pH调节方法对厨余垃圾两相厌氧消化中水解和酸化过程的影响
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pH调节方法对厨余垃圾两相厌氧消化中水解和酸化 过程的影响
张 波 1, 2 ,蔡伟民 2 ,何品晶 1, 3
11同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室 , 上海 200092 21上海交通大学环境科学与工程学院 ,上海 200240 收稿日期 : 2005208208 修回日期 : 2005210226 录用日期 : 2005211216
第 26 卷第 1 期 2006年 1月
环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae Circum stantiae
Vol. 26, No. 1 Jan. , 2006
张 波 ,蔡伟民 ,何品晶. 2006. pH调节方法对厨余垃圾两相厌氧消化中水解和酸化过程的影响 [ J ]. 环境科学学报 , 26 (1) : 45 - 49 Zhang B , Cai W M , He P J. 2006. The influence of pH adjustment methods on hydrolysis and acidogenesis of kitchen wastes in two - phase anaerobic di2 gestion [ J ]. Acta Scientiae Circum stantiae, 26 ( 1) : 45 - 49
作者简介 : 张 波 ( 1977—) ,女 ,博士后 , E2mail: crosswave@mail. tongji. edu. cn ; 3 通讯作者 (责任作者 ) , E2mail: solidwaste@mail. tongji. edu. cn, Tel: 021265986104 B iography: ZHANG Bo ( 1977—) , female, postdoctoral, E2mail: crosswave@mail. tongji. edu. cn; 3 Correspond ing author E2mail: solidwaste @ mail. tongji. edu. cn, Tel: 021265986104
正磷酸盐
/ (mg·L - 1 )
104. 8
166. 5 C /N / P 100∶2∶0. 11
注 : TS、VS为单位质量湿垃圾中的质量百分比 ; TOC为垃圾干固体中的质量百分比
112 试验条件和操作 实验在 35℃恒温水浴摇床中进行. 量取大约
300 mL厨余垃圾放置在 500 mL 锥形瓶中 ,锥形瓶 用带有出气孔的橡胶塞密闭. 选择 3 种 pH 调节方 法 ,第 1种方法是在实验初始阶段投加质量百分比 为 5%的 NaOH 溶液来调节反应器中的 pH 到 7,之 后不再加入碱液 ; 第 2 种方法是每隔 12 h 加入 1 mo·l L - 1 NaOH 和 1 mol·L - 1 Ca (OH ) 2的混合液 , 调节反应器中的 pH到 7. 第 3种方法通过调节进料 C /N 比调节 pH. 在对 3 种调节方法进行比较之前 , 需要确定第 3种方法的 C /N 比. 中性 pH 条件能够 促进氨氮的释放 ,利用氨氮对 pH 的缓冲作用可调 节反应器中的 pH. 首先投加 015 g、115 g和 3 g尿素 将物 料 的 C /N 比 调 节 至 40、30 和 20, 然 后 利 用 NaOH调节 pH 至 7,根据水解酸化液中 NH4+ 2N 浓 度选择适宜 C /N 比后再与前 2种 pH 调节方法进行 比较. 3种方法在调节 pH 过程中均通入氮气以保持 厌氧状态. 每种方法在调节 pH 之前采样 ,实验进行 第一周内每天取样 ,第二周内每 2天取样 ,整个实验 进行 15 d. 试验过程中跟踪测试 VFA、乳酸和 COD
摘要 :通过间歇实验探讨了 pH调节方法对厨余垃圾两相厌氧消化中水解酸化过程和水解酸化液中 Na +浓度的影响. 实验比较了厨余垃圾在 3 种 pH调节方法 (利用 NaOH溶液调节初始进料 pH到 7,利用 NaOH 和 Ca (OH) 2混合碱液每 12h调节 pH 到 7 和利用调节 C /N 比调节 pH 到 7)下水解酸化液中的 Na +浓度 、一级水解速率常数 、挥发酸 (VFA )浓度 、乳酸浓度和 VFA 组分分配. 结果表明 ,与利用 NaOH 溶液每 12 h调节 pH相比较 , 3种 pH调节方法都能够有效降低水解酸化出料液中的 Na +浓度 ,但利用调节 C /N 比来调节 pH能够取得更高的水解酸化效率 ,一 级水解速率常数可以达到 0. 199 d - 1 , VFA 浓度在实验第 3天即可达到 35 g·L - 1. 发酵产物乳酸在实验第 2天即达到高峰浓度 24 g·L - 1 ,后逐 渐下降到 6 g·L - 1 , VFA 组分中丙酸不是优势组分. 关键词 :厌氧 ;水解 ;酸化 ; pH调节 ;厨余垃圾
