厭氧消化污泥的耐酸馴化培養(yǎng)

吳桂菊，邸玉翠，申 嫄，彭緒亞

（重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045）

在餐廚垃圾厭氧處理過程中，由于發(fā)酵過程中揮發(fā)性脂肪酸的大量積累［1］，容易使產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，造成系統(tǒng)運行效率下降甚至反應(yīng)器崩潰［2］。針對該問題，課題組前期曾做過厭氧消化系統(tǒng)預(yù)警研究［3－4］，在一定程度上可為厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運行“保駕護航”，但要進一步解決系統(tǒng)酸化的問題，還需增強系統(tǒng)對酸的耐受能力，提高厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實際厭氧處理工藝中，通過人為調(diào)節(jié)實現(xiàn)的酸堿平衡極易受外界環(huán)境因子劇變的沖擊而失衡［5］。

研究表明，產(chǎn)甲烷階段是工藝中最重要的限速步驟。近年來，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注耐酸型產(chǎn)甲烷菌，提出通過對反應(yīng)器中的產(chǎn)甲烷菌進行耐酸培養(yǎng)，提高普通厭氧反應(yīng)器中耐酸產(chǎn)甲烷菌的比例，增加厭氧反應(yīng)器的穩(wěn)定性［6－9］。由于產(chǎn)甲烷菌對酸度敏感，為了提高馴化后耐酸污泥的處理效率，耐酸產(chǎn)甲烷菌馴化過程中pH需緩慢減少，1次以小于0.5個單位為適［10］。

為探尋一種馴化時間短、處理效果好的耐酸污泥馴化方法，將馴化過程分為第一階段（pH 7.2～5.7）和第二階段（pH＜5.7），采用階段性降低系統(tǒng)pH的方法對厭氧消化污泥進行馴化培養(yǎng)，使厭氧反應(yīng)器能在酸性條件下長期穩(wěn)定運行。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及裝置

（1）餐廚垃圾

餐廚垃圾取自重慶大學(xué)食堂及周邊餐館，主要以食用殘余類垃圾為主，實驗中所用餐廚垃圾未經(jīng)出油處理。樣品采集時剔除竹筷、紙張等干擾物，將垃圾攪拌均勻后，分批破碎至粒徑10mm以下并混合均勻。測得餐廚垃圾樣品各指標的平均值：TS 12.45%；VS／TS 91.88%；含油率（粗脂肪）16.59%（濕基）；氨氮245mg／L；COD 61 650mg／L；C／N 15.53。

（2）接種污泥

接種污泥取自實驗室穩(wěn)定運行30d的餐廚垃圾單相厭氧反應(yīng)裝置。測得接種污泥各指標的平均值：pH 7.30；含水率91.0%；碳酸氫鹽堿度8 000 mg／L；污泥濃度90.5g／L；VSS／SS 51.05%。

（3）試驗裝置

采用4個1L廣口瓶作反應(yīng)器，置于（35±2）℃恒溫水浴箱中。每次調(diào)節(jié)pH值后均向反應(yīng)器中通入N2以維持反應(yīng)的厭氧環(huán)境。采用排除飽和碳酸氫鈉溶液法收集產(chǎn)生的氣體。

1.2 馴化方法

馴化方法見表1，方案分為第一階段（pH 7.2～5.7）和第二階段（pH＜5.7）兩階段進行。

表1 污泥馴化方法

第一階段，根據(jù)餐廚垃圾單相厭氧反應(yīng)裝置的前期穩(wěn)定運行情況，餐廚垃圾厭氧消化污泥處于最佳狀態(tài)時pH為7.2，選擇pH＝7.2為馴化起點；左劍惡等［11］的兩個顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器均能在pH 5.8～6.2條件下穩(wěn)定運行，且中國科學(xué)院微生物研究所從處理生活廢水的厭氧污泥床中分離出的9株產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷的pH范圍為5.8～9.0，選擇pH接近5.8且便于馴化安排的5.7作為馴化終點［12］。該階段，pH水平較適宜產(chǎn)甲烷菌的生長，產(chǎn)甲烷菌在該pH條件下具有較高的產(chǎn)甲烷活性，采用等梯度降低反應(yīng)器內(nèi)的pH，每次降低0.5個單位，當反應(yīng)器COD去除率和容積產(chǎn)氣率趨于穩(wěn)定后進行下一次pH值調(diào)節(jié)。

