大豆廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷工藝條件優(yōu)化

唐仁士， 張艷萍， 蔡曉陽， 王 鑫

(北京工商大學(xué) 食品學(xué)院， 北京 100048)

厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷受多種因素的影響，微量元素、發(fā)酵溫度、有機(jī)負(fù)荷、污泥濃度是其中主要的4個因素。微量元素會作為輔酶、輔基、輔因子的成分在微生物的酶系統(tǒng)中對產(chǎn)甲烷階段起調(diào)控作用[1-2]。Ni、Co、Fe是所需的重要微量元素，Ni是產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞中F430的唯一金屬成分[3]；Co是酶F420的金屬成分，促進(jìn)微生物細(xì)胞的生物合成和產(chǎn)甲烷過程，激活厭氧發(fā)酵過程中關(guān)鍵酶F420的活性[4]；Fe不僅參與厭氧微生物體內(nèi)細(xì)胞色素、細(xì)胞氧化酶的合成，而且是胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)的電子載體[5]。溫度是影響微生物生長代謝以及酶活性的重要因素，理論上來說溫度在10～60 ℃，沼氣池均能正常發(fā)酵產(chǎn)氣[6-10]。有機(jī)負(fù)荷是厭氧發(fā)酵的重要影響因素，沼氣和甲烷產(chǎn)量隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而增加[11-12]。此外，反應(yīng)體系中的污泥濃度也是影響厭氧發(fā)酵的關(guān)鍵因素，接種污泥的數(shù)量、活性和性質(zhì)很大程度上影響著啟動速度甚至反應(yīng)器運行的成敗[13]。

近年來，我國大豆深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，相應(yīng)地產(chǎn)生了大量的高濃度有機(jī)廢水，該廢水具有易腐敗、有機(jī)物濃度高、氮磷含量高等特點[14]；此外該廢水可生化性好，適于采用厭氧生物處理。現(xiàn)階段大豆廢水研究主要側(cè)重于反應(yīng)器形式、COD的去除[15-17]，缺少對該廢水厭氧處理過程中甲烷產(chǎn)量的報道，而產(chǎn)甲烷量是困擾大豆廢水厭氧發(fā)酵技術(shù)中的關(guān)鍵問題。本研究以大豆廢水為研究對象，研究在厭氧發(fā)酵處理過程中提高甲烷產(chǎn)量的優(yōu)化工藝條件，期望在去除污染物的同時回收更多的能量，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

接種顆粒污泥：取自山東省濰坊市昌樂縣某公司IC反應(yīng)器中的顆粒污泥，靜置去除上清液，4 ℃保存?zhèn)溆?。污泥呈亮黑色，近球形或橢球形，粒徑主要分布在0.45～2.00 mm，污泥揮發(fā)性懸浮物(VSS)約75 g/L、總固體(TS)約107 g/L，總固體占污泥樣品13.20%，灰分占總固體34.40%，性能良好。

廢水模擬：通過實驗室模擬代替實際工程廢水。使用豆?jié){機(jī)將稱量、泡好的大豆打碎，充分溶解在水中，用150目尼龍砂過濾，取其過濾液作實驗用水。

1.2 主要儀器

GC7900型氣相色譜儀，上海天美科學(xué)儀器有限公司；5B- 1型COD快速分析儀，上海連華科技公司；雷磁pHs- 25型數(shù)顯pH計，上海重逢科學(xué)儀器有限公司；GC9790型氣相色譜儀，浙江福立分析儀器股份有限公司；DHG- 9075A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海雷韻試驗儀器制造有限公司。

1.3 實驗裝置

實驗裝置(如圖1)是由500 mL的厭氧發(fā)酵瓶，1 L的集氣瓶和500 mL的量筒組成。每個發(fā)酵瓶在裝入400 mL不同的反應(yīng)物質(zhì)后，均要充氮氣以維持發(fā)酵瓶內(nèi)的厭氧環(huán)境，分別放入恒溫振蕩水浴器中，調(diào)節(jié)不同的溫度和相同的轉(zhuǎn)速。發(fā)酵瓶中產(chǎn)生的氣體經(jīng)過玻璃導(dǎo)管進(jìn)入充滿飽和食鹽水的集氣瓶，排出的食鹽水體積通過量筒計量即為沼氣產(chǎn)量。

1—取樣口； 2—振蕩水浴器； 3—發(fā)酵瓶； 4—集氣瓶； 5—量筒。圖1 實驗裝置圖Fig.1 Diagram of experimental device