/ ( g·L - 1 )
53. 1
12. 5% 总凯氮 / ( g·L - 1 )
3. 33
9. 6% NH4+ 2N
/ (mg·L - 1 ) < 10
来自百度文库9. 4%
3. 9
TP / (mg·L - 1 )
182. 5
3. 6 可溶性的 P / (mg·L - 1 )
172. 4
46. 8%
11. 8
水解酸化过程选取最佳的 pH调节方法提供参考.
1 材料与方法 (M aterials and methods)
111 厨余垃圾的来源和特性 本试验所用厨余垃圾取自某大学学生食堂 ,主
要包括米饭 、蔬菜 、肉 、蛋 、豆腐 、土豆和盐等. 厨余 垃圾的密度为 1105 kg·L - 1. 新取来的厨余垃圾经过 小型搅碎机粉碎后放入 4℃冰箱保存待用. 厨余垃 圾的主要性质见表 1. 挥发性固体 (VS) 与总固体 ( TS)的比值表明 ,厨余垃圾中有机组分占 9619%以 上 ;悬浮固体 ( SS)与 TS的比值表明 ,厨余垃圾总固 体中 7414%是悬浮颗粒物. 厨余垃圾中 C、N、P的质 量比为 100 ∶2 ∶0111,表明厨余垃圾是高碳氮比复 合物.
Abstract: Batch experiments were carried out to determ ine the effect of pH adjustment methods on the accumulation of Na + in the effluent, hydrolysis and acidogenesis of kitchen wastes in the two2phase anaerobic digestion. Three pH adjustment methods included the initial adjustment of pH using NaOH, batch pH adjustment using NaOH and Ca (OH) 2 and the pH adjustment with regulating the ratio of carbon and nitrogen. The results showed that the efflu2 ent Na + concentration in the hydrolysis2acidogenesis liquid could be reduced at three pH adjustment methods. However, compared to the other two pH ad2 justment methods, the pH adjustment method with regulating the ratio of carbon and nitrogen increased the hydrolysis and acidogenesis rates of kitchen wastes with the first2order hydrolysis rate constant of 0. 199d - 1 and VFA concentration of 35g·L - 1. The lactic acid concentration decreased to 6g·L - 1 af2 ter the maximum lactic acid concentration of 24 g·L - 1was achieved on the second day of the experiment. And the p rop ionic acid didn’t p redom inate over the VFA constituents. Keywords: anaerobic; hydrolysis; acidogenesis; pH adjustment; kitchen wastes
文章编号 : 025322468 (2006) 0120045205 中图分类号 : X705 文献标识码 : A
