瓜果廢棄物厭氧發酵產酸及發酵液作為反硝化外加碳源的研究

侯銀萍, 東王濤, 張安龍, 王先寶, 裴立影

(陜西科技大學 環境科學與工程學院, 陜西 西安 710021)

0 引言

隨著人口和人類活動的增加,城市污水排放量急劇增大,污水中所含氮磷元素為水體富營養化提供條件,導致污水的處理成本和難度增加,同時也會引發水環境的生態破壞,對水質和水生動植物造成不可逆的損害,威脅人類的健康安全[1].碳源是微生物進行反硝化的必備要素,微生物可以直接使用有機碳作為電子供體,對凈化污水具有重要意義[2].我國生活污水普遍存在碳氮比(C/N)低,污水處理廠進水碳源不足導致生物除磷脫氮效果差,有效解決污水處理廠碳源不足問題,是提高污水脫氮除磷效率從而實現達標排放的有效途徑[3,4].提高污水脫氮除磷效果最常用的的方法是投加外碳源.目前,外碳源可為兩大類:傳統外加碳源和新型碳源.傳統外加碳源主要以甲醇、乙酸鈉和葡萄糖為主;新型碳源主要有固體有機碳源、高濃度有機廢水和厭氧發酵產物(如秸桿、餐廚垃圾厭氧發酵液).傳統外碳源會增加污水處理成本;新型碳源如秸桿釋放周期短、釋放分布不均勻,可控性差,廚余垃圾含水率高、含油量高,會對其厭氧發酵過程產生一定影響[5,6].因此,開發高效、廉價和可持續的生物碳源對于降低污水處理的運行成本尤為必要[7].

目前,農村經濟不斷發展、瓜果種植技術不斷改進,在種植地采摘、市場流通等過程中會產生的大量瓜果廢棄物.瓜果廢棄物具有含水量高、有機物含量高、易腐敗變質等特性,容易滋長蚊蟲和散播病原.瓜果廢棄物的大量產生和堆積已經對農田、水體、果蔬配送市場和其他人居環境構成了嚴重威脅,成為一種不可忽視的污染源[8].我國每年都會產生大量瓜果廢棄物,常用的處理方法有填埋、焚燒、好氧堆肥和厭氧消化等[9-12].瓜果廢棄物因其含水率過高,在處理過程中會存在很多問題.填埋處置是利用自然環境將其分解,這種處理方式不僅會產生毒有害氣體,還會產生一定的滲濾液,對土壤也會有一定危害;焚燒過程中會產生廢氣和一些致癌物質,危害人體健康.而瓜果廢棄物含碳量很高,其作為一種優質有機碳源,在厭氧微生物的作用下能夠將瓜果廢棄物中的有機物(多糖、蛋白質、纖維素等大分子物質)分解轉化為小分子碳源[13],最終產生富含揮發性脂肪酸(VFAs)的發酵液,將該發酵液作為污水處理廠脫氮除磷工藝的外加碳源.對于瓜果廢棄物而言不但可以解決城市污水處理廠碳源不足的問題而且可以避免資源浪費,是符合“雙碳”理念的綠色可持續方法.

基于上述背景,本課題以瓜果廢棄物作為研究對象,探究不同接種比(F/M=0.5、1.0和1.5)下的乳酸菌和厭氧污泥對瓜果廢棄物厭氧發酵產酸的影響.選取最優厭氧發酵條件下的發酵液作為活性污泥反硝化外加碳源,與傳統外加工業碳源乙酸鈉進行對比,進行反硝化實驗評定反硝化性能.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用瓜果廢棄物主要為香蕉、火龍果和蘋果,取自校園餐廳的水果攤廢棄物.將實驗所用瓜果每500 g加100 mL蒸餾水,利用破碎機(九陽JYL-Y99)進行機械破碎制為果泥,并放置于4 ℃冰箱中保存備用.

