厭氧消化系統(tǒng)過程穩(wěn)定性研究和進(jìn)展*

梅 冰，陸 翔，竇法楷，汪慧蓮，賈傳興，覃亞宏

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)節(jié)能減排檢測工程中心，云南 昆明650000；2.重慶大學(xué)，重慶400045）

厭氧消化是一個復(fù)雜的生物反應(yīng)過程，包括一系列的微生物將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣。在厭氧消化過程反應(yīng)中，最初通過水解發(fā)酵細(xì)菌將底物水解發(fā)酵為VFA，H2和CO2。最后這些產(chǎn)物通過產(chǎn)甲烷細(xì)菌轉(zhuǎn)化為CH4,CO2和H2。厭氧消化涉及到許多平行的中間反應(yīng)過程，生化反應(yīng)受到諸多環(huán)境因子的抑制和影響，其中關(guān)鍵性的抑制因子將直接影響到生物產(chǎn)率和功效、有機(jī)物的降解途徑、最終導(dǎo)致厭氧工藝效率降低，甚至運(yùn)行失敗[1]。

因而，厭氧消化過程穩(wěn)定性的研究受到世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注[2]，主要是從以下幾個方面進(jìn)行研究：

1 揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）及其耦合指標(biāo)

揮發(fā)性脂肪酸是厭氧代謝過程的重要中間代謝產(chǎn)物，厭氧消化系統(tǒng)中的VFAs 的濃度很早就被做為控制厭氧消化系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，國內(nèi)外學(xué)者相繼開發(fā)了一系列VFAs 的在線監(jiān)測技術(shù)，但是應(yīng)用范圍較為狹窄[3]。厭氧消化反應(yīng)器中各種VFAs中濃度與厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系，也受到了國內(nèi)外廣泛關(guān)注[3]。近些年來，有研究報道系統(tǒng)發(fā)生酸化時，常常伴隨著丙酸的積累[4]。但也有人認(rèn)為消化器中高濃度的丙酸與反應(yīng)器酸化沒有直接關(guān)系[4]。關(guān)于丙酸濃度的增加是否會對產(chǎn)甲烷細(xì)菌有抑制作用。目前，還存在兩種相反的觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為丙酸濃度的增加對產(chǎn)甲烷菌有抑制作用，因此，丙酸積累會造成系統(tǒng)失衡。Barredo 等指出當(dāng)丙酸濃度為1500～2220mg·L-1時，產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量隨丙酸濃度的上升而呈二級指數(shù)下降，造成厭氧系統(tǒng)的失衡[4]。Hajarnis 等研究丙酸濃度對產(chǎn)甲烷菌的毒性時，發(fā)現(xiàn)中性條件下丙酸濃度為5000mg·L-1時甲烷產(chǎn)量降低到正常狀態(tài)下的22%～38%，隨著pH 值的降低則抑制作用迅速增強(qiáng)，導(dǎo)致厭氧反應(yīng)系統(tǒng)的失衡[4]。因此，有人認(rèn)為厭氧反應(yīng)器中丙酸濃度可以作為衡量厭氧反應(yīng)是否正常的標(biāo)準(zhǔn)[5]；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為丙酸積累不會影響有機(jī)物的產(chǎn)甲烷過程。Pullammanappallil 等[6]通過加入苯酚造成系統(tǒng)中丙酸濃度增加（苯酚厭氧降解產(chǎn)生丙酸），丙酸最高積累至2750mg·L-1，同時pH 值低于6.5，在此條件下仍未觀察到對底物葡萄糖產(chǎn)甲烷的抑制作用，因此，許多學(xué)者認(rèn)為丙酸的高濃度并不意味著厭氧消化系統(tǒng)的失衡，系統(tǒng)失衡時常常伴隨著丙酸的積累，但是丙酸的積累只是系統(tǒng)失衡的結(jié)果，并不是原因[6]。在二十世紀(jì)90 年代，國外學(xué)者發(fā)現(xiàn)丙酸與乙酸濃度之比和系統(tǒng)發(fā)生消化酸化時有一種相關(guān)性。因此，一些學(xué)者提出把丙酸與乙酸濃度之比作為厭氧消化工藝異常狀況的指示性指標(biāo)[7]。Hill 提出丙酸/乙酸可作為厭氧消化系統(tǒng)的預(yù)警指標(biāo)，并通過試驗(yàn)得出一個穩(wěn)定的厭氧消化系統(tǒng)中丙酸/乙酸應(yīng)低于1.4，但是一些其它的研究結(jié)果展示和這并不一樣[8]。Ahring et al.建議丙酸和異丙酸是可以作為厭氧消化過程不平衡的監(jiān)控指標(biāo)[8]。Hill 和Holmberg[8]認(rèn)為異丁酸和異戊酸濃度低于0.06mM時系統(tǒng)是穩(wěn)定的，異丁酸和異戊酸濃度在0.06～0.17mM 時，系統(tǒng)將失去穩(wěn)定性。Tahar 等人在使用厭氧反應(yīng)器處理油脂廢水的時候，認(rèn)為VFA 的成分改變可實(shí)時反映厭氧反應(yīng)器運(yùn)行的好壞及穩(wěn)定性，也是厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)不平衡的重要指示指標(biāo)[9]。

