糖類基質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性研究*

楊海靜， 張艷萍

(北京工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京　100048)

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糖類基質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性研究*

楊海靜， 張艷萍

(北京工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京100048)

糖類基質(zhì)產(chǎn)甲烷是厭氧發(fā)酵技術(shù)研究中的重要內(nèi)容，許多復(fù)雜的有機物都要先水解為可溶性糖，再進一步產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷。試驗以葡萄糖為碳源，研究了溫度、pH、污泥濃度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響。采用L9(33)正交實驗表，通過甲烷含量指標的綜合考察，得到pH是對產(chǎn)甲烷過程影響最大的因素。產(chǎn)甲烷最優(yōu)組合為溫度35 ℃、pH=7.5、污泥濃度30 gVSS/L。在上述條件下，以不同COD濃度的淀粉為碳源，研究其厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程中各指標的變化規(guī)律。結(jié)果表明，中濃度條件更有利于產(chǎn)甲烷，高濃度條件容易產(chǎn)生有機酸積累導(dǎo)致甲烷產(chǎn)率低。

厭氧發(fā)酵；糖類基質(zhì)；甲烷

糖類基質(zhì)是厭氧發(fā)酵技術(shù)利用的重要原料之一[1]。厭氧發(fā)酵理論認為，復(fù)雜的有機物首先要水解為可溶性糖類、氨基酸、脂肪酸等物質(zhì)才能進行下一步的產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段[2]。作為發(fā)酵工業(yè)的主要副產(chǎn)物，糖類基質(zhì)是有機廢水中的主要污染物。大量的有機廢水水解產(chǎn)物中富含可溶性糖類[3]。當以溶解性糖類為主要基質(zhì)進行厭氧發(fā)酵時，由于糖類基質(zhì)代謝速度快，產(chǎn)酸階段反應(yīng)時間短，使得產(chǎn)甲烷階段成為整個發(fā)酵過程的限制階段。因此，優(yōu)化產(chǎn)甲烷階段的主要影響因素成為整個糖類基質(zhì)厭氧發(fā)酵過程的關(guān)鍵問題。

本文針對糖類基質(zhì)的厭氧發(fā)酵過程，選取初始pH值、溫度、污泥濃度、有機物濃度等主要影響因素進行研究。探索糖類基質(zhì)厭氧發(fā)酵的最優(yōu)條件及其產(chǎn)氣特性，對進一步了解富含糖類基質(zhì)的各類有機廢水厭氧產(chǎn)沼氣的規(guī)律具有一定的參考價值。

1　實　驗

1.1試驗裝置與運行

實驗裝置分為兩種，一種是由500 mL厭氧發(fā)酵瓶，1 L的集氣瓶和250 mL量筒三部分組成。發(fā)酵瓶分別置于中溫水浴鍋中，該組裝置用于記錄產(chǎn)氣量。另一種裝置是由500 mL厭氧發(fā)酵瓶和500 mL集氣袋組成，該組裝置用于取樣測試。

1.2材料與方法

采用COD=2000 mg/L的合成廢水(以葡萄糖為碳源，微量元素[4]：KAl(SO4)2：10 mg/L， NiCl2·6H2O：10 mg/L， CoCl2·6H2O：200 mg/L，ZnCl2：50 mg/L，MnCl2·6H2O：100 mg/L，CaCl2·2H2O：100 mg/L)(C:N:P=200:5:1)。厭氧發(fā)酵正交因素水平表如表1所示，按照正交實驗表接種污泥、調(diào)pH值并加入0.4 g NaHCO3[5]，組裝完成后，向每組發(fā)酵瓶中通入氮氣5 min，保證厭氧環(huán)境。

以淀粉作為碳源，分析這一類糖類機制對厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響。實驗條件為：正交試驗得出的最佳組合條件，同樣加入NaHCO3作為pH緩沖物質(zhì)。

