基于混料設計的中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷和降解特性研究

基于混料設計的中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷和降解特性研究

餐廚廢棄物混料試驗設計的必要性食品廢物的處理在我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的過程中越來越受到重視。厭氧發(fā)酵技術可以實現(xiàn)餐廚廢棄物的能源化、資源化和減量化,已受到了廣泛的關注。目前眾多研究者已對餐廚廢棄物厭氧發(fā)酵原料預處理、反應器類型選擇、運行條件控制等方面開展了大量研究。典型的中國餐廚廢棄物的主要成分是脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)。三者具有不同的元素組成、分子構造,在化學性質(zhì)上具有較大的差異。餐廚廢棄物的厭氧發(fā)酵過程實際上是3種成分的厭氧代謝途徑相互交叉、反饋、協(xié)調(diào)的綜合結果。目前雖然已經(jīng)有研究者分別對3種成分的厭氧發(fā)酵特性進行了探討,也有研究者對含有3種成分量不同的物質(zhì)如餐廚廢棄物和剩余污泥進行了混合厭氧發(fā)酵特性分析,但以闡明3種成分在厭氧發(fā)酵過程中相互作用機理為目的研究還鮮有報道,所以有必要對三者以不同比例混合時的發(fā)酵特性進行系統(tǒng)研究。混料試驗設計是研究某個特性指標與原料各種成分所占比例關系的一種響應曲面試驗方法。采用混料試驗設計能夠分析原料中各組分間的交互影響,并獲得最優(yōu)的成分配比。目前混料試驗設計已經(jīng)被廣泛應用于培養(yǎng)基成分優(yōu)化、菌劑復配、肥料配方設計等領域中,并取得良好效果。本文采用混料試驗設計系統(tǒng)分析脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)混合比例對厭氧發(fā)酵過程的影響,明確不同成分之間的協(xié)同或拮抗關系,并通過軟件分析確定其最佳混合比例,為餐廚廢棄物的厭氧發(fā)酵過程的調(diào)控提供理論參考。1材料和方法1.1產(chǎn)甲產(chǎn)甲穩(wěn)定性接種物取自長期穩(wěn)定運行的中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷反應器。該反應器以餐廚廢棄物和牛糞揮發(fā)性固體(VS)比例為1∶1的混合物為原料,在35℃條件下連續(xù)運行30d,最終平均容積產(chǎn)甲烷率穩(wěn)定在1.5L/(L·d)。在本試驗使用前3~4d,反應器停止進料,待完全停止產(chǎn)氣后,取出發(fā)酵液作為接種物。接種物的總固體質(zhì)量分數(shù)、揮發(fā)性固體質(zhì)量分數(shù)、pH值分別為3.58%、2.81%、7.36。發(fā)酵原料用豆油、可溶性淀粉和蛋白胨作為脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)的代表,干燥恒質(zhì)量備用,原料的主要性質(zhì)如表1所示。1.2混合物和底物的質(zhì)量比對發(fā)酵效果的影響設x1、x2和x3分別表示脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)在原料中的質(zhì)量分數(shù),限制條件為:x1+x2+x3=1,0≤(x1,x2,x3)≤1。采用混料試驗設計中的SimplexCentroid法,設計不同處理有機成分的混合比例見表2,每個水平重復3次,以其均值作為試驗結果。采用1L錐形瓶作為厭氧發(fā)酵反應器進行批式試驗,控制底物的總固體質(zhì)量分數(shù)為8%,接種物和底物的質(zhì)量比為1∶1。錐形瓶經(jīng)純氮氣吹脫驅(qū)除氧氣后用橡膠塞密封,在35℃恒溫培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng),每天手動攪拌2次,試驗持續(xù)直至所有混合水平都進入停止產(chǎn)氣的平臺期,結束后測定發(fā)酵液相代謝產(chǎn)物成分。