 g蒸餾水調節體系含水率為90%左右，混勻后調節體系pH值為6.0左右；在②號消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐廚垃圾，加入300 g熱處理15 min的沼渣，加入300 g蒸餾水調節體系含水率為90%左右，混勻后調節體系pH值為6.0左右；在③號消化瓶中加入300 g去油粉碎后的餐廚垃圾，加入300 g熱處理30 min的沼渣，加入300 g蒸餾水調節體系含水率為90%左右，混勻后調節體系pH值為6.0左右；在④號消化瓶中加入600 g未經熱處理的沼渣，加入300 g蒸餾水調節體系含水率為90%左右，混勻后調節體系pH值為6.0左右，作為試驗對照組。將4個消化瓶按照1.3中所述分別組裝好厭氧發酵裝置，并檢查裝置的氣密性。將發酵裝置置于(35±1)℃恒溫培養箱中進行厭氧發酵培養，每天定時量取集水瓶中排水體積。

pH值是餐廚垃圾厭氧發酵產氫的一個重要影響因素，pH值主要通過對微生物體內NADH/NAD+動態平衡及各種細菌生理活性的影響，而影響發酵代謝過程和產氫效果。據文獻報道，厭氧發酵產氫適宜的pH值為4.5～6.5之間，酸性環境有利于抑制產甲烷菌等微生物的生長，但是體系pH值不能太低，當體系pH<4.5時，產氫菌自身的活性也會受到抑制，產氫效果將顯著下降[6]。因此，試驗中采取適時調節體系pH值于5.5左右。

1.5分析方法

餐廚垃圾及沼渣中的含水率、總固體物質含量(TS)采用烘干法測定，總揮發性物質(VS)、灰分含量采用馬弗爐灼燒法測定，含油率采用酸水解法測定，pH值采用pHS-3C型精密pH計測定[7-8]。

氣體成分采用美國安捷倫公司Micro-GC 3000A便攜式氣相色譜儀測定。色譜條件：plot分子篩柱；柱溫、氣化室以及檢測器(TCD)溫度分別為110 ℃、100 ℃、110 ℃；氬氣為載氣[7-8]。

2 結果與分析

2.1餐廚垃圾及沼渣特性

采集自江西省科學院職工食堂的餐廚垃圾經分揀計重后，各組分的占比見表1。

表1 餐廚垃圾分類

沼渣與經分揀粉碎后餐廚垃圾，測得含水率、總固體物質含量(TS)、總揮發性物質(VS)、灰分、含油率等參數見表2。

表2 餐廚垃圾與沼渣參數測定

2.2厭氧發酵體系pH值變化

厭氧發酵裝置放置(35±1)℃恒溫培養箱后，①、②、③號試驗組pH值下降劇烈，體系pH值在12 h內均由6.0下降到4.5左右，產氣較少。④號對照組pH值變化比較平穩，產氣較少。分析認為①、②、③號試驗組由于餐廚垃圾的存在，餐廚垃圾酸化水解速度很快，造成體系pH值下降劇烈，而較低的pH值又抑制了產氫菌的活性。④號對照組中沒有餐廚垃圾的快速酸化水解，體系pH值變化較平穩，由于沒有發酵底物，因而產氣較少。

第一次測量排水后，調節①、②、③號試驗組pH值于5.5左右，①、②、③號試驗組進入產氣階段，產氣量大；之后①、②、③號試驗組體系pH值變化波動不大，一直保持在5.0～6.0之間，直至產氫結束。體系pH值變化如圖1所示。

圖1 餐廚垃圾厭氧發酵產氫pH值變化

2.3餐廚垃圾厭氧發酵產氫變化

①、②、③號試驗組在餐廚垃圾酸化水解結束調節體系pH值于5.5左右后進入快速產氣階段。日產氣量與累積產氣量分別見圖2和圖3。從圖2中可見，餐廚垃圾厭氧發酵產氫迅速，在72 h內產氫完成，在48 h內達到產氣高峰期。從圖3中可見，④號對照組產氣量較少。從圖2和圖3中可見，累積產氣量①號試驗組>②號試驗組>③號試驗組>④號對照組，得出，加熱處理菌種來源的沼渣對餐廚垃圾厭氧發酵產氫有一定的影響。

隨著厭氧發酵產氫的進行，氫氣的濃度隨著發酵時間的延長而逐漸升高，當達到產氫高峰期時，氫氣濃度也達到最大值，產氣高峰期結束后，氫氣的濃度也隨著下降。①號試驗組氫氣濃度最高值達到29%，②號試驗組氫氣濃度最高值達到38%，③號試驗組氫氣濃度最高值達到35%，④號試驗組產氣量少難以收集到氣體而未進行測定。同時，①號試驗組在產氫初期氣體成分中檢測到甲烷成分，甲烷濃度為0.2%，之后隨著發酵反應的進行①號試驗組產氣氣體成分中未檢測到甲烷。而②、③號試驗組產氣氣體中一直未檢測到甲烷成分。

