盐分对餐厨垃圾厌氧消化的影响刘研萍;王玮;陈雪;袁海荣;邹德勋;朱保宁;李秀金【摘 要】高盐分对餐厨垃圾厌氧消化具有一定影响作用.文章采用批式试验,考察了 不同Na+浓度下，厌氧消化产气量，甲烷含量,VFA,产甲烷菌数量等的变化，分析了不 同Na+浓度对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响，同时考察了连续式反应器(CSTR)中Na+浓度的变化趋势•试验结果表明,Na+浓度越高对餐厨垃圾厌氧消化产气性能的 抑制越严重•当Na+浓度为5 g・L-1时，累积产气量为对照累积产气量的51%;而当 Na+含量为10 g・L-1时,累积产气量为对照组累积产气量的1%;随着Na+浓度的 升高,VFA大量积累;通过荧光显微镜观察到,Na+浓度升高后,产甲烷菌数量有所下 降•在餐厨垃圾厌氧消化连续运行过程中，随着负荷的升高和运行天数的延续,反应体 系中Na+不断累积,Na+累积速率亦逐渐升高.期刊名称】《中国沼气》年(卷),期】2016(034)002【总页数】5页(P53-57)【关键词】Na+浓度;餐厨垃圾;厌氧消化;抑制作用【作 者】 刘研萍;王玮;陈雪;袁海荣;邹德勋;朱保宁;李秀金【作者单位】 北京化工大学环境科学与工程系,北京100029;北京化工大学环境科 学与工程系,北京100029;北京国能中电节能环保技术有限责任公司,北京100020; 北京化工大学环境科学与工程系,北京100029;北京化工大学环境科学与工程系,北 京100029;北京化工大学环境科学与工程系,北京100029;北京化工大学环境科学 与工程系,北京100029正文语种】中文【中图分类】S216.4;X705随着经济持续增长和城市化进程，我国城市餐厨垃圾产生量不断攀升，目前，年产 生量已达6000多万吨，并持续增长［1］。
餐厨垃圾的特点是有机物含量高(80% ~ 90%)、含有多种复杂组分(蛋白质、脂肪、碳水化合物、无机盐类等)、含水率高 (75%~90%)，相对于卫生填埋、焚烧和堆肥等处理处置方式，厌氧消化更适合有 机物含量和含水率高的生物质废物的处理与能源化转化［2］它通过厌氧微生物的 分解代谢活动，把餐厨垃圾中的有机组分转化为生物气体，从而实现餐厨垃圾的无 害化处理和生物能源转化，具有广阔发展潜力餐厨垃圾特有的高盐分、高油脂含量会对餐厨垃圾厌氧消化产生不利影响餐厨垃 圾中无机盐类包括钙、镁、钾、铁、钠等，其中钠盐的含量最高我国餐厨垃圾盐 浓度在2000 -6000 mg・L-1(Na+浓度)之间［3］，研究发现在低浓度的范围内，Na+可能对产甲烷过程中的三磷酸腺苷的合成或NADPH氧化过程起到促进作用， 但是在高浓度范围内，Na+会影响微生物的活性并干扰他们的代谢［5］有研究称 Na+的浓度在3500 -5500 mg・L-1时对中温产甲烷菌产生中等抑制；当Na+的 浓度为8000 mg・L-1时则会产生很强的抑制作用［6］同时，Mg2+ , Ca2+和的 浓度均会对Na+的抑制效应产生影响［7］。
Na+的抑制作用和Mg2+的浓度是直接 相关的，当Mg2+的浓度为0.05 mM , Na+的浓度为0.36 M时，就已完全抑制 微生物的生长，提高Mg2+的浓度后，Na+的抑制作用也降低了［8］目前，由于 各研究体系中适应阶段、拮抗/协同作用、培养基和反应器等因素的不同，Na+具 体抑制值也不同文章主要针对食堂餐厨垃圾，研究了 Na+浓度变化对单相中温厌氧消化过程的影 响，通过产气性能，产物组成，VFA的变化分析，以及荧光显微镜对产甲烷菌的 观察分析，探索了影响中温厌氧消化的Na+浓度范围及影响趋势，为餐厨垃圾厌 氧消化的盐分控制提供参考1.1 试验材料 试验用餐厨垃圾取自北京化工大学招待餐厅，包括蔬菜、肉、米饭、鱼、豆制品、 水果等将餐厨垃圾中大块的杂质如果核、骨头、纸巾，一次性餐具等分拣出来 混合之后用食物垃圾处理器打碎成粒径约5~10 mm左右接种物为北京小红门污水处理厂中温（35工）厌氧消化污泥为保证试验的接种比， 批式试验的接种污泥静置沉淀后，采用3000 r・min-1, 5 min离心后的离心污泥; 连续搅拌反应器（continuous stirred tank reactor, CSTR）接种泥为自然沉降后的 厌氧污泥。