The influence of pH adjustm en t m ethods on hydrolysis and ac idogenesis of k itch2 en wa stes in two2pha se anaerob ic d igestion
ZHANG Bo1, 2 , CA IW eim in2 , HE Pinjing1, 3
1. State Key Laboratory of Pollution Control & Resources Reuse, Tongji University, Shanghai 200092 2. School of Environmental Science & Engineering, Shanghai J iaotong University, Shanghai 200240 Rece ived 8 August 2005; rece ived in revised form 26 October 2005; accepted 16 November 2005
调节 pH 可以明显提高厨余垃圾的水解酸化效 率 ,尤其是调节 pH 到 7时 ,可以得到最高的水解和 酸化效率 (张波等 , 2005 ). 调节 pH 也可以引起水 解酸化反应器中微生物种群和代谢途径的剧烈变
化 ( Yu et a l. , 2003). 厨余垃圾中的有机物含量高 , 水解酸化过程中容易引起 pH 的快速下降 ,因而调 节 pH需要消耗大量碱液. 但投加 NaOH、NaHCO3和 Ca (OH ) 2等碱液不但经济成本高 ,而且大量阳离子
© 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
46
环 境 科 学 学 报
26卷
会被引入反应器. 在两相厌氧消化过程中 ,水解酸 化后的出料液是后续产甲烷过程的基质 ,有研究表 明 ,浓度超过 8 g·L - 1以上的 Na+就会影响产甲烷微 生物 的 活 性 并 且 干 扰 它 们 的 代 谢 ( Chen et a l. , 2003; Feijoo et a l. , 1995). 因此 ,对于含有高浓度有 机物的厨余垃圾而言 ,若欲通过调节 pH 提高水解 酸化过程效率 ,必须寻找一个合适的调节方法. 但 迄今为止 ,很少有关于 pH 调节方法对厨余垃圾水 解酸化过程影响的报道. 为了能够提高水解酸化过 程的效率 ,而又能避免高浓度阳离子进入后续产甲 烷过程 ,保证厨余垃圾两相厌氧消化处理过程的稳 定性和高效性 ,本文研究了 3 种 pH 调节方法对厨 余垃圾水解酸化后出料液中 Na+ 浓度 、水解酸化效 率以及水解酸化产物分配的影响 ,以期为厨余垃圾
表 1 厨余垃圾的特性 Table 1 Samp ling components of kitchen wastes
颗粒尺寸
V FA
可溶性的 TOC
COD
TS
VS
SS
V SS
pH
TOC
/mm
/ ( g·L - 1 )
/ ( g·L - 1 )
/ ( g·L - 1 )
<2
12. 9%
可溶性的 COD
张 波 1, 2 ,蔡伟民 2 ,何品晶 1, 3
11同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室 , 上海 200092 21上海交通大学环境科学与工程学院 ,上海 200240 收稿日期 : 2005208208 修回日期 : 2005210226 录用日期 : 2005211216
第 26 卷第 1 期 2006年 1月
环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae Circum stantiae
Vol. 26, No. 1 Jan. , 2006
张 波 ,蔡伟民 ,何品晶. 2006. pH调节方法对厨余垃圾两相厌氧消化中水解和酸化过程的影响 [ J ]. 环境科学学报 , 26 (1) : 45 - 49 Zhang B , Cai W M , He P J. 2006. The influence of pH adjustment methods on hydrolysis and acidogenesis of kitchen wastes in two - phase anaerobic di2 gestion [ J ]. Acta Scientiae Circum stantiae, 26 ( 1) : 45 - 49