1.4 實驗方法

1)正交試驗。采用L9(34)正交表，選定微量元素(Fe、Co、Ni)、發(fā)酵溫度、有機(jī)負(fù)荷和污泥濃度為考察因素，進(jìn)行4因素3水平正交試驗。以甲烷的產(chǎn)量為評價指標(biāo)，且不考慮因素之間的交互作用，因素水平見表1。

微量元素Fe、Co、Ni的加入量均使反應(yīng)體系中濃度控制在1 mg/L；有機(jī)負(fù)荷是通過高濃度廢水按照一定的稀釋比獲得，實測的COD濃度依次為7 600、4 300、3 170 mg/L；通過接種不同體積的顆粒污泥控制污泥濃度；發(fā)酵溫度通過調(diào)節(jié)不同水浴鍋的溫度來實現(xiàn)，溫度變化在±1 ℃。

表1 正交試驗因素水平

2)工藝條件優(yōu)化實驗。通過正交試驗分析，得出較適宜條件組合，與正交試驗9組實驗條件組合對比。如果分析所得的優(yōu)化組合是9組實驗中的某一組條件，則不需要再進(jìn)行驗證優(yōu)化。

1.5 測定指標(biāo)

1)沼氣產(chǎn)量測定：采用排飽和食鹽水方法記錄不同條件下的沼氣產(chǎn)量。

2)甲烷含量測定：采用氣相色譜法。色譜柱：TDX-01碳分子篩填充柱(2 m×3 mm)，檢測器：熱導(dǎo)檢測器(TCD)，載氣：高純N2，流速30 mL/min，色譜條件：進(jìn)樣口溫度150 ℃，檢測器溫度150 ℃，柱溫：80 ℃，柱前壓：0.3 MPa，每次進(jìn)樣量：1 mL。

3)SCOD值測定：采用COD快速分析儀測定。

4)VSS、TS測定:采用重量法測定。

5)pH值測定：采用pHs-25型數(shù)顯pH計測定。

6)總揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid，VFAs)組分和含量測定：采用氣相色譜法測定。色譜條件：色譜柱采用KB-Wax 30 m×0.25 mm×0.25 mm毛細(xì)管柱，氫火焰離子化檢測器(FID)，分流比20∶1。載氣為高純氮氣，柱前壓0.3 MPa。進(jìn)樣口和檢測器溫度分別為200、260 ℃，進(jìn)樣量1 μL。柱溫采用程序升溫，初始溫度80 ℃，保留2 min，以升溫速率20 ℃/min，逐漸升到120 ℃，再以10 ℃/min逐漸升到190 ℃，保留2 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果分析

根據(jù)實驗設(shè)計安排，記錄9組實驗的沼氣產(chǎn)量，每隔0.5 d記錄一次，反應(yīng)進(jìn)行一周左右，當(dāng)日產(chǎn)氣量接近零、SCOD值變化趨于穩(wěn)定，可認(rèn)為發(fā)酵反應(yīng)結(jié)束。

2.1.1VFAs、pH值動態(tài)分析

甲烷產(chǎn)量與VFA、pH值的變化有著密切的關(guān)系。VFAs是厭氧消化過程中有機(jī)質(zhì)水解酸化的主要產(chǎn)物，同時也是產(chǎn)甲烷菌所利用底物，因此常常作為評價水解酸化和產(chǎn)甲烷是否平衡的重要指標(biāo)[18]。pH值是影響酶活性的重要因素，微生物又直接受到酶活性的影響[19]，而pH值波動主要受到VFAs濃度、CO2的分壓和總堿度的影響。研究中考察了9組實驗的VFAs含量變化，結(jié)果如圖2。由圖2可以看出，不同反應(yīng)條件的VFAs含量(以SCOD計)變化趨勢相似，均是先迅速增加后降低并慢慢趨于穩(wěn)定。在反應(yīng)開始0.5 d后，9組VFAs都達(dá)到了最高值，一方面是因為反應(yīng)初始廢水中的大分子有機(jī)物為水解菌及產(chǎn)酸菌提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，其代謝能力較強(qiáng)；另一方面也可能是因為污泥表面帶負(fù)電荷，而本實驗所用大豆廢水偏堿性(pH=8.87)負(fù)電荷較多，會使胞外聚合物解析出來，從而加速蛋白質(zhì)水解產(chǎn)酸。

圖2 發(fā)酵過程中9組實驗的VFAs含量變化Fig.2 Changes of VFAs content in 9 groups of experiments during fermentation

考察了發(fā)酵過程中9組日甲烷產(chǎn)量變化，結(jié)果如圖3。由圖3可知，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，大豆蛋白的水解產(chǎn)酸能力逐漸減弱，產(chǎn)甲烷菌的代謝能力增強(qiáng)，VFAs被迅速利用，1 d后9組反應(yīng)的日甲烷產(chǎn)量均達(dá)到峰值，之后產(chǎn)氣量下降，直至反應(yīng)結(jié)束。

