有機(jī)成分比例對(duì)高固體濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響

趙云飛,劉曉玲,李十中,阮文權(quán),劉建雙,田 夢(mèng) (.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院,北京 00084；.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 4；.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,城市水環(huán)境研究室,北京 000)

與其他新能源相比較,甲烷氣體的產(chǎn)生和存貯更為方便.同時(shí),甲烷作為一種高效可再生的清潔能源,可廣泛應(yīng)用于電力、熱力和交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)[1].在諸多生產(chǎn)甲烷的技術(shù)中,有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷占據(jù)著主要的地位,它在獲得甲烷清潔能源的同時(shí),亦可消耗有機(jī)廢棄物[2].

在有機(jī)廢棄物中,厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷主要來(lái)源于碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等有機(jī)成分[3].研究發(fā)現(xiàn),碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的理論甲烷產(chǎn)率分別為415,496,1014mL/gVS,而單獨(dú)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣中的甲烷含量分別占50%、71%和68%[4-5].同時(shí),在一個(gè)復(fù)雜的厭氧發(fā)酵體系中,碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪可相互影響厭氧菌群對(duì)各自的降解產(chǎn)甲烷代謝過(guò)程[6].然而,國(guó)內(nèi)外就有機(jī)成分對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響研究大多以簡(jiǎn)單的有機(jī)物質(zhì)為模擬底物[7],研究結(jié)果對(duì)于復(fù)雜的實(shí)際廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程可能缺指導(dǎo)和借鑒意義.

進(jìn)料固體濃度大于 10%的高固體濃度厭氧發(fā)酵工藝因其具有水耗較低、單位容積處理量高、單位容積產(chǎn)氣率較高和沼渣更易處理等優(yōu)勢(shì),引起眾多研究者的興趣[8].本研究選取餐廚垃圾和剩余污泥進(jìn)行組合,調(diào)配成含不同比例碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的聯(lián)合底物,用于開(kāi)展固體含量為12%的高固體濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn),研究主要的有機(jī)成分比例對(duì)產(chǎn)甲烷效率和有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程的影響,并探討分析可能的原因,以便為預(yù)測(cè)實(shí)際有機(jī)廢棄物或它們組合形成的聯(lián)合底物的產(chǎn)甲烷特性提供參考.

1 材料與方法

1.1 底物性質(zhì)

餐廚垃圾取自清華大學(xué)教工食堂,主要成分為米飯、饅頭、蔬菜、肉類等,作為廣泛餐廚垃圾的代表.將其自然晾干后,用食物粉碎機(jī)粉碎至 1～2mm.污泥取自北京市高碑店污水處理廠經(jīng)脫水工藝處理后外運(yùn)處置的污泥餅.兩種底物存貯于-18℃冰柜中備用.接種活性污泥取自無(wú)錫某啤酒廠厭氧反應(yīng)器,經(jīng)過(guò)一個(gè)月馴化后用于本實(shí)驗(yàn).餐廚垃圾和污泥主要性質(zhì)如表 1所示.

表1 餐廚垃圾與污泥的主要性質(zhì)Table 1 Characteristics of food waste and excess sludge

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

配置所含碳水化合物、蛋白質(zhì)與脂肪的質(zhì)量百分比分別為75:13:12、70:19:11、65:25:10、55:36:9、45:48:7、35:59:6和15:80:5的聯(lián)合底物,其主要性質(zhì)見(jiàn)表2.調(diào)節(jié)聯(lián)合底物的進(jìn)料TS含量為12%,接種活性污泥按照其與發(fā)酵底物 TS比值為1:4的比例加入反應(yīng)器中.實(shí)驗(yàn)在1L的厭氧反應(yīng)裝置中進(jìn)行,發(fā)酵溫度為(35±1)℃.同時(shí),以接種活性污泥做空白對(duì)照,每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.所有數(shù)據(jù)扣除空白對(duì)照樣后采用Excel 2007軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)上的處理與分析.

