厭氧發(fā)酵是一種能夠有效實現(xiàn)有機廢物資源化和能源化的生物反應過程。在我國，餐廚垃圾(FW)每年的產(chǎn)生量約為6×107t，占城市固體廢棄物總量的40%以上。FW主要由易于降解的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成，具有較高的產(chǎn)甲烷潛力。但是，單獨發(fā)酵FW時，由于FW水解速度較快會積累揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，易發(fā)生系統(tǒng)抑制崩潰的后果。已經(jīng)有研究證明將剩余活性污泥(WAS)添加到FW厭氧發(fā)酵系統(tǒng)提高混合發(fā)酵運行性能的可行性。與單獨FW或WAS厭氧發(fā)酵相比，將2者進行厭氧混合發(fā)酵能夠促使微生物發(fā)揮協(xié)同作用，穩(wěn)定厭氧發(fā)酵性能。

目前，有關FW和WAS厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)的構(gòu)型主要采用間歇進料的連續(xù)攪拌反應器(CSTR)。然而，CSTR不能實現(xiàn)污泥停留時間(SRT)和水力停留時間(HRT)的有效分離，使得微生物難以持留，難以保障微生物的持續(xù)生長，而且CSTR的間歇式進料方式容易引起負荷沖擊。動態(tài)膜生物反應器(DMBR)使用在膜基材表面上沉積/吸附形成的濾餅層作為過濾層，能有效防止生長緩慢的厭氧微生物尤其是產(chǎn)甲烷菌的流失，提供了較長SRT來維持大量微生物種群生長。已有研究利用板框內(nèi)置式膜組件，采用連續(xù)流運行模式，在2.8g·L-1·d-1的負荷下，實現(xiàn)了基于DMBR進行玉米秸稈和FW的混合發(fā)酵。連續(xù)流進料方式可以有效緩解間歇式進料方式引起的基質(zhì)沖擊，增加系統(tǒng)的緩沖能力。目前，有關連續(xù)流動態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的解析鮮見報道。

在厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)中，基質(zhì)的混合比例是影響厭氧發(fā)酵的關鍵參數(shù)，李浩等的研究結(jié)果表明，在FW和WAS厭氧混合發(fā)酵過程中，FW所占比例影響混合發(fā)酵的反應速率。同時，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的最優(yōu)基質(zhì)混合比也會隨著系統(tǒng)的長期運行和菌群結(jié)構(gòu)的馴化改變而變化。食微比(F/M)是衡量有機負荷的重要參數(shù)，F/M與基質(zhì)種類和接種物中微生物菌群密切相關，不同的F/M會影響系統(tǒng)的效能潛力。截至目前，很少有研究考慮基質(zhì)混合比(FW/WAS)和F/M對厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)長期運行的影響。

本研究構(gòu)建了FW和WAS的外置式動態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)。在連續(xù)流條件下啟動動態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；同時，對DMBR運行過程中動態(tài)膜的形成和固液分離的效果進行解析。通過FW/WAS的產(chǎn)甲烷潛能和動力學實驗，優(yōu)化連續(xù)流厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)的因素，結(jié)合F/M動力學實驗，評價FW/WAS與F/M對連續(xù)流厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)運行效能的影響。

1、材料與方法

1.1 實驗裝置

本研究使用的外置式動態(tài)膜生物反應器如圖1所示。反應器的有效體積為9.0L，外部使用水浴層和恒溫槽來控制反應器的溫度為(39±1)℃，基質(zhì)罐連接4℃恒溫冷水浴。外置式膜組件由300目不銹鋼篩網(wǎng)定制加工而成，平均孔徑為48μm，有效過濾面積為0.047m2。系統(tǒng)的運行模式為連續(xù)進出料，產(chǎn)生的生物氣通過水封瓶后用濕式氣體流量計計量產(chǎn)氣量。通過曝氣泵將系統(tǒng)內(nèi)頂空生物氣泵入膜組件腔體底部，對膜組件進行氣擦洗后回流至系統(tǒng)內(nèi)；同時，通過反洗曝氣泵將系統(tǒng)內(nèi)頂空生物氣定期泵入膜組件腔體外側(cè)，對膜組件進行氣反洗后回流至系統(tǒng)內(nèi)。當膜組件和出料泵間跨膜壓差增加到40kPa時，開啟反洗曝氣泵進行氣反洗，反洗強度為10L·min-1，氣反洗時間為10min。當進行氣反洗不能提高膜通量時，通過增大曝氣泵流量、回流量或氣反洗頻率進行調(diào)控。

