厭氧消化過程預(yù)警指標(biāo)體系研究進(jìn)展

吳怡然， 段 娜, 林 聰

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083)

厭氧消化作為一種環(huán)境友好型的清潔能源生產(chǎn)方式，將環(huán)境保護(hù)和能源回收有機(jī)地結(jié)合在一起。它是多種微生物共同參與、分階段有序進(jìn)行的復(fù)雜串聯(lián)代謝過程，包括水解反應(yīng)、產(chǎn)酸反應(yīng)、產(chǎn)乙酸反應(yīng)、甲烷生成4個(gè)階段。產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境最敏感、代謝速率最慢，因此，甲烷生成階段往往是厭氧消化過程的瓶頸，水解酸化與產(chǎn)甲烷兩階段一旦失去平衡，系統(tǒng)內(nèi)便會表現(xiàn)為有機(jī)酸的積累，即系統(tǒng)酸化，隨之甲烷生成受阻，二氧化碳分壓增大，厭氧消化過程失敗[1]。

為保證厭氧消化過程的穩(wěn)定性，實(shí)際工程中，發(fā)酵過程傾向于控制在較低的有機(jī)負(fù)荷[2]，為提高反應(yīng)底物的發(fā)酵效率，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的預(yù)警調(diào)節(jié)，需要對系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)的監(jiān)控，一套合理的預(yù)警指標(biāo)體系極為關(guān)鍵。過程分析技術(shù)(Process Analysis Technology, PAT)的發(fā)展提高了監(jiān)控方法的工藝水平，利用光譜、電化學(xué)等技術(shù)在線解密復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化過程，使得厭氧消化過程控制更加靈敏、快捷，但仍需要一個(gè)精確的預(yù)警指標(biāo)來劃定界限[3]。

厭氧消化過程失穩(wěn)的早期預(yù)警指標(biāo)研究受到世界各國的廣泛關(guān)注，目前厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)預(yù)警指標(biāo)主要集中在揮發(fā)性脂肪酸(Volatile Fatty Acid, VFA)、堿度及其綜合指標(biāo)、氫氣分壓、中間代謝產(chǎn)物以及微生物與酶活性等。針對不同的發(fā)酵情形，乙酸、氫氣和二氧化碳作為甲烷生成的直接前體，通常具有一定的預(yù)警性，但對于不易降解的物質(zhì)，氣相指標(biāo)較為遲緩；從原料成分角度來看，以碳水化合物為主要成分的原料代謝產(chǎn)物中短鏈VFA的積累最為顯著，而以蛋白質(zhì)為主的原料，氨氮、芳香族化合物、蛋白酶活性等是其特有的指標(biāo)，脂質(zhì)含量高時(shí)，磷酸酯酶活性也是可能的預(yù)警指標(biāo)。但一套預(yù)警指標(biāo)體系通常只適用于某一種生物質(zhì)在特定環(huán)境條件下的反應(yīng)，不具備普適性。隨著實(shí)驗(yàn)測試水平的提升，厭氧消化過程逐漸實(shí)現(xiàn)線上實(shí)時(shí)監(jiān)控，單一的預(yù)警指標(biāo)被綜合性指標(biāo)取代，大量研究趨向于肯定微生物群體的重要意義而非傳統(tǒng)化學(xué)指標(biāo)。本文旨在總結(jié)和梳理現(xiàn)有厭氧消化過程失穩(wěn)預(yù)警指標(biāo)及其特點(diǎn)，預(yù)警表征方法、過程監(jiān)控方法與技術(shù)，為厭氧消化過程預(yù)警及監(jiān)控研究提供基礎(chǔ)材料。

