馮江華 韓國然 朱 凱 朱保寧

(北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 北京 100029)

引 言

厭氧消化是近年來我國餐廚垃圾處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一。有機(jī)物的厭氧微生物代謝過程可分為水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷三大階段，其中產(chǎn)酸階段速率最快，不易控制[1]。由于餐廚垃圾富含易降解的有機(jī)質(zhì)、油脂含量高[2]等特點(diǎn)，當(dāng)厭氧消化過程的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)發(fā)生快速變化，尤其是在高負(fù)荷下，產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的大量揮發(fā)性脂肪酸(VFA)難以在產(chǎn)甲烷階段被及時(shí)消耗，不僅酸積累導(dǎo)致體系pH值快速下降，而且過量的VFA抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，從而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)甚至酸敗。因此，厭氧系統(tǒng)失穩(wěn)狀態(tài)的診斷和預(yù)警一直是工程化推廣中的難題。

目前在研究和實(shí)際生產(chǎn)中常用pH值、產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣成分、堿度、VFA等作為厭氧過程穩(wěn)定性的指示性參數(shù)。何清明[3]在餐廚垃圾厭氧消化沖擊試驗(yàn)中定義甲烷產(chǎn)率連續(xù)下降幅度達(dá)到50%的首日時(shí)間為系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)間；彭緒亞等[4]選取碳酸氫鹽堿度(DBA)與總堿度(DTA)的比值及揮發(fā)性脂肪酸總濃度(DVFA)與碳酸氫鹽堿度的比值作為酸化抑制的指示性指標(biāo)，提出當(dāng)DVFA/DBA>0.8及DBA/DTA<0.4時(shí)，系統(tǒng)的緩沖能力下降，標(biāo)志著酸化的發(fā)生；Polag等[5]在線監(jiān)測甲烷的穩(wěn)定碳同位素(δ13CCH4)，發(fā)現(xiàn)δ13CCH4值比傳統(tǒng)指標(biāo)提前5～10 d發(fā)生變化；Li等[6]則建議使用厭氧生物產(chǎn)氣中甲烷與二氧化碳的體積比作為工程應(yīng)用的厭氧消化預(yù)警指標(biāo)。然而，這些參數(shù)在用于表征厭氧微生物的活性時(shí)通常存在一定的滯后性，往往在微生物代謝已經(jīng)失衡后才表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)。在工程上，若能提早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)失穩(wěn)并做出相應(yīng)調(diào)整，能夠大大減少不必要的損失，同時(shí)提高體系運(yùn)行效率。因此，開發(fā)一種能夠及時(shí)反映系統(tǒng)酸化狀態(tài)的方法及確立新型預(yù)警指標(biāo)顯得尤為重要。

胞外聚合物(EPS)是微生物在一定環(huán)境條件代謝過程中產(chǎn)生的一種用于自我保護(hù)和相互粘附的有機(jī)大分子聚合物。EPS的組成包括微生物代謝分泌物、細(xì)胞自溶物以及大分子物質(zhì)的水解產(chǎn)物[7]，多糖和蛋白質(zhì)約占EPS總質(zhì)量的70%～80%。EPS與微生物細(xì)胞的生長狀態(tài)緊密相關(guān)，它在幫助微生物抵御外界不良環(huán)境的同時(shí)也加強(qiáng)了微生物細(xì)胞之間的溝通與社會(huì)合作，提高了微生物對于干燥以及有毒環(huán)境的耐受性[8-9]，在一定程度上可以反映系統(tǒng)狀態(tài)。

目前對EPS的研究主要集中在好氧顆粒污泥EPS聚集、解離與污泥理化性質(zhì)的關(guān)系上[10]，例如胞外多糖對于增強(qiáng)細(xì)胞膜的機(jī)械穩(wěn)定性效果[8]、胞外蛋白對于改善微生物在高濃度乙酸環(huán)境中的適應(yīng)性效果[11]，以及EPS對環(huán)境污染物的富集效應(yīng)。目前，對于厭氧消化過程中EPS組分變化與微生物系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系研究仍然很少。

本研究針對餐廚垃圾厭氧消化在高負(fù)荷下容易酸化且缺乏有效預(yù)警指標(biāo)的問題，在中溫條件下進(jìn)行簡單體系的批式厭氧消化實(shí)驗(yàn)。本文模擬了高負(fù)荷體系下餐廚垃圾的厭氧酸化過程并提取EPS，分析其多糖、蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度變化規(guī)律。通過分析對比厭氧消化過程的pH值、產(chǎn)氣量、VFA質(zhì)量濃度以及EPS成分等指標(biāo)變化，探討使用EPS來診斷和預(yù)警厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)酸敗的可能性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和裝置