通過測定批式厭氧發(fā)酵試驗累積甲烷產(chǎn)量、揮發(fā)性固體降解率,考察有機成分的混合比例對厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性的影響。采用ModifiedGompertz方程擬合厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量曲線式中M(t)———t時刻的累積甲烷產(chǎn)量,mL/gPm———生化產(chǎn)甲烷勢,mL/gRm———最大產(chǎn)甲烷速率,mL/(d·g)原料的揮發(fā)性固體降解率計算式為式中fvsi———發(fā)酵開始時的揮發(fā)性固體質(zhì)量分數(shù),%fvse———發(fā)酵結束時的揮發(fā)性固體質(zhì)量分數(shù),%由于混料試驗的響應指標只和原料組分的比例有關,其回歸模型采用Scheffé多項式,具體形式如下:式中Y代表響應指標;線性項βixi代表單一組分的效應;二次項βijxixj代表兩組分混合的協(xié)同或者拮抗效應;特殊三次項βijkxixjxk代表三組分的交互作用。本研究以生化產(chǎn)甲烷勢Pm和揮發(fā)性固體降解率η作為響應指標,采用DesignExpert軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,建立回歸方程,優(yōu)化原料中有機成分的組成,并對優(yōu)化結果進行試驗驗證。1.3脂肪酸和乙醇采用氣體采樣袋收集所產(chǎn)生的氣體,每12h采用排水法測量一次產(chǎn)氣體積,并折算為標準狀態(tài)下體積。氣體成分和發(fā)酵結束后發(fā)酵液中的總有機酸(乙酸、丙酸、正丁酸、正戊酸、乳酸)和乙醇均采用安捷倫GC-6890N型氣相色譜儀測定,氣體成分采用TDX-01型填充柱和TCD熱導檢測器,總有機酸和乙醇采用毛細管柱和FID氫火焰離子化檢測器?？偺呛瓦€原糖的測定:菲林試劑比色法;脂肪含量采用索氏提取法測定;總固體測定:采用105℃干燥法;揮發(fā)性固體測定:采用550~600℃灼燒法;氨態(tài)氮根據(jù)儀器標準分析方法,采用FossKjeltec2300型全自動凱式定氮儀測定。2結果與討論2.1gomprts模型擬合及方差分析全部14組處理的累積甲烷產(chǎn)量隨時間的變化情況如圖1所示。脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)以不同比例混合時,累積甲烷產(chǎn)量曲線的走勢差異明顯,不僅最大累積甲烷產(chǎn)量差異明顯,最短的在發(fā)酵2d后即停止產(chǎn)氣,最長的發(fā)酵時間近60d,各組的陡緩程度也大不相同。采用ModifiedGomperts方程分別對各個處理的累積產(chǎn)甲烷量進行擬合,所獲得的擬合參數(shù)見表2。通過Gomperts方程擬合所得各組的相關系數(shù)R2值皆大于0.99,表明ModifiedGomperts模型可以較好地反映有機成分厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程。采用式(2)計算不同混合比例時的揮發(fā)性固體降解率,結果見表2。利用統(tǒng)計軟件DesignExpert對表2中試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,所得方程的方差分析結果見表3。由表3可見,Pm和η的特殊三次模型的P值均小于0.01,失擬P值均大于0.05,能同時滿足模型顯著和失擬不顯著的條件,可以用來對試驗結果進行預測,二者的回歸方程分別為由式(6)、(7)可見二者都是特殊三次項系數(shù)最大,表明三組分的交互作用最強,對響應指標的貢獻最大。2.2脂肪、淀粉和淀粉的平均pm混料設計可以根據(jù)各組分的3元等值線圖直觀地觀察各組分間的變化對指標的影響。不同混合比例時生化產(chǎn)甲烷勢(Pm)變化情況如圖2所示。當3種原料單獨發(fā)酵時,平均Pm由大到小的順序是脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉,脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)的平均Pm為345.36、59.80和135.87mL/g,均遠小于理論產(chǎn)甲烷量,分別為理論值的34%、14%和26%。