餐厨垃圾回收废水作为沼气原料的特性研究外文翻译资料

餐厨垃圾回收废水作为沼气原料的特性研究

原文作者：Seung Gu Shin等

摘要：通过一系列实验，表征了食品废物回收废水（FRW）的特性，并调查成关于年度和季节变化，表明这与不同季节的工艺操作有关。全年取样（n=31）表明，FRW含有较高的化学需氧量（COD；148.7plusmn;30.5 g/L），碳水化合物（15.6%）、蛋白质（19.9%）、脂质（41.6%）、乙醇（14.0%）和挥发性脂肪酸（VFA；4.2%）为主要成分。FRW部分（62%）的溶解，可能是由于包括碳水化合物在内的有机物的部分发酵。糖类和蛋白质的可生物降解部分通过一级动力学的产酸试验进行估算，分别为72.9plusmn;4.6% 和37.7plusmn;0.3%。最多有50% 的初始有机物转化为三种主要的挥发性脂肪酸，即醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐。甲烷势估算为0.562 L CH₄/g VS_feed, 约占元素分析估计的理论最大值的90.0%。

关键词：厌氧消化；废水特性；季节变化；酸化；生化甲烷势

1. 引言

大多数国家目前的环境问题和法规使得填埋食物垃圾难以接受（Lee等，2009年）。韩国作为将食物垃圾与其他垃圾分离的主要国家之一，收集了91%的食物垃圾作为单独的资源。总体而言，86%的食物垃圾被转化为动物饲料或肥料等回收产品（NIER，2013）。然而，回收过程会产生大量（相当于食物垃圾体积的70%）废水，其中含有大量有机物（化学需氧量（COD）约为140 g/L）（Shin等人，2010a）。但是，这种食物垃圾回收废水（FRW）由于其体积大、有机物含量高，因此可被视为生物能源生产的宝贵燃料来源。

从节能和环保的角度来看，厌氧工艺被认为是处理高强度有机废物（如FRW）的一种很有前途的方法，FRW厌氧消化的可行性最近可以在文献中找到（Behera等，2010年；Lee等，2009年；Shin等，2010a）。因此，韩国在过去几年中引入并建造了各种全规模厌氧工艺，以实现增加可再生能源生产比例的立法目标，并从2013年起不再使用海洋处理方法处理此类废水。

生物动力学模型有助于理解厌氧过程，理解其适用性和限制性。全尺寸厌氧工厂的设计通常基于实验和运行数据得出的生物动力学参数。几乎所有的生物动力学参数都是根据微生物和基质浓度的变化来评估的，它们通常分别表示为挥发性悬浮固体（VSS）和化学需氧量（COD）。虽然该实验可以在给定基质的一定特征下进行（Martiacute;n等，2010年），但全尺寸工厂可能会产生不同成分的基质。

废水特性和可处理性研究始终是设计厌氧工艺处理废水的第一步。这是因为原料的特性是控制微生物工艺设计和性能的最重要因素之一（Speece，1996），尤其是厌氧微生物，因为其有独特的生长特性。厌氧硝化涉及产酸和产甲烷微生物之间的共生关系。产酸菌和产甲烷菌在生长和底物利用率以及对环境变化的敏感性方面存在很大差异。例如，与产甲烷菌相比，产酸菌生长相对较快，在pH变化期间更稳定（Kim等，2011）。挥发性脂肪酸（VFA）的产生和消失之间的不平衡通常会导致酸的积累、低pH值、产甲烷活性的丧失以及硝化器故障。当这种情况发生在厌氧系统中时，几乎不可能在不进行重大改变的情况下维持该过程，即添加缓冲液或停止进水，以期产甲烷菌将利用积累的酸。厌氧硝化池的不稳定或故障已经有广泛报道，尤其是在高负荷条件下（McMahon等，2004年；Shin等，2011年；Tale等，2015年）。然而，高浓度有机废水的成分将是厌氧工艺能否成功运行的另一个关键因素，因为废水中的主要粗有机物（即碳水化合物、蛋白质和脂质）经过不同的生化途径，产生不同的中间体（Batstone，2002）。这种特性上的异质性会通过有机物和抑制剂的冲击负荷，以及随后的pH值扰动，对厌氧过程的性能产生负面影响。例如，由于快速生长的产酸菌和缓慢生长的产甲烷菌的生长活性之间的不平衡，碳水化合物等易生物降解有机物的过载可能会导致pH值下降（Griffin等，1998年）。蛋白质和脂质的过载和随后的降解也会分别导致氨和长链脂肪酸（LCFA）水平升高，这可能会对厌氧消化产生抑制作用（Cirne等，2007年；Westerholm等，2012年）。因此，原料中的波动，包括粗有机物的变化，可能直接影响全规模蒸煮器的操作，因此在设计厌氧过程时，需要考虑这种变化。

虽然厌氧工艺在不同有机负荷率的不同废水中取得了不同程度的成功，但并未充分了解废物特性及其变化的价值和影响。因此，本研究的目的是（1）描述从韩国最大的一个FRW收集点获得的FRW；（2）研究FRW中主要VFA（C₂-C₆）的形成。对成分的年度和季节变化进行调查，因为了解这些变化对于厌氧过程的稳定运行尤为必要。VFA不仅是甲烷化的重要前体，也是过程不稳定性的指标，同样也是高浓度厌氧系统的潜在抑制物质。