表1　正交因素水平表

1.3檢測指標及方法

VFA組分含量測定采用氣相色譜法[6](采用瓦里安氣相色譜儀，CP-Wax58(FFAP) 型毛細色譜柱 25 m×0.32 mm×0.2 μm)。

甲烷含量測定采用氣相色譜法 (型號：SP3801)，色譜柱 porapak Q(3 m×3 mm)。色譜條件：進樣口溫度50 ℃，檢測容溫度50 ℃，柱溫：30 ℃，橋電流：100 mA，柱前壓：0.2 MPa，每次進樣量：1 mL。

多糖的測定采用苯酚-硫酸法[7]。

2　結(jié)果與分析

2.1正交實驗結(jié)果分析

表2　正交試驗結(jié)果

以甲烷含量為目標，采用極差法對實驗結(jié)果進行分析，見表3。

表3　甲烷含量極差分析表

由表3可知，以甲烷含量為指標時，最優(yōu)組合為：A2B2C3。各極差r的大小順序為B>C>A，即pH>污泥濃度>溫

度，其中極差最大的是pH，表明以甲烷含量為指標時pH的影響最大，其次為污泥濃度，最后為溫度。原因是厭氧發(fā)酵過程主要依靠三大類微生物類群，即水解產(chǎn)酸細菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌、產(chǎn)甲烷細菌的聯(lián)合作用完成[8]，其中產(chǎn)甲烷階段主要依靠產(chǎn)甲烷菌。產(chǎn)甲烷菌對pH的要求極為苛刻，一般 中溫產(chǎn)甲烷菌的最適pH范圍為6.8～7.2[8]，pH成為主要的影響因素。

2.2淀粉試驗結(jié)果分析

2.2.1pH及VFA隨發(fā)酵時間的變化

設(shè)置不同淀粉濃度，每隔8 h監(jiān)測發(fā)酵液的pH和VFA，其變化如圖3、圖4所示。

圖3　pH隨發(fā)酵時間的變化

圖4　VFA隨發(fā)酵時間的變化

從圖3可以看出后面兩個試驗組，發(fā)酵開始的前16h內(nèi)，pH急劇快速下降，說明碳酸氫鈉加入量不足以起到緩沖作用，引起了pH的下降。 COD=5000 mg/L條件下，pH在16 h后上升緩慢，最終保持在5左右。原因是產(chǎn)生了大量有機酸且酸性環(huán)境不適合產(chǎn)甲烷菌生存，導(dǎo)致有機酸積累。COD=4000 mg/L條件下，pH在16 h后有較大幅度的上升，原因是隨著發(fā)酵的進行，產(chǎn)甲烷菌不斷利用生成的有機酸，使得發(fā)酵液中有機酸濃度降低，pH也隨之上升。其他實驗組pH也有小幅度降低，32 h后趨于平穩(wěn)，最終均保持在7左右。由圖4可看出，發(fā)酵液中VFA從第8 h開始一直緩慢上升，表明隨著發(fā)酵的進行，在發(fā)酵菌的作用下開始產(chǎn)酸并積累。除COD=5000 mg/L外，各試驗組在第40 h左右時到達高峰后開始逐步下降，原因是40 h以后在產(chǎn)甲烷菌的作用下，開始消耗脂肪酸，進入產(chǎn)甲烷階段。而COD=5000 mg/L發(fā)酵液中 VFA繼續(xù)上升，與該試驗組pH和COD的變化趨勢一致。

2.2.2COD和多糖隨發(fā)酵時間的變化

不同淀粉濃度發(fā)酵過程中，COD和多糖隨時間的變化如圖4、圖5所示。

圖5　COD隨發(fā)酵時間的變化

圖6　多糖隨發(fā)酵時間的變化

圖5結(jié)果表明，COD的總體趨勢是由高逐漸降低，在發(fā)酵前32 h COD下降速率最快。說明有機質(zhì)的降解主要集中在前32 h。32 h后，各發(fā)酵液中COD都逐漸降低。COD去除率達90%以上。而COD=5000 mg/L中發(fā)酵液的COD一直保持在3000 mg/L左右，結(jié)合其pH變化趨勢，證明高濃度的淀粉發(fā)酵容易導(dǎo)致有機酸積累。圖6可看出在發(fā)酵前8h內(nèi)多糖含量基本保持在初始值，說明此時淀粉還未被大量的轉(zhuǎn)換，仍然以多糖形式存在。隨發(fā)酵的進行，在第8～24 h多糖含量迅速下降，此時淀粉被大量的水解。24 h后多糖含量下降緩慢，原因是此時大量淀粉已經(jīng)被降解利用。40 h后，多糖含量幾乎為零，此時絕大部分淀粉已經(jīng)水解利用。