1 厭氧消化失穩(wěn)預(yù)警指標(biāo)體系

1.1 VFA，堿度及其綜合指標(biāo)

在厭氧消化過程中，甲烷生成通常有兩種途徑，一是乙酸分解產(chǎn)生甲烷，二是氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成甲烷，其中，乙酸分解途徑產(chǎn)甲烷量約占總產(chǎn)甲烷量的70%，而乙酸來源包括直接生成和其他VFA的分解，因而，自預(yù)警指標(biāo)研究之初，VFA及其耦合指標(biāo)就受到了研究人員的廣泛關(guān)注。

1995年，Ahring[4]等在中溫條件下采用豬糞與牛糞混合物作為底物，采用縮短水力停留時(shí)間(Hydraulic Retention Time, HRT)、有機(jī)負(fù)荷過載、溫度變化3種方式進(jìn)行了VFA作為預(yù)警指標(biāo)的研究，結(jié)果表明，3種情形下VFA、丙酸與乙酸的比值都具有較好的預(yù)警性能。2010年，Boe[5]等人在中溫條件下采用牛糞作為發(fā)酵底物，通過添加葡萄糖、脂質(zhì)、明膠和生物纖維使系統(tǒng)過載，同時(shí)進(jìn)行沼氣產(chǎn)量，pH值，VFA等指標(biāo)的線上、線下監(jiān)測，結(jié)果顯示，當(dāng)系統(tǒng)開始失穩(wěn)時(shí)，乙酸含量快速升高，但隨產(chǎn)甲烷反應(yīng)進(jìn)行其數(shù)值下降亦十分迅速，顯示出較大波動(dòng)，而丙酸變化相對遲緩，但預(yù)警性表現(xiàn)最為穩(wěn)定，因此，研究者提出可綜合兩項(xiàng)指標(biāo)共同預(yù)警。在較長時(shí)間跨度的研究中可發(fā)現(xiàn)，不同操作條件下，VFA類指標(biāo)的具體預(yù)警酸種類有所不同，且VFA中部分組成成分的耦合指標(biāo)相對更加高效。

VFA反應(yīng)了系統(tǒng)酸化的情況，而堿度標(biāo)志著系統(tǒng)承受酸化的能力，因此，近年來堿度以及兩者的數(shù)值關(guān)系或綜合指標(biāo)也被認(rèn)為是可行的預(yù)警指標(biāo)，包括碳酸氫鹽堿度總堿度(Total Alkalinity, TA)，(Bicarbonate Alkalinity，BA)，VFA/TA等。在實(shí)驗(yàn)研究中，Li[6]等人針對餐廚垃圾中溫厭氧消化系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過縮短HRT進(jìn)行過載及恢復(fù)后二次過載模擬，結(jié)果表明，總VFA濃度，VFA/TA，BA/TA的綜合指標(biāo)可有效實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾厭氧消化過程預(yù)警，預(yù)警時(shí)間從5天到13天。其中，VFA/TA表征著引起系統(tǒng)pH值降低的化合物與保持堿度的化合物之間的比例，可以較好地反映系統(tǒng)繼續(xù)承受酸化的能力。

針對特定的發(fā)酵原料，Kleybocker[7]等人提出了VFA與金屬離子濃度耦合的指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)采用城市污水與菜籽油進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵，結(jié)果顯示，隨著進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷(Organic loading rate, OLR)的提高，總VFA/Ca2+出現(xiàn)預(yù)警指示的日期比丙酸指示早6天，此外，丁酸和異丁酸也有較好的預(yù)警性。

1.2 氣相指標(biāo)

基于甲烷產(chǎn)生過程理論，氫氣分壓升高表征著氫氣合成甲烷過程受阻，并會導(dǎo)致丙酸的積累，因而具有一定的預(yù)警價(jià)值。Boe[5]等人在牛糞厭氧消化研究中，通過添加易降解物質(zhì)提高OLR，驗(yàn)證了氫氣的預(yù)警性，但在其他研究中，由于原料降解緩慢、氣液相轉(zhuǎn)移延遲、溶解氫消耗等問題，氫氣分壓作為氣相指標(biāo)對于有機(jī)負(fù)荷的變化并不敏感[7]。但與之相對的，丙酸分解過程中，氫氣分壓所體現(xiàn)的化學(xué)平衡還可以通過丙酸(鹽)與乙酸(鹽)的比值來體現(xiàn)，而后者作為液相指標(biāo)相對更加靈敏。