作者简介 : 张 波 ( 1977—) ,女 ,博士后 , E2mail: crosswave@mail. tongji. edu. cn ; 3 通讯作者 (责任作者 ) , E2mail: solidwaste@mail. tongji. edu. cn, Tel: 021265986104 B iography: ZHANG Bo ( 1977—) , female, postdoctoral, E2mail: crosswave@mail. tongji. edu. cn; 3 Correspond ing author E2mail: solidwaste @ mail. tongji. edu. cn, Tel: 021265986104
正磷酸盐
/ (mg·L - 1 )
104. 8
166. 5 C /N / P 100∶2∶0. 11
注 : TS、VS为单位质量湿垃圾中的质量百分比 ; TOC为垃圾干固体中的质量百分比
112 试验条件和操作 实验在 35℃恒温水浴摇床中进行. 量取大约
300 mL厨余垃圾放置在 500 mL 锥形瓶中 ,锥形瓶 用带有出气孔的橡胶塞密闭. 选择 3 种 pH 调节方 法 ,第 1种方法是在实验初始阶段投加质量百分比 为 5%的 NaOH 溶液来调节反应器中的 pH 到 7,之 后不再加入碱液 ; 第 2 种方法是每隔 12 h 加入 1 mo·l L - 1 NaOH 和 1 mol·L - 1 Ca (OH ) 2的混合液 , 调节反应器中的 pH到 7. 第 3种方法通过调节进料 C /N 比调节 pH. 在对 3 种调节方法进行比较之前 , 需要确定第 3种方法的 C /N 比. 中性 pH 条件能够 促进氨氮的释放 ,利用氨氮对 pH 的缓冲作用可调 节反应器中的 pH. 首先投加 015 g、115 g和 3 g尿素 将物 料 的 C /N 比 调 节 至 40、30 和 20, 然 后 利 用 NaOH调节 pH 至 7,根据水解酸化液中 NH4+ 2N 浓 度选择适宜 C /N 比后再与前 2种 pH 调节方法进行 比较. 3种方法在调节 pH 过程中均通入氮气以保持 厌氧状态. 每种方法在调节 pH 之前采样 ,实验进行 第一周内每天取样 ,第二周内每 2天取样 ,整个实验 进行 15 d. 试验过程中跟踪测试 VFA、乳酸和 COD
摘要 :通过间歇实验探讨了 pH调节方法对厨余垃圾两相厌氧消化中水解酸化过程和水解酸化液中 Na +浓度的影响. 实验比较了厨余垃圾在 3 种 pH调节方法 (利用 NaOH溶液调节初始进料 pH到 7,利用 NaOH 和 Ca (OH) 2混合碱液每 12h调节 pH 到 7 和利用调节 C /N 比调节 pH 到 7)下水解酸化液中的 Na +浓度 、一级水解速率常数 、挥发酸 (VFA )浓度 、乳酸浓度和 VFA 组分分配. 结果表明 ,与利用 NaOH 溶液每 12 h调节 pH相比较 , 3种 pH调节方法都能够有效降低水解酸化出料液中的 Na +浓度 ,但利用调节 C /N 比来调节 pH能够取得更高的水解酸化效率 ,一 级水解速率常数可以达到 0. 199 d - 1 , VFA 浓度在实验第 3天即可达到 35 g·L - 1. 发酵产物乳酸在实验第 2天即达到高峰浓度 24 g·L - 1 ,后逐 渐下降到 6 g·L - 1 , VFA 组分中丙酸不是优势组分. 关键词 :厌氧 ;水解 ;酸化 ; pH调节 ;厨余垃圾
/ ( g·L - 1 )
53. 1
12. 5% 总凯氮 / ( g·L - 1 )
3. 33
9. 6% NH4+ 2N
/ (mg·L - 1 ) < 10
来自百度文库9. 4%
3. 9
TP / (mg·L - 1 )
182. 5
3. 6 可溶性的 P / (mg·L - 1 )
172. 4
46. 8%
11. 8
水解酸化过程选取最佳的 pH调节方法提供参考.
1 材料与方法 (M aterials and methods)
111 厨余垃圾的来源和特性 本试验所用厨余垃圾取自某大学学生食堂 ,主
要包括米饭 、蔬菜 、肉 、蛋 、豆腐 、土豆和盐等. 厨余 垃圾的密度为 1105 kg·L - 1. 新取来的厨余垃圾经过 小型搅碎机粉碎后放入 4℃冰箱保存待用. 厨余垃 圾的主要性质见表 1. 挥发性固体 (VS) 与总固体 ( TS)的比值表明 ,厨余垃圾中有机组分占 9619%以 上 ;悬浮固体 ( SS)与 TS的比值表明 ,厨余垃圾总固 体中 7414%是悬浮颗粒物. 厨余垃圾中 C、N、P的质 量比为 100 ∶2 ∶0111,表明厨余垃圾是高碳氮比复 合物.
