pH值对厨余垃圾厌氧发酵产酸的影响

任泽栋 佟瑞鑫

摘要：针对利用厨余垃圾厌氧消化合成VFAs产量低及VFAs类型不确定的问题，探究了pH值对于厨余垃圾合成VFAs产量以及组成的影响。在三个pH值梯度（pH=6，7，8）条件下检测厌氧系统中的SCOD、NIG4⁺-N、VFAs的产量及组分。结果表明，调整pH可以提升厨余垃圾厌氧发酵产VFAs的总量并定向改变有机酸的组成。反应pH值控制在中性条件pH=7时，VFAs产量优于pH值为弱酸性和弱碱性条件（pH=6，7，8）的情况，产量可提升3.02％-54.80％，其中中性条件对丙酸含量提升较为明显。

关键词：厨余垃圾；厌氧发酵；挥发性脂肪酸(VFAs)：pH值

前言：随着垃圾分类的逐步实施，生活垃圾中厨余垃圾的比重逐渐上升，已经可以达到总产量的40%-50%。因其具有含水率高、有机质含量丰富等特点，通过填埋和焚烧等方式进行处理，会造成渗滤液外溢、焚烧热值低等问题，增加处理成本。将厨余垃圾通过厌氧发酵的方式合成具有使用价值的产物如挥发性脂肪酸，不仅是一种新的垃圾处理资源化手段，同时也能很好地解决相关问题。本文将利用单因素实验，设置不同的pH值进行厌氧反应，并对该过程中有机质水解效果和产酸效果进行分析。

1材料与方法

1.1实验材料

表1原料性质

样品	厨余垃圾	厌氧污泥
TS/%	11.74±0.27	6.84±0.40
VS/%	9.34±0.48	5.42±0.22
C/N	24.56±1.38	5.13±0.01

针对我国某大学食堂后厨产生的厨余垃圾成分进行分析，选取白菜、土豆、胡萝卜和绿甘蓝模拟厨余垃圾进行厌氧发酵实验。厌氧颗粒污泥取自山东某柠檬酸厂污水处理过程中的IC厌氧反应器。厨余垃圾破碎后适当脱水，和厌氧污泥一起置于4℃冰箱中冷藏保存。厌氧污泥在接种前以相对应的反应温度条件、转速条件100r/min驯化培养3天，去除其中的微生物可利用有机质并用作接种污泥。厨余垃圾及接种污泥的特性如表1所示。

1.2实验方法

实验设计为反应pH值对VFAs产量影响。将厨余垃圾在pH=8条件下进行碱预处理6小时，再将预处理后的厨余垃圾和驯化过的污泥按照VS为7：3的比例混合作为厌氧底物。然后进行pH值对VFAs产量的影响实验。设置反应pH值为6、7和8，进行厌氧发酵。检测其发酵后每日的可溶性化学需氧量(SCOD)、NH₄⁺-N、VFAs浓度。

1.3检测方法

样品总固体含量(TS)采用干燥法进行检测；挥发性固体含量(VS)采用马弗炉灼烧法进行检测；C/N采用元素分析仪进行检测；SCOD采用分光光度法测定；NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法测定；VFAs采用岛津GC-2014气相色谱仪测定；色谱条件为：初始柱温60℃，进样口温度230℃，检测器温度260℃。

2结果与分析

2.1pH值对有机质水解的影响

反应过程中不同的pH值条件，也会对厨余垃圾厌氧消化过程中的水解、酸化步骤产生影响。如图1所示，pH值为6和7条件下系统中SCOD浓度呈现较为稳定的状态，而pH值为8的SCOD浓度在反应3天内较为稳定而在反应三天后有明显波动。在反应前4天，各组pH值条件下的SCOD浓度基本呈现稳步上升的状态，这体现在该时间范围内体系中的固态有机物水解逐渐增强，此时为最佳的水解时间。而在反应进行5天后，各组的SCOD浓度均有不同程度的下降，这表明，在5天后可溶性有机物被厌氧后续步骤所利用；其中pH值为8的厌氧系统中的SCOD下降最为明显，这表明该pH值条件下对于可溶性有机质的利用效率最高。对比不同pH值的厌氧反应发现，SCOD浓度随pH的增加而升高，在pH值为6、7和8条件下，各组SCOD的最高值分别为47.04±1.21、60.63±3.60和71.25±2.71g/L。这一趋势表明，pH值为8更有利于有机物在厌氧体系中的水解。

