接種量對泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物甲烷化的強化研究*

蒲貴兵，王勝軍，孫可偉

(1.重慶市市政設計研究院，重慶 400020；2.昆明理工大學固體廢棄物資源化國家工程研究中心，云南 昆明 650033)

近年來，有機物的發(fā)酵制氫技術得到了眾多研究者的青睞。然而，即使通過人工強化技術也難以突破30%的COD能量轉化效率[1]。因此，發(fā)酵產(chǎn)氫結束后，原料中的有機質大多仍然殘留在發(fā)酵產(chǎn)氫余物中。泔腳的發(fā)酵產(chǎn)氫過程會產(chǎn)生大量的VFA，這些酸又可以被光合細菌利用而產(chǎn)生Hz或被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生CH4，從而提高生物制氫系統(tǒng)的能源化能力。然而，相對產(chǎn)甲烷過程，光合產(chǎn)氫過程由于需要光能而難于控制。另外，利用厭氧生境中產(chǎn)氫菌與嗜氫菌的互營協(xié)作關系[2]實現(xiàn)VFA的沼氣化利用，似乎更具現(xiàn)實意義。Gomez等[3]對以有機固體廢棄物及屠宰場廢棄物為發(fā)酵底物的二階段(產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷)生物制氫進行了研究(高溫活性污泥為接種物)：發(fā)酵產(chǎn)氫過程中產(chǎn)生的發(fā)酵液被后面的產(chǎn)甲烷過程穩(wěn)定，發(fā)酵液被甲烷化而進一步分解。

接種量是指移入的接種物液體體積(或質量)和接種后發(fā)酵液體積(或質量)的百分比[4]。在厭氧消化中，接種量對消化過程會產(chǎn)生極大的影響[4-5]。Yadvika等[6]研究表明：當VFA(以乙酸計)濃度超過2 000 mg/L時，就會對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生毒性抑制，導致產(chǎn)氣量下降。以泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物為沼氣發(fā)酵的底物，由于其特殊性(余物中含有大量的產(chǎn)氫菌及VFA)，接種量對其沼氣化過程的影響就表現(xiàn)的有其特殊性。接種量過小，產(chǎn)甲烷菌成為體系優(yōu)勢菌群所需要的時間較長，而導致發(fā)酵起始時間延長，且VFA會對甲烷化過程產(chǎn)生劇烈的抑制作用，故小接種量有可能會導致發(fā)酵啟動的失?。唤臃N量過大，反應器利用率過低，且微生物生長的營養(yǎng)物不充分。適宜的接種量有利于微生物的生長，使產(chǎn)氣加快[7]。因此，在泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物的沼氣化中，每批料都要進行接種，在工藝上要確定最佳接種量。本文以厭氧消化污泥為接種物，對泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物的批式發(fā)酵產(chǎn)甲烷進行研究，旨在探討不同接種量對泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物甲烷化的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗原料泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物來自昆明理工大學固體廢棄物資源化國家工程研究中心城市生活垃圾厭氧消化實驗室。接種物為實驗室培養(yǎng)成熟、在常溫下已靜置2月的城市生活垃圾厭氧消化污泥(表1)。

表1 泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物及厭氧消化污泥的基本性質

1.2 實驗裝置

泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物甲烷化實驗采用有效容積為2 000 mL的放水瓶作為反應器。恒溫水浴加熱，溫度控制儀(TFD型，上海儀川儀表廠)控制溫度(溫度波動范圍為36±1 ℃)，如圖1。采用排水法收集氣體，集氣筒外表有刻度線，其有效容積為3 200 mL。氣體收集裝置的水為5%稀硫酸酸化的飽和NaCl溶液(約pH3.5)，其主要功能為：截留生物氣中大部分水蒸氣、降低CO2的溶解度、保持厭氧反應器的穩(wěn)定壓力、水封作用。實驗中根據(jù)集氣筒浮出液面的刻度讀數(shù)，乘以集氣筒的橫截面積，就可以得到發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣的體積。