1.2 基質(zhì)和接種污泥

本研究所采用的FW依據(jù)學生食堂餐廚剩余物的主要成分進行人工模擬配制，WAS取自西安市第五污水處理廠，2者混合后添加微量元素作為最終混合基質(zhì)。啟動階段FW和WAS的混合比例為4∶1(基于濕重)，該最優(yōu)混合基質(zhì)比是啟動前期批次實驗優(yōu)化的結(jié)果。研究所用接種污泥為FW和WAS中溫厭氧CSTR的排泥，接種體積為9.0L。本研究中使用的FW、WAS、混合基質(zhì)和接種污泥的理化特性如表1所示。

1.3 實驗設置

設置DMBR系統(tǒng)的初始OLR和HRT分別為(1.84±0.45)g·L-1·d-1和62.5d，啟動運行72d，測定系統(tǒng)的運行性能參數(shù)和動態(tài)膜截留性能。啟動階段運行結(jié)束后，采用批次實驗進行FW/WAS和F/M參數(shù)優(yōu)化，實驗設置見表2。FW/WAS批次實驗在F/M為0.145(基于VS)時共設置7組，其中2組為FW和WAS單發(fā)酵。F/M批次實驗在FW/WAS為4.4∶1時共設置8組。所有批次實驗均在120mL血清瓶中分批進行，同時設置空白組。其中，空白組與實驗組均設置2組平行。當混合基質(zhì)和接種污泥加入血清瓶搖晃均勻后，用氮氣吹脫約3min，橡皮塞封瓶后置于39℃恒溫搖床內(nèi)，搖床轉(zhuǎn)速為120r·min-1，2min后血清瓶頂空放氣，定時測定氣組和氣量。

1.4 測定項目和方法

TS、VS、COD、堿度和NH4+-N的測定采用標準方法。pH采用便攜式pH計進行測定(pHS25型，上海精密科學儀器有限公司)。蛋白質(zhì)和多糖分別采用Folin-酚試劑法和硫酸-蒽酮法。CH4、CO2、N2、H2和VFA均采用氣相色譜法進行測定。濁度采用便攜式濁度儀(Turb®355IR，德國賽萊默公司)測定。采用修正的Gompertz方程(公式1)擬合批次實驗數(shù)據(jù)，以確定產(chǎn)甲烷潛力、最大產(chǎn)甲烷速率和延滯期。采用一級動力學模型(公式2)進行數(shù)據(jù)擬合可得水解常數(shù)。

式中：P為生物氣產(chǎn)量，mL；P0為生物氣潛能，mL；Rmax為最大生物氣產(chǎn)生速率，mL·d-1；t0為延滯期，d；k為產(chǎn)甲烷速率常數(shù)，d-1。

2、結(jié)果與討論

2.1 反應裝置的啟動及運行性能

在HRT和OLR分別為62.5d和(1.84±0.45)g·L-1·d-1的初始條件下，啟動連續(xù)流FW和WAS厭氧混合發(fā)酵動態(tài)膜生物反應器。反應器啟動運行過程中，系統(tǒng)的生物氣產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)量和甲烷占比如圖2(a)所示。前5d啟動過程中，系統(tǒng)的生物氣產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)量和甲烷占比逐漸增加，然后趨于穩(wěn)定。72d的運行過程中，系統(tǒng)的平均生物氣產(chǎn)量達到(0.60±0.11)L·L-1·d-1，平均甲烷產(chǎn)量達到(0.41±0.08)L·L-1·d-1，甲烷占比穩(wěn)定在66%~71%，平均甲烷占比達到69.00%。pH和VFA的變化趨勢能夠直觀的表明反應器的運行狀況。如圖2(b)所示，啟動過程中，系統(tǒng)的pH始終穩(wěn)定在7.6~8.0，在產(chǎn)甲烷菌最適pH(7.0~8.0)內(nèi)。本研究VFA最大質(zhì)量濃度僅為284mg·L-1，無VFA積累現(xiàn)象。這表明，連續(xù)流動態(tài)膜混合發(fā)酵系統(tǒng)啟動成功。如圖2(c)所示，TVFA/堿度最大值僅為0.024，低于閾值0.4。VFA和TVFA/堿度均未超過閾值，這表明厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。厭氧發(fā)酵系統(tǒng)成功啟動后，系統(tǒng)的平均TVFA質(zhì)量濃度為(15.9±1.89)mg·L-1，低于產(chǎn)甲烷菌TVFA的抑制濃度5000mg·L-1，相應的總堿度為11000~14000mg·L-1，也在穩(wěn)定運行范圍內(nèi)。上述結(jié)果表明，連續(xù)流FW和WAS厭氧混合發(fā)酵DMBR啟動成功且能穩(wěn)定運行。此外，對系統(tǒng)進行物料平衡分析可知，在該系統(tǒng)基質(zhì)VSS的生物降解轉(zhuǎn)化去除率為84%±3.8%，去除單位質(zhì)量COD的基質(zhì)甲烷產(chǎn)量為(294±13)mL。