1.1.1實(shí)驗(yàn)原料

為減少原料帶來的干擾，實(shí)驗(yàn)采用復(fù)配的簡單底物(無水葡萄糖，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；蛋白胨，分析純，北京奧博星生物技術(shù)有限公司；油脂，食用級，金龍魚植物園)模擬餐廚垃圾進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn)。按照餐廚垃圾中主要成分的比例即葡萄糖∶蛋白質(zhì)∶油脂=6∶3∶2(質(zhì)量比)的配比分別投加葡萄糖、蛋白胨與植物油[12]。接種污泥取自順義大孫各莊東華山村沼氣站，其總固體含量(TS)為10.05%±0.08%，揮發(fā)性固體含量(VS)為6.12%±0.05%。接種污泥經(jīng)自然沉降2 h后倒去上清液，存于4 ℃冰箱備用。污泥使用前置于35 ℃恒溫水箱中培養(yǎng)1 d活化。

1.1.2實(shí)驗(yàn)裝置

厭氧反應(yīng)器選用2.5 L下口出料瓶，其有效容積為1.5 L。出料瓶的上口用乳膠管陸續(xù)連至1 L廣口瓶和1 L燒杯，采用排水集氣法計(jì)量厭氧系統(tǒng)的產(chǎn)氣量。裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)采用加熱- 陽離子樹脂法提取EPS[13]。取10 mL出料，以4 000 r/min離心5 min，棄去上清液后加入0.85%NaCl補(bǔ)給到10 mL；將樣品置于水浴鍋70 ℃加熱20 min后，在其中添加10 g陽離子樹脂(Dowex Marathon C sodium form，Sigma公司)并在三聯(lián)攪拌器中以200 r/min速率攪拌2 h；取出樣品，攪拌均勻后放入離心機(jī)中10 000 r/min離心10 min，過濾膜(尼龍66，0.45 μm，津騰公司)后得到EPS提取物。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選定污泥接種量為15 g/L(VS，即每L液體中含有的揮發(fā)性固體的克數(shù))。按照底物與接種污泥的負(fù)荷比F/M(單位質(zhì)量的活性污泥承受的有機(jī)物質(zhì)量)=0.5、3、4(F/M=0.5稱為低負(fù)荷組，F(xiàn)/M=3、4稱為高負(fù)荷組，每個(gè)負(fù)荷比下設(shè)置3組平行實(shí)驗(yàn))分別在一系列相同的反應(yīng)器中添加初始進(jìn)料并使用蒸餾水補(bǔ)充反應(yīng)體積為1.5 L；將物料充分搖勻后，置于35 ℃恒溫水箱，每隔2 h測定產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣成分，并在搖勻后取出10 mL物料，測定出料的pH值和VFA質(zhì)量濃度，提取出料的EPS并測定成分。實(shí)驗(yàn)持續(xù)36 h，36 h之后體系不再產(chǎn)氣，徹底酸化并且不再恢復(fù)。

1.3 分析方法

pH值使用Thermo- 868型pH計(jì)(美國Thermo Orion公司)配合玻璃電極進(jìn)行測定。氣體組分使用SP- 2100氣相色譜儀(北分瑞利)配合填充色譜柱和TCD檢測器進(jìn)行測定，測試條件為：載氣使用氬氣(20 mL/min)，填充柱柱溫140 ℃，TCD溫度150 ℃，進(jìn)樣口溫度150 ℃。VFA使用島津GC2014氣相色譜儀配合毛細(xì)色譜柱(Agilent，DB- WAX)和FID檢測器進(jìn)行測定，測試條件為FID溫度250 ℃，使用高純氮?dú)庾鳛檩d氣(30 mL/min)，自動(dòng)進(jìn)樣溫度250 ℃。氣體產(chǎn)量用如圖1所示的排水集氣法進(jìn)行測定。EPS中的多糖質(zhì)量濃度使用蒽酮硫酸法進(jìn)行測定[14]；EPS中蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度使用改進(jìn)的Lowry法進(jìn)行測定[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧消化過程中的pH值變化