此外，針對目標(biāo)產(chǎn)物為甲烷的發(fā)酵類型，甲烷產(chǎn)量可以直觀的顯示厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，也具有一定的預(yù)警性能。

行政訴訟的司法審查側(cè)重于法律審。雖然稅收預(yù)約裁定訴訟是針對稅務(wù)機(jī)關(guān)不履行裁定之行為提起的訴訟，但仍然要對該行為的依據(jù)——預(yù)約裁定本身的合法性進(jìn)行審查。預(yù)約裁定的法律性質(zhì)為行政解釋，稅務(wù)機(jī)關(guān)應(yīng)在不與上位法抵觸的前提下對稅法適用作出解釋。然而，稅務(wù)問題屬于高度復(fù)雜的專業(yè)領(lǐng)域，在當(dāng)前法院稅務(wù)案件審判經(jīng)驗(yàn)尚缺的情形下，法院是否尊重行政解釋成為專業(yè)領(lǐng)域中行政解釋的司法審查所面臨的主要問題。

1.3 其他中間代謝產(chǎn)物

Hecht和Grieh[8]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)芳香化合物在餐廚垃圾厭氧消化過程中的累積效應(yīng)，除了已知的有毒代謝物如氨，硫化氫和VFA顯著升高外，芳香化合物濃度也隨OLR的增大而增加，其主要成分為苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的厭氧降解中間體，在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中，芳香族化合物特別是苯乙酸，出現(xiàn)波動(dòng)較之VFA要更早，這表明了使用芳香化合物作為過程失穩(wěn)預(yù)警指標(biāo)的可能性。此外，還有學(xué)者提出用甘油、乳酸等中間代謝產(chǎn)物作為預(yù)警指標(biāo)。

1.4 微生物多樣性

厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)，微生物群落將對環(huán)境脅迫產(chǎn)生適應(yīng)性變化。Poirier[9]等人通過投加5 g·L-1苯酚作為毒性物質(zhì)，破壞厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性，微生物測序結(jié)果顯示古細(xì)菌和細(xì)菌群落在毒性狀態(tài)下具有高水平適應(yīng)性，進(jìn)而提出微生物群落豐度作為預(yù)警指標(biāo)的可能性。Lv[10]等人利用碳14標(biāo)記產(chǎn)物甲烷，檢驗(yàn)碳14的監(jiān)測作用，同時(shí)熒光標(biāo)記兩種產(chǎn)甲烷途徑的微生物群落，從而表征甲烷的生成途徑，對系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行評估。

1.5 酶活性

厭氧消化4個(gè)階段分別有多種酶參與反應(yīng)，其中，水解過程是厭氧消化過程的開始，同時(shí)也是產(chǎn)甲烷的限速步驟[11]，在此過程中，發(fā)酵性細(xì)菌分泌的水解酶對底物的水解起著關(guān)鍵作用。國內(nèi)外對厭氧消化中水解酶的研究主要集中在葡萄糖苷酶(Glucosidase)、蛋白酶(Protein Enzyme)、磷酸酯酶(Phosphatase)等[12-15]。 Ugwuanyi[16]等人在對淀粉廢水厭氧消化的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，蛋白酶和葡萄糖苷酶的活性明顯升高，可作為潛在的評估厭氧消化過程穩(wěn)定性的監(jiān)測指標(biāo)。磷酸酯酶是水解底物上磷酸基團(tuán)的酶，其活性與磷酸酶產(chǎn)生菌和產(chǎn)酸菌的數(shù)量有關(guān)，因此也可用以判斷消化系統(tǒng)的酸化狀態(tài)。彭緒亞等在餐廚垃圾厭氧消化失穩(wěn)研究中發(fā)現(xiàn)磷酸酯酶活性驟變較VFAs、容積產(chǎn)氣率超前2天，較pH值驟降超前1天[14]。

