高負荷條件下pH調控對厭氧發酵產酸的影響*

韓丹，鄭明月，王凱軍

（1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京100082；2.清華大學環境學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京100084）

高負荷條件下pH調控對厭氧發酵產酸的影響*

韓丹1，2，鄭明月2，王凱軍2

（1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京100082；2.清華大學環境學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京100084）

通過對果蔬垃圾的連續流厭氧發酵實驗，考察了控制溫度為35℃，控制pH（4.0、5.0、5.5、6.0），產酸相發酵產物組分的變化規律；考察了控制pH高負荷條件下不同有機負荷對酸化類型的影響。結果表明：負荷逐漸提高，酸化類型不變，酸化產物濃度基本不變；高負荷下控制pH=4能夠形成穩定的乙醇化產物，但總體酸化率較低。

高負荷；厭氧發酵類型；pH；果蔬垃圾

水果蔬菜廢棄物在我國城市垃圾中占有較大的比例，由于其自身較高的含水率以及含量較高的有機成分，采用厭氧消化工藝是處理這些廢棄物的合理選擇。酸化過程是果蔬垃圾厭氧發酵產生甲烷與二氧化碳的首要步驟。在實際垃圾的厭氧處理過程中，常規的產酸相反應器中的微生物均為混合菌種，這些種群間存在生態位的相互補充和重疊，導致它們之間存在種群間的協作和競爭，不同的酸化產物和乙醇在酸化反應器中生成。由于酸化產物的組成影響后續甲烷相的處理效果，選擇合適的操作參數和負荷，控制酸化相的產物組成對果蔬垃圾的厭氧消化尤為重要［1］。

產酸發酵過程受多種因素影響，主要有溫度、pH、ORP、HRT及有機負荷等生態因子。通過對以上生態因子的調控，可以影響產酸相的末端發酵產物以及發酵類型。pH對產酸發酵細菌的發酵末端產物組成影響很大，是發酵過程中最重要的生態因子之一。研究表明，pH的高低影響參與代謝過程中酶的活性，從而影響代謝活動的正常進行［2］。何品晶等［3］研究了pH對有機垃圾厭氧水解和酸化速率的影響，發現了發酵液pH=7時最有利于微生物的合成代謝；堿性條件會抑制有機垃圾的酸化速率。李楊等［4］研究了pH對剩余污泥厭氧酸化的影響，發現堿性條件剩余污泥的酸化率大于酸性條件。鄭明月等［5］考察了控制pH時果蔬垃圾發酵產物組分的變化規律，發現發酵產物隨pH變化明顯。對于有機負荷對產酸發酵過程的影響方面，尚缺乏系統研究。而且通過對乙醇型反應器進行連續運行，發現乙醇濃度隨著負荷提高而提高，說明發酵類型與有機負荷密切相關，但是負荷最高達到10 g/（L/d），仍然為較低負荷水平。本研究通過果蔬垃圾連續厭氧發酵實驗，考察高負荷條件下，控制pH和溫度，對發酵產物組成和發酵類型的影響，比較不同pH條件下發酵產物的分布及隨負荷變化的演變規律，為果蔬垃圾的厭氧發酵系統的運行控制提供理論和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

接種所用污泥為北京市小紅門污水處理廠污泥消化池厭氧污泥，厭氧消化污泥VSS濃度為10.0 g/L。發酵的原料為西瓜、蘋果、土豆按4∶2∶1的比例經垃圾處理器破碎混勻而成，冷凍保存備用，其pH=4.5，TS為9.9%，VS為8.75%。

1.2 試驗設計和方法

試驗采用4個直徑為13.5 cm，高為14 cm的有機玻璃反應器，有效容積為1.5 L，4個反應器均使用pH控制器通過啟動加酸加堿泵自動調節反應器內pH在設定范圍內。調節pH使用8%的NaOH溶液和1 mol/L的HCl溶液。采用磁力攪拌器對污泥進行攪拌，攪拌速度為490 r/min，反應裝置于35℃恒溫室內運行。4個反應器pH分別設為4.0、5.0、5.5、6.0，每天進出料1次，污泥接種后使反應器內污泥濃度VSS達到10.0 g/L，反應器啟動和運行條件見表1。

表1 反應器運行條件

1.3 測定項目和分析方法

有機物含量（Volatile Solid，VS）、污泥揮發性懸浮固體（Volatile Suspended Solids，VSS）含量均采用重量法測量［6］，pH使用pH測定儀測定（美國HACH，sension1）。TCOD、SCOD使用微回流消解比色法測定［6］。氣體產量使用濕式流量計測定。使用氣相色譜方法測定揮發性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFAs）和乙醇。樣品預處理方法：以15 000 r/min低溫離心15 min，上清液pH加磷酸調節到小于2，再先后過0.45 μm和0.22 μm濾膜。氣相色譜儀（美國Agilent，7890A）：FID檢測器，毛細管柱，柱溫由70℃升溫到180℃，恒定柱流量2.77 mL/min。