圖2為3個(gè)不同F(xiàn)/M下厭氧消化過程的pH值變化曲線?？梢钥闯霎?dāng)F/M=0.5時(shí)，pH值在15 h以內(nèi)小幅下降，之后趨于穩(wěn)定并在6.85附近上下波動(dòng)，直至36 h實(shí)驗(yàn)結(jié)束；高負(fù)荷F/M=3、4的兩個(gè)體系的pH值下降則非常明顯，在實(shí)驗(yàn)開始的26 h之內(nèi)持續(xù)快速下降，在第15～22 h之間尤其迅速，直至pH值降到5.5以下才變?yōu)榫徛陆担敝料到y(tǒng)失穩(wěn)。黃安壽等[16]在餐廚垃圾高溫厭氧消化中發(fā)現(xiàn)pH值降低到6.5時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)酸化。李蕾[17]在中溫厭氧消化反應(yīng)中則發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值下降至5.5以下時(shí)，嚴(yán)重背離了產(chǎn)甲烷菌的適宜pH值范圍，體系停止產(chǎn)氣。由于體系pH值的變化受到堿度、揮發(fā)性脂肪酸等多種因素的影響，系統(tǒng)酸化并沒有統(tǒng)一的pH值標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 產(chǎn)氣量變化

不同的物料負(fù)荷對產(chǎn)氣量的影響較為明顯，負(fù)荷越高對產(chǎn)甲烷過程的抑制越明顯(圖3)。負(fù)荷低時(shí)厭氧消化3個(gè)階段底物與產(chǎn)物代謝速率較為平衡，單位揮發(fā)性固體累積產(chǎn)氣量處于穩(wěn)定上升階段；而對于F/M=3和F/M=4 兩個(gè)高負(fù)荷組，累積產(chǎn)氣量在第16 h存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，與圖2中pH值的急速下降處于同一時(shí)期，說明水解產(chǎn)物的迅速積累導(dǎo)致微生物反應(yīng)受到抑制，致使厭氧消化產(chǎn)氣效率下降；在高負(fù)荷反應(yīng)進(jìn)行到22 h，累積產(chǎn)氣量分別達(dá)到68.8 mL/g(VS)和49.7 mL/g(VS)后，系統(tǒng)幾乎停止產(chǎn)氣，甲烷產(chǎn)率在反應(yīng)開始12 h后始終非常低，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的累積產(chǎn)甲烷量分別為6.0 mL/g(VS)和4.7 mL/g(VS)，只達(dá)到總產(chǎn)氣量的12.73%。曹秀芹等[18]在餐廚垃圾中溫單相有機(jī)負(fù)荷梯度實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，容積沼氣產(chǎn)率在第48 d降低至1.88 L/(L·d)時(shí)系統(tǒng)失穩(wěn)。韓國然[19]在中溫批式反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)以累積產(chǎn)甲烷量作為酸化失穩(wěn)預(yù)警指標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)在30 h左右發(fā)生酸化。在不同體系中，因接種泥與進(jìn)料來源的不同，產(chǎn)氣量所對應(yīng)的體系酸化情況也不盡相同，難以得出普適于不同工況的系統(tǒng)酸敗判斷法。此外，將圖2與圖3對比，發(fā)現(xiàn)pH值的急速下降期與累積產(chǎn)氣量的轉(zhuǎn)折點(diǎn)幾乎同時(shí)開始，反映出產(chǎn)氣量對系統(tǒng)酸敗失穩(wěn)的預(yù)警作用也相對滯后。

2.3 VFA質(zhì)量濃度及其異構(gòu)體變化

C4及以下的揮發(fā)性有機(jī)酸和乙醇在本文中統(tǒng)稱為VFA，是大分子有機(jī)物經(jīng)水解為單糖、氨基酸等小分子后再經(jīng)產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物，也是產(chǎn)甲烷階段的主要底物。厭氧消化系統(tǒng)中穩(wěn)定的VFA質(zhì)量濃度可以體現(xiàn)水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷代謝反應(yīng)速率之間的平衡[20]。因此，VFA質(zhì)量濃度的突然變化及變化趨勢通常被用于預(yù)測厭氧過程的穩(wěn)定性[21]。本文實(shí)驗(yàn)中，不同負(fù)荷比下的乙醇產(chǎn)量和VFAs的轉(zhuǎn)化率如表1所示?？梢钥闯觯哓?fù)荷下體系的乙醇產(chǎn)量和VFAs轉(zhuǎn)化率提高。