2 系統(tǒng)預(yù)警的表征方法

為確定指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)警狀態(tài)，已有研究主要集中在指標(biāo)臨界值的判定，但在實(shí)際沼氣工程運(yùn)行中，發(fā)酵環(huán)境、物料性質(zhì)等差異性較大，臨界值的可參考意義很小，因此指標(biāo)的預(yù)警性能判別與變動(dòng)顯著性檢驗(yàn)更為關(guān)鍵。

Angelidaki[4]等提出了一種簡單的顯著性評估方法，通過計(jì)算指標(biāo)變化幅度：Z值，判別指標(biāo)是否發(fā)生質(zhì)的躍變。此外，多項(xiàng)指標(biāo)綜合判定對系統(tǒng)酸化狀況評估具有重要意義，Cook[17]等人設(shè)計(jì)出了一種回歸分析的方法，量化表現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，值域在0到1之間，并劃定0.5為顯著失穩(wěn)的臨界值。

更多的研究者傾向于直觀的從數(shù)值變化曲線來判斷指標(biāo)變動(dòng)情況，并與厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣潛能或甲烷產(chǎn)量曲線進(jìn)行比較，從而判別指標(biāo)變動(dòng)日期與系統(tǒng)崩潰日期，進(jìn)而對預(yù)警時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

3 厭氧消化過程監(jiān)控方法與技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)厭氧消化過程的長期穩(wěn)定進(jìn)行，需實(shí)時(shí)監(jiān)測過程各項(xiàng)指標(biāo)波動(dòng)，為可能的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)提供預(yù)警。過程指標(biāo)測試方法的不斷優(yōu)化為及時(shí)、快速的監(jiān)控提供基礎(chǔ)。表1對應(yīng)用于厭氧消化過程監(jiān)測的常用測試方法進(jìn)行了比較。

表1 厭氧消化過程監(jiān)控常用測試方法比較

3.1 滴定法

比對各種監(jiān)測方法，滴定法具有簡單易行、低成本的優(yōu)勢。針對VFA積累引起的厭氧消化過程失穩(wěn)，F(xiàn)eitkenhauer[18]等人提出了一種定量滴定短鏈揮發(fā)性脂肪酸(Short Chain Volatile Fatty Acids, SCVFA)的方法，該方法無需過濾，直接使用測量池滴定，計(jì)算機(jī)基于預(yù)設(shè)的VFA濃度自動(dòng)調(diào)整滴定程序；通過模擬不同濃度、成分的工業(yè)廢水發(fā)酵，測試該方法的有效性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示廢水濃度及成分的變化對檢測效果無顯著影響。

但是，滴定法在一些應(yīng)用中誤差較大，需對計(jì)算方法進(jìn)行修正。劉芳等[20]采用Nordmann聯(lián)合滴定法和精密儀器法對一項(xiàng)以O(shè)LR為變量的連續(xù)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的總VFA與BA變化進(jìn)行了測定，比對兩者測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Nordmann聯(lián)合滴定法測定的VFA與BA質(zhì)量濃度均值相對誤差均在50% 以上，且隨有機(jī)負(fù)荷的提高，相對誤差率降低。

3.2 色譜法

色譜法利用不同相態(tài)中，物質(zhì)的選擇性分配原理，以流動(dòng)相對固定相中的混合物進(jìn)行洗脫，混合物中不同物質(zhì)以不同的速度沿固定相移動(dòng)，最終達(dá)到分離的效果。依流動(dòng)相的不同分為氣相色譜、液相色譜等。該方法用于測定厭氧消化過程中間產(chǎn)物時(shí)，存在著易結(jié)垢、堵塞的問題[3]。Boe[21]等人開發(fā)設(shè)計(jì)了一種頂空氣相色譜的方法，利用一個(gè)樣品預(yù)處理池，通過調(diào)節(jié)溫度、pH值和離子濃度，降低樣品中揮發(fā)性化合物溶解度，并對頂空氣相進(jìn)行取樣，利用溶解度關(guān)系確定個(gè)體VFA的濃度，該方法無需過濾，且不易導(dǎo)致堵塞。