2 結果分析和討論

2.1 反應器pH變化規律

4個反應器H1、H2、H3、H4使用pH控制器對其pH不間斷調控，每隔24 h進出料1次，并測定其pH，結果如圖1所示。

圖1 反應器內pH變化規律

從圖1可以看出，通過pH的不間斷調控，H1、H2、H3、H4的pH分別穩定在4.0、5.0、5.5、6.0左右。

2.2 不同pH條件下酸化產物的變化規律

采用連續運行方式，對pH分別為4.0、5.0、5.5、6.0條件下VFA濃度隨發酵時間的變化進行了為期3個月的連續測定，分別為3個階段，結果見圖2～6。

果蔬垃圾厭氧發酵過程中產生的VFA主要為乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸，圖2為不同pH條件下VFA產量隨時間的變化。

圖2 不同pH條件下VFA產量的變化

圖3 H1（pH=4.0）酸化產物各組分變化情況

圖4 H2（pH=5.0）酸化產物各組分變化情況

圖5 H3（pH=5.5）酸化產物各組分變化情況

圖6 H4（pH=6.0）酸化產物各組分變化情況

有機負荷13 g/L，不同pH條件下的酸化產物組成如圖2所示，調控pH能夠使主要酸化產物比例發生變化。從圖3可以看出，pH=4.0，有機負荷為13 g/L，連續運行26 d，發酵液的主要揮發酸組分為乙醇和乙酸，運行到第10天，乙醇濃度達到最大值18 g/L，乙醇乙酸含量占總揮發酸的98.9%，乙醇轉化率達到51.77%，為典型的乙醇型發酵，高濃度乙醇產量維持14 d，隨后降低。由于產甲烷相微生物對底物的轉化速率依次為乙醇＞戊酸＞丁酸＞乙酸＞丙酸［7］，乙醇最容易轉化，且產生的乙醇可通過提純用做燃料，所以乙醇型發酵為最佳發酵類型。

從圖4可以看出，pH控制在5.0，酸化產物的主要成分為乙酸和丁酸，含有少量的乙醇、丙酸和戊酸，乙酸和丁酸在總酸中的質量比分別為20%和30%，其余3種酸在總酸中的質量比都為10%，呈現出混合酸發酵的特點。在反應的第5天，單酸濃度都達到最大值，隨后就穩定在一定濃度范圍。所以控制pH為5.0可以形成穩定的混合酸發酵。由于含有一定量的丙酸和戊酸，所以混合酸發酵不適于工業應用。

從圖5可以看出，控制pH為5.5，酸化產物的主要成分為丁酸和乙酸，含有少量的丙酸，基本不含乙醇。在反應的前15 d，累積丁酸濃度逐漸增加，隨后穩定在15 g/L，丁酸和乙酸在總酸中所占質量比為70%～80%，為典型的丁酸型發酵。

從圖6可以看出，控制pH為6.0，酸化產物的主要成分同樣為丁酸和乙酸，含有少量的丙酸和極少量的乙醇。在反應的第12天，丁酸濃度達到最大值，隨后就穩定在13 g/L，丁酸和乙酸在總酸中所占質量比為70%～90%，為典型的丁酸型發酵。說明pH在5.5～6.0可以形成穩定的丁酸型發酵，且pH增高，丁酸濃度減少，乙酸濃度增加。這與趙丹等［8］的研究一致。在pH=5.5條件下，既可發生丁酸型發酵，又可發生丙酸型發酵。此條件下，系統處于微生物生長和代謝的非穩定狀態，各個種群微生物對環境中ORP干擾較敏感。丁酸型發酵的優勢菌種多為專性厭氧菌，ORP較低的條件下，進行丁酸型發酵的頂極群落與環境相適應，而丙酸型發酵的細菌往往為兼性厭氧菌，適于在較高的ORP條件下生存［9］。這也解釋了pH控制在5.5沒有形成丙酸型發酵的原因。雖然pH=6.0酸化效果較好，有易分解的丁酸產生，但為了維持pH，需要不斷投加堿性物質，增加運行成本，不宜采用。

以上結果表明，pH可以有效地選擇發酵類型，pH=4.0可以形成乙醇乙酸為主的發酵，pH=5.0～6.0可以形成丙酸、丁酸、乙酸為主的發酵，pH越高，乙醇含量越少。pH除影響功能酶的活性外，還會導致發酵細菌代謝途徑的選擇，表現在酸化產物的種類和產生量的變化，并進一步反饋抑制水解過程，另外pH會使酸化產物以不同形態（分子態或離子態）存在，從而形成不同程度的產物抑制。pH對發酵的影響主要是通過影響厭氧優勢菌種和同一種群的代謝途徑實現［7］。

2.3 不同有機負荷對酸化產物濃度的影響

4個反應器分別固定pH為4.0、5.0、5.5、6.0，通過調節不同階段有機負荷，考察不同pH條件下有機負荷對發酵類型的影響。實驗分為3個階段，如圖7，第一階段有機負荷為13 g/L，第二階段有機負荷為20g/L，第三階段有機負荷為30g/L。

