瓜果废弃物厌氧发酵产酸及发酵液作为反硝化外加碳源的研究.pdf
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1、第 卷第期陕西科技大学学报V o l N o 年 月J o u r n a l o fS h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y D e c 文章编号:X()瓜果废弃物厌氧发酵产酸及发酵液作为反硝化外加碳源的研究侯银萍,东王涛,张安龙,王先宝,裴立影(陕西科技大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 )摘要:瓜果废弃物有机质含量高,传统的填埋焚烧等处理方法易造成环境污染针对城市污水处理中存在的生物脱氮碳源不足问题,厌氧发酵技术能够将此类有机废弃物降解转化为有机酸作为补充碳源,促进生物脱氮为此,课题组以瓜果
2、废弃物作为研究对象,通过批式实验方法,分别探索了接种乳酸菌和厌氧污泥条件下,接种比(F/M、和)和发酵菌种类对瓜果废弃物中温厌氧发酵产酸的影响,并考察发酵液作为反硝化外加碳源的利用性能结果表明:乳酸菌发酵时,F/M 和 条件下发酵液的挥发性脂肪酸(V o l a t i l eF a t t yA c i d s,V F A s)产量分别为 m gC O D/L和 m gC O D/L,均大于F/M 的V F A s产量,主要产物均以戊酸为主;厌氧污泥发酵时,F/M 条件下的发酵液V F A s产量在 d时最大,为 m gC O D/L,其中乙酸占V F A s总量的 分别以乳酸菌发酵组F/M
3、 和 条件下的发酵液、厌氧污泥发酵组F/M 的发酵液为碳源,进行活性污泥缺氧反硝化脱氮实验,污泥反硝化速率分别为:m gNO N/(g ML S Sh)、m gNO N/(gML S Sh)和 m gNO N/(gML S Sh),而对照组以乙酸钠为碳源时,反硝化速率为 m gNO N/(gML S Sh)研究结果表明,采用厌氧污泥进行瓜果废弃物中温发酵,接种比F/M为 时,发酵产酸量最大,且发酵液作为活性污泥反硝化脱氮外加碳源时具有良好的利用性能研究结果为后续深入探究瓜果废弃物资源化利用及活性污泥反硝化碳源开发提供了一定的理论参考关键词:瓜果废弃物;厌氧发酵产酸;碳源利用;反硝化脱氮中图分类
4、号:X 文献标志码:AS t u d yo na c i d sp r o d u c t i o nf r o mf r u i tw a s t e sb ya n a e r o b i c f e r m e n t a t i o na n dt h e f e r m e n t a t i o n l i q u i da s c a r b o ns o u r c e f o rd e n i t r i f i c a t i o nHOUY i n p i n g,D ONG W a n g t a o,Z HANGA n l o n g,WANGX i a n b a
5、o,P E IL i y i n g(S c h o o lo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h eo r g a n i cm a t t e rc o n t e n to fm e l o na n df r u i tw a s t e i sh i g h,a n dt h
6、ec o n v e n t i o n a ll a n d f i l l t r e a t m e n tm e t h o d i se a s i l yt o i n d u c ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n A i m i n ga t t h ep r o b l e mo f i n s u f f i c i e n t c a r b o ns o u r c e s f o rb i o l o g i c a l d e n i t r i f i c a t i o n i nu r b a ns e w
7、a g e t r e a t m e n t,a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g yc a nd e g r a d es u c ho r g a n i cw a s t e i n t oo r g a n i ca c i d sa s s u p p l e m e n 收稿日期:基金项目:陕西省科技厅重点研发计划项目(S F );陕西省咸阳市重点研发计划项目(L Z D Y F S F )作者简介:侯银萍(),女,陕西西安人,讲师,博士,研究方向:有机废物厌氧发酵及资源化回收技术第期侯银萍等:瓜果废
8、弃物厌氧发酵产酸及发酵液作为反硝化外加碳源的研究t a r yc a r b o ns o u r c e st op r o m o t eb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n T h e r e f o r e,i nt h i sr e s e a r c h,t h ee f f e c t so f i n o c u l a t i o nr a t i o(F/M,a n d)a n d t h e t y p eo f f e r m e n t a t i o nb a c t e r i ao nt h ea c