3.3 紅外光譜與近紅外光譜

紅外光譜與近紅外光譜分析法均利用不同物質(zhì)選擇性吸收紅外光區(qū)電磁輻射的原理進(jìn)行化學(xué)過程監(jiān)測。分子中不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收輻射的頻率不同，將紅外吸收光譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對可對物質(zhì)進(jìn)行定性，分析吸收峰位置及強(qiáng)度可對物質(zhì)進(jìn)行定量。該方法對試樣無破壞、用量少，且操作簡便、快捷。Steyer[22]等人在實(shí)際發(fā)酵工程運(yùn)行中驗(yàn)證了紅外光譜法測定VFA，COD，TOC，TA，PA的可行性，但其技術(shù)瓶頸在于必須配備一個(gè)超濾設(shè)備配合使用，解決方案即研究開發(fā)超濾設(shè)備的經(jīng)濟(jì)替代物。Holm-Nielsen[23]等人在甘油作為添加劑的厭氧發(fā)酵研究中，采用了近紅外光譜分析測定VFA和甘油的含量，并認(rèn)為該方法具有較好的精密度與重現(xiàn)性。

3.4 熒光法

利用熒光標(biāo)記某些特定物質(zhì)，比對標(biāo)準(zhǔn)熒光光譜，可進(jìn)行定性、定量的分析，在厭氧消化過程研究領(lǐng)域，常用于標(biāo)記還原性輔酶Ⅰ(Nicotinamide Adenine Dinucleotide, NADH)及一些輔酶。其中，NADH直接與生物代謝活動(dòng)相關(guān)，其變化狀況可以表征出厭氧微生物的活性，Peck 和Chynoweth[24]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)OLR過載時(shí)，熒光是最敏感的預(yù)警指標(biāo)。輔酶F420是產(chǎn)甲烷菌特有的輔酶，趙全保[25]在人工合成廢水發(fā)酵的研究中，對反應(yīng)物進(jìn)行了OLR改變過程中的三維熒光分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示輔酶F420熒光峰對發(fā)酵酸敗現(xiàn)象顯示出較好的預(yù)警效果。

3.5 其他

利用水的介電常數(shù)與電磁波頻率變化關(guān)系，微波可用以檢測物質(zhì)水分含量[26]，Nacke[27]等人利用這一性質(zhì)提出了一種干物質(zhì)定量系統(tǒng)，系統(tǒng)測量范圍為干物質(zhì)2%～14%，研究者還依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了單變量和多變量模型，用以監(jiān)控厭氧消化反應(yīng)器性能。

同位素追蹤法配合色譜法或質(zhì)譜法檢測也曾被研究者用以厭氧消化過程研究。Polag[28]等利用碳14標(biāo)記產(chǎn)物甲烷，檢驗(yàn)了碳14的監(jiān)測作用，實(shí)驗(yàn)顯示，在連續(xù)高OLR條件下，碳14值的早期指示性較差，但穩(wěn)定同位素值與微生物分析的數(shù)據(jù)比較顯示，主要甲烷生成途徑和碳同位素值之間有一定關(guān)聯(lián)，該發(fā)現(xiàn)可作為碳同位素追蹤法監(jiān)控厭氧消化的理論基礎(chǔ)。