Abstract: Batch experiments were carried out to determ ine the effect of pH adjustment methods on the accumulation of Na + in the effluent, hydrolysis and acidogenesis of kitchen wastes in the two2phase anaerobic digestion. Three pH adjustment methods included the initial adjustment of pH using NaOH, batch pH adjustment using NaOH and Ca (OH) 2 and the pH adjustment with regulating the ratio of carbon and nitrogen. The results showed that the efflu2 ent Na + concentration in the hydrolysis2acidogenesis liquid could be reduced at three pH adjustment methods. However, compared to the other two pH ad2 justment methods, the pH adjustment method with regulating the ratio of carbon and nitrogen increased the hydrolysis and acidogenesis rates of kitchen wastes with the first2order hydrolysis rate constant of 0. 199d - 1 and VFA concentration of 35g·L - 1. The lactic acid concentration decreased to 6g·L - 1 af2 ter the maximum lactic acid concentration of 24 g·L - 1was achieved on the second day of the experiment. And the p rop ionic acid didn’t p redom inate over the VFA constituents. Keywords: anaerobic; hydrolysis; acidogenesis; pH adjustment; kitchen wastes
文章编号 : 025322468 (2006) 0120045205 中图分类号 : X705 文献标识码 : A
The influence of pH adjustm en t m ethods on hydrolysis and ac idogenesis of k itch2 en wa stes in two2pha se anaerob ic d igestion
ZHANG Bo1, 2 , CA IW eim in2 , HE Pinjing1, 3
1. State Key Laboratory of Pollution Control & Resources Reuse, Tongji University, Shanghai 200092 2. School of Environmental Science & Engineering, Shanghai J iaotong University, Shanghai 200240 Rece ived 8 August 2005; rece ived in revised form 26 October 2005; accepted 16 November 2005
调节 pH 可以明显提高厨余垃圾的水解酸化效 率 ,尤其是调节 pH 到 7时 ,可以得到最高的水解和 酸化效率 (张波等 , 2005 ). 调节 pH 也可以引起水 解酸化反应器中微生物种群和代谢途径的剧烈变
化 ( Yu et a l. , 2003). 厨余垃圾中的有机物含量高 , 水解酸化过程中容易引起 pH 的快速下降 ,因而调 节 pH需要消耗大量碱液. 但投加 NaOH、NaHCO3和 Ca (OH ) 2等碱液不但经济成本高 ,而且大量阳离子
© 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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环 境 科 学 学 报
26卷
会被引入反应器. 在两相厌氧消化过程中 ,水解酸 化后的出料液是后续产甲烷过程的基质 ,有研究表 明 ,浓度超过 8 g·L - 1以上的 Na+就会影响产甲烷微 生物 的 活 性 并 且 干 扰 它 们 的 代 谢 ( Chen et a l. , 2003; Feijoo et a l. , 1995). 因此 ,对于含有高浓度有 机物的厨余垃圾而言 ,若欲通过调节 pH 提高水解 酸化过程效率 ,必须寻找一个合适的调节方法. 但 迄今为止 ,很少有关于 pH 调节方法对厨余垃圾水 解酸化过程影响的报道. 为了能够提高水解酸化过 程的效率 ,而又能避免高浓度阳离子进入后续产甲 烷过程 ,保证厨余垃圾两相厌氧消化处理过程的稳 定性和高效性 ,本文研究了 3 种 pH 调节方法对厨 余垃圾水解酸化后出料液中 Na+ 浓度 、水解酸化效 率以及水解酸化产物分配的影响 ,以期为厨余垃圾
表 1 厨余垃圾的特性 Table 1 Samp ling components of kitchen wastes
颗粒尺寸
V FA
可溶性的 TOC
COD
TS
VS
SS
V SS
pH
TOC
/mm
/ ( g·L - 1 )
/ ( g·L - 1 )
/ ( g·L - 1 )
<2
12. 9%
可溶性的 COD