试验原料和接种物性质见表11.2 试验装置批式试验反应器容积为1 L，采用排水集气法，反应器置于可控温摇床中，摇床温度设置为35°C±2°C,转速为120 r・min-1连续搅拌反应器（CSTR）有效容积为8 L,置于35C±2C的恒温箱中，搅拌器每隔2小时搅拌5 min，搅拌速率为3000「min-11.3 试验方案批式试验中设置7个Na+浓度水平，分别为对照组（不外加Na+） ,2 g・L-1,4 g・L-1,6 g・L-1,8 g・L-1和10 g・L-1,通过添加NaCl实现餐厨垃圾的进料负 荷为15 gVS・L-1, F/M（以VS计）为0.5设置纯接种污泥试验组以了解接种污泥 对产气率的贡献CSTR起始负荷为1.0 gVS・L-1.d-1,稳定后以0.5 gVS・L-1.d-1递增，反应器连 续运行110天1.4 分析方法试验原料总固体（TS），挥发性固体（VS）均采用重量法，参考标准分别为CJ/T 3039-1995 和 CJ/T 96-1999pH 值采用玻璃电极法（Orion 3-star，美国）氨 氮测定采用纳氏比色法，使用仪器为分光光度计（UV-2000, unico，上海）。
Na + 浓度的测定采用原子火焰光度计法（日立Z-8000,日立，日本）产甲烷菌的观察 使用Olympus BX51显微镜气体成分采用气象色谱法测定（GC，SP-2100，北 京北分，中国），检测器：TCD ；载气：氩气；流量：20 mL・min-1 ;填充柱：3 m长TDX-02柱，柱温：100°C; TCD温度：120工；进样口温度：100°C ;电流: 65mA ；进样：采用手动进样，进样量为1 mL挥发性脂肪酸（VFAs）采用气相色 谱法测定（GC, GC2010 ,岛津，日本），检测器和温度：FID ,250C ；载气和流 速：氮气/空气,30 mLmin-1 ;色谱柱：2 m长玻璃填充柱；柱温：程序升温 （180C，6 min，230C，20 min）2.1 盐分对厌氧消化影响的批式试验2.1.1 对日产气量的影响不同Na+浓度对餐厨垃圾厌氧消化产日产气量的影响情况见图1在厌氧消化的第1天，不同Na+浓度的底物都出现了产气的第一个高峰Na+浓 度与首日产气量是成反比例关系，Na+浓度越高，峰值越小整体看来，加Na + 后的底物产气高峰比不外加Na+的产气高峰要滞后数天，且产气高峰值也随Na + 浓度的增加而降低。
对照组的产气高峰在第10天出现,日产气量为1540 mL, 产气周期为25天；Na+浓度为2 g・L-1时，产气高峰在第13天出现，日产气量 为1290 mL，由于产气高峰的延后，产气周期为27天；当Na+浓度为8 g・L-1 时，产气高峰在第24天出现，日产气量为150 mL，日产气量仅为对照组的9.7% ； 当Na+浓度为10 g・L-1时，产气周期仅为8天，且每天仅有10 ~ 20 mL微量 产气可以看出，随着Na+浓度的升高，产气高峰有延后的趋势，且产气量有所 下降2.1.2对VS累计产气率的影响不同Na+浓度条件下，餐厨垃圾厌氧消化VS累计产气率的变化见图2从图2 可以看出，底物中Na+浓度对厌氧消化的VS累积产气量的影响显著对照组的 累积产气量为391 mL・g-1VS，当Na+浓度为5 g・L-1时，累积产气量为198 mL・g-1VS，为对照组累积产气量的51% ;而当Na+浓度为10 g・L-1时，累积产 气量为5 mL・g-1VS，仅为对照组累积产气量的1%试验结果表明，消化系统中Na+浓度的变化对餐厨垃圾厌氧消化产气量的影响显 著Na+浓度较低(2 g・L-1 )时，对系统影响不大；Na+浓度超过4 g・L-1时，产气 量开始急剧下降，这可能是因为外部环境中高浓度的Na+改变了厌氧微生物的渗 透压，阻碍了微生物的代谢活动，甚至导致微生物大量死亡［9］。