表2 餐廚垃圾與污泥聯(lián)合底物的主要性質(zhì)Table2 Characteristics of co-substrate of food waste and excess sludge at various mixing ratios

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Modified Gompertz方程[10-11]式(1),對(duì)厭氧發(fā)酵生物化學(xué)甲烷勢(shì)進(jìn)行測(cè)定:

式中:M(t)表示時(shí)間t時(shí)的累積產(chǎn)甲烷量, mL;Pm表示最大累積產(chǎn)甲烷量, mL; Rm表示最大產(chǎn)甲烷速率, mL/d; λ表示滯留時(shí)間,d.將擬合后的Pm和Rm分別除以初始投加的VS質(zhì)量,得到每克VS最大產(chǎn)甲烷量 Ps(mL/gVS)以及最大比產(chǎn)甲烷速率 Rs[mL/(gVS·d)]的數(shù)值.通過(guò)分析 Ps和 Rs等指標(biāo)來(lái)比較甲烷生物轉(zhuǎn)化效率.

在整個(gè)試驗(yàn)階段,總氨氮(TNH3-N)中游離氨(FA)濃度和揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)中分子態(tài)單酸濃度分別通過(guò)式(2)[12]和式(3)[13]計(jì)算得到:

式中: [NH3]表示反應(yīng)體系中游離氨的濃度;[TNH3]表示反應(yīng)體系中總氨氮濃度;pH表示反應(yīng)體系中測(cè)得的pH值;本試驗(yàn)T=(273.15+35)K.

式中: pKa表示各種單酸解離常數(shù)的負(fù)對(duì)數(shù)值;[A-]表示解離態(tài)單酸的濃度;[HA]表示分子態(tài)單酸的濃度,本實(shí)驗(yàn)測(cè)定的 VFAs為[A-]和[HA]的總濃度.

本文對(duì)碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的降解過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,擬采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,即[14]:

式中: C0為不同有機(jī)質(zhì)的初始生物質(zhì)濃度,gCOD/gTS;C為不同有機(jī)質(zhì)時(shí)間t時(shí)的生物質(zhì)濃度,gCOD/gTS;Kd為不同有機(jī)質(zhì)的降解速率常數(shù),d-1.

式中: m0為初始物料的總質(zhì)量, g;w0為初始物料中各有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù), %; mt為時(shí)間t時(shí)物料的總質(zhì)量,g;m瓶為空厭氧反應(yīng)裝置的質(zhì)量,g;wt為時(shí)間t時(shí)物料中各有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù),%.

碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪分子式可分別表示為C6H10O5、C5H7O2N和C57H104O6,3者的理論甲烷產(chǎn)率分別是415、496、1014mL/gVS.結(jié)合表 2中混合底物的有機(jī)成分含量,計(jì)算獲得理論甲烷產(chǎn)率[15].

1.4 分析方法

TS與VS含量采用重量法測(cè)定;pH值測(cè)定采用Mettler-ToledoDelta320型pH計(jì)測(cè)定;沼氣采用酸化至pH=2的飽和NaCl溶液體積置換法測(cè)定;氨氮濃度采用納氏試劑比色法測(cè)定.碳水化合物含量采用甲醛離心法[16]提取后,再用苯酚-硫酸法測(cè)定,以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物.蛋白質(zhì)含量通過(guò)測(cè)定凱氏氮再乘以 6.25計(jì)算得到[9].脂肪含量采用Bligh-Dyer方法[17]提取后,在80℃下干燥后采用重量法測(cè)定.