2 復(fù)雜的中間代謝產(chǎn)物做為監(jiān)控指標(biāo)

C Hecht 和C Griehl 研究了芳香化合物在餐廚垃圾厭氧產(chǎn)沼氣工藝中的累積效應(yīng)，試驗(yàn)探測到芳香化合物特別是苯乙酸比揮發(fā)性脂肪酸具有較好的系統(tǒng)失衡指示性[10]。Ens Bo 等在厭氧消化豬糞的研究中發(fā)現(xiàn)甘油濃度積累要比VFA 積累的要早，建議可以把甘油濃度做為系統(tǒng)穩(wěn)定性的監(jiān)控指標(biāo)[11]。國內(nèi)外許多學(xué)者在厭氧消化過程中，發(fā)現(xiàn)在厭氧反應(yīng)器運(yùn)行失敗以前，乳酸濃度急劇增高。他們建議乳酸濃度可以做為厭氧消化器不平衡的早期指標(biāo)[12]。

3 堿度做為監(jiān)控指標(biāo)

儲備碳酸氫鹽堿度與總堿度的比值（BA/TA）、揮發(fā)性脂肪酸總濃度與儲備碳酸氫鹽堿度的比值（VFA/BA）表征了引起系統(tǒng)pH 值降低的化合物與保持堿度的化合物之間的比例，可以較好地反映厭氧消化系統(tǒng)承受酸化的能力[13]。

丹麥的Switzenbaum 提出當(dāng)VFA/TA 在0.3～0.4時，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。但是國內(nèi)外很多學(xué)者認(rèn)為這個指標(biāo)并不敏感[14]，并不能完全對厭氧消化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，有時容易使人產(chǎn)生誤解。根據(jù)滴定終點(diǎn)的不同可分為PA 和IA，滴定終點(diǎn)為5.75 時消耗的堿度當(dāng)量為PA，然后再滴定終點(diǎn)為4.30 時消耗的堿度當(dāng)量為IA。IA/PA 是監(jiān)測厭氧消化過程中緩沖能力隨時間的變化情況，一些學(xué)者建議使用這個指標(biāo)來描述厭氧消化過程的不正常狀態(tài)[15]。Ripley 報道成功的厭氧消化運(yùn)行在TA 大于6000mg·L-1和IA/PA值小于0.3，而Bernard 建議當(dāng)IA/PA 值小于0.3 的時候，厭氧消化保持穩(wěn)定[15]。

4 H2 的分壓

H2是厭氧消化過程中一個重要的中間代謝產(chǎn)物，在一個穩(wěn)定的厭氧系統(tǒng)生境中產(chǎn)氫細(xì)菌和耗氫細(xì)菌處于一個良好的平衡狀態(tài)；一旦平衡被打破，將引起系統(tǒng)有機(jī)酸或醇類的積累，使厭氧消化過程受到抑制。很多學(xué)者提出丙酸積累是由于H2分壓較高所致。任南琪也認(rèn)為氫分壓高在某些條件下可能會引起丙酸的產(chǎn)生，并導(dǎo)致積累[11]。所以，將氫分壓作為一種指示指標(biāo)從而預(yù)示有機(jī)負(fù)荷過高和丙酸的積累是可行的。