第二階段，pH值在5.7以下繼續(xù)馴化，在系統(tǒng)COD去除率和容積產(chǎn)氣率基本穩(wěn)定的情況下，盡量降低系統(tǒng)pH值，提高厭氧消化系統(tǒng)的耐酸性。該階段，pH水平相對較低，超出了產(chǎn)甲烷菌的適宜生長范圍，多數(shù)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷活性較低，產(chǎn)甲烷菌在該條件下對酸度十分敏感，為探索此種條件下合適的pH馴化梯度，采用不同梯度降低反應(yīng)器pH，1＃厭氧反應(yīng)器是每1d降低1次pH值，每次降低0.1個單位；2＃厭氧反應(yīng)器是每8d降低1次pH值，每次降低0.3個單位；3＃厭氧反應(yīng)器是每20d降低1次pH值，每次降低0.5個單位。0＃反應(yīng)器為對照組，pH維持在7.2左右。

反應(yīng)器內(nèi)pH值的調(diào)節(jié)是通過1.0mol／L的HCl和NaOH溶液實現(xiàn)的。隨著反應(yīng)器pH值的下降，反應(yīng)器的抗酸化能力也在下降，由于pH值在不斷下降，餐廚垃圾投加量也應(yīng)進行相應(yīng)調(diào)整。

1.3 主要監(jiān)測指標及方法

監(jiān)測指標首選國家標準分析方法或行業(yè)標準方法，主要監(jiān)測指標方法和儀器如下。

COD：HACH替代試劑比色法，DR－2000型COD測定儀；pH：玻璃電極法，pHS－3C型pH計；堿度：指示劑滴定法，溴甲酚綠－甲基紅、酸式滴定管；MLSS：重量法，CS101－3電熱鼓風(fēng)干燥器；MLVSS：灼燒減重法，馬弗爐；含油率：索氏抽提法，SZF－06型粗脂肪測定儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 耐酸馴化第一階段（pH 7.2～5.7）

2.1.1 COD去除率及總堿度的變化情況

該階段，在第33天開始第1次調(diào)節(jié)pH值，1次降低0.5個單位。試驗過程中發(fā)現(xiàn)pH在調(diào)整后2d迅速回升，這是因為反應(yīng)器內(nèi)存在共軛酸堿對，對酸沖擊有一定的緩釋能力。為保證pH值降至目標水平，必須繼續(xù)加入適量的HCl溶液。此后，當COD去除率趨于穩(wěn)定時，進行第2次、第3次pH值調(diào)節(jié)。

COD去除率反映了反應(yīng)器內(nèi)餐廚垃圾消化的情況。由圖1可知，1＃、2＃、3＃厭氧反應(yīng)器的COD最大去除率在78%～80% 之間，最小去除率在37%左右。COD去除率總體呈先增后減的趨勢，這主要是因為在31～35d時，pH值為7.2，適宜產(chǎn)甲烷菌生長，產(chǎn)甲烷菌活性強、代謝能力高，而后面隨著pH值的下降，產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化和消耗有機酸的能力降低，使COD去除率下降。

圖1 31～60d內(nèi)COD去除率和總堿度

堿度是評價厭氧消化工藝緩沖能力的重要指標。從圖上可以看出，3個反應(yīng)器的總堿度變化曲線幾乎重合，變化基本一致。隨著時間的增加，各厭氧反應(yīng)器的堿度迅速降低，最終減少至500～600 mg／L，已經(jīng)低于正常厭氧反應(yīng)器堿度1 000mg／L以上［13］的要求。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是厭氧反應(yīng)中產(chǎn)甲烷過程跟不上產(chǎn)酸過程，VFA開始累積，污泥的抗酸化能力降低。為避免VFA的過快累積，在降低pH的同時適當降低餐廚垃圾容積負荷。

2.1.2 產(chǎn)氣變化分析

容積產(chǎn)氣率指單位容積下的產(chǎn)氣速率。厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)污泥容積產(chǎn)氣率可表觀地反映產(chǎn)甲烷菌的生物活性。由圖2可以看出，隨著pH和餐廚垃圾投加負荷的不斷下降，1＃、2＃、3＃反應(yīng)器的產(chǎn)氣速率不斷下降，且波動劇烈。

