零价铁耦合碱预处理强化餐厨垃圾干发酵产酸研究

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2022年3月,全国两会指出要加强固体废物的治理。目前,我国餐厨垃圾年产量已超过1.2亿吨,如何对餐厨垃圾进行处理成为垃圾分类中的难点。干式厌氧发酵技术因其高有机负荷潜力并能最大限度地回收生物质能源的显著优势已逐渐成为处理餐厨垃圾的主流技术之一。预处理和零价铁技术大多被应用于湿式厌氧消化系统中提高甲烷的产率,而对具有较高利用价值的中间产物,如挥发性脂肪酸的影响研究相对较少。基于此,本课题研究了在含固率为20%的干式厌氧条件下,接种比、零价铁、碱预处理、零价铁耦合碱预处理技术对餐厨垃圾厌氧发酵产酸的影响。主要研究结果如下:(1)接种比、零价铁和碱预处理对餐厨垃圾干式厌氧发酵产酸均有显著影响。挥发性脂肪酸产量随接种比的增大先升高后降低,最佳接种比为4。但接种比对于挥发性脂肪酸组分无明显影响,均以乙酸和丁酸为主,其中乙酸浓度占总酸的40%左右。零价铁的添加对餐厨垃圾厌氧发酵产酸有一定的促进作用,添加量为8 g/L时,挥发性脂肪酸总量是空白对照组的1.43倍,乙酸浓度最高可达到7392 mg/L。碱预处理p H值会影响餐厨垃圾厌氧发酵过程中乙酸的浓度,p H=11时,发酵液中乙酸浓度和占比最大,分别为6002 mg/L、55.73%。(2)零价铁耦合碱预处理能进一步提高挥发性脂肪酸中乙酸的产量。最佳耦合条件为碱预处理p H=11,铁粉投加量8 g/L。此条件下,挥发性脂肪酸和乙酸产量在第8天分别从未处理组的9979 mg/L、4599 mg/L提高到13526 mg/L、8883 mg/L,乙酸占比从46.09%提升到65.67%。分析发现,碱预处理能破坏底物结构,增加溶解性有机物的浓度;而零价铁的析氢效应使系统p H维持在5.0~5.5之间,促进蛋白质等可溶性物质水解发酵产酸。两种处理方式耦合具有较好的协同效应,显著提高了餐厨垃圾干发酵过程中挥发性脂肪酸,特别是乙酸的产量。(3)采用高通量测序对细菌群落进行分析,发现零价铁耦合碱预处理降低了系统内细菌群落复杂度,有利于Firmicutes富集,其相对丰度达到90%以上,促进了多糖、蛋白质的降解转化,提高了挥发性脂肪酸和乙酸的产量。另外,零价铁的添加也有利于Proteobacteria的生长,促进丙酸等C2+的有机酸向乙酸转化。
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