表1 不同負(fù)荷下乙醇產(chǎn)量和VFAs的轉(zhuǎn)化率

高負(fù)荷下體系的乙醇和VFAs產(chǎn)生情況如圖4所示。由圖4(a)和4(b)可以看出，在反應(yīng)末期系統(tǒng)乙酸質(zhì)量濃度可達(dá)到4 442 mg/L，丁酸質(zhì)量濃度可達(dá)5 199 mg/L。因此，可判斷出高負(fù)荷下的厭氧消化類型為混合消化，以乙酸和丁酸為主，并伴隨有少量的乙醇、丙酸產(chǎn)生。黃小英[22]以VFA質(zhì)量濃度超出13 000 mg/L時(shí)作為失穩(wěn)標(biāo)志，曹秀芹等[18]則以2 500 mg/L作為閥值。在本文實(shí)驗(yàn)中，在距反應(yīng)開始大約22 h時(shí)發(fā)現(xiàn)pH值明顯下降，產(chǎn)氣受到嚴(yán)重抑制，甲烷產(chǎn)量幾乎為零，此時(shí)VFA質(zhì)量濃度超過10 000 mg/L，因此單純以VFA質(zhì)量濃度值作為失穩(wěn)指標(biāo)不具有普遍性。

丙酸由于其代謝時(shí)間較長，在體系中的留存時(shí)間比較久，對系統(tǒng)環(huán)境變化較為敏感。研究表明，丙酸/乙酸質(zhì)量濃度比可作為厭氧消化系統(tǒng)的預(yù)警指標(biāo)：當(dāng)丙酸/乙酸質(zhì)量濃度比大于1.4時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)即將酸化失穩(wěn)[23]。圖4(c)及(d)中，丙酸/乙酸質(zhì)量濃度比始終小于1.4，然而兩個(gè)高負(fù)荷系統(tǒng)已經(jīng)明顯發(fā)生酸敗。F/M=3的體系在第16 h達(dá)到最高峰0.16，F(xiàn)/M=4在第8 h達(dá)到0.15，這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別為各自的產(chǎn)氣上升期與產(chǎn)氣高峰期，系統(tǒng)運(yùn)行正常。因此，限于體系底物與運(yùn)行條件的不同，以VFA作為酸化失穩(wěn)指標(biāo)存在較多局限性。

2.4 EPS成分變化

圖5所示為本文EPS中多糖(PS)和蛋白質(zhì)(PN)隨反應(yīng)進(jìn)程的變化趨勢。如圖5(a)所示，EPS中多糖質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先大幅增長后下降，再小幅增長后持續(xù)下降的趨勢。F/M=3體系EPS中多糖質(zhì)量濃度在第10 h出現(xiàn)第一個(gè)峰值，達(dá)到最高值1.01 mg/mL，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在第25 h，為0.75 mg/mL。F/M=4體系EPS中多糖質(zhì)量濃度在第10 h出現(xiàn)第一個(gè)峰值，達(dá)到最高值0.99 mg/mL，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在第24 h，為0.74 mg/mL，變化規(guī)律很接近。在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?，F(xiàn)/M=4體系的EPS中多糖質(zhì)量濃度降得更低，達(dá)到0.5 mg/mL。EPS中多糖具有一定的生物降解性，可作為碳源物質(zhì)被利用[24]。前10 h，在厭氧體系啟動(dòng)后由于微生物處于活躍狀態(tài)，微生物對碳的利用率較高，因此胞外聚合物中的多糖質(zhì)量濃度會(huì)隨之增加，之后系統(tǒng)開始大量產(chǎn)氣消耗碳源，多糖質(zhì)量濃度隨之下降[12]。第24 h后，隨著體系中VFA的大量積累，尤其是乙酸和丁酸，系統(tǒng)產(chǎn)氣幾乎停滯，pH值迅速下降，多糖質(zhì)量濃度下降明顯。

EPS中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度變化如圖5(b)所示。兩組高負(fù)荷體系中蛋白質(zhì)的濃度一直存在上下浮動(dòng)，但總體呈上升趨勢，這與許之揚(yáng)等[11]的研究結(jié)果相似，說明厭氧消化中蛋白質(zhì)比多糖更難被降解。F/M=4體系上升趨勢更為明顯，從第16 h至第20 h出現(xiàn)明顯增長，對應(yīng)的此時(shí)間段pH值下降速率最大，產(chǎn)氣率明顯減小，系統(tǒng)失穩(wěn)。蛋白質(zhì)本身含有疏水空腔，當(dāng)乙酸濃度較高，細(xì)胞生命活動(dòng)受影響時(shí)，疏水空腔能在一定程度上阻止乙酸的滲入，所以胞外聚合物中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的提高可能是微生物主動(dòng)適應(yīng)高乙酸濃度環(huán)境的結(jié)果。王浩宇等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微生物處于不利環(huán)境時(shí)會(huì)分泌大量的酶蛋白物質(zhì)，從而使得胞外蛋白增加，進(jìn)而提高蛋白質(zhì)與多糖比值。在本文中，隨著乙酸濃度不斷上升，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度呈現(xiàn)波動(dòng)式上升。該現(xiàn)象可能是由于微生物在環(huán)境惡化情況下的自我保護(hù)反應(yīng)或是更多的微生物隨著環(huán)境惡化而凋亡導(dǎo)致。F/M=3體系相對于F/M=4體系蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度明顯偏低，蛋白質(zhì)增長速率也更為平緩，與此對應(yīng)的VFA質(zhì)量濃度值也相對較低，pH值較高，產(chǎn)氣也相對較多，F(xiàn)/M=0.5體系蛋白質(zhì)濃度則一直處于較低水平。以上結(jié)果再一次證明了微生物在厭氧消化過程中對于環(huán)境惡化的響應(yīng)作用。