Mosey 研究得出氫可以作為負(fù)荷大小的指示物來控制進(jìn)水量，也可以作為毒性的早期警示物。徐向陽指出厭氧消化系統(tǒng)工藝運(yùn)行的非穩(wěn)定性以及氧化H2的產(chǎn)甲烷菌的生理代謝受抑制等因素與H2分壓有密切關(guān)系[16]。但是也有專家認(rèn)為H2分壓幾乎并不影響丙酸的產(chǎn)生，一些學(xué)者也發(fā)現(xiàn)在H2分壓對厭氧消化超負(fù)荷并不十分敏感[17]。

5 酶活性的研究

國內(nèi)外對厭氧消化器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）。蛋白酶是水解蛋白質(zhì)肽鍵的一類酶的總稱。國外學(xué)者在研究厭氧消化處理淀粉廢水，發(fā)現(xiàn)在厭氧消化有機(jī)負(fù)荷超負(fù)荷的時候蛋白酶和葡萄糖苷酶的活性明顯的升高，因此，有學(xué)者建議蛋白酶和葡萄糖苷酶的活性可以做為潛在的厭氧消化過程穩(wěn)定性的監(jiān)測工具[18]。磷酸酯酶（Phosphatase）是水解底物上磷酸基團(tuán)的酶，磷酸酯酶可能起供給營養(yǎng)的作用，降解富含磷酸的生物分子使其利于細(xì)菌的同化；其活性與磷酸酶產(chǎn)生菌和產(chǎn)酸菌的數(shù)量有很好的相關(guān)性[18]。國內(nèi)外研究報道發(fā)現(xiàn)在超負(fù)荷進(jìn)料時反應(yīng)器出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，污泥中磷酸酶活性增高，比其它因素如揮發(fā)性脂肪酸的積累要早，且變化明顯；并指出磷酸酶活性可以作為厭氧消器酸化的早期檢測指標(biāo)，可以用來預(yù)防厭氧消化器酸化的發(fā)生，也可用來判斷消化器的臨界狀態(tài)[19]。

6 產(chǎn)甲烷細(xì)菌輔酶的研究

消化污泥中的產(chǎn)甲烷細(xì)菌特殊輔酶因子濃度已經(jīng)被用做評價產(chǎn)甲烷活性的一個重要指標(biāo)，可以通過監(jiān)測這些輔酶的含量來間接表征產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，以指示系統(tǒng)的穩(wěn)定性[20]。

但是對于不同種的產(chǎn)甲烷細(xì)菌來說，M（CoM）、F420、F430等輔酶含量變化很大，不能確鑿的表征甲烷菌的活性，K.Kida 等人的研究認(rèn)為產(chǎn)甲烷活性與輔酶F420含量并沒有很好的相關(guān)性[21]。

周洪波認(rèn)為只有在產(chǎn)甲烷細(xì)菌組成相似的條件下，產(chǎn)甲烷細(xì)菌特殊輔酶的含量才能表示厭氧顆粒污泥甲烷菌產(chǎn)甲烷活性[22]。

因而，在不同的工藝條件下，產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)變化也不一樣，因此，輔酶含量的大小不能完全反應(yīng)產(chǎn)甲烷菌的活性強(qiáng)弱。在實(shí)際工程應(yīng)用中，不同的輔酶在不同的工藝條件下與系統(tǒng)穩(wěn)定性的相關(guān)性差異很大[23]。

