pH调节方法对厨余垃圾两相厌氧消化中水解和酸化过程的影响

摘要：通过间歇实验探讨了pH调节方法对厨余垃圾两相厌氧消化中水解酸化过程和水解酸化液中Na+浓度的影响。实验比较了厨余垃圾在3种pH调节方法（利用NaOH溶液调节初始进料pH到7，利用NaOH和Ca（OH）2混合碱液每12h调节pH到7和利用调节C/N比调节pH到7）下水解酸化液中的Na+浓度、一级水解速率常数、挥发酸（VFA）浓度、乳酸浓度和VFA组分分配。结果表明，与利用NaOH溶液每12h调节pH相比较，3种pH调节方法都能够有效降低水解酸化出料液中的Na+浓度，但利用调节C/N比来调节pH能够取得更高的水解酸化效率，一级水解速率常数可以达到0.199d-1，VFA浓度在实验第3天即可达到35g•L-1。发酵产物乳酸在实验第2天即达到高峰浓度24g•L-1，后逐渐下降到6g•L-1，VFA组分中丙酸不是优势组分。
关键词：厌氧；水解；酸化；pH调节；厨余垃圾
文章编号：0253-2468（2006）01-0045-05中图分类号：X705文献标识码：A
调节pH可以明显提高厨余垃圾的水解酸化效率，尤其是调节pH到7时，可以得到最高的水解和酸化效率（张波等，2005）。调节pH也可以引起水解酸化反应器中微生物种群和代谢途径的剧烈变化（Yu et al.，2003）。厨余垃圾中的有机物含量高，水解酸化过程中容易引起pH的快速下降，因而调节pH需要消耗大量碱液。但投加NaOH、NaHCO3和Ca（OH）2等碱液不但经济成本高，而且大量阳离子会被引入反应器。在两相厌氧消化过程中，水解酸化后的出料液是后续产甲烷过程的基质，有研究表明，浓度超过8g•L-1以上的Na+就会影响产甲烷微生物的活性并且干扰它们的代谢（Chen et al.，2003；Feijoo et al.，1995）。因此，对于含有高浓度有机物的厨余垃圾而言，若欲通过调节pH提高水解酸化过程效率，必须寻找一个合适的调节方法。但迄今为止，很少有关于pH调节方法对厨余垃圾水解酸化过程影响的报道。为了能够提高水解酸化过程的效率，而又能避免高浓度阳离子进入后续产甲烷过程，保证厨余垃圾两相厌氧消化处理过程的稳定性和高效性，本文研究了3种pH调节方法对厨余垃圾水解酸化后出料液中Na+浓度、水解酸化效率以及水解酸化产物分配的影响，以期为厨余垃圾水解酸化过程选取最佳的pH调节方法提供参考。
1材料与方法（Materials and methods）
1.1厨余垃圾的来源和特性
本试验所用厨余垃圾取自某大学学生食堂，主要包括米饭、蔬菜、肉、蛋、豆腐、土豆和盐等。厨余垃圾的密度为1.05kg•L-1。新取来的厨余垃圾经过小型搅碎机粉碎后放入4℃冰箱保存待用。厨余垃圾的主要性质见表1。挥发性固体（VS）与总固体（TS）的比值表明，厨余垃圾中有机组分占96.9％以上；悬浮固体（SS）与TS的比值表明，厨余垃圾总固体中74.4％是悬浮颗粒物。厨余垃圾中C、N、P的质量比为100∶2∶0.11，表明厨余垃圾是高碳氮比复合物。
表1厨余垃圾的特性

注：TS、VS为单位质量湿垃圾中的质量百分比；TOC为垃圾干固体中的质量百分比
1.2试验条件和操作
实验在35℃恒温水浴摇床中进行。量取大约300mL厨余垃圾放置在500mL锥形瓶中，锥形瓶用带有出气孔的橡胶塞密闭。选择3种pH调节方法，第1种方法是在实验初始阶段投加质量百分比为5％的NaOH溶液来调节反应器中的pH到7，之后不再加入碱液；第2种方法是每隔12h加入1mol•L-1NaOH和1mol•L-1Ca（OH）2的混合液，调节反应器中的pH到7。第3种方法通过调节进料C/N比调节pH。在对3种调节方法进行比较之前，需要确定第3种方法的C/N比。中性pH条件能够促进氨氮的释放，利用氨氮对pH的缓冲作用可调节反应器中的pH。首先投加0.5g、1.5g和3g尿素将物料的C/N比调节至40、30和20，然后利用NaOH调节pH至7，根据水解酸化液中NH+4-N浓度选择适宜C/N比后再与前2种pH调节方法进行比较。3种方法在调节pH过程中均通入氮气以保持厌氧状态。每种方法在调节pH之前采样，实验进行第一周内每天取样，第二周内每2天取样，整个实验进行15d。试验过程中跟踪测试VFA、乳酸和COD浓度，水解酸化过程达到稳定后测定VFA组分。当水解酸化液中COD和VFA浓度的变化范围低于5％即认为水解和酸化过程达到稳定状态。
1.3分析方法
pH、TS、VS、SS、VSS、COD、NH+4-N和TP根据标准方法测定（APHA，1995）。TOC采用multiN/C3000分析仪（德国）测定。凯氏氮的消化和蒸馏通过氮分析仪（BüCHI，DigestionUnitK-424；BüCHI，DistillationUnitB-324）完成。挥发酸组分和乳酸通过装有C18柱的高效液相色谱（2010A，日本岛津）进行测定。对于溶解性的COD、TOC、TP和KN，采样后首先在10000r•min-1下离心，然后取上清液根据标准方法（APHA，1995）进行测试。Na+、Ca2+的浓度采用等离子发射光谱（ICP-AES，JARRELLASH1IRISAdvantage）进行测试。