秋季果蔬類廢棄物產VFAs效果及應用研究

孫雨清，何 晟，張昊巍，趙振振，殷 俊

（1.蘇州市環境衛生管理處，江蘇 蘇州 215007；2.清華大學環境學院，北京 100084；3.北京國環清華環境工程設計研究院有限公司華東分院，江蘇 宜興 214213）

0 引言

果蔬類廢棄物的有著含水率高，難以處理的特點[1]。其含固率一般在5%～8%左右，有機質含量高、熱值低，不適合于焚燒處理，但不具有毒性且重金屬含量極少。果蔬類廢棄物易腐爛，難貯運，形狀與氣味都對環境衛生產生惡劣影響[2]。

集中收集處理的方法對于果蔬類廢棄物而言是較為合理的。相比于普通餐飲垃圾不確定且分散的產生地點以及途徑，果蔬類廢棄的主要產生地點相對確定而固定，產生區域密集，包括種植園區、農貿市場、集散貨倉等。以蘇州為例，僅市區就擁有大莊、寶帶橋、胥江、東環、獅山等十多個大型農貿市場及以為數眾多的中小型農貿市場。同時，隨著新農業、采摘游等的興起，蘇州的種植園區數量也大幅增長。這些區域都是果蔬類廢棄物的主要產地。果蔬的種植生產、儲存、集散、運輸和加工過程都會產生數量可觀的廢棄物，易于集中收集[3]。

果蔬類廢棄物有其獨特的有機組分。相比較一般餐廚垃圾，果蔬類廢棄物含油脂與鹽類較少，而纖維素、半纖維素、木質素含量較高[4]。水果類廢棄物比蔬菜含有更高的糖分。有研究報道，果蔬類廢棄物的纖維素與木質素含量可以達到15%，糖類與半纖維素含量可以達到75%，去除水分之后，N的質量分數為2%～5%，TP質量分數在0.2%～0.5%之間[5]，K質量分數在2%～6%。這些組分表明，果蔬類廢棄物相比起普通的餐廚垃圾，盡管可水解產生揮發性脂肪酸的成分并不多，但可能具有更快的水解速度[6-7]。

1 果蔬類廢棄物特點及處理工藝

果蔬類廢棄物與普通餐廚垃圾差異較大，具體的比較見表1。

表1 果蔬類廢棄物與普通餐廚垃圾比較

利用厭氧消化技術處理果蔬類廢棄物有著一定的優勢，其具體表現與比較見表2。

表2 果蔬類廢棄物處理處置技術工藝比選

由表2可以看出，選擇厭氧消化技術工藝是因為其具有反應周期短、工藝簡單、占地小、投資少的優勢，比起填埋、焚燒等傳統技術方法，是一種更好的實現餐廚垃圾及果蔬類廢棄物減量化、無害化、資源化的方法[8-9]。

而厭氧消化產生的VFAs（揮發性脂肪酸）可以用作反硝化碳源，達到以廢制廢的目的。

從碳源需求上看，僅以蘇州七子山垃圾填埋場滲瀝液處理站為例，其進水ρ（BOD）/ρ（TN）僅為1.33，嚴重低于生物脫氮的碳氮比需求，目前，部分地依靠價格高昂的商品碳源如甲醇來解決反硝化的碳源需求。七子山垃圾填埋場滲瀝液處理進水水質和出水要求見表3。

表3 蘇州七子山垃圾填埋場滲瀝液處理進水水質和出水要求mg·L-1

2 實驗材料和方法

2.1 果蔬類廢棄物來源及性質

本文研究的果蔬類廢棄物大部分來自于種植園區和農貿市場等地，產生原因主要是搬運損耗及存貨腐爛等。

采用人工配制的秋季時令蔬果[10]作為實驗用果蔬類廢棄物。本實驗的取樣原則為：對于蔬菜，其莖與葉為實驗采用的主要部分；對于實驗原料中的瓜果，基本保留其瓜瓤/果肉與外皮。用食物料理攪拌機對原料進行破碎攪拌。

實驗模擬出與實際生活中果蔬類廢棄物的組分相近的實驗原料，并且兼顧果蔬種類的多樣性，結合文獻調研以及實地考察的結果，配比中的水果和蔬菜的比例各占50%，具體的組分和比例（質量比）見圖1。

圖1 秋季果蔬廢棄物組成

2.2 接種污泥

實驗用污泥取自高碑店污水處理廠厭氧消化池，自然沉降3 d后，選取下部濃縮污泥使用，以降低污水含水率。

2.3 試驗測試指標

實驗中需要測定與分析影響厭氧發酵效果的指標，包括：pH 值、總固體（TS）[12]、揮發性固體（VS）、揮發性懸浮固體（VSS）、NH3-N[13]、溶解性 COD（SCOD）[14]、乙醇及揮發性脂肪酸（VFAs）等。