1.3 實驗方案

將泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物與接種物按15%(500.0mL產(chǎn)氫余物+88.0mL接種物)、30%(500.0mL產(chǎn)氫余物+214.3mL接種物)、45%(500.0mL產(chǎn)氫余物+409.1mL接種物)、60%(500.0mL產(chǎn)氫余物+750.0mL接種物)的接種量進行配料，與4個反應器中進行中溫(36±1℃)批式發(fā)酵產(chǎn)甲烷。實驗過程中每天搖瓶攪拌一次，共2min。另作2組平行實驗，數(shù)據(jù)取其平均值。

圖1 發(fā)酵產(chǎn)氫余物發(fā)酵產(chǎn)甲烷實驗裝置

1.4 分析方法

TS、VS的測定采用烘干法[4]。pH值采用PHB-5型筆式數(shù)字pH計測定，每次使用前利用標準溶液進行校正。

生物氣(Biogas)成分的測定采用QF-1904型氣體分析儀(上海申立玻璃儀器有限公司)和氣相色譜儀(TCD檢測器，不銹鋼色譜柱，載氣N2，流速為90 mL/min，生物氣產(chǎn)量少時采用氣相色譜法測定)測定。

總揮發(fā)性脂肪酸(VFA)采用蒸餾滴定法[4](以乙酸計)測定；VFA組分如乙酸、丙酸、丁酸等采用氣相色譜儀(FID檢測器，不銹鋼色譜柱，載氣N2，流速為40 mL/min)測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

(1)累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率的計算。 實驗采用排水集氣法收集氣體，實驗中累積產(chǎn)氣體積為：

VB,i=VB,i-1+(VG,i-VG,i-1)

(1)

式中，VB,i、VB,i-1為第i次和(i-1)次測氣時累積產(chǎn)氣的體積(mL)；VG,i、VG,i-1為第i次和第(i-1)次測氣時的排水的體積(mL)。

產(chǎn)氣速率=(VB,i-VB,i-1/(t1-ti-1)

(2)

式中，ti、ti-1為第i次和(i-1)次測氣時的時間(h)。

(2)累積產(chǎn)甲烷體積的計算[8]。

VH,i=VH,i-1+GH,i(VG,i-VG,i-1)+

VH(CH,i-CH,i-1)

(3)

式中，VH,i、VH,i-1為第i次和(i-1)次測氣時累積甲烷的體積(mL)；VH為反應器的頂空體積(mL)；CH,i、CH,i-1為第i次和(i-1)次測氣時甲烷的體積濃度(%)。

(3)產(chǎn)甲烷數(shù)學模型及數(shù)據(jù)處理方法。對實驗結果用改進的Gompertz模型[9]進行非線性擬合(公式(4))并對產(chǎn)氣數(shù)據(jù)進行式⑸-⑺的計算。用CurveExpert1.3軟件，進行非線性回歸，求得Gompertz模型的動力學參數(shù)。

(4)

式中，H為累計產(chǎn)甲烷量(mL)；P為 最大甲烷量(mL)；Rm為最大產(chǎn)甲烷速率(mL/h)；λ為細菌產(chǎn)甲烷的延遲時間(h);e為自然對數(shù)。

(5)

(6)

(7)

公式(5)-(7)中的甲烷產(chǎn)出量均以揮發(fā)分的產(chǎn)出量來度量，以下均同。

2 結果與討論

2.1 不同接種量對發(fā)酵產(chǎn)氫余物沼氣化產(chǎn)氣的影響

圖2和3分別為不同接種量下泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物沼氣化的累積產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率的變化曲線。由圖2及3可知：①在本實驗條件下，隨著接種量的增加，泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物沼氣化過程的累積產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣速率也隨之增大。②在15%的接種量下，產(chǎn)沼過程失敗，這可能是低接種量下體系過高的VFA濃度使產(chǎn)甲烷菌中毒所致。③在30%及45%的接種量下，盡管體系具有一定的產(chǎn)沼能力，但卻需要較長的延遲時間產(chǎn)氣才能順利啟動。④在60%的接種量下，體系具有較好的產(chǎn)氣能力。下面對60%的接種量下的產(chǎn)氣進行詳細的分析。