圖3 發(fā)酵過程中9組實驗的日甲烷產(chǎn)量變化Fig.3 Changes in daily production of methane in 9 groups of experiments during fermentation

從9組反應(yīng)中挑出一組累積產(chǎn)氣量最大的進(jìn)行VFAs的組分、pH值變化分析，以第4組反應(yīng)為例。考察了第4組VFAs、VFAs組分(乙酸、丙酸、丁酸)以及pH值變化，結(jié)果如圖4。由圖4可以看出，乙酸含量先增加后降低，之后趨于穩(wěn)定，和VFAs變化一致，且乙酸始終在VFAs組分中占比最大，丙酸含量始終最低，且有逐漸降低的趨勢，這說明系統(tǒng)中的環(huán)境適合產(chǎn)甲烷菌的生長。運行1 d后，達(dá)到最低點，此時VFAs為175.77 mg/L，乙酸占62.72%，丙酸占15.34%，反應(yīng)器向著有利于產(chǎn)甲烷方向穩(wěn)定運行。在整個反應(yīng)過程中VFAs基本在300 mg/L以下，沒有造成系統(tǒng)VFAs積累，這說明成熟厭氧顆粒污泥中的產(chǎn)甲烷菌活性比較強(qiáng), 酸性末端產(chǎn)物能被產(chǎn)甲烷菌及時有效分解。

圖4 第4組VFAs、VFAs組分以及pH值變化Fig.4 Changes of group 4 VFAs, VFAs composition and pH

第4組反應(yīng)器內(nèi)pH值先迅速降低后緩慢升高，最后逐步達(dá)到相對穩(wěn)定，與VFAs變化趨勢類似。在反應(yīng)進(jìn)行的0.5 d后，大分子有機(jī)物被大量分解，產(chǎn)酸量上升，pH值降至6.75。隨著反應(yīng)器中VFAs、氫氣被利用以及過程中還產(chǎn)生一定數(shù)量的堿度，使得pH值升高并穩(wěn)定在7.00～7.30，說明此階段水解酸化與產(chǎn)甲烷過程處在一個平衡狀態(tài)，該組累積甲烷產(chǎn)量明顯高于其他幾組。

2.1.2甲烷產(chǎn)量分析

正交試驗數(shù)據(jù)記錄結(jié)果見表2，以甲烷產(chǎn)量為目標(biāo)，采用極差法對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，見表3。

表2 正交試驗結(jié)果

Fe、Co、Ni的質(zhì)量濃度均為1 mg/L。

表3 以甲烷產(chǎn)量為目標(biāo)的正交試驗極差分析

K1，K2及K3均為平均值。

分析表3、表4，得出結(jié)論：

1)由表3中極差的大小可以直觀判斷出各因素對甲烷產(chǎn)量影響的主次順序為：有機(jī)負(fù)荷(C)、微量元素(A)、污泥濃度(D)、溫度(B)。

2)由于本次正交試驗的正交設(shè)計時空列沒有設(shè)置，選擇4因素中偏差平方和最小者為誤差列，方差分析見表4。由表4可知，4個因素的偏差平方和中，溫度這一項的偏差平方和明顯偏小，所以選用溫度的偏差平方和作為誤差平方和，溫度的偏差平方和對應(yīng)的自由度為誤差平方和的自由度。

表4 累積甲烷產(chǎn)量的方差分析

由表4可知，F(xiàn)比均小于F0.10，有90%的把握，說明4種因素水平的改變對甲烷產(chǎn)量的影響無顯著差異，但是，有機(jī)負(fù)荷與另外3種因素相比，其影響的顯著性較為突出。

3)大豆廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的因素優(yōu)化工藝條件組合為A2B3C1D3，即Co 1 mg/L、發(fā)酵溫度45 ℃、有機(jī)負(fù)荷1.52 kg COD/(m3·d)、接種污泥濃度30.00 g VSS/L。

2.2 工藝優(yōu)化結(jié)果分析

正交試驗結(jié)果表明，優(yōu)化條件組合為A2B3C1D3，與9組實驗中產(chǎn)甲烷量最大的第4組條件組合并非一致，故需進(jìn)行優(yōu)化實驗。實驗分兩組進(jìn)行，一組條件組合為：Co 1 mg/L，發(fā)酵溫度40 ℃，有機(jī)負(fù)荷1.52 kg COD/(m3·d)，接種污泥濃度30.00 g VSS/L，記為甲組；另一組為：Co 1 mg/L，發(fā)酵溫度45 ℃，有機(jī)負(fù)荷1.52 kg COD/(m3·d)，接種污泥濃度30.00 g VSS/L，記為乙組。