2.4 實驗設備

實驗設備選用2個由高硼硅玻璃制作的透明發酵罐，單個發酵罐內徑16 cm，高度34 cm，總容積為5 L，其中有效容積4.5 L。

3 結果與討論

3.1 果蔬廢棄物組分

實驗所用的果蔬類廢棄物的TS，VS，VS/TS等參數經實驗測定見表4。

表4 果蔬類廢棄物基本組分

從表4可以看出，秋季的水果蔬菜都具有相當高的含水率，而ρ（VS）/ρ（TS）較高，說明果蔬類廢棄物的有機質（可揮發性組分）含量相對較高。

3.2 秋季果蔬類廢棄物產VFAs總量效果

VFAs是各種有機酸的混合物，在果蔬類廢棄物產酸發酵的過程中產生的，大部分是含2～5個碳原子的有機酸，如乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸等[15-16]。秋季果蔬類廢棄物產VFAs總量-時間變化見圖2。

圖2 秋季果蔬類廢棄物產VFAs總量-時間變化

由圖2可知，秋季果蔬類廢棄物產生的VFAs濃度總量在整個水解產酸過程呈現穩定增長的規律。在發酵的初期，第14小時，VFAs質量濃度為4 425.1 mg/L。隨著時間的增長以及水解產酸的不斷進行，VFAs質量濃度在第82小時達到8 062.9 mg/L。

3.3 秋季果蔬類廢棄物產VFAs組分比例研究

秋季果蔬廢棄物發酵水解酸化液中VFAs以及乙醇的濃度隨時間的變化見圖3。

圖3 秋季果蔬廢棄物產酸及乙醇-時間

由圖3可以看出，主要發酵產物是乙酸、乙醇，而丁酸、戊酸、異戊酸、丙酸的濃度較低。采樣從發酵的第14天到第82天，在發酵的初始階段，每6～8 h進行1次采樣，在發酵過程進行比較充分后，每10～12 h進行1次采樣。

乙酸的濃度隨時間增長而上升，14 h時，質量濃度為2 094.9 mg/L，之后在14～54 h，乙酸濃度逐漸上升，但增速逐漸放緩。54 h時乙酸質量濃度為3 969.8 mg/L。隨后其乙酸濃度繼續上升，在54～74 h乙酸質量濃度在4 000～5 000 mg/L的范圍內。82 h時乙酸濃度有所上漲，質量濃度為5 565.9 mg/L。

丙酸的濃度隨時間增長穩步上升，14 h時，濃度為134.2 mg/L，82 h時，質量濃度為785 mg/L。

丁酸的質量濃度隨著時間一直在進行小幅波動，波動范圍225.9～371.9 mg/L，未看出丁酸濃度和時間明顯的相關性。

乙醇的濃度變化規律與乙酸、丙酸和丁酸不同。從14～30 h，乙醇質量濃度從1 193.3 mg/L上升到1 495.5 mg/L。從30～82 h，以乙醇質量濃度以下降為主，中間略有反復，最終第82小時下降到838.6mg/L。

秋季果蔬廢棄物產揮發性脂肪酸的組成及各部分比例隨時間的變化見圖4。

圖4 秋季果蔬廢棄物產VFAs及乙醇組分比例

由圖4可以看出，從10～80 h的發酵產酸時間內，乙酸占總VFAs濃度的較大比例，丁酸比例比較低。

乙酸濃度的比例在產酸初期就為47.34%，隨后逐漸上升，第82小時其比例占到總VFAs及乙醇總濃度的69%。

丁酸的相對比例大致上隨著產酸時間增長緩慢減少。第14小時，丁酸的比例為7.45%，第82小時下降到3.29%。

丙酸的比例在隨著產酸時間增長同步增加，14小時，丁酸的比例為3.03%，第82小時增加到9.74%。

乙醇濃度的比例一開始從第14小時的27.0%小幅上升到第30小時的28.6%，然后開始下降，到第80小時下降到10.4%。

秋季的果蔬廢棄物產酸類型為丁酸型發酵[17-18]。

3.4 秋季果蔬類廢棄物用于SBR配水反硝化效果

秋季果蔬類廢棄物用于SBR配水反硝化效果見圖5。

圖5 秋季果蔬類廢棄物用于SBR配水反硝化效果

由圖5可知，TN初始質量濃度為35 mg/L，硝態氮濃度隨時間成線性去除，在1 h后基本完全去除。亞硝氮在反硝化開始后快速積累，在1 h處質量濃度達到最高值23mg/L，并在之后緩慢下降。反應4 h后硝態氮未檢出，亞硝氮質量濃度在10 mg/L左右，達到國家一級A排放標準[19-20]。

4 結論

采用自配果蔬類廢棄物，在間歇模式下探究了秋季時令果蔬組合厭氧水解產揮發性脂肪酸的效果，分析了VFAs濃度、組成以及轉化率等指標。

秋季果蔬的產酸濃度較低，VFAs質量濃度在82 h時達到8 062.932 mg/L，其原因可能是因為秋季實驗原料（冬瓜、茄子、白菜、梨）的含糖量低，難以降解、產酸效率低的組分含量很高。

本文選取秋季時令果蔬在pH值=6，溫度為35°C下的厭氧水解的產酸類型為丁酸型發酵。秋季果蔬產酸比例為：乙酸69.03%，丙酸9.73%，異丁酸0.19%，丁酸 3.29%，異戊酸 2.13%，戊酸 5.21%，乙醇10.04%。

利用產生的VFAs作反硝化外加碳源在SBR反應器中處理人工配水，經過4 h的處理后處理效果良好，達到一級A排放標準。