利用气体分压强化餐厨垃圾定向发酵联产H2-乙酸机制研究

Kitchen waste can produce volatile fatty acids fast by anaerobic fermentation, which results in fermentation broth acidizing easily and fermentation terminating. And when it is used to produce one kind of acid directionally, many acidic end products are coexisting, which brings great difficulties to purify the products. Based on the significant influence of headspace gas partial pressure on metabolism pathways, especially on acetogenesis and homoacetogenesis, control methods of headspace gas partial pressure is chose to improve combined H2-acetic acid production. Using three main contents of food waste as fermentation substrates, influence mechanism of H2/CO2 partial pressure on acidogenesis, acetogenesis, homoacetogenesis and acetic acid oxidation is studied. Due to analyzing quantitatively of influence law of gas partial pressure on production and consumption of H2 and acetic acid, tracking organic carbon flow, analyzing flow balance, parameters of gas partial pressure are precisely regulated to realize directional hydrolysis and complete acetogenesis. Making full use of reversibility of homoacetogenesis, acetic acid feedback is inhibited and H2 is obtained simultaneously as another biogas energy, which makes directional fermentation to produce hydrogen and acetic acid going on efficiently. It is desirable to provide a viable theory and method for the treatment and resource utilization of kitchen waste.

餐厨垃圾厌氧发酵产酸速度很快，极易由于酸性末端产物浓度过高而引起发酵液酸化，导致发酵终止。另外利用其定向产酸时也存在产酸效率不高、多种酸性末端产物并存的问题，给后期酸性产物的提纯带来很大困难。因此本研究基于气体分压对整个发酵过程，尤其是产氢产乙酸、耗氢产乙酸反应的显著影响，在以丁酸型发酵为主的参数控制基础上，拟选择合适的气体分压控制模式，解析其对餐厨垃圾主要成分的水解产酸、产氢产乙酸、耗氢产乙酸和乙酸氧化反应的影响机理，量化分析气体分压对H2、乙酸产生和消耗的影响规律，追踪有机碳流，进行流平衡分析，以此为指导进行气体分压控制参数的精确调控，使水解产酸反应定向进行、产氢产乙酸反应彻底进行，并充分利用耗氢产乙酸反应的可逆性控制乙酸浓度，避免酸性反馈抑制，同时获得H2作为能量转化的补充产物，从而实现定向联产H2-乙酸发酵沿高效途径进行，期望为餐厨垃圾的资源化处理提供一种可行的理论与方法。

餐厨垃圾厌氧发酵产酸速度很快，极易由于酸性末端产物浓度过高而引起发酵液酸化，导致发酵终止。另外利用其定向产酸时也存在产酸效率不高、多种酸性末端产物并存的问题，给后期酸性产物的提纯带来很大困难。因此本研究基于气体分压对整个发酵过程，挑选了H2/CO2、H2/N2顶空真空度、N2鼓吹这四种氢分压、二氧化碳分压调控方式，深入解析其对餐厨垃圾主要成分（葡萄糖、蛋白胨、甘油）的水解产酸、产氢产乙酸、耗氢产乙酸和乙酸氧化反应的影响机理，追踪有机碳流，进行流平衡分析，以此为指导进行气体分压控制参数的精确调控，使水解产酸反应定向进行、产氢产乙酸反应彻底进行，从而实现定向联产H2-乙酸发酵沿高效途径进行， .研究结果表明：（1）顶空H2、CO2分压对发酵途径影响很大，极大影响到乙酸和H2产率。（2）追踪有机碳流，进行流平衡分析，定量分析了葡萄糖发酵全部过程的反应速率，以指导发酵参数的调控；（3）同型产乙酸的耗氢率在所有耗氢反应中占据主导地位，约80%以上被消耗的氢气经由此反应进行，大大高于乳酸、丙醇降解过程的耗氢量。（4）有机负荷、水力停留时间、顶空气压对发酵途径和乙酸、H2产率影响极大。（5）碳流平衡分析表明，发酵过程中对工艺参数的调控完全控制有机碳的流向，使得可以按需要生成特定的产物。（6）酸性末端反馈抑制存在，会导致水解产酸、产氢产乙酸反应进行不彻底，表现为产物种类繁多，无法形成较好的定向发酵状态，后期还需进一步研究。（7）餐厨废水很适合用于发酵产酸，经由参数优化和工艺优化，发酵液中总酸浓度达到70g/L，以丁酸和乙酸为主，大大高于目前文献所报道的酸产率，为餐厨垃圾的资源化处理提供一种可行的理论与方法。