在該實驗的60%的接種量下(圖2)，由于接種污泥有一個活性恢復和對底物的適應過程，因此其累積產(chǎn)氣量曲線出現(xiàn)了一個適應期，之后，體系迅速產(chǎn)氣，在第9天即達到穩(wěn)定，以后的消化時間內產(chǎn)氣量變化已趨于平穩(wěn)，不再快速變化，累積產(chǎn)氣量穩(wěn)定增加，在第14天左右時，累積產(chǎn)氣量增加較少，說明60%接種量下的厭氧消化在前14天基本完成。同時，還可以看出，沼氣化過程可以分成與微生物生長相一致的四個階段:延遲期、沼氣指數(shù)增長期、產(chǎn)沼穩(wěn)定期、產(chǎn)沼衰減期[10]。

圖2 不同接種量下的累積產(chǎn)氣曲線

從圖3的產(chǎn)氣速率曲線可以看出：①在本實驗條件下，產(chǎn)氣速率先迅速增加(第8天左右出現(xiàn)峰值)，而后降低，最后趨于穩(wěn)定。②各階段的時間劃分并不是很明顯，原料進入反應器后，在不產(chǎn)甲烷菌的作用下完成進一步的酸化過程(大約需4天)，產(chǎn)氣速率開始緩慢增加，并進入產(chǎn)甲烷階段，并有峰值的出現(xiàn)，說明此時產(chǎn)甲烷菌是優(yōu)勢菌。此后，產(chǎn)氣開始下降而趨于停止。這個消化過程說明消化體系中各微生物之間存在著相互協(xié)調、相互制約的關系[11]。

圖3 不同接種量下的產(chǎn)氣速率

2.2 不同接種量對泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物沼氣化產(chǎn)甲烷的影響

不同接種量對泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物沼氣化產(chǎn)甲烷的影響見圖4-6。由圖可以看出，在本實驗條件下，① 15%的接種量不能啟動產(chǎn)沼過程，而30%、45%、60%的接種量均能啟動厭氧消化過程。② 然而，30%、45%的接種量卻表現(xiàn)出較低的產(chǎn)沼潛力。接種量過低時(OLR過高)，一方面，發(fā)酵體系內的絮凝體顆粒內物質的傳質速率并無發(fā)生明顯變化，造成底物轉化不完全。另一方面，接種量過低也引起細菌細胞內總有機酸積累，從而抑制產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷能力。③ 較高的接種量(60%)表現(xiàn)出較大的產(chǎn)甲烷促進作用。④ 生物氣中甲烷的最高體積含量分別為：0%、79.4%、79.4%、80.4%。在順利啟動產(chǎn)甲烷過程下，生物氣中甲烷的最高體積含量高于傳統(tǒng)厭氧消化甲烷的最高體積含量(75%[4])，這可能是如下原因綜合作用的結果：① 本實驗的消化底物為泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物，含有大量的VFA，從而具有較高的產(chǎn)甲烷潛力；② 隨著消化過程的進行，VFA被大量消耗，反應所產(chǎn)生的CO2溶入液相補充體系由于VFA的消耗而損失的部分酸度，這可由后面的表3得到驗證；③ 接種物中含有的堿性物質中和部分CO2。

從圖5可以看出：沼氣中CH4含量的變化可以分成與產(chǎn)甲烷菌生長相一致的四個階段:延遲期、沼氣指數(shù)增長期、產(chǎn)沼穩(wěn)定期、產(chǎn)沼衰減期[11]。在消化前期，沼氣中甲烷的體積含量迅速增加，其原因可能為：① 消化初期，營養(yǎng)充足，產(chǎn)甲烷菌的活性較強，且產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量隨著VFA的消耗而大大增加[12]。相對圖6可知：在第8天時，產(chǎn)甲烷菌的增長速率達到最大值。② 反應生成的揮發(fā)性酸(乙酸)及NH3、CO2等溶入液相，而CH4難溶。③ 發(fā)酵底物的固含率(TS)較大，液相濃度高，而使CH4進入液相的比例更小。