9、i dp r o d u c t i o no fm e s o p h i l i ca n a e r o b i cf e r m e n t a t i o no fm e l o na n df r u i tw a s t ew e r er e s e a r c h e db yb a t c he x p e r i m e n t su n d e r t h ec o n d i t i o n so f i n o c u l a t i o no f l a c t i ca c i db a c t e r i aa n da n a e r o b i cs l
10、u d g e T h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t t h ev o l a t i l ef a t t ya c i d s(V F A s)y i e l d sw e r e m gC O D/La n d m gC O D/Lu n d e r t h ec o n d i t i o n so fF/M a n d,b o t ho fw h i c hw e r eh i g h e r t h a n t h a t o fV F A sy i e l d sa tF/M ,a n dt h ep r i m a r
11、 yp r o d u c tw a sv a l e r i ca c i d D u r i n ga n a e r o b i cs l u d g e f e r m e n t a t i o n,t h eV F A sp r o d u c t i o no f f e r m e n t a t i o nb r o t hu n d e r t h ec o n d i t i o no fF/M r e a c h e dt h em a x i m u ma t d,w h i c hw a s m gC O D/L,a n da c e t i c a c i da
12、c c o u n t e d f o r o f t h e t o t a lV F A s T h e a n a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t s o f a c t i v a t e ds l u d g ew e r e c o n d u c t e do u tw i t h t h e f e r m e n t a t i o nb r o t ho f l a c t i ca c i db a c t e r i a f e r m e n t a t i o ng r o u
13、pu n d e rF/M a n d a n dt h ef e r m e n t a t i o nb r o t ho fa n a e r o b i cs l u d g e f e r m e n t a t i o ng r o u pu n d e rF/M a sc a r b o ns o u r c e s T h ed e n i t r i f i c a t i o nr a t e so fs l u d g ew e r e m gNO N/(gML S Sh),m gNO N/(gML S Sh)a n d m gNO N/(gML S Sh),w h i
14、l et h ec o n t r o lg r o u pu t i l i z e ds o d i u ma c e t a t ea sc a r b o ns o u r c e T h ed e n i t r i f i c a t i o nr a t ew a s m gNO N/(gML S Sh)T h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a ta n a e r o b i cs l u d g ew a su t i l i z e df o rt h em o d e r a t et e m p e r a t u r
15、 ef e r m e n t a t i o no fm e l o na n d f r u i tw a s t e Wh e n t h e i n o c u l a t i o nr a t i oF/M w a s ,t h e a c i do u t p u tw a s t h e l a r g e s t,a n dt h e f e r m e n t a t i o nb r o t hh a dg r e a tu t i l i z a t i o np e r f o r m a n c ea sa ne x t e r n a lc a r b o ns o
16、 u r c ef o rd e n i t r i f i c a t i o no f a c t i v a t e ds l u d g e T h e r e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d e a t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r f u r t h e re x p l o r a t i o no f t h er e s o u r c eu t i l i z a t i o no fm e l o na n df r u i tw a s t ea n dt h ed e v
17、 e l o p m e n to fa c t i v a t e ds l u d g ed e n i t r i f i c a t i o nc a r b o ns o u r c e K e yw o r d s:m e l o na n d f r u i tw a s t e;a c i d sp r o d u c t i o nb ya n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n;c a r b o ns o u r c eu t i l i z a t i o n;n i t r o g e nr e m o v a lb yd e