2.2.3產(chǎn)氣量和甲烷含量隨發(fā)酵時間的變化

產(chǎn)氣量直接顯示了厭氧發(fā)酵的效果，不同淀粉濃度下產(chǎn)氣量隨時間的變化如圖7、圖8所示。

圖7　產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化

圖8　甲烷含量隨發(fā)酵時間的變化

圖7中可以看出，COD=1000 mg/L在第8 h時就達到產(chǎn)氣高峰。COD=5000 mg/L、COD=4000 mg/L、COD=3000 mg/L在發(fā)酵的第16 h達到了產(chǎn)氣高峰。COD=2000 mg/L在24 h達到產(chǎn)氣高峰。其中COD=5000 mg/L明顯比其他實驗組產(chǎn)氣量大，產(chǎn)氣達到240 mL。24 h后COD=4000 mg/L和COD=3000 mg/L發(fā)酵液的產(chǎn)氣量一直保持較好水平。圖8可看出各實驗組在發(fā)酵的第24 h時甲烷含量達到了最高。其中COD=3000 mg/L組甲烷含量最高達到了52.52%，其次為COD=2000 mg/L組甲烷含量達到49.60%。COD=5000 mg/L組甲烷含量相對于其他各組最低僅為35.87%。24 h后甲烷含量有所下降，除COD=5000 mg/L組其他各組甲烷含量均保持在30%～40%。

3　結(jié)　論

綜合考慮甲烷含量指標以及實際運行條件的控制，正交最優(yōu)組合為溫度35 ℃、pH=7.5、污泥濃度30 gVSS/L。

對于淀粉類基質(zhì)的發(fā)酵，中濃度條件比低濃度和高濃度條件下的產(chǎn)氣效果好，過程更好控制。高濃度條件容易產(chǎn)生有機酸積累，從而影響產(chǎn)氣效果。厭氧發(fā)酵過程中加入適量的pH緩沖劑(碳酸氫鈉)可以更好的控制發(fā)酵過程混合液的pH，保證產(chǎn)氣過程的順利進行。

[1]孟亮,王殿龍,艾平,等.葡萄糖厭氧產(chǎn)甲烷影響因素研究及優(yōu)化[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(8):139-144.

[2]任南琪,王愛杰,馬放.產(chǎn)酸發(fā)酵微生物生理生態(tài)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2005:82-113.

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[6]秦清. 剩余污泥發(fā)酵液為碳源合成 PHA 的工藝研究[D].北京:北京工商大學(xué).2013:1-76.

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Study on Characteristic of Anaerobic Methane Production from Carbohydrate*

YANGHai-jing,ZHANGYan-ping

(Department of Environmental Science and Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

Carbohydrate is a type of important substrate of anaerobic fermentation technique to produce methane, many complex organics are first hydrolyzed to soluble sugar solution, further to produce acid and methane. The effects of temperature, pH, sludge concentration on anaerobic methane production were studied by using glucose as carbon source. Used the orthogonal test L9(33), got the effects of on producing methane by pH was the most influential factor in the process of gas production by consider about methane content. The optimal combination of methane production was at 35 ℃, pH=7.5, with sludge concentration 30 gVSS/L. The changes of the methane producing process were studied by using starch as carbon source. The results showed that the medium concentration was more favorable to the production of methane, and the accumulation of organic acids in high concentration can result in the poor of methane production.

anaerobic fermentation; carbohydrate; methane

國家“十二五”科技支撐項目(2014BAC28B01)；北京市自然科學(xué)基金(8112012)。

楊海靜(1991-)，女，碩士研究生，主要從事水污染控制與防治方面的研究。

張艷萍。

X703.1

A

1001-9677(2016)07-0060-03