圖4 不同接種量下的生物氣中甲烷的體積含量

圖5 不同接種量下的累積產(chǎn)甲烷量

圖6 不同接種量下的比產(chǎn)甲烷率

然而，在消化后期，甲烷的體積含量卻有所下降，其原因可能為：① 在消化后期，由于有機物被降解使產(chǎn)甲烷菌的營養(yǎng)物不足而進入死亡期，從而使產(chǎn)氣量(CH4)下降；② 產(chǎn)CH4量的下降，使體系的氣液平衡被破壞，而使殘留的NH3、CO2等進入氣相，使沼氣中CH4的含量進一步降低；③ 在消化后期，隨著底物的降解，發(fā)酵底物的TS變小，液相濃度降低，而使CH4進入液相的比例增大。④ 消化底物中的難降解有機物(如脂類等)緩慢降解而產(chǎn)生一定量的甲烷。

對圖5用CurveExpert1.3軟件，進行非線性回歸，可求得Gompertz模型的動力學參數(shù)如表2所示。

表2 不同接種量下的發(fā)酵產(chǎn)甲烷動力學參數(shù)

由圖2-6及表2可以看出：

(1)過低的接種量(15%)下產(chǎn)沼過程不能順利進行。這可能是由于小接種量(或OLR過大)下，產(chǎn)甲烷菌受體系VFA的強烈抑制所致。

(2)在接種量為30%、45%、60%下，30%的接種量表現(xiàn)出較差的產(chǎn)甲烷能力，而45%、60%的接種量則表現(xiàn)出較大的促進作用。這可能是由于大接種量下接種物中含有大量的水解酶，且還可以縮短反應器中微生物到達產(chǎn)氣高峰所需要的時間，使底物降解速度加快；并且，大接種量下，體系所含有的堿度對VFA有一定的中和能力，不需要pH值調節(jié)就可以使反應順利進行[13]。

(3)從最大產(chǎn)甲烷量P或產(chǎn)甲烷率來講，接種量為60%的P分別比接種量為30%、45%的提高了18.56%、11.11%。

(4)從延遲時間λ來講，接種量為60%的λ比接種量為30%、45%的分別縮短了71.51%、63.79%。這可能是由于各反應器的接種量不同，產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和活性存在著較大的差異，因而它們適應環(huán)境的能力也不盡相同，從而它們的λ也不同。

(5)從最大產(chǎn)甲烷速率(Rm)或最大比產(chǎn)甲烷率來講，接種量為60%的Rm比接種量為30%、45%的分別提高了73.73%、8.97%。然而，本實驗結果(60%接種量)下的產(chǎn)甲烷率卻比Dawei等[14]的研究結果低,這可能是消化底物及發(fā)酵條件的差異性所致。

從實驗結果看，接種量為60%的效果最好。此時，盡管接種量已經(jīng)超過發(fā)酵底物的量，但消化過程并非共消化過程。這是由于本實驗所用接種物為實驗室培養(yǎng)成熟的在常溫下已經(jīng)靜置了2個月的城市生活垃圾厭氧消化污泥，其本身已經(jīng)不再具備產(chǎn)甲烷潛力。故本實驗條件下的產(chǎn)沼量可以理解為泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物的單獨貢獻。