2.2 動態(tài)膜的截留性能

本實驗的反應器裝置為外置式的柱型動態(tài)膜組件，開啟出料泵后，反應器內(nèi)污泥先通過回流泵進入膜組件腔體內(nèi)部，當回流污泥充滿膜組件內(nèi)部腔體后附著在動態(tài)膜基材上，逐漸形成過濾層。在第35d膜組件清洗后，動態(tài)膜組件的跨膜壓差、膜通量和濁度變化如圖3所示。前4h，動態(tài)膜組件的跨膜壓差快速升高，由8.34kPa增至22.3kPa，相應的出料濁度由252NTU降低至90.4NTU，通量降低至0.42L·m-2·h-1，2者均呈現(xiàn)快速下降的趨勢。這是因為，動態(tài)膜組件腔體內(nèi)充滿了污泥，污泥開始附著在動態(tài)膜基材上，具有一定的截留效果。從4h至21h，通量降低了約40%(由0.42L·m-2·h-1降至0.25L·m-2·h-1)，濁度也降至100NTU以下，表明動態(tài)膜逐漸形成。隨著過濾過程的進行，通量下降速度減緩，出料濁度趨于穩(wěn)定。約40h后，出料濁度穩(wěn)定在50NTU，通量在0.2L·m-2·h-1左右。動態(tài)膜層逐漸增厚，進入穩(wěn)定過濾階段，具有穩(wěn)定的截留效果。此外，當跨膜壓差增至40kPa時，進行動態(tài)膜氣反洗后，能夠快速形成動態(tài)膜，相應的壓差逐漸增加(如圖3)，長期運行過程中動態(tài)膜跨膜壓差呈現(xiàn)周期性變化。袁宏林等采用相同材質(zhì)和孔徑的動態(tài)膜基材，以玉米秸稈和FW為混合基質(zhì)進行厭氧混合發(fā)酵，也獲得了較優(yōu)的固液分離效果，相應的有機物截留率達到95.9%，與本研究動態(tài)膜截留效果相當。通過借用在大孔徑膜基材上形成的濾餅層作為過濾層，能夠?qū)�傳統(tǒng)膜生物反應器運行中存在的“膜污染”瓶頸問題轉(zhuǎn)化為過濾層加以利用。本研究雖然對動態(tài)膜的過濾周期進行了表征，但仍需進一步解析動態(tài)膜濾餅層的過濾機理。此外，對接種物、運行末期動態(tài)膜濾餅層和系統(tǒng)排泥進行宏全基因組菌群分析可知：混合發(fā)酵系統(tǒng)以細菌為主，其中細菌主要包括Bacteroidetes(30.5%~44.6%)、Chloroflexi(10.5%~24.5%)和Firmicutes(23.1%~36.5%)，古菌主要包括Methanosarcina(53.0%~97.9%)和Methanobacterium(0.16%~18.7%)。不同的微生物菌群結(jié)構(gòu)組成及其變化，對于動態(tài)膜的形成和過濾效能均有一定程度的影響，但其作用機理仍需進一步研究。

為進一步揭示動態(tài)膜過濾截留效能的周期穩(wěn)定性，在反應器運行的第7、15、21、28、41、53和60d取樣分析動態(tài)膜過濾液中TCOD、蛋白質(zhì)及多糖質(zhì)量濃度。如圖4(a)所示，出料TCOD均低于3g·L-1，且動態(tài)膜對TCOD的截留率可達到99.5%，最終可穩(wěn)定在99%以上。這表明，該外置式動態(tài)膜組件可實現(xiàn)較好的出料質(zhì)量，實現(xiàn)有機物和微生物的穩(wěn)定截留。如圖4(b)所示，經(jīng)過動態(tài)膜出料的蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量濃度均低于300mg·L-1，相應的蛋白質(zhì)和多糖截留率均不低于95%。其中，出料蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度始終高于多糖，主要由于混合基質(zhì)中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度是多糖質(zhì)量濃度的3倍以上(表1)；同時，出料蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度逐漸下降，相應的去除率逐漸增加。分析其原因主要是，由于形成的動態(tài)膜對蛋白質(zhì)的截留效果逐漸增強；相反，出料多糖質(zhì)量濃度略有增加，相應的多糖截留率略有降低，但仍維持較高水平(>95%)，也與動態(tài)膜的過濾效能密切相關。動態(tài)膜濾餅層中蛋白質(zhì)和多糖以及凝膠層對混合發(fā)酵系統(tǒng)中物質(zhì)的截留作用是目前膜生物反應器探究的熱點，相應的過濾截留機理有待進一步深入解析，以實現(xiàn)動態(tài)膜對蛋白質(zhì)和多糖的截留調(diào)控。