CH4含量采用氣相色譜法測(cè)定.色譜條件如下:填充柱:ProParkQ,0.3cm×200cm, 50～80 目;柱溫:50℃;檢測(cè)器:TCD;檢測(cè)器溫度:90℃;進(jìn)樣口溫度:40℃;載氣:氦氣;電流:70mA.VFAs 的質(zhì)量濃度采用氣相色譜法測(cè)定.色譜條件如下:FID檢測(cè)器;CP-WAX 57CB 毛細(xì)管柱(30m×0.25mm×0.25μm,美國(guó)Varian公司);采用一階程序升溫,初溫80℃,保持3min,后以15℃/min的速率升至210℃,保持2min;進(jìn)樣室和檢測(cè)器的溫度都設(shè)為250℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 主要有機(jī)成分比例對(duì)聯(lián)合底物產(chǎn)甲烷特性的影響

由表3可見(jiàn),采用Modified Gomperts模型對(duì)不同有機(jī)成分比例聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過(guò)程進(jìn)行擬合的相關(guān)系數(shù) R2值皆大于 0.98,這表明Modified Gomperts模型可以較好地反映實(shí)際固體廢棄物高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程.研究發(fā)現(xiàn),Pm和Rm隨蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比增加、碳水化合物和脂肪質(zhì)量百分比的降低,呈先上升后下降的變化過(guò)程.它們?cè)谔妓衔?、蛋白質(zhì)與脂肪質(zhì)量百分比為 55:36:9時(shí)獲得最高值,分別為 17811 mL;和642.2mL/d,這表明底物中主要有機(jī)成分為碳水化合物,并且其與蛋白質(zhì)和脂肪達(dá)到較合適的比例時(shí)可獲得較高的甲烷產(chǎn)量.

滯留時(shí)間λ與Pm、Rm的變化情況不同,它隨著蛋白質(zhì)的質(zhì)量百分比增加而增加,說(shuō)明發(fā)酵底物中的蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比越高,發(fā)酵的啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng).累積產(chǎn)甲烷量達(dá)到最大累積產(chǎn)甲烷量的85%時(shí),認(rèn)為發(fā)酵過(guò)程結(jié)束.由表3可以看出,聯(lián)合底物中蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比越高,發(fā)酵周期越長(zhǎng).當(dāng)主要有機(jī)成分以蛋白質(zhì)為主時(shí),厭氧發(fā)酵周期平均為34.4d,發(fā)酵前期產(chǎn)氣效率較高.

表3 碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪不同比例聯(lián)合厭氧發(fā)酵基于Gompertz模型產(chǎn)氣性能比較Table 3 Comparison of modified Gomperts parameters in co-fermentation at various ratios of carbohydrate, protein and lipid

圖1 碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪不同比例對(duì)每克VS最大產(chǎn)甲烷量Ps和最大比產(chǎn)甲烷速率Rs的影響Fig.1 Effect of various mixing ratios of carbohydrate,protein and lipid on Ps and Rs

由圖1可見(jiàn),底物中3種有機(jī)成分的質(zhì)量百分比例可顯著影響 Ps和Rs,二者隨著碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪含量的改變呈現(xiàn)先上升后下降的變化過(guò)程.當(dāng)碳水化合物、脂肪的質(zhì)量百分比分別由75%降為65%、12%降為10%,蛋白質(zhì)的質(zhì)量百分比由13%上升為25%時(shí),Ps從41.1mL/gVS緩慢上升為111.6mL/gVS, Rs穩(wěn)定在 4.0mL/(gVS·d)左右.隨后,碳水化合物和脂肪的質(zhì)量百分比繼續(xù)降至45%和7%,蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比上升至48%的過(guò)程中, Ps和Rs皆先快速上升,而后迅速下降.在碳水化合物和脂肪質(zhì)量百分比再分別降至 15%和5%時(shí), Ps則緩慢降為245.0mL/gVS, Rs變化較小,穩(wěn)定在 7.0mL/(gVS·d)左右.

整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中, Ps和Rs的最大值均出現(xiàn)在碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪質(zhì)量百分比比值為55:36:9 時(shí),分別為404.1,11.2mL/(gVS·d).上述結(jié)果表明,實(shí)際有機(jī)廢棄物中碳水化合物和蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比過(guò)高都不利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程,而發(fā)酵底物中碳水化合物質(zhì)量百分比略高于蛋白質(zhì)時(shí)更有利于促使有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷.