2.3 沼氣化前后的pH值變化

表3為不同接種量下泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物沼氣化前后的pH值變化。由表3可以看出：① 盡管在15%接種量下，產(chǎn)沼過程失敗了，然而，發(fā)酵液的pH值卻有較大幅度的上升，這可能是在發(fā)酵過程中，接種物中所含有的特殊微生物將VFA等較強酸轉化成了酸性更弱的酸(如乳酸、聚乳酸等)或者發(fā)生了更為復雜的反應，但這還有待進一步的研究。② 在成功啟動沼氣化的30%、45%、60%的接種量下，沼氣化結束后，厭氧消化余物的pH值在6.70～7.00之間，在甲烷發(fā)酵的最佳pH值范圍(6.8～7.4[4])內，具有較大的相似性。從表1的數(shù)據(jù)可以看出，厭氧消化污泥的pH值達7.66，而泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物的pH值卻為4.74，當兩者按60%的接種量混合時，盡管大接種量可以對泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物進行pH調節(jié)，提高其pH值，但其pH調節(jié)效果并不是很明顯，經(jīng)理論計算混合后體系的pH也只有5.2左右。而發(fā)酵結束后(60%接種量)，體系的pH卻上升到了6.86，這也說明了本實驗下的產(chǎn)甲烷過程是體系VFA消耗的結果。然而，接種物中含有大量的堿性物質(表1)，體系VFA的消耗并未使消化液顯堿性，這說明了消化反應所產(chǎn)生的CO2部分溶入液相補充了體系由于VFA的消耗而損失的部分酸度，這也為沼氣中甲烷的高體積含量提供了證據(jù)。

表3 不同接種量下泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物沼氣化前后的pH值

2.4 接種量影響泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物甲烷化的理論分析

假設消化反應器內發(fā)酵底物完全混合，則此時甲烷的產(chǎn)量為[15]：

(8)

式中，Y為甲烷的生成速率(mL·d-1)；R為理想氣體常數(shù)(=8.314J/(mol·K))；T為反應器中的溫度(K)；V為反應器的體積(mL)；

Yc為產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率系數(shù)(g·g-1)；μ為產(chǎn)甲烷菌的比增值速率(d-1)；X為反應器內產(chǎn)甲烷菌的質量濃度(g·mL-1)。

而比增值速率μ為[16]：

μ=μmaxS/(KS+S)

(9)

式中,μmax為產(chǎn)甲烷菌的最大比增值速率(d-1)，常數(shù)；S為殘留限制性基質濃度(g·mL-1)；Ks為半速系數(shù)，表示基質被生物同化的程度。

由式(8)、(9)可得：

(10)

在實驗條件一定時，式(10)中R、T、V、Yc、KS、μmax均為常數(shù)。故甲烷的生成速率Y僅與反應器內產(chǎn)甲烷菌的質量濃度及基質濃度有關。在泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物的甲烷化中：一方面隨著接種量的增大，反應器內產(chǎn)甲烷菌的質量濃度也隨之增大；另一方面，接種量越大，同等條件下，發(fā)酵的底物就越少，基質濃度也就越小。因此，隨著接種量的增大，甲烷的生成速率也隨之增大。本實驗中，以60%接種量下甲烷的生成速率最大(圖6)。

3 結 論

不同接種量對泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物沼氣化的影響實驗表明：

⑴ 過低的接種量(15%)不能順利啟動泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物的沼氣化過程；而較高的接種量(30%、45%、60%)均能啟動產(chǎn)沼過程，且產(chǎn)沼能力隨著接種量的增大而增強。

⑵ Gompertz模型擬合結果表明：接種量為30%、45%、60%的泔腳發(fā)酵產(chǎn)氫余物沼氣化的延遲時間λ、最大比產(chǎn)甲烷率、產(chǎn)甲烷率、生物氣中甲烷的最高體積含量分別為：15.34、12.07、4.37 d，36.89、58.82、64.10 mL/(g·d)，327.88、349.86、388.72 mL/g，79.4%、79.4%、80.4%。故60%的接種量表現(xiàn)出更大的產(chǎn)甲烷優(yōu)越性。

⑶ 消化結束后，除產(chǎn)沼過程失敗的15%接種量以外，厭氧消化余物的pH值在 6.70～7.00之間，這主要是由于消化反應所產(chǎn)生的CO2部分溶入液相補充了體系由于VFA的消耗而損失的部分酸度所致，這也為沼氣中甲烷的高體積含量提供了證據(jù)。

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