2.3 運行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)控

1)FW/WAS的優(yōu)化。

如表3所示，一級動力學模型和修正的Gompertz模型的擬合相關系數(shù)分別為0.971~0.991和0.975~0.987。這表明，2者均可較好地擬合FW和WAS厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)甲烷量。FW和WAS混合發(fā)酵的t0值趨近于0，表明FW和WAS混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷基本無延滯期。在F/M為0.206條件下，不同FW/WAS的單位基質(zhì)累積產(chǎn)甲烷量如圖5所示。當厭氧發(fā)酵時間約為15d時，FW/WAS等于4∶1和4.4∶1的單位基質(zhì)累積產(chǎn)甲烷量明顯高于3∶1、5∶1和6∶1時的單位基質(zhì)累積產(chǎn)甲烷量。這表明，FW/WAS等于4∶1或4.4∶1時，FW和WAS混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷的互促效果最佳。在FW/WAS為4∶1和4.4∶1時，運用Gompertz模型擬合分析可得P0和Rmax，如表3所示�？煽闯觯�在4.4∶1時，可獲得更高的產(chǎn)甲烷潛能和最大生物氣產(chǎn)率。如圖6所示，當FW/WAS為4∶1和6∶1外，混合發(fā)酵的實際甲烷產(chǎn)率相對于單獨發(fā)酵的加權平均值(即理論甲烷產(chǎn)量)均有不同程度的提升(7.1%~15.2%)。其中，FW/WAS為4.4∶1時，相應的甲烷產(chǎn)量提升率最高。對比先前優(yōu)化結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，FW和WAS厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)經(jīng)過長期馴化，最優(yōu)基質(zhì)混合比由初始最優(yōu)值4∶1逐漸變?yōu)?/span>4.4∶1。因此，定期調(diào)整優(yōu)化FW/WAS有利于厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)獲得更高的產(chǎn)甲烷效能。

2)F/M實驗。

將FW/WAS的最優(yōu)值4.4∶1作為基質(zhì)混合比，使用相同接種物評價F/M的影響。不同F/M下，FW和WAS厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)甲烷量如圖7所示。當厭氧發(fā)酵時間約為12d，F/M分別為0.09、0.176、0.354、0.472、0.567、0.708和0.944時，相應的甲烷產(chǎn)量對應為54.0、94.8、192、236、264、298和317mL。如表3所示，運用Gompertz模型模擬分析可知相應的產(chǎn)甲烷潛能分別為51、91、166、219、240、277和325mL，模型擬合相關系數(shù)為0.969~0.994，這表明擬合結(jié)果與實際吻合較好。此外，FW和WAS混合發(fā)酵的t0值也都趨于0，與前述結(jié)果一致。如圖7和表3所示，當F/M為1.42時，累積產(chǎn)甲烷量和Rmax均為負值，這表明該結(jié)果無法用一級動力學模型和Gompertz模型擬合。其原因在于，在此負荷下，產(chǎn)甲烷菌的活性受到嚴重抑制。當F/M由0.090增至0.944時，累積產(chǎn)甲烷量和P0逐漸增加。當F/M為0.944時，與F/M為0.708相比，Rmax由106mL降至43mL，k由0.575d-1降為0.135d-1，分別降低了59.8%和76.5%。這表明，當F/M＞0.708時，FW和WAS混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷的速率減緩。綜上，FW和WAS厭氧混合發(fā)酵的最大耐受F/M為0.944，且當F/M＞0.708時，相應的產(chǎn)甲烷速率減緩。

3、結(jié)論

1)在較低的有機負荷條件下能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)流FW和WAS厭氧動態(tài)膜混合發(fā)酵系統(tǒng)的啟動及其長期穩(wěn)定運行，且系統(tǒng)堿度緩沖能力強、無酸累積，系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量穩(wěn)定。

2)在連續(xù)流厭氧動態(tài)膜系統(tǒng)啟動和長期運行過程中，能短時間形成動態(tài)膜，且對TCOD、蛋白質(zhì)和多糖具有良好的截留率(>95%)，固液分離效果顯著且能實現(xiàn)低濁度出料(<50NTU)。

3)厭氧動態(tài)膜混合發(fā)酵系統(tǒng)長期運行后，最優(yōu)混合基質(zhì)比為4.4∶1，同時，該系統(tǒng)的最大食微比為0.944，為該系統(tǒng)后續(xù)運行效能的優(yōu)化提升提供了調(diào)控依據(jù)，以最大限度的快速實現(xiàn)連續(xù)流動態(tài)膜混合發(fā)酵系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。（來源：西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，國家城市非傳統(tǒng)水資源開發(fā)利用國際科技合作基地，陜西省污水處理與資源化工程技術研究中心，陜西省環(huán)境工程重點實驗室）