圖2 餐廚垃圾厭氧發酵產氫日產氫氣量

圖3 餐廚垃圾厭氧發酵產氫累積產氫氣量

3 討論與結論

厭氧發酵制氫技術是一種既能降解有機廢水或廢棄物，又能產出清潔能源的生物制氫工藝，具有巨大的發展潛力和工程應用前景。餐廚垃圾中有機物含量極高，營養成分豐富，配比均衡，十分容易被生物降解，是十分理想的厭氧發酵底物。

沼渣中含有種群豐富的厭氧菌種，可以作為產氫菌種很好的來源，但是其中同時存在數量豐富的耗氫微生物，如產甲烷菌、硫化細菌等，如果不抑制耗氫微生物的活性，厭氧發酵產生的氫氣會迅速被消耗掉。本論文研究了通過熱處理方法控制耗氫微生物的活性，從2.3結果中可見，雖然①號試驗組接種沼渣未經熱處理，累積產氣量較②、③號試驗組略高，但是①號試驗組氣體中檢測到了甲烷成分，而且氫氣濃度較②、③號試驗組氣體成分中氫氣濃度低。說明①號試驗組接種的沼渣未經熱處理，沼渣中的耗氫菌消耗了部分產生的氫氣，即表明沼渣經熱處理后較好的抑制了沼渣中耗氫微生物的活性。同時，試驗結果表明熱處理15 min較熱處理30 min厭氧發酵制氫產氣效果好。

pH值是影響餐廚垃圾厭氧產氫過程中一個重要的環境因子。從本論文研究的結果可見，以餐廚垃圾為發酵底物微生物產氫發酵的最佳pH值在5.0～6.0之間，產氫菌能承受的最低pH為4.5。

[1] 鄧心安,張應祿.生物能源發展及對未來農業的影響[J].中國農業科技導報,2008,10(2):1-5.

[2]孫巖斌.不同預處理對餐廚垃圾厭氧聯產氫氣和甲烷的影響及其機理研究[D].北京:北京化工大學,2013:1-40.

[3]孫營軍,丁穎,吳偉祥,等.餐廚垃圾發酵生物制氫研究進展[J].科技通報,2009,25(2):226-232.

[4]任連海,金宜英,劉建國,等.餐廚垃圾固相油脂液化及分離回收的影響因素[J].清華大學學報,2009,49(3):386-389.

[5]林云琴,武書彬,梁嘉晉.預處理對造紙污泥和餐廚垃圾混合發酵的影響[J].華南理工大學學報,2012,40(5):71-75.

[6]張玉靜,蔣建國,王佳明.pH值對餐廚垃圾厭氧產酸的影響[J].中國給水排水,2013,29(1):30-33.

[7]張國君.餐廚垃圾厭氧發酵產氫研究[D].合肥:合肥工業大學,2011:1-15.

[8]楊力.餐廚垃圾厭氧發酵生物制氫試驗研究[D].長沙:湖南大學,2013:1-13.

TheInfluenceofHeatTreatmentonBio-hydrogenProductionUsingKitchenwasteViaAnaerobicFermentation

ZHANG Guohua,HUANG Huang,HUANG Jiangli,ZHANG Zhihong,WANG Dongsheng,DING Jiannan*

(Institute of Biological Resources,Jiangxi Academy of Science,330096,Nanchang,PRC)

High content of organic matter in kitchen waste,study on bio-hydrogen production using kitchen waste via anaerobic fermentation,as biogas residue for hydrogen production bacteria source,researched the effect of heat treatment on biogas residue for hydrogen production by anaerobic fermentation of kitchen waste.The results show that,kitchen waste is an ideal substrate for hydrogen production by anaerobic fermentation,heat treatment can effectively inhibit the hydrogen consumption microbial activity,enhancing the production of hydrogen concentration.Without heat treated fermentation gas production is large,the maximum concentration of hydrogen is 29%;The maximum concentration of hydrogen by anaerobic fermentation is 38% with large amount of gas,by heat treated in 100 ℃ with 15 min;The maximum concentration of hydrogen by anaerobic fermentation is 35% with gas production decreased,by heat treated in 100 ℃ with 30 min.The optimum pH of microbial fermentative hydrogen production is 5.0～ 6.0,as kitchen waste as the fermentation substrate.

kitchen waste;anaerobic fermentation;biogas residue;heat treatment

2014-08-02;

2014-09-22

張國華(1983-)，男，碩士，助理研究員，主要從事應用微生物及廢棄資源再利用研究。

江西省科技計劃項目(編號:20111BBG70012-1)。

*通訊作者：丁建南(1955-)，男，博士，研究員，從事應用微生物研究。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.006

X705

A

1001-3679(2014)06-0773-04