EPS中蛋白質(zhì)與多糖質(zhì)量濃度比值(ρPN/ρPS)變化如圖5(c)所示。F/M=4體系與F/M=3兩個(gè)體系的ρPN/ρPS變化趨勢基本一致，各自經(jīng)歷了兩次小幅下降，又大幅度上升。兩個(gè)體系的ρPN/ρPS經(jīng)歷了短暫的下降后，分別在第12 h和第10 h開始上升，并且在第18～20 h增幅最快，其中F/M=4體系的ρPN/ρPS在第18～20 h增幅達(dá)到18.78%。Adav等[26]認(rèn)為好氧顆粒污泥中EPS的ρPN/ρPS正常范圍是3.4～6.2。本文實(shí)驗(yàn)在第18 hρPN/ρPS超過6.2，在第20 h兩體系同時(shí)達(dá)到第一個(gè)峰值，分別為7.01和8.03，證明了體系開始出現(xiàn)惡化。與此同時(shí)，在比值上升并達(dá)到峰值的階段，兩個(gè)體系pH值迅速降到6以下(圖2)；產(chǎn)氣速率也迅速下降，產(chǎn)甲烷過程受到抑制(圖3)。第26 h后ρPN/ρPS持續(xù)上升，F(xiàn)/M=3體系最高達(dá)到8.0，F(xiàn)/M=4體系達(dá)到10.4，之后系統(tǒng)產(chǎn)氣停止，徹底酸化。而F/M=0.5體系由于負(fù)荷較低，體系產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷代謝平衡，EPS中的多糖和蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定，ρPN/ρPS處于穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)。因此，根據(jù)ρPN/ρPS值的變化可以說明第18～20 h微生物體系徹底酸敗。

為了準(zhǔn)確比較幾種指標(biāo)對體系酸化的預(yù)警作用，本文比較了pH值、產(chǎn)氣量、乙醇和VFA產(chǎn)生量及ρPN/ρPS的相對變化量隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況(圖6)。pH值、產(chǎn)氣量、乙醇和VFA產(chǎn)生量變化在20 h以后趨于平緩，這些指標(biāo)預(yù)警酸化的時(shí)間均大于20 h。而ρPN/ρPS值在18～20 h處達(dá)到峰值，該峰值可以指示微生物系統(tǒng)的EPS狀態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警。因此，與傳統(tǒng)的pH值、產(chǎn)氣量、乙醇和VFA產(chǎn)生量等指標(biāo)相比，ρPN/ρPS值可以提前、直觀地預(yù)警酸化。

3 結(jié)論

(1)研究了模擬餐廚垃圾厭氧消化過程中pH值、產(chǎn)氣量、VFA質(zhì)量濃度及EPS成分隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況。在F/M=3與F/M=4兩種高負(fù)荷體系下，傳統(tǒng)指標(biāo)pH值、單位VS產(chǎn)氣量及VFA的預(yù)警時(shí)間分別為26、24 h及22 h。3種指標(biāo)受實(shí)驗(yàn)體系差異的影響較大，均不能單一作為體系酸化失穩(wěn)的有效衡量指標(biāo)。

(2)進(jìn)一步研究表明，EPS成分在體系酸化前后變化，ρPN/ρPS值整體趨勢持續(xù)上升，直至系統(tǒng)徹底酸化。以蛋白質(zhì)與多糖質(zhì)量濃度比作為酸化預(yù)警指標(biāo)大約能在第18～20 h做出預(yù)警，比其他常用指標(biāo)提前約5 h，可作為酸化預(yù)警的有效指標(biāo)。