2.2 主要有機(jī)成分比例對(duì)有機(jī)質(zhì)降解特性的影響

碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的降解動(dòng)力學(xué)模型分析如圖2所示.利用Origin 8.1軟件對(duì)3種有機(jī)質(zhì)的降解進(jìn)行一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合所得的相關(guān)系數(shù) R2值較高(表4).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明建立的線性模型與碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪實(shí)際的降解過(guò)程較為吻合,可反映這 3種有機(jī)物質(zhì)在不同混合比例條件下各自的降解特性.

由表4可見(jiàn),在高固體濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程中,碳水化合物的降解速率隨它在聯(lián)合底物中質(zhì)量百分比的顯著降低、蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比的顯著提高而迅速下降,降解速率常數(shù) Kd值在0.035～0.094 d-1范圍內(nèi)變化.蛋白質(zhì)的降解速率隨碳水化合物質(zhì)量百分比從75%降低到70%及蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比從13%增加到19%而迅速提高,但之后碳水化合物質(zhì)量百分比的持續(xù)下降和蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比的持續(xù)上升對(duì)蛋白質(zhì)降解速率的影響并不顯著,Kd值相對(duì)穩(wěn)定在0.028 d-1左右.脂肪的降解速率隨著這 3種有機(jī)成分混合比例的變化呈現(xiàn)先上升后降低的過(guò)程,但變化幅度較小,Kd值在 0.036～0.056d-1之間.

圖2 不同比例的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪降解動(dòng)力學(xué)方程曲線Fig.2 First-order kinetic equation curves for co-substrate at various ratios of carbohydrate, protein and lipid

3種有機(jī)質(zhì)平均降解速率常數(shù)大小順序?yàn)樘妓衔铮局荆镜鞍踪|(zhì).這可能是因?yàn)樘妓衔锼鉃閱翁请S后被產(chǎn)酸菌利用生成短鏈脂肪酸的過(guò)程較為容易并且快速[18].此外,碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪在降解過(guò)程中限速步驟的差異性也可能導(dǎo)致這3種有機(jī)成分降解速率不同[9].蛋白質(zhì)的降解速率要顯著低于碳水化合物和脂肪,說(shuō)明蛋白質(zhì)較其他兩種有機(jī)成分更難以降解,這就解釋了表 3中蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比越高,厭氧發(fā)酵過(guò)程滯留時(shí)間λ和發(fā)酵周期越長(zhǎng).

研究發(fā)現(xiàn)[15]增加底物中蛋白質(zhì)的比例有助于提高沼氣中甲烷的含量.但只有碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪這 3種主要有機(jī)成分質(zhì)量百分比適當(dāng)時(shí)才能顯著增強(qiáng)高固體濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)碳水化合物、蛋白質(zhì)與脂肪的質(zhì)量百分比比值為55:36:9時(shí),可有效促進(jìn)3種主要有機(jī)成分相互協(xié)同厭氧發(fā)酵降解為甲烷 (表3和圖1).

如表 5所示,碳水化合物的降解率隨其在有機(jī)質(zhì)中質(zhì)量百分比的增加而上升,降解率為57.8%～87.8%.蛋白質(zhì)的降解率隨其在有機(jī)質(zhì)中質(zhì)量百分比的增加呈現(xiàn)先上升后降低的變化過(guò)程.而脂肪的降解率與其在有機(jī)質(zhì)中質(zhì)量百分比的變化無(wú)明顯關(guān)系,但隨著碳水化合物質(zhì)量百分比從75%降低到65%和55%降低到15%時(shí)均降低,而碳水化合物質(zhì)量百分比由65%降低到55%時(shí),脂肪的降解率卻迅速提高.

厭氧發(fā)酵底物中不同種類有機(jī)質(zhì)對(duì)應(yīng)的厭氧微生物菌群不同,這表明適當(dāng)添加碳水化合物一方面提升碳水化合物所對(duì)應(yīng)厭氧微生物菌群活性,另一方面能夠刺激蛋白質(zhì)和脂肪所對(duì)應(yīng)微生物的活性,促使其進(jìn)一步降解.3種有機(jī)質(zhì)降解率的大小會(huì)直接影響甲烷產(chǎn)率.因此,在碳水化合物質(zhì)量百分比為55%時(shí), Ps達(dá)到最高值(圖1).