發酵實驗分別接種乳酸菌和厭氧顆粒污泥,其中乳酸菌為食品發酵所用的混合菌型(川秀?,乳酸菌酸奶發酵粉,北京),厭氧顆粒污泥取自西安市某啤酒廠UASB反應器.反硝化速率實驗所用活性污泥取自西安市某污水處理廠缺氧池,取得污泥后重力濃縮棄去上清液并用純水淘洗兩遍,調整污泥濃度(MLSS)約為5 000 mg/L.果泥及厭氧顆粒污泥基本性質如表1所示.

表1 果泥和厭氧顆粒污泥的基本性質

1.2 實驗方法

1.1.1 果泥發酵產酸

采用序批式實驗方法,探究接種菌劑以及接種比對瓜果廢棄物厭氧發酵產物的影響.取200 mL果泥置于7個500 mL厭氧血清瓶中,其中1瓶作為對照組不接種發酵菌,其余每3瓶為一組,每組分別接種乳酸菌和厭氧污泥,各組的3個厭氧瓶中分別按照F/M(果泥/接種菌,以VSS計)為0.5、1.0和1.5接種發酵菌,并將以上厭氧瓶進行編號,如表2所示.在每個厭氧瓶中加入5 mmol/L甲烷菌抑制劑二溴乙烷磺酸鈉(BES)0.475 gBES,氮氣吹掃5 min后密封,并置于(35±1)℃水浴搖床中進行厭氧發酵.分別于第1、3、5、7、9、12、15天取樣測定發酵液中SCOD、多糖和VFAs含量變化.VFAs達到最大產量時停止發酵,對厭氧瓶中混合液過濾并取發酵液保存備用.

表2 各實驗組接種比(F/M)情況

1.1.2 活性污泥反硝化速率

1.3 檢測及分析方法

常規項目均參照《水和廢水監測分析方法》第四版中常用分析方法[14],MLSS和MLVSS采用重量法測定,SCOD和TCOD采用重鉻酸鉀法測定,硝態氮采用紫外分光光度法測定[15],溶解性多糖采用苯酚-濃硫酸法測定[16].

發酵液中VFAs含量及組分采用氣相色譜法(GC)測定[17].取5 mL發酵混合液經8 000 r/min,離心10 min后,用0.45 μm濾膜過濾,取1 mL濾液于氣相色譜進樣瓶中并加50 μL 甲酸酸化后,密封并置于4 ℃冰箱待測.所用儀器為福立GC9790plus氣相色譜儀,配備FID檢測器,Rtx@-Wax的毛細管色譜柱,氮氣作為載氣,進氣流速為20 mL/min,進樣口與檢測器溫度分別為220 ℃ 和250 ℃,色譜柱起始柱溫60 ℃,以5 ℃/min 的速度升至150 ℃,維持5 min,最后以20 ℃/min升溫至230 ℃/min,維持10 min.樣品進樣量為1 μL.試驗測定的VFAs組分包含乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸、正戊酸.為方便比較,將VFAs濃度換算為COD濃度,換算系數分別為:乙酸1.07、丙酸1.51、正丁酸與異丁酸1.82、正戊酸與異戊酸2.04.

果泥水解轉化率的計算方法根據公式(1)得出[18]:

(1)

式(1)中:SCODt為發酵瓶混合液中溶解性化學需氧量(mg/L);SCOD0為發酵瓶中初始溶解性化學需氧量(mg/L);TCOD為發酵瓶中混合液總化學需氧量(mg/L).

果泥發酵酸化率的計算方法根據公式(2)得出[18]:

(2)

式(2)中: VFAs—以果泥發酵混合液中溶解性化學需氧量(COD)計(mg/L);SCOD—(SCODt-SCOD0),即發酵瓶中果泥轉化的溶解性化學需氧量(mg/L).