2. 材料与方法

2.1. 废水收集与分析

FRW是在韩国仁川的 Sudokwon 垃圾填埋场收集的，该填埋场是世界上最大的（2000万平方米）垃圾填埋场。该填埋场每天接收约1500 m³首尔都市区产生的垃圾；这约占韩国FRW总量的15%。FRW通常通过25 m³的罐车从大都会区的各种食物垃圾回收设施运输到垃圾填埋场，在进一步处理之前，将废水卸载到储槽中。每次采样，随机选择一辆车，在卸载过程中将FRW采样到一升容器中。从2009年1月开始至12月结束，每两周采集一次样本，共计31次。

必要时，用蒸馏水稀释样品，使其在分析方法的相关浓度范围内。COD、总固体（TS）、挥发性固体（VS）、总悬浮固体（TSS）和VSS根据标准方法（APHA，2005）中的程序进行测定。使用配备Innowax毛细管柱和火焰离子化检测器的气相色谱仪（6890 plus，Agilent，Palo Alto，CA）测量挥发性脂肪酸（挥发性脂肪酸，C₂-C₆，包括C₄-C₅的iso形式）和乙醇。使用苯酚-硫酸法测量碳水化合物浓度（Shin等，2010a）。使用凯氏定氮法（APHA，2005）测定凯氏氮总浓度（TKN）和氨浓度。有机氮估算为TKN和铵态氮之间的差值；对于1g有机氮，假设蛋白质含量为6.25克。通过溶剂（氯仿：甲醇，1:2v/v）提取脂质后，使用重量分析法测量脂质浓度（Shin等，2010a）。

2.2. 产酸和甲烷化实验

2010年4月，用蒸馏水（即100%、80%和60%）稀释未经处理的FRW所产生的三种不同浓度的废水，分批进行产酸阶段测试。每个反应器的有效容积为4L。每个反应器充满基质和厌氧污泥（11.8g VS/L；20%v/v），这些污泥取自处理生活污水污泥的当地全尺寸中温厌氧消化池。反应器以120转/分的速度连续混合，并保持在35℃和pHgt;7.0和6.0 M氢氧化钠。样品取自圆柱形反应器的中间深度。反应器最初用氮气饱和，并运行18小时。第5天，碳水化合物、蛋白质和VFA浓度没有显著变化。使用气密袋收集沼气，并使用配备HP-5毛细管柱和导热检测器的气相色谱仪（6890 plus，安捷伦，帕洛阿尔托，CA）测定沼气含量（CH₄、CO₂和N₂）。使用公式（1）估计碳水化合物和蛋白质降解的一级动力学（Vavilin等，2008年）：

S = S₀ S₁e^-kt (1)

式中，S₀、S₁、k和T分别表示底物的残余浓度（即碳水化合物或蛋白质（g/L））、底物的不可生物降解部分的浓度（g/L）、底物的可生物降解部分的浓度（g/L）、一级速率系数（1/d）和培养时间（d），碳水化合物和蛋白质的残余浓度随时间的变化分别符合式（1），以估计相关的动力学参数（即S₀、S₁和K）。

根据之前的一项研究（Cho等，1995年），还对125 ml血清瓶（100 ml有效容积）进行了生化甲烷电位（BMP）测试。用80%（v/v）的底物和20%（v/v）的厌氧种子污泥（15.2 g VS/L），添加碱度（4 g CaCO₃/L）和初始pH值在7.4plusmn;0.1，使用6.0 M氢氧化钠校正，另外做个平行试验。用蒸馏水稀释未经处理的FRW，使其最终浓度为2.5 g COD，并使用。同时添加80%（v/v）蒸馏水代替底物制备空白对照。用氮气曝气，以提供厌氧环境。监测沼气产生30天，直到不再观察到沼气产生。每2-6天使用注射器收集产生的沼气，每次记录其体积和甲烷含量。甲烷体积以标准温度（0℃）和压力（1 atm）下的当量表示。使用元素分析仪分析用于分析BMP试验的FRW的元素组成。使用以下等式（Lee等，2009）计算理论最大甲烷产量，并与观测到的甲烷产量进行比较。

C_aH_bO_cN_d () H₂O → () CH₄ () CO₂ NH₃ (2)

2.3. 统计分析

统计分析和非度量多维标度（NMDS）使用R软件包进行，该软件包包含以下库：agricolae、vegan、optparse、gclus和ggplot2（Ijaz，2014）。Anderson–Darling检验用于检验分析的参数是否符合正态分布。采用单因素方差分析（ANOVA）检验季节和回收产品的平均值是否存在统计学差异。采用0.05水平的Duncan多量程检验来比较平均值，并对其进行相应的分组。双变量分析基于一个简化表进行，包括九个参数（pH、可溶性COD（SCOD）、碳水化合物、蛋白质、脂质、氨氮、乙醇、醋酸盐和丙酸盐；n=22）。除pH值外，将这些值标准化为相应的COD值，以测试其相对成分的协同变化。皮尔逊相关系数用于两两双变量分析。对于NMD，使用了完整的样本特征表，没有遗漏条目（n=21）。

3. 结果与讨论

3.1. FRW的特性

根据随机抽样，31个样本中有20个（65%）取自动物饲料生产设施运输FRW的车辆；这与动物饲料占首尔都市区FRW总数65%的事实相符。同样，23%的样本（31个样本中的7个）来自化肥生产设施（26%的FRW每代）。完整的样本列表及其来源（匿名）以及整个分析数据见表1。

表1 FRW特征的全年观察（n=31）

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