圖2 各投加量下產(chǎn)氣速率隨時間的變化曲線

在30～35d，0＃反應(yīng)器和1＃、2＃、3＃反應(yīng)器容積產(chǎn)氣速率變化相似，都處于容積產(chǎn)氣速率較大階段，0＃、1＃、2＃ 和3＃ 反應(yīng)器的最大容積產(chǎn)氣速率分別為2.32、2.32、2.40、2.45L／L·d－1。第35天后，隨著反應(yīng)器pH值的不斷下降，部分微生物由于不適應(yīng)環(huán)境而死亡，使1＃、2＃、3＃反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣速率開始低于0＃反應(yīng)器。

經(jīng)過第一階段的馴化，1＃、2＃、3＃反應(yīng)器容積產(chǎn)率穩(wěn)定在1.14～1.18L／L·d。該結(jié)果表明，pH為5.7時，1＃、2＃、3＃ 反應(yīng)器的污泥皆具有良好的產(chǎn)甲烷活性，第一階段（pH 7.2～5.7）可采用0.5個pH梯度進行耐酸馴化。

2.2 耐酸馴化第二階段（pH＜5.7）

2.2.1 COD去除率及總堿度的變化情況

在pH值低于5.7的污泥馴化過程中，1＃反應(yīng)器由于每次pH降低幅度小，微生物菌群可以緩慢適應(yīng)外界環(huán)境的變化，總堿度曲線表現(xiàn)為緩慢下降。該階段馴化過程中，總堿度最大值是567mg／L，最小值為306mg／L，COD去除率為29%～48%。

2＃厭氧反應(yīng)器與1＃厭氧反應(yīng)器的COD去除率和總堿度變化情況大體相似，但由于2＃反應(yīng)器的pH下降幅度更大，它的波動也更劇烈。第69天，2＃反應(yīng)器的COD去除率達到最大（45%）；第99天，COD去除率最小（27%）。

3＃厭氧反應(yīng)器從第63天開始，堿度就明顯低于1＃、2＃反應(yīng)器，雖然后幾天有所回升，但回復(fù)效果明顯不如1＃、2＃反應(yīng)器。從第76天開始，3＃反應(yīng)器COD去除率大幅下降，此后停止進料并用1mol／L NaOH調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的pH值，堿度及COD去除率仍未回升。

圖3 61～103d內(nèi)COD去除率和總堿度

該階段中，由于pH處于較低水平，COD去除率和總堿度明顯不如第一階段。一方面，pH值的變化影響了微生物體的表面電荷變化，削弱了微生物對營養(yǎng)物的吸收［14］；另一方面，產(chǎn)甲烷菌活性受到明顯抑制，VFA大量累積，給反應(yīng)器的酸沖擊抗擊能力帶來了負面影響。

2.2.2 產(chǎn)氣變化分析

不同厭氧反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣速率變化明顯不同，由圖4可以看出，1＃、2＃、3＃反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率明顯不如0＃反應(yīng)器，這也進一步印證了該階段pH水平對厭氧消化過程產(chǎn)生了明顯的抑制作用。

圖4 各投加量下產(chǎn)氣速率隨時間的變化曲線

在61～95d，1＃厭氧反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率由初始1.04L／L·d－1緩慢減至0.70L／L·d－1。在95～103d，由于容積負荷的進一步降低，容積產(chǎn)氣速率先快速下降后又重新趨于平衡，此時，1＃反應(yīng)器已降低到pH值4.1的水平。第104天，再次降低pH時，產(chǎn)氣速率驟降，第2天仍未恢復(fù)。至此，1＃反應(yīng)器厭氧消化污泥的耐酸馴化結(jié)束。

從2＃厭氧反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率變化曲線可以看出，2＃厭氧反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率隨時間的波動比1＃反應(yīng)器劇烈。2＃反應(yīng)器運行至102d，pH值為4.0時，容積產(chǎn)氣率隨著pH的下降急劇下降。后2d產(chǎn)氣情況也沒出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，2＃反應(yīng)器的耐酸馴化到此結(jié)束。

在pH低于5.7的條件下，3＃厭氧反應(yīng)器仍以0.5個單位梯度降低pH。3＃厭氧反應(yīng)器在從pH 5.7降低到5.2的過程中，容積產(chǎn)氣率開始緩慢下降，在從pH 5.2降低到4.7的過程中，容積產(chǎn)氣率大幅下降，到第76天時，容積產(chǎn)氣率已減至0.12L／L·d－1，隨后停止降低pH，產(chǎn)氣情況也沒得到恢復(fù)，到第81天時，完全停止產(chǎn)氣，3＃厭氧反應(yīng)器的耐酸馴化至此結(jié)束。