2 結果與討論

2.1 乳酸菌接種比(F/M)對瓜果廢棄物水解效果的影響

在厭氧發酵過程中,瓜果廢棄物中不溶性物質在微生物作用下,會逐漸轉化為可溶性有機物,如溶解性糖類和脂肪酸等,這些中間有機質進一步再被微生物發酵轉化為VFAs、H2和CO2等,因此SCOD會伴隨發酵進程發生變化.圖1為不同F/M條件下瓜果廢棄物乳酸菌發酵瓶中SCOD濃度隨發酵時間的變化.

圖1 接種乳酸菌發酵過程中SCOD濃度變化

由圖1可知,在F/M為0.5、1.0和1.5三組發酵瓶中SCOD的產量均呈現出先升高再緩慢下降最后穩定的趨勢,且都高于對照組.這是由于瓜果廢棄物經過機械破碎制備為果泥,其中一部分有機質溶于水中更有利于水解,隨著發酵開始SCOD快速積累,隨著SCOD的不斷升高,微生物也快速增殖,部分有機物在微生物作用下被轉化為H2和CO2,因此發酵后期SCOD出現小幅度的降低最后穩定.接種乳酸菌能夠加快果泥中不溶態大分子有機質的分解,提高溶解性有機質的轉化率,從而使發酵液中SCOD產量較對照組有顯著提高.接種比對SCOD產量有顯著影響,F/M為0.5發酵至3 d時,發酵液中SCOD產量最大達到26 233±321 mg/L,相應的水解轉化率為48.4%,F/M=1.0條件下的發酵液SCOD量次之,F/M為1.5時SCOD產量最小.

圖2為分別在F/M為0.5、1.0和1.5條件下采用乳酸菌發酵的多糖產量.各組多糖含量均呈現先增長后穩定趨勢,瓜果經破壁為果泥后,有機物快速溶出,溶解性有機物的含量增加顯著,接種乳酸菌使更多大分子有機物水解為溶解性多糖.由圖2可知,接種比對多糖產量有顯著影響,F/M為0.5條件下發酵至11 d時,發酵液中溶解性多糖量達到最大,為892±37 mg/L.

2.2 乳酸菌接種比(F/M)對瓜果廢棄物發酵產物的影響

在厭氧發酵過程中有機物逐漸被轉化為各類脂肪酸和醇類物質,其中短鏈脂肪酸VFAs是一類反硝化脫氮的優質碳源.圖3為分別在F/M為0.5、1.0和1.5條件下采用乳酸菌發酵的VFAs產量.各組VFAs的產量均呈現先升高后降低的趨勢,這是由于瓜果經破壁后果泥中有機物快速溶出,有利于產酸菌的增殖代謝,同時,由于厭氧瓶中投加了BES使產甲烷菌的活性被抑制,從而使發酵液中VFAs不斷積累.而隨著發酵的進行,厭氧瓶中的甲烷菌活性逐漸恢復,能夠利用部分低分子有機酸產甲烷,使得發酵液中VFAs濃度有所降低,該現象在相關研究中也有報道[19-21].接種比對乳酸菌發酵的產酸量有顯著影響,F/M=1.0條件下的發酵液產酸量達到最大,為9 145±781 mg COD/L;F/M=1.5條件下的發酵液產酸量次之,為7 916±1 081 mg COD/L.

酸化率,即VFAs/SCOD表示為發酵體系中溶解性物質經過發酵轉化為小分子脂肪酸VFAs的累積量,比值越高,說明酸化率越高,體系中產生的VFAs累積量越高,且較難被生物轉化和利用的成分越少.要利用瓜果廢棄物厭氧產酸液作為反硝化補充碳源,酸化率越高,發酵液生物利用性越好.由圖4可得,在對照組和不同接種比(F/M=0.5、1.0、1.5)條件下的酸化率分別為27.6%、26.1%、38.0%和31.7%.從VFAs產量和SCOD酸化率可知,接種比為1.0時,乳酸菌對瓜果有機質的產酸效果較其他條件有較大提升.