图1不同pH值对SCOD的影响

由图2可知，虽然在不同pH值厌氧体系中的NH₄⁺-N浓度随反应进行呈现出了不同的趋势，但在反应前两天内均呈现上升趋势，这表明含氮有机质在厌氧反应前两天内可以快速水解。pH值为6的弱酸性厌氧体系中，NH₄⁺-N的浓度在反应两天后呈现波动下降的趋势，在第2天达到最大值536.14±24.55mg/L。pH值为7的中性厌氧体系中，NH₄⁺-N的浓度呈现先上升而后上下波动的状态，在第5天达到最大值838.69±57.15mg/L。而在pH值为8的弱碱性条件下，NH

₄⁺-N浓度在5天内呈现波动上升的状态，同样在第5天达到最大值1131.31±70.14mg/L。在pH值接近中性的范围内，NH₄⁺-N浓度随反应pH值的升高而增加，NH₄⁺-N浓度在pH=8条件下最高，其次是pH=7和pH=6条件。各组NH₄⁺-N浓度不同的趋势变化表明pH值对其含量的影响较大，通过控制反应过程中的pH值，能够控制厌氧体系中NH₄⁺-N浓度的水平；在一定pH值范围内，可以通过提升pH值来促进含氮有机质水解。

图2不同pH值对NH₄⁺-N的影响

2.2pH值对VFAs合成的影响

图3不同pH值对VFAs产量的影响

改变厌氧pH值对合成VFAs产量及类型有很大的影响，在不同pH值条件下VFAs浓度如图4所示。在不同的pH值反应罐内，VFAs产量均呈现先缓慢增加，在反应第4天激增到较高的浓度的趋势。其中，在pH值为6条件下的VFAs总量在反应前4天内保持较低浓度的波动，这是由于厌氧产酸微生物在反应前期对于较低pH值体系还未完全适应；而在pH值为7和8条件下，在反应前期VFAs总量逐步增加，而在第4天迅速增加，这也可以进一步证明厌氧产酸微生物在中性和弱碱性条件下可以发挥出更好的功能。在pH值为7和8的条件下，最大VFAs产量分别为28.34±1.10和27.51±1.96g/L，远高于pH值为6条件下的产酸峰值18.31±0.67g/L，这表明反应体系处于中性和弱碱性条件下更利于VFAs的合成。

通过对不同pH值条件下VFAs合成类型进行分析可以看出，在这三种pH值条件下合成的VFAs均以乙酸和丁酸为主，并结合之前温度实验分析可以看出，厨余垃圾作为底物进行产酸更易合成偶数碳挥发性脂肪酸。随着提升反应体系pH值，丁酸产量逐渐升高，这表明弱碱性pH值更有利于厨余垃圾厌氧体系合成丁酸。在pH=7时VFAs产量为最高的主要原因是丙酸产量提升，其丙酸的最高产量为5.93±0.15g/L，相比于pH值为6和8分别提升23.87%和109.02%，这表明中性条件(pH=7)为合成VFAs的最佳条件。

结论：

本研究通过探索pH值对利用厨余垃圾合成VFAs的影响，对厌氧过程中的水解阶段和酸化阶段分别进行分析。在pH值为中性的厌氧条件下，VFAs总产量相比于弱酸性和弱碱性分别提升54.80%和3.02%，其中pH=7增加丙酸产量为总量提升的关键因素。通过综合分析本次研究，可以发现反应反应pH值为7的厌氧条件为厨余垃圾合成VFAs的最适条件。

参考文献：

[1]石磊，赵由才，边炳鑫.有机垃圾的处理和资源化技术进展[J].环境污染与防治，2004(05)：345-347+389-317.

[2]张玉静，蒋建国，王佳明.pH值对餐厨垃圾厌氧产酸的影响[J].中国给水排水，2013，29(01)：30-33+38.

[3]李定龙，戴肖云，赵宋敏，等.pH对厨余垃圾厌氧发酵产酸的影响[J].环境科学与技术，2011，34(04)：125-128+167.

[4]邓俊.餐厨垃圾无害化处理与资源化利用现状及发展趋势[J].环境工程技术学报，2019，9(06)：637-642.

[5]岳远，李兵，王伟锋，等.餐厨垃圾与市政污泥共消化厌氧产氢研究[J].宁波大学学报(理工版)，2018，31(06)：110-114.

[6]张莉，刘和，陈坚.城市污泥添加厨余垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸的研究[J].工业微生物，2011，41(02)：26-31.