試驗表明，在第二階段（pH＜5.7）耐酸馴化中，若1次降低0.1個pH單位，反應(yīng)器性能會比較穩(wěn)定，若1次降低0.3個pH單位，反應(yīng)器性能可能出現(xiàn)一定的波動，若1次降低0.5個pH單位，反應(yīng)器則極易失穩(wěn)。在保證馴化效果的前提下，為了縮短馴化時間，簡化馴化程序，建議以后在類似的馴化研究中，采用0.3個單位pH梯度進行耐酸馴化（pH＜5.7）。

3 結(jié)論與建議

（1）在兩階段耐酸馴化過程中，1＃、2＃、3＃反應(yīng)器的耐酸值最終分別達到4.1，4.0和4.7。其中，1＃反應(yīng)器和2＃反應(yīng)器的COD去除率、總堿度和產(chǎn)氣變化情況由始至終基本相似，對酸的耐受能力也大體相同，而3＃厭氧反應(yīng)器的pH值降至4.7后，反應(yīng)器停止產(chǎn)氣，出現(xiàn)崩潰。

（2）餐廚垃圾厭氧消化污泥的耐酸馴化過程可分第一階段（pH 7.2～5.7）和第二階段（pH＜5.7）兩階段進行，第一階段宜1次降低0.5個pH單位，第二階段宜1次降低0.3個pH單位。

（3）經(jīng)過厭氧消化污泥的耐酸馴化，餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)的最低pH耐受值可達到4.0，但該pH條件下產(chǎn)甲烷活性較低，且實際工藝中出現(xiàn)此種低pH的情況較少，建議在后續(xù)研究和實際工作中可以先略微提高耐酸污泥的pH值，進行產(chǎn)氣恢復(fù)，既能增強厭氧消化系統(tǒng)的耐酸性，又能提高COD去除率和容積產(chǎn)氣率。

［1］Bhattacharyya JK，Sunil K，Sukumar D.Studies on acidification in two－phase biomethanation process of municipal solid waste［J］.Waste Management，2008，28（1）：164－169.

［2］Kley BA，Liebrich M，Verstraete W，et al.Early warning indicators for process failure due to organic overloading by rapeseed oil in one－stage continuously stirred tank reactor，sewage sludge and waste digesters［J］.Bioresource Technology，2012，123：534－541.

［3］賈傳興.有機垃圾厭氧消化系統(tǒng)失衡機理及預(yù)警調(diào)控機制研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2010.

［4］彭緒亞，洪俊華，賈傳興，等.磷酸酯酶活性對餐廚垃圾單相厭氧消化抑制的預(yù)警作用［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2012，32（3）：541－546.

［5］Pfeffer JT，Khan KA.Microbial production of methane from municipal refuse［J］.Biotechnology and Bioengineering，1976，18：1179－1191.

［6］吳 云.餐廚垃圾厭氧消化影響因素及動力學(xué)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.

［7］Wolfe RS，Higgins IJ.Microbial biochemistry of methane－a study in contrasts［J］.International Reviews in Biochemistry，1979，21：267－353.

［8］Williams RT.Methane production in Minnesota peatlands［J］.Appl Environ Micro，1984，6：1266－1271.

［9］Horn MA，Matthies C，Küsel K，et al.Hydrogenotrophic methanogenesis by moderately acid－tolerant methanogens of a methanemitting acidic peat［J］.Applied and Environmental Microbiology，2003，69：74－83.

［10］郭曉慧，吳偉祥，韓志英，等.嗜酸產(chǎn)甲烷菌及其在厭氧處理中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2011，22（2）：537－542.

［11］左劍惡，凌雪峰，顧夏聲.酸性條件下耐酸產(chǎn)甲烷顆粒污泥的培養(yǎng)及特性［J］.微生物學(xué)通報，2004，31（5）：65－70.

［12］龔 革，王修垣.九株嗜熱產(chǎn)甲烷菌的特性［J］.微生物學(xué)報，1997，37（5）：378－384.

［13］許保玖，龍騰銳.當代給水與廢水處理原理［M］.北京：高等教育出版社，2000：527－528.

［14］李 剛，楊立中，歐陽鋒.厭氧消化過程控制因素及pH和Eh的影響分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2001，36（5）：518－521.