18、n i t r i f i c a t i o n引言随着人口和人类活动的增加,城市污水排放量急剧增大,污水中所含氮磷元素为水体富营养化提供条件,导致污水的处理成本和难度增加,同时也会引发水环境的生态破坏,对水质和水生动植物造成不可逆的损害,威胁人类的健康安全碳源是微生物进行反硝化的必备要素,微生物可以直接使用有机碳作为电子供体,对净化污水具有重要意义我国生活污水普遍存在碳氮比(C/N)低,污水处理厂进水碳源不足导致生物除磷脱氮效果差,有效解决污水处理厂碳源不足问题,是提高污水脱氮除磷效率从而实现达标排放的有效途径,提高污水脱氮除磷效果最常用的的方法是投加外碳源目前,外碳源可为两大类:传统外加
19、碳源和新型碳源传统外加碳源主要以甲醇、乙酸钠和葡萄糖为主;新型碳源主要有固体有机碳源、高浓度有机废水和厌氧发酵产物(如秸杆、餐厨垃圾厌氧发酵液)传统外碳源会增加污水处理成本;新型碳源如秸杆释放周期短、释放分布不均匀,可控性差,厨余垃圾含水率高、含油量高,会对其厌氧发酵过程产生一定影响,因此,开发高效、廉价和可持续的生物碳源对于降低污水处理的运行成本尤为必要目前,农村经济不断发展、瓜果种植技术不断改进,在种植地采摘、市场流通等过程中会产生的大量瓜果废弃物瓜果废弃物具有含水量高、有机物含量高、易腐败变质等特性,容易滋长蚊虫和散播病原瓜果废弃物的大量产生和堆积已经对农田、水体、果蔬配送市场和其他人居
20、环境构成了严重威胁,成为一种不可忽视的污染源我国每年都会产生大量瓜果废弃物,常用的处理方法有填埋、焚烧、好氧堆肥和厌氧消化等 瓜果废弃物因其含水率过高,在处理过程中会存在很多问题填埋处置是利用自然环境将其分解,这种处理方式不仅会产生毒有害气体,还会产生一定的渗滤液,对土壤也会有一定危害;焚烧过程中会产生废气和一些致癌物质,危害人体健康而瓜果废弃物含碳量很高,其作为一种优质有机碳源,在厌氧微生物的作用下能够将瓜果废弃物中的有机物(多糖、蛋白质、纤维素等大分子物质)分解转化为小分子碳源,最终产生富含挥发性脂肪酸(V F A s)的发酵液,将该发酵液作为污水处理厂脱氮除磷工艺的外陕西科技大学学报第
21、卷加碳源对于瓜果废弃物而言不但可以解决城市污水处理厂碳源不足的问题而且可以避免资源浪费,是符合“双碳”理念的绿色可持续方法基于上述背景,本课题以瓜果废弃物作为研究对象,探究不同接种比(F/M、和)下的乳酸菌和厌氧污泥对瓜果废弃物厌氧发酵产酸的影响选取最优厌氧发酵条件下的发酵液作为活性污泥反硝化外加碳源,与传统外加工业碳源乙酸钠进行对比,进行反硝化实验评定反硝化性能实验部分 实验材料实验所用瓜果废弃物主要为香蕉、火龙果和苹果,取自校园餐厅的水果摊废弃物将实验所用瓜果每 g加 m L蒸馏水,利用破碎机(九阳J Y L Y )进行机械破碎制为果泥,并放置于 冰箱中保存备用发酵实验分别接种乳酸菌和厌氧
22、颗粒污泥,其中乳酸菌为食品发酵所用的混合菌型(川秀,乳酸菌酸奶发酵粉,北京),厌氧颗粒污泥取自西安市某啤酒厂UA S B反应器反硝化速率实验所用活性污泥取自西安市某污水处理厂缺氧池,取得污泥后重力浓缩弃去上清液并用纯水淘洗两遍,调整污泥浓度(ML S S)约为 m g/L果泥及厌氧颗粒污泥基本性质如表所示表果泥和厌氧颗粒污泥的基本性质检测指标果泥厌氧颗粒污泥p H 总化学需氧量(T C O D)/(m g/L)溶解性化学需氧量(S C O D)/(m g/L)/总悬浮性固体(ML S S)/(g/L)挥发性悬浮性固体(ML V S S)/(g/L)溶解性多糖/(m g/L)实验方法 果泥发酵产
23、酸采用序批式实验方法,探究接种菌剂以及接种比对瓜果废弃物厌氧发酵产物的影响取 m L果泥置于个 m L厌氧血清瓶中,其中瓶作为对照组不接种发酵菌,其余每瓶为一组,每组分别接种乳酸菌和厌氧污泥,各组的个厌氧瓶中分别按照F/M(果泥/接种菌,以V S S计)为、和 接种发酵菌,并将以上厌氧瓶进行编号,如表所示在每个厌氧瓶中加入mm o l/L甲烷菌抑制剂二溴乙烷磺酸钠(B E S)g B E S,氮气吹扫m i n后密封,并置于()水浴摇床中进行厌氧发酵分别于第、天取样测定发酵液中S C O D、多糖和V F A s含量变化 V F A s达到最大产量时停止发酵,对厌氧瓶中混合液过滤并取发酵液保存
24、备用表各实验组接种比(F/M)情况实验组(F/M)/(g/g)接种菌剂/无 乳酸菌 乳酸菌 乳酸菌 厌氧污泥 厌氧污泥 厌氧污泥 活性污泥反硝化速率取个 m L烧 杯,每 个 烧 杯 中 加 入 m L经纯水淘洗后的活性污泥,并加入KNO(使 m L混合液中硝酸盐浓度为 m g/L),然后依次在个烧杯中加入葡萄糖和乙酸钠作为碳源,使 m L混合液中B O D/N,加纯水至每个烧杯中混合液为 m L开启机械搅拌使活 性 污 泥 呈 悬 浮 状 态,并 在 室 温 条 件 下(约)测定NO N的浓度变化,计算各种碳源条件下的污泥反硝化速率采用相同的方法,分别以V F A s产量较高的厌氧发酵液作为
25、碳源,测定活性污泥的反硝化速率,评价废弃瓜果厌氧发酵液作为反硝化外加碳源的可利用性 检测及分析方法常规项目均参照 水和废水监测分析方法 第四版中常用分析方法,ML S S和ML V S S采用重量法测定,S C O D和T C O D采用重铬酸钾法测定,硝态氮采用紫外分光光度法测定,溶解性多糖采用苯酚浓硫酸法测定 发酵液中V F A s含量及组分采用气相色谱法(G C)测定 取m L发酵混合液经 r/m i n,离心 m i n后,用 m滤膜过滤,取m L滤液于气相色谱进样瓶中并加 L甲酸酸化后,密封并置于冰箱待测所用仪器为福立G C p l u s气相色谱仪,配备F I D检测器,R t x
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- 瓜果 废弃物 发酵 作为 硝化 外加 碳源 研究