這說明3種有機成分在單獨發(fā)酵時,都受到了不同程度的抑制。當三者分別進行二組分和三組分混合發(fā)酵時,其Pm均較單獨發(fā)酵有大幅度提高,表現(xiàn)出較強的協(xié)同作用。當脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)質(zhì)量比為67∶17∶17時,Pm達到最大值451mL/g;當脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)質(zhì)量比為1∶1∶1時,Pm為415mL/g,此時原料的甲烷轉(zhuǎn)化率最高,Pm達到了理論值的64%。2.3降解速率的測定圖3為不同混合比例下的揮發(fā)性固體降解率η的變化情況。當3種原料單獨發(fā)酵時,脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)的η平均值分別為57.41%、36.68%和76.73%。以往的研究表明3種有機物質(zhì)的降解速率常數(shù)順序為淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪,而本研究中揮發(fā)性固體降解率由大到小的順序是蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉,可見降解速度快并不一定意味著降解率高。快速水解酸化的產(chǎn)物如果不能及時轉(zhuǎn)化,往往會因為過度積累而產(chǎn)生負反饋抑制,進而降低原料的降解率。當三者進行二組分和三組分混合發(fā)酵時,揮發(fā)性固體降解率均有明顯提高,當脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)質(zhì)量比為1∶1∶1時,η達到最大值83.84%。2.4發(fā)酵液中氨氮含量的變化為了探討有機成分混合比例影響厭氧發(fā)酵的機理,本研究對不同混合比例下發(fā)酵的pH值和液相代謝產(chǎn)物分布情況進行了分析,結果如表4所示。當單獨以脂肪為原料時(1號和11號),發(fā)酵液pH值略高于產(chǎn)甲烷菌的適宜pH值下限6.5,平均總有機酸和乙醇濃度為50mmol/L,無明顯積累。由于脂肪中不含氮元素,發(fā)酵液中氨氮完全來自接種物,質(zhì)量濃度最高僅為236.02mg/L,游離氨質(zhì)量濃度僅為1.1mg/L。雖然此時無明顯的有機酸和氨積累,但是脂肪的甲烷產(chǎn)量和揮發(fā)性固體降解率都很低。這可能是因為脂肪的主要成分是三酰甘油酯,降解過程要先經(jīng)過水解生成甘油和長鏈脂肪酸(LCFA,本研究中未進行測定),LCFA再通過β氧化降解成乙酸,進而轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄?。在此過程中,LCFA會吸附在甲烷菌的細胞膜上而產(chǎn)生抑制作用,且脂肪濃度越高其抑制效果越顯著。李東的研究結果也支持這種推測。當單獨以淀粉為原料時(2號和13號),發(fā)酵后pH值降到4.2左右。總有機酸和乙醇有明顯的積累,平均濃度為192mmol/L,成分以乙醇和乙酸為主。發(fā)酵液中氨氮質(zhì)量濃度最高僅為191.8mg/L,游離氨質(zhì)量濃度低于1mg/L。結合圖2、3的分析,可以發(fā)現(xiàn),當單獨以淀粉為原料時,由于其水解酸化速度較快,所產(chǎn)生的有機酸不能及時被甲烷菌利用,造成有機酸累積。同時體系中沒有足夠的氨氮來維持酸堿度平衡,導致pH值快速下降,pH值降到一定水平后會抑制產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的活性,進而造成生化產(chǎn)甲烷勢和揮發(fā)性固體降解率雙低的結果。當單獨以蛋白質(zhì)為原料時(3號和12號),發(fā)酵液pH值約為7.3,處于厭氧發(fā)酵最適宜pH值范圍內(nèi)?？傆袡C酸和乙醇有明顯的積累,平均濃度為620.95mmol/L,主要成分為乳酸和乙酸。