2.1.3 对甲烷体积分数的影响不同Na+浓度条件下，甲烷体积分数如图3所示随着Na+含量的增加，不仅产 气出现滞后的现象，甲烷体积分数达到稳定状态的时间也呈延后的现象对照组的 甲烷含量在第6天后基本稳定在70% ~78%之间；当Na+浓度为5g・L-1时，甲 烷含量达到稳定的时间变为10天，体积分数在70% ~75%之间甲烷含量在第8 天后基本稳定在70% ~77%之间；当Na+浓度为8 g・L-1时，甲烷含量达到稳定 的时间变为15天，体积分数在40%~46%之间；当Na+浓度为10 g・L-1时，8 天以后已经不再产气，且甲烷含量的最高为24%可以看出，当Na+浓度在5 g・L-1左右时，与对照组相比，系统中的微生物需要更长的时间适应高盐的环境； 当Na+浓度超过5 g・L-1,甚至达到10 g・L-1时，由于系统中微生物，尤其是产 甲烷菌受到不可逆的冲击，微生物活性下降，甚至大量死亡，导致甲烷体积分数急 剧下降［10］2.1.4对TS和VS去除率的影响随着Na+浓度的增加，TS和VS去除率均逐渐减少，如图4所示当Na+浓度为 2 g・L-1时，TS和VS去除率分别为24.59%和36.82% ;当Na+浓度为10 g・L-1 时，TS和VS去除率分别为13.45%和15.45%。
可见，Na+浓度的增加，TS和 VS去除率逐渐降低，底物中有机组分的降解也因厌氧代谢受阻受到了影响［11］ 2.1.5对pH值和VFA的影响餐厨垃圾厌氧消化反应结束后，反应器中pH值和挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid , VFA)的变化见图5当Na+浓度为5g・L-1时，VFA总量为对照组中VFA 总量的3倍；当Na+浓度为1Og・L-1时，VFA总量约为对照组中VFA总量的5 倍可以看出，随着Na+浓度的增加，反应器中微生物的代谢，尤其是产甲烷菌， 受到抑制的程度不断增大，导致VFA无法作为底物被利用，从而发生大量累积， 导致pH值下降2.1.6 甲烷菌的定性观察辅酶F420是产甲烷菌所特有的物质，能够在420 nm波长的入射光激发下，发出 蓝绿色荧光，这一特点被广泛应用于产甲烷菌的定性鉴定［12］图6 ，图7分别为 对照组和5g・L-1Na+试验组的发酵液在激发波长为420 nm的荧光显微镜下的照 片从图6 ，图7可以看出，两图中发蓝绿色荧光的为产甲烷菌其中，对照组产 甲烷菌数量较多且分布广泛；5 g・L-1Na+试验组中产甲烷菌数量明显减少Na + 浓度的升高对产甲烷菌有抑制作用，浓度过高时甚至可能产生毒害作用［13］。
2. 2 盐分对厌氧消化影响的连续试验为了考察餐厨垃圾厌氧消化长期运行过程中Na+变化规律和积累情况，进行了连 续试验CSTR起始负荷为1.0 gVS・L-1d-1, pH值为7.4，系统稳定后，进料有 机负荷以0.5 gVS・L-1.d-1递增，每日进出料，每隔2小时搅拌5 min，搅拌速率 为3000 r・min-1,反应器连续运行110天CSTR连续运行中Na+浓度的变化见图8纵观厌氧消化的整个过程，Na+的浓 度在逐渐增加当进料负荷低于2 g・L-1d-1时，Na+增加趋势较缓慢，变化范围 在0.0008%~0.0012%系统内液相中Na+的积累速度缓慢，一方面可能是因为 反应器内溶液对每天进料中Na+具有较大的稀释作用；另一方面，可能因为反应 器中颗粒物或菌体对Na+具有一定吸附能力从进料负荷达到2.5 g・L-1d-。