圖4 不同乳酸菌接種比時發酵液SCOD與VFAs累積量以及酸化率對比

發酵產酸過程中主要產生6種短鏈揮發性脂肪酸,分別為乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸和正戊酸,此外實驗初期監測的乙醇產量較低,因此在發酵進程中重點關注上述VFAs的產量和組成.由圖5可知,不同接種比瓜果廢棄物厭氧發酵產生的VFAs組分含量存在明顯差異.乙酸作為脫氮除磷過程中微生物易于利用的碳源,其產量越高越有利于發酵液作為生物脫氮除磷系統的補充碳源.較為遺憾的是,接種乳酸菌的瓜果廢棄物發酵液中VFAs主要成分并非為乙酸,F/M為0.5和1.5時產物主要以正戊酸為主,F/M為1.0時產物主要以異戊酸為主,各組中乙酸僅占VFAs總產量的21%～27%,而對照組中乙酸產量卻高達VFAs總產量的67%,由此可見,接種乳酸菌進行瓜果廢棄物厭氧發酵過程中,發酵產物并非以乙酸為主要成分的小分子快速可生物降解有機物為終產物,其作為反硝化碳源的生物利用性需進一步通過反硝化速率實驗進行評價.結合圖3和4,選取F/M為1.0和1.5的乳酸菌發酵液作為反硝化碳源進行反硝化速率測定.

圖5 乳酸菌發酵液厭氧發酵產酸VFAs組分

2.3 厭氧污泥接種比(F/M)對瓜果廢棄物水解效果的影響

圖6為厭氧污泥在不同接種比條件下,進行瓜果廢棄物發酵的SCOD濃度變化.由圖6可知,與接種乳酸菌發酵的規律相似,接種比對SCOD產量有顯著影響,F/M為0.5發酵至7 d時,發酵液中SCOD產量最大達到26 007±1 042 mg/L,相應的水解轉化率為47.6%;F/M=1.0條件下的發酵液SCOD量次之,為19 634±817 mg/L,水解轉化率為35.9%;F/M為1.5時SCOD產量最小,為17 750±699 mg/L,水解轉化率為32.5%.與對照組相比(水解轉化率為30.6%),接種污泥增強了瓜果有機質中不溶性有機質的水解過程,從而利于發酵液中更多的有機物轉化為有機脂肪酸.

圖6 接種厭氧污泥發酵過程中SCOD濃度變化

由圖7可知,與接種乳酸菌進行瓜果有機質發酵規律相似,接種比對多糖產量有顯著影響,F/M為0.5條件下發酵至11 d時,發酵液中溶解性多糖量達到最大,為945.5±113.1 mg/L;F/M為1.0和1.5條件下,發酵液中溶解性多糖量均略低于對照組,這可能是由于厭氧污泥中具有豐富的微生物種群結構.轉化的溶解性多糖能夠被產酸菌轉化為脂肪酸等中間非糖類物質,從而使實驗監測獲得的最大累計產糖量出現低于對照組的情況[22].

圖7 接種厭氧污泥發酵過程中溶解性多糖變化

2.4 厭氧污泥接種比(F/M)對瓜果廢棄物發酵產物的影響

在F/M為0.5、1.0和1.5條件下采用厭氧污泥發酵的VFAs產量如圖8所示.由圖8可知,各組VFAs趨勢均出現先升高后降低的趨勢,與接種乳酸菌進行發酵產酸呈相似的趨勢,這是因為厭氧瓶中投加的BES隨著厭氧消化反應時間的增加,使得產甲烷菌活性逐漸恢復,VFAs中部分低分子有機酸在產甲烷菌的作用下被轉化生產甲烷,使得VFAs濃度有所降低.發酵至11 d時,VFAs累計產量達到最高,同時接種比對產酸量有顯著影響.F/M=0.5條件下的發酵液產酸量達到最大,為11 675±578 mg COD/L;F/M=1.0條件下的發酵液產酸量次之,為7 515±481 mg COD/L;F/M=1.5條件下的發酵液產酸量最小,為7 214±321 mg COD/L.