蛋白質(zhì)的碳氮比較低,僅為3.43,在厭氧發(fā)酵過程中發(fā)生了較強烈的氨化反應,發(fā)酵結束時氨氮質(zhì)量濃度高達7366mg/L,游離氨質(zhì)量濃度達180.84mg/L。氨氮的產(chǎn)生增加了厭氧體系的堿度,使體系的pH值能穩(wěn)定在7.0以上中性偏堿的環(huán)境,更有利于蛋白質(zhì)的溶解,形成蛋白質(zhì)降解的良性循環(huán);同時中性偏堿的環(huán)境中產(chǎn)酸微生物的活性好,有機酸能持續(xù)產(chǎn)生。但文獻的研究表明,在pH值為6.5~8.5時,當氨氮質(zhì)量濃度為1670~3717mg/L時,產(chǎn)甲烷活性下降10%;4086~5550mg/L時,下降50%;5870~6600mg/L時,產(chǎn)甲烷活性將完全喪失。雖然本研究中以蛋白質(zhì)為單一原料時,揮發(fā)性固體降解率能達到70%以上,但由于過高的氨氮濃度強烈抑制了甲烷菌的活性,致使發(fā)酵過程處于水解酸化率高但甲烷產(chǎn)率低的“抑制型穩(wěn)態(tài)”。從單一有機成分發(fā)酵的結果可以看出,厭氧發(fā)酵是由多個微生物代謝過程和不同原料相互聯(lián)系相互制約所形成的整體過程,不僅要滿足發(fā)酵體系的酸堿平衡條件,還要保證水解酸化和產(chǎn)甲烷等代謝過程的動力學平衡。單一原料由于往往無法同時滿足適宜的碳氮比和原料降解速率的條件,難以獲得較高產(chǎn)甲烷率和原料利用率。當進行二組分和三組分混合發(fā)酵時,不僅產(chǎn)甲烷性能和底物利用率較單組分有大幅提高,液相代謝產(chǎn)物也有較大變化,其中以7號最為明顯。7號的脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)質(zhì)量比為1∶1∶1,Pm為415mL/g,η為83.84%,此時pH值為7.29,總有機酸和乙醇濃度僅為49mmol/L,且分布比較均勻,說明沒有發(fā)生酸的累積。氨氮質(zhì)量濃度為1915.00mg/L,略高于文獻所報道的甲烷活性抑制下限。但此時游離氨質(zhì)量濃度僅為42.2mg/L,Wang等的研究結果顯示,當pH值為7.5,游離氨在80~100mg/L時才會對微生物有明顯的抑制作用,可見經(jīng)適當比例混合,可以有效避免中間代謝產(chǎn)物的抑制。此時脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)主要通過以下3種方式實現(xiàn)了對產(chǎn)甲烷過程的協(xié)同促進作用。首先,三者分別起到了彼此稀釋劑的作用,減輕了各自代謝產(chǎn)物的濃度,降低了長鏈脂肪酸、揮發(fā)性脂肪酸和氨氮的潛在抑制風險;其次,氨氮可以提供堿度,中和了揮發(fā)性脂肪酸的酸度,保證了發(fā)酵液pH值穩(wěn)定在中性范圍;再次,脂肪降解速率相對比較緩慢,避免了短時間內(nèi)有機酸的大量產(chǎn)生,保證了甲烷菌有足夠的時間消耗有機酸。上述3種方式充分利用了不同原料在碳氮比、降解速率常數(shù)上的互補性,實現(xiàn)了有機酸產(chǎn)生速度、堿度產(chǎn)生速度和甲烷菌利用有機酸的速度相互匹配,保證了穩(wěn)定高效產(chǎn)甲烷過程的進行。2.5優(yōu)化產(chǎn)甲烷試驗結果在建立的回歸模型的基礎上,以生化產(chǎn)甲烷勢、VS降解率為響應指標進行多目標優(yōu)化,優(yōu)化的原則是生化產(chǎn)甲烷勢和VS降解率越大越好,得到脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)優(yōu)化數(shù)值比為36∶30∶33,此時預測的生化產(chǎn)甲烷勢為415.13mL/g,揮發(fā)性固體降解率為81.63%。為了檢驗混料設計所得結果的可靠性,采用上述優(yōu)化參數(shù)條件進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷試驗。生化產(chǎn)甲烷勢、VS降解率分別為451.36mL/g、79.62%,驗證結果與優(yōu)化結果基本吻合。在國內(nèi),實際的餐廚廢棄物的主要營養(yǎng)成分平均比例為淀粉(40%~60%)、蛋白質(zhì)