傳感器的應(yīng)用有力的推動(dòng)了線上監(jiān)測厭氧消化過程的研究進(jìn)展，Rudnitskaya和Legin[29]綜述了電子舌與電子鼻運(yùn)用于生物反應(yīng)過程監(jiān)控的可能性，近年多變量方法的運(yùn)用改善了傳統(tǒng)傳感器陣列低選擇性的問題，加之傳感器的廉價(jià)與堅(jiān)固性使它們在監(jiān)控復(fù)雜生物反應(yīng)過程中具有一定優(yōu)勢。但是，由于化學(xué)環(huán)境和采樣方法導(dǎo)致的管道結(jié)垢堵塞、樣品測試過程中降解等常見問題尚待科學(xué)研究。

4 總結(jié)與展望

4.1 預(yù)警指標(biāo)體系的完善

從表2不同原料厭氧消化預(yù)警指標(biāo)研究結(jié)果來看，各項(xiàng)指標(biāo)中沒有一個(gè)指標(biāo)是普適性的，針對不同的消化底物、運(yùn)行條件，其預(yù)警性能顯示出不穩(wěn)定性，如，Pullammanappallil[30]等認(rèn)為丙酸作為預(yù)警指標(biāo)時(shí)的臨界值為2750 mg·L-1，Nielsen[31]等提出的臨界值為1500 mg·L-1，而Kleybocker[7]等人在研究中發(fā)現(xiàn)丙酸并沒有出現(xiàn)較早的積累。此外，已有研究主要集中在以餐廚、禽畜糞便及廢水為底物的發(fā)酵過程，針對纖維素類生物質(zhì)為底物的厭氧消化預(yù)警研究幾乎空白，不同工業(yè)產(chǎn)生廢水、多種底物混合發(fā)酵等眾多底物類型都亟待繼續(xù)探究，因此在未來的研究中，研究人員可針對不同類型的原料開展相關(guān)研究共同完善預(yù)警指標(biāo)體系，這對于實(shí)際生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義。

4.2 適宜指標(biāo)篩選

綜合文獻(xiàn)中所述，一個(gè)適宜的預(yù)警指標(biāo)應(yīng)具備3項(xiàng)顯著特征：

(1)易于測量，測試周期短。微生物活性、酶活性等都顯示出較好的預(yù)警性能，且更加深入的表征出厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，但在實(shí)際運(yùn)用中相對測試難度較高，測試周期長，因而在實(shí)用性角度，VFA、堿度等指標(biāo)有著明顯的優(yōu)勢。

表2 不同原料厭氧消化指標(biāo)

(2)穩(wěn)定性。多項(xiàng)指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)中被證明雖然具有預(yù)警性，但數(shù)值波動(dòng)大，實(shí)用性差，比如，乙酸具有較高的預(yù)警靈敏性，在短時(shí)間內(nèi)可大量富集，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，乙酸直接分解產(chǎn)甲烷導(dǎo)致濃度銳減，預(yù)警狀態(tài)持續(xù)時(shí)間短，預(yù)警不穩(wěn)定，難以判別系統(tǒng)內(nèi)真實(shí)的酸化狀況[32]。

(3)靈敏性。最佳的預(yù)警指標(biāo)體系應(yīng)在物料滯留期內(nèi)提供足夠長的預(yù)警時(shí)間，預(yù)警時(shí)間即某一參數(shù)表現(xiàn)出警示性到系統(tǒng)開始崩壞之間的時(shí)間間隔。

4.3 數(shù)據(jù)處理與建模

基于預(yù)警指標(biāo)及臨界值的判斷，運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化各項(xiàng)備選指標(biāo)的數(shù)值，建立厭氧消化過程模型，可以更加科學(xué)、直觀地為精準(zhǔn)生產(chǎn)監(jiān)控服務(wù)。生化反應(yīng)模型是在線過程控制方法的核心，目前可以較好的模擬厭氧消化過程的功能模型主要為國際水質(zhì)協(xié)會提出的ADM1模型及其他學(xué)者提出的在某些特定情形下的變型。因此未來的研究發(fā)展方向可利用數(shù)學(xué)建模更加深入的揭示厭氧消化反應(yīng)過程，為全面、快捷的在線監(jiān)控提供理論支柱。