圖8 接種厭氧污泥發酵過程中瓜果發酵液中VFAs濃度變化

由圖9可得,在對照組和不同接種比(F/M=0.5、1.0、1.5)條件下的酸化率分別為27.6%、44.9%、38.3%和40.6%.結合VFAs產量和SCOD酸化率可知,接種比為0.5時,厭氧污泥對瓜果有機質的產酸效果較其他條件有較大提升.

圖9 不同厭氧污泥接種條件下發酵液中SCOD與VFAs累積量以及酸化率對比

如圖10所示,厭氧污泥進行瓜果發酵過程中主要產生6種揮發性短鏈脂肪酸.在接種比為0.5、1.0和1.5時,發酵液中乙酸含量均占主要比例,分別為VFAs產量的67%、68%和72%.結合圖8所示的VFAs最大累積產量,能夠獲得各接種條件下乙酸累積產量分別為7 822±387 mg COD/L、5 110±327 mg COD/L和5 194± 231 mg COD/L.結合圖8和圖9,選取F/M為0.5的厭氧污泥發酵液作為反硝化碳源進行反硝化速率測定.

圖10 厭氧污泥發酵液厭氧發酵產酸VFAs組分

2.5 發酵液作為反硝化外加碳源的生物利用性探究

乙酸作為脫氮除磷過程中微生物易于利用的碳源,其含量越高越有利于發酵液作為生物脫氮除磷系統的補充碳源.結合圖3和圖5,乳酸菌組發酵液中F/M=1.0和1.5時,發酵液產酸量較大,分別為9 145±781 mg COD/L和7 916±1 081 mg COD/L,產物主要以戊酸為主,乙酸約為VFAs總含量的21%.可見,乳酸菌組發酵液中VFAs主要成分并非乙酸這種結構簡單、易于微生物利用的碳源,因此對其作為反硝化碳源的生物利用性通過反硝化速率實驗進一步評價.厭氧污泥組發酵液中F/M=0.5時,發酵液產酸量達到最大,為11 675±578 mg COD/L,乙酸占VFAs總產量的68%.對其發酵液作為反硝化碳源的污泥反硝化速率進行測定,并與工業碳源乙酸鈉進行對比.

表3 反硝化速率實驗數據

3 結論

本文以瓜果廢棄物為實驗對象,通過序批式厭氧發酵實驗,研究分別接種乳酸菌和厭氧污泥以及不同接種比對瓜果廢棄物厭氧發酵效果的影響,通過考察不同菌劑以及接種比對發酵液中SCOD、溶解性多糖、VFAs產量及組分的影響,篩選產酸量較高的優質發酵液.在此基礎上,通過反硝化實驗評價發酵液作為碳源的污泥反硝化性能,并與乙酸鈉作碳源進行比較,評價瓜果廢棄物厭氧發酵液作為反硝化外加碳源的可生物利用性.研究主要得出以下結論:

(1)接種乳酸菌發酵時,接種比對產酸量有顯著影響.F/M為1.0和1.5條件下,VFAs累積產量分別達到9 145±781 mg COD/L和7 916±1 081 mg COD/L,酸化率分別達到38.0%和31.7%,發酵液中VFAs主要以戊酸為主,分別約為VFAs總產量的72%和71%,乙酸僅占VFAs總產量的21%.

(2)接種厭氧污泥發酵時,接種比對產酸量也有顯著影響.F/M為0.5條件下,VFAs累積產酸量達到最大,為11 675±578 mg COD/L,酸化率為27.6%,發酵液中乙酸占VFAs總產量的67%,為7 822±387 mg COD/L.

(3)在同等條件下,分別以F/M為1.0和1.5的乳酸菌組發酵液、F/M為0.5的厭氧污泥組發酵液、乙酸鈉作碳源進行了活性污泥反硝化速率測定,結果表明F/M=0.5的厭氧污泥組發酵液作為反硝化碳源,與乙酸鈉作外加碳源相比反硝化速率提高了31.4%.證明F/M為0.5的厭氧污泥發酵液作為外加碳源具有較好的利用性能.