考察了日甲烷產(chǎn)量、甲烷含量變化，結(jié)果如圖5。由圖5可知，反應(yīng)初始乙組甲烷產(chǎn)量明顯高于甲組，甲、乙組的沼氣產(chǎn)量在第1天均達(dá)到最高點，分別為0.44、0.58 L/d。這是由于接種污泥中的微生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，乙組溫度較高，進(jìn)一步增強(qiáng)了產(chǎn)甲烷菌等有益微生物的活性，處理效率提高，另外溫度的升高可以殺滅寄生蟲和大腸桿菌等[20-21]。隨著反應(yīng)的進(jìn)行(2 d后)，有機(jī)物被大量消耗，出現(xiàn)營養(yǎng)相對缺乏而導(dǎo)致生存競爭。甲、乙兩組微生物的代謝能力均會降低，但甲組的稍慢，所以會出現(xiàn)第3、4、5 d日甲烷產(chǎn)量超過乙組的現(xiàn)象。甲、乙組的沼氣產(chǎn)量在第7天達(dá)到最低點，分別為0.012、0.032 L/d，此時可認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)的大豆廢水已接近不再產(chǎn)沼氣。

由圖5可知，甲、乙兩組沼氣中的甲烷含量變化趨勢基本相似，都是先增加后降低，2 d后含量變化趨于穩(wěn)定值。發(fā)酵初始，甲、乙兩組甲烷含量均增加，1 d后到達(dá)最高點，分別為82.82%、84.12%。乙組相對甲組甲烷含量有小幅提升，是因為有機(jī)物充足，溫度越高，有機(jī)物分解越快，所獲得的甲烷含量也越高[22]。隨著蛋白質(zhì)的水解，產(chǎn)甲烷菌大量增殖，彼此會有相互競爭；另一方面，有機(jī)物的水解產(chǎn)酸以及體系中產(chǎn)生的CO2溶解產(chǎn)酸均會對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制。

圖5 甲、乙兩組日CH4產(chǎn)量、CH4含量變化Fig.5 Changes of dailymethane production and methane contents in two groups

由于接種的IC反應(yīng)器中成熟的顆粒污泥是中溫發(fā)酵型微生物，當(dāng)發(fā)酵溫度在35～45 ℃時產(chǎn)甲烷菌的活性高，故最終甲烷含量可以穩(wěn)定在70%以上。如果繼續(xù)升高溫度，進(jìn)行高溫發(fā)酵將不再是優(yōu)化條件，因為高溫發(fā)酵產(chǎn)生雜質(zhì)氣體比較多，一方面阻礙了發(fā)酵反應(yīng)的正常運行；另一方面高溫代謝產(chǎn)生的副產(chǎn)物，如氨氣、硫化氫等的積累對產(chǎn)甲烷菌有一定的毒害作用[23]，在一定程度上抑制了微生物的代謝生長，從而影響了甲烷產(chǎn)量。

整個反應(yīng)周期，乙組累積甲烷產(chǎn)量970 mL，比優(yōu)化前提升了15.10%，累積甲烷產(chǎn)率達(dá)344.49 mL/(g SCOD)，比優(yōu)化前(293 mL/(g COD))提高了17.56%，略低于理論甲烷產(chǎn)率350 mL/(g COD)。Zhu等[24]利用ABR反應(yīng)器處理大豆廢水，將其產(chǎn)氣情況換算后得到甲烷產(chǎn)率在165.4～226.33mL/(g SCOD)，與其相比有較大提升；此外實驗的SCOD去除率達(dá)到了84.00%，故乙組為大豆廢水厭氧發(fā)酵的優(yōu)化工藝條件組合。

3 結(jié) 論

1)通過4因素3水平正交試驗對大豆廢水厭氧發(fā)酵的影響因素進(jìn)行分析，實驗結(jié)果表明，其主次順序為：有機(jī)負(fù)荷、微量元素、污泥濃度、溫度。

2)依據(jù)正交試驗結(jié)果對實驗的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，在組合Co 1 mg/L、發(fā)酵溫度45 ℃、有機(jī)負(fù)荷1.52 kg COD/(m3·d)、接種污泥濃度30.00 g VSS/L的條件下，最大累積甲烷產(chǎn)率為344.49 mL/(g SCOD)，相比未優(yōu)化條件組合提高17.56%，甲烷含量最高為84.12%，SCOD去除率可達(dá)84.00%。