圖7 不同階段有機負荷

從圖8可以看出，pH控制在4.0，3個階段的主要產物為乙醇和乙酸，且隨著負荷的提高，乙酸所占質量比逐漸增大，乙醇所占質量比逐漸減小。

圖8 pH=4.0不同負荷酸化產物分布情況

圖8顯示，在第一階段，運行到第10天，乙醇濃度達到最大值18 g/L，維持14 d，隨后降低，第二、三階段乙醇含量一直維持在1 000～2 000 mg/L。說明在該條件下乙醇菌可以馴化出來但不能很好的存活，受氫分壓等環境因素的影響，乙醇很容易轉化成乙酸。3個階段乙醇乙酸含量分別占總揮發酸的98.5%、96%、95%，為乙醇型發酵。結果表明有機負荷的變化沒有對發酵類型產生影響，控制pH可以形成穩定的乙醇型發酵，且從控制pH過程中的加酸加堿量可以判斷其穩定性高于其他發酵類型。負荷在超過污泥所能承受的能力之后，會導致未降解的營養物質的積累，使產乙醇菌的生存環境發生變化，抑制其產酸活性，使其酸化產量逐漸降低，但不會影響其發酵類型。

從圖9可以看出，控制pH為5.0，調控有機負荷，酸化產物濃度變化不大，在23～35 g/L范圍內波動。有機負荷提高以后，單酸所占質量比基本不變，乙酸和丁酸質量比分別為20%和30%，其余3種酸質量比都為10%，為混合酸發酵，說明有機負荷變化沒有影響其發酵類型，調控pH可以形成穩定的混合酸發酵。

圖9 pH=5.0不同負荷酸化產物分布情況

結合圖10和圖11可以看出，pH分別控制為5.5和6.0，調控有機負荷，酸化產物濃度隨階段負荷的提高呈上升趨勢，有機負荷增大，營養物質增多，水解酸化的菌體代謝增強，產酸總量上升。從圖10可以看出，pH控制在5.5，有機負荷經過2次提高，酸化產物的主要成分同樣為丁酸和乙酸，占VFA總量的70%～80%，含有少量丙酸，為丁酸型發酵，說明負荷提高，發酵類型并未改變。圖中結果顯示，隨著負荷提高，丁酸含量明顯增大，3個階段質量比分別為40%、60%、70%，丙酸含量降低，原因可能是營養液增加，丁酸型發酵菌體對其利用率加快，菌體代謝增強，使丁酸含量逐漸增加［10］。從圖11可以看出，pH控制在6.0，調控有機負荷，發酵的主要產物同樣為丁酸和乙酸，占VFA總量的70%～90%，依然呈現丁酸型發酵的特點，說明有機負荷提高，發酵類型沒有發生變化。其中乙酸含量占總量的10%～30%，高于pH控制在5.5條件下的乙酸產量。隨著負荷的提高，酸化產物中乙醇的含量升高，在負荷達到30 g/（L/d），乙醇含量最高達到20%，說明高負荷條件下，pH控制6.0會有乙醇產生。

圖10 pH=5.5不同負荷酸化產物分布情況

圖11 pH=6.0不同負荷酸化產物分布情況

所以，產酸發酵菌對提高有機負荷所造成的環境變化有很強的適應能力。有機負荷提高，控制pH，單酸及總酸濃度變化不大，有機負荷過高會使底物轉化率降低。污泥所能承受的負荷有一個極限值，當超過極限值以后，酸化產物濃度增長率逐漸降低，直到達到恒定值［11］。因此，高負荷條件下，有機負荷提高，發酵類型不變。

3 結論

1）高負荷條件下，控制pH能夠有效地選擇酸化類型。pH=4.0為乙醇型發酵，pH=5.0為混合酸發酵，pH=5.5和6.0為丁酸型發酵，酸化產物濃度隨pH增大有升高趨勢。

2）控制pH，有機負荷分階段提高，酸化類型不變，在高負荷條件下控制pH可以形成穩定的發酵類型。pH=4.0和pH=5.0條件下酸化產物濃度基本不變，pH=5.5和pH=6.0酸化產物濃度隨有機負荷提高而增大。

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Effects of pH Regulation on Acid Production by Anaerobic Fermentation under High Load

Han Dan1，2，Zheng Mingyue2，Wang Kaijun2
（1.Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.，Beijing100082；2.State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control，School of Environment，Tsinghua University，Beijing100084）

In this study，the changes of acid-phase fermentation at the control of temperature（35℃）and pH（4.0，5.0，5.5，6.0），and effects of different organic loads on acidification types at the control of pH under high load were studied by continuous anaerobic fermentation of fruit and vegetable wastes.The results showed that the acidification types and the concentration of acidified product kept unchanged as organic loads increased，and stable ethanolized products could be formed at pH=4，the acidification rate ofwhich waslow.

high load；anaerobic fermentation type；pH；fruit and vegetable waste

X833；TQ920.62

A

1005-8206（2017）04-0058-05

韓丹（1988—），助理工程師，主要從事污泥和給水工程設計。

E-mail：wkj@tsinghua.edu.cn。

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2008AA062401）

2017-03-27