Ponsa等[3]認(rèn)為底物中糖含量較高時(shí),可獲得較高的糖類和蛋白質(zhì)的降解率;蛋白質(zhì)含量較高時(shí)的底物蛋白質(zhì)并沒(méi)有很好地降解;底物中脂肪含量較高時(shí),會(huì)抑制糖類和蛋白質(zhì)的降解.這是因?yàn)榈孜镏杏袡C(jī)質(zhì)的降解與底物的種類、實(shí)用性和復(fù)雜性相關(guān)[19],并且底物濃度和TS也會(huì)對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解造成一定的影響[20].結(jié)果表明,碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪質(zhì)量百分比為55:36:9時(shí),3種有機(jī)質(zhì)的降解過(guò)程更高效、穩(wěn)定.

表4 碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪不同比例降解速率常數(shù)比較Table 4 Comparison of degradation rate constants of carbohydrate, protein and lipid in co-fermentation

表5 碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪不同比例降解率(%)比較Table 5 Comparison of the degradation rate (%) of carbohydrate, protein and lipid in co-fermentation

2.3 主要有機(jī)成分對(duì)VFAs和氨氮濃度的影響

VFAs和TNH3-N濃度過(guò)高均可影響厭氧微生物菌群的生長(zhǎng)、抑制其活性,造成pH值不穩(wěn)定,甚至導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)程的失敗.由圖3a可見(jiàn),隨著碳水化合物、脂肪質(zhì)量百分比降低,蛋白質(zhì)的質(zhì)量百分比升高,反應(yīng)體系中VFAs濃度整體呈下降趨勢(shì),而TNH3-N濃度則逐漸上升.這主要是因?yàn)?種有機(jī)質(zhì)發(fā)酵過(guò)程的中間產(chǎn)物有所差異:易降解的碳水化合物和脂肪會(huì)造成大量的VFAs的累積[7,13];蛋白質(zhì)的降解過(guò)程易釋放大量的氨氮[14].

碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪比例為75:13:12、70:19:11和65:25:10時(shí),反應(yīng)體系中總酸的濃度分別為12.6,9.1,7.9g/L.單酸濃度同樣較高,以丙酸為例,濃度最大值分別為3.6,2.9, 1.9g/L,不易進(jìn)一步降解.單酸中分子態(tài)酸含量占主要部分(圖3b),丙酸濃度最高值時(shí)所對(duì)應(yīng)的分子態(tài)丙酸濃度分別為3.2,2.0,0.7g/L.上述結(jié)果皆高于前人研究報(bào)道的抑制閾值[21-22].由圖4可知,碳水化合物質(zhì)量百分比由65%上升為75%時(shí),實(shí)際甲烷產(chǎn)率由理論甲烷產(chǎn)率的20.5%降低為8.5%,pH值均降低了 2.0～3.5個(gè)單位.研究結(jié)果表明:碳水化合物質(zhì)量百分比越高時(shí),總酸濃度增加,對(duì)厭氧微生物菌群,特別是產(chǎn)CH4菌群的活性造成明顯的抑制作用.同時(shí)各種單酸的不易降解對(duì)于自身和其他VFAs的降解速率都能夠造成抑制作用,并且這種抑制作用隨pH值降低越多越顯著(圖4).單酸中以分子態(tài)形式存在的酸對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程的影響最為顯著,這主要是因?yàn)榉肿討B(tài)酸能夠自由穿過(guò)微生物細(xì)胞膜并解離,導(dǎo)致pH值降低,破壞細(xì)胞體內(nèi)平衡[23].在這 3種比例條件下,TNH3-N和NH3-N濃度隨蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比的增加略有上升,但對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程沒(méi)有造成影響.

碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪比例為45:48:7、35:59:6和15:80:5時(shí),反應(yīng)體系中TNH3-N濃度隨發(fā)酵時(shí)間均呈現(xiàn)先快速上升,而后迅速下降,最后隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降的過(guò)程.其中NH3-N濃度呈上下波動(dòng)起伏狀變化(圖3b),最大值分別為121.1,257.7,319.7 mg/L.由圖4可知,蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比由 48%上升為80%時(shí),實(shí)際甲烷產(chǎn)率占理論甲烷產(chǎn)率的百分比由71.3%緩慢降為64.5%.研究結(jié)果表明:蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比越高時(shí),TNH3-N濃度增加,對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程的抑制越顯著,其中NH3-N由于能夠穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞,破壞細(xì)胞內(nèi)部質(zhì)子平衡,導(dǎo)致鉀元素缺失等[24],對(duì)厭氧微生物的抑制占主導(dǎo)地位.在這3種比例條件下,總酸濃度亦可分別達(dá)到10.2,7.0,5.6g/L,但VFAs的組成與碳水化合物占主要有機(jī)成分時(shí)不同,單酸中丁酸濃度顯著高于乙酸和丙酸,表明高固體濃度厭氧發(fā)酵過(guò)程中丁酸濃度的增加能夠減緩 VFAs對(duì)厭氧微生物活性的抑制.同時(shí),pH值的變化量為0.5個(gè)單位,穩(wěn)定在 7.1～7.4之間,這也保證了厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行.

圖3 碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪不同比例對(duì)VFAs和氨氮濃度的影響Fig.3 Effect of various ratios of carbohydrate, protein and lipid on VFAs and ammonia in co-fermentation

圖4 碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪不同比例對(duì)甲烷產(chǎn)率和pH值變化的影響Fig.4 Effect of various ratios of carbohydrate, protein and lipid on methane yield and pH change

碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的比例為55:36:9時(shí),反應(yīng)體系中丁酸濃度＞乙酸濃度＞丙酸濃度,其最大值分別為3.8,3.1,2.0g/L,分子態(tài)酸濃度較低;TNH3-N濃度的最大值為2.2g/L,NH3-N濃度沒(méi)有高于文獻(xiàn)[23]報(bào)道的抑制閾值,VFAs和氨氮抑制作用不明顯.pH值穩(wěn)定在 7.0左右,實(shí)際甲烷產(chǎn)率達(dá)到理論甲烷產(chǎn)率的76.9%,為326.7mL/gVS,厭氧發(fā)酵過(guò)程高效、穩(wěn)定.

3 結(jié)論

3.1 底物中碳水化合物和蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比分別高于 65%和48%時(shí)都不利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程.Ps和Rs在碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪質(zhì)量百分比比值為55:36:9時(shí)達(dá)到最高值,分別為404.1mL/gVS 和11.2mL/(gVS·d).蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比越高,發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間和發(fā)酵周期相應(yīng)延長(zhǎng).

3.2 厭氧發(fā)酵底物中主要有機(jī)成分質(zhì)量百分比例可影響碳水化合物和脂肪的降解速率.蛋白質(zhì)的降解速率與其變化無(wú)明顯關(guān)系.適當(dāng)添加碳水化合物可提升碳水化合物的降解率,并能夠促使蛋白質(zhì)和脂肪的進(jìn)一步降解.當(dāng)碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪質(zhì)量百分比為55:36:9時(shí),降解率分別達(dá)到77.2%、64.2%和70.6%.

3.3 碳水化合物質(zhì)量百分比由65%上升為75%時(shí),總酸、單酸以及單酸中以分子態(tài)形式存在的酸對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程的抑制越顯著,實(shí)際甲烷產(chǎn)率由理論甲烷產(chǎn)率的20.5%降低為8.5%,pH值降低了2-3個(gè)單位.蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比由 48%上升為80%時(shí),TNH3-N 濃度對(duì)產(chǎn)甲烷抑制越顯著,其中NH3-N的抑制占主導(dǎo)地位.丁酸濃度的增加能夠減緩VFAs對(duì)厭氧微生物活性的抑制.

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