7 厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性過程控制研究

厭氧消化涉及多種微生物之間的相互作用，其代謝網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，運(yùn)行效果表現(xiàn)為產(chǎn)氣不穩(wěn)定、容易失衡，因此，對厭氧消化系統(tǒng)的過程控制對其穩(wěn)定性而言至關(guān)重要。模型是過程控制方法的核心，分為功能模型和結(jié)構(gòu)模型。對厭氧消化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的研究來源于Monod 方程。國際水質(zhì)協(xié)會提出的ADM1 模型，通過對厭氧消化過程各組分代謝網(wǎng)絡(luò)以及傳質(zhì)動力學(xué)過程的分析，對厭氧消化過程進(jìn)行較完整的描述，較好的模擬和預(yù)測不同工藝條件下的運(yùn)行結(jié)果。此模型甚至可以對不同VFAS 組分進(jìn)行預(yù)測，如丙酸的累積，為實(shí)現(xiàn)較為精確的系統(tǒng)過程控制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。參考ADM1 模型，Copp 等人將厭氧消化過程簡化為產(chǎn)酸、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷3 個階段。其結(jié)果表明，簡化的模型能更精確的預(yù)測產(chǎn)氣量，且其模擬速度比ADM1 更快。結(jié)構(gòu)模型參數(shù)較多，建模難度大，對環(huán)境變化也非常敏感。目前難以直接應(yīng)用于系統(tǒng)控制。相比之下，建立功能模型無需變量間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，而是通過非線性的思維方式和系統(tǒng)分析控制方法來實(shí)現(xiàn)對真實(shí)狀態(tài)的模擬和控制，其中以對模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究最為廣泛[24]。Cuwy 等人利用流化床反應(yīng)器中得到的數(shù)據(jù)馴化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，成功實(shí)現(xiàn)了不同穩(wěn)態(tài)水平及流化床系統(tǒng)堿度的分類和識別[25]。Bestamin 等人利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對一個工業(yè)規(guī)模的沼氣工程進(jìn)行產(chǎn)氣模擬，體現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用潛力[26]。模糊控制在沖擊控制和狀態(tài)預(yù)測等方面也得到了大量應(yīng)用，此控制系統(tǒng)以氣體組分、產(chǎn)氣速率、pH 值等為輸入?yún)?shù)，通過模糊邏輯實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)器的反饋控制，系統(tǒng)具有較好的抗沖擊能力。模糊邏輯在自我學(xué)習(xí)和自我適應(yīng)能力上有較大的缺陷，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很好地彌補(bǔ)了這個缺陷。在反應(yīng)器受到有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷沖擊下，通過使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的流化床的VFAs、甲烷產(chǎn)率成功地進(jìn)行了模擬性預(yù)測。曹剛[27]也利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對厭氧消化系統(tǒng)在各種有機(jī)負(fù)荷沖擊下的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了相關(guān)研究。吳成強(qiáng)等人[28]研究了出水回流比對厭氧消化處理效果及厭氧消化工藝穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)器無回流時，反應(yīng)器運(yùn)行很不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生失衡，需要人工添加堿度才能保證反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)使用回流比為3:7 時，可以大量節(jié)約用堿量。厭氧反應(yīng)器出水能夠迅速激活反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷細(xì)菌的活性，有利于厭氧工藝的快速啟動和穩(wěn)定運(yùn)行。

8 結(jié)論與展望

厭氧消化是一個相當(dāng)復(fù)雜的微生物生化過程，涉及到許多平行的中間反應(yīng)過程，生化反應(yīng)受到諸多環(huán)境因子的抑制和影響，其中關(guān)鍵性的抑制因子將直接影響到生物產(chǎn)率和功效、有機(jī)物的降解途徑、最終導(dǎo)致厭氧工藝效率降低，甚至運(yùn)行失敗。

厭氧消化的監(jiān)控是反應(yīng)器運(yùn)行的重要保證，是反應(yīng)器過程穩(wěn)定性和高轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵。厭氧消化監(jiān)控標(biāo)的發(fā)展方向是自動化，簡單化，精度化，可靠化。其中的一個焦點(diǎn)是提供的技術(shù)具有商業(yè)化。通過一些可靠，廉價的技術(shù)，對厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)行在線監(jiān)控是未來厭氧消化警示物未來研究發(fā)展的主要方向。

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