鹽分對ASBR裝置厭氧污泥產甲烷活性的影響

陳 鍔， 顧向陽， 趙曉囧

(1.甘肅省環境監測中心站， 蘭州 730020； 2.南京農業大學 農業部環境微生物工程重點開放實驗室， 南京 210095； 3.甘肅省環境科學設計研究院， 蘭州 730020)

近年來，我國餐飲行業高速發展，隨之而來的餐廚垃圾問題也日益嚴重，僅2017年，全國餐廚垃圾產生量就達到了9900萬t[1]。如何合理有效處理餐廚垃圾已成為城市垃圾處理的重要問題。餐廚垃圾有機質含量高、營養物豐富，是厭氧消化能源化的良好基質。厭氧消化的方式處理餐廚垃圾具有成本低、環境效益好等優點，可實現餐廚垃圾的減量化、無害化和資源化。采用單相厭氧消化工藝和兩相厭氧消化工藝來處理餐廚垃圾均有文獻報道。傳統的單相厭氧消化工藝處理餐廚垃圾時存在運行負荷較低的問題，高負荷條件下運行時，物料產酸量大，pH值調節困難，常常導致系統運行失敗[2]。在兩相厭氧消化工藝中，餐廚垃圾的水解酸化過程及其水解酸化液的甲烷發酵過程分別在獨立的反應器中進行，水解酸化細菌和產甲烷細菌可充分發揮各自活性，有利于對各發酵階段的控制，可有效提高處理效率，增加系統運行的穩定性[3-4]。因此兩相厭氧消化工藝更受重視。

目前對餐廚垃圾的水解酸化過程研究較為充分，而對水解酸化液的產甲烷活性的研究則相對較少。餐廚垃圾水解發酵產物為乳酸、乙酸、丙酸、丁酸等各種短鏈脂肪酸(Short chain fatty acid，SCFA)為主，特別是乳酸含量較高，占發酵液總有機碳的78%[5-8]。pH值對餐廚垃圾發酵液化有很大影響，當pH值 低于3.8時，產酸相微生物的代謝活性會受到嚴重抑制進而影響物料消化，所以實際處理餐廚垃圾時添加適當的緩沖劑(堿度物質)可加快水解酸化的速度[9]。添加緩沖劑(堿度物質)雖可加快餐廚垃圾厭氧水解和酸化的速率，但添加緩沖劑勢必造成餐廚垃圾水解酸化液中鹽分的積累。研究表明，餐廚垃圾中的鹽分(NaCl)是餐廚垃圾水解酸化液的重要組成成分，可能會對產氣相的運行產生不利影響[10-11]。

為此以混合酸(模擬餐廚垃圾水解產物，各短鏈脂肪酸配比由先期試驗確定)作為基質，就不同濃度NaCl對厭氧污泥產甲烷活性的影響進行研究，為兩相厭氧消化工藝處理餐廚垃圾提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行

實驗裝置由厭氧序批間歇式反應器(Anaerobic sequencing batch reactor，ASBR)和排水集氣裝置兩部分構成(見圖1)。ASBR反應器是有機玻璃制成的圓柱形容器，有效柱容1.67 L。柱底直徑7 cm，柱高29 cm，有取樣口及排泥口，底部進水口連接進水橡膠管和玻璃漏斗；柱頂集氣部分直徑11 cm，連接出水管和導氣管。排水集氣裝置是容積1 L的圓柱形有機玻璃筒，排水集氣所用溶液為3 mol·L-1的NaOH溶液，用于計量甲烷氣體的體積。由于沼氣中的酸性氣體(CO2,H2S等)可被NaOH溶液吸收，所得氣體體積可以視為甲烷的體積。

圖1 ASBR實驗裝置示意圖

ASBR裝置運行之前，需進行厭氧污泥的培養與馴化，具體步驟如下：在ASBR中加滿清水，稱取污泥處理廠脫水厭氧污泥550 g，接種至ASBR反應器。污泥體積約占反應器容積的30%(污泥濃度為3.58%)。然后將裝置置于30℃～35℃的人工溫室，采用人工合成廢水馴化至產氣量和COD去除率穩定后待用。在污泥馴化期間進水COD負荷為2 g·L-1d-1，HRT 6.7 d。人工合成廢水母液配方如下：無水乙酸鈉11.4 g·L-1，無水葡萄糖 4.19 g·L-1，NH4Cl 0.34 g·L-1，MgSO4·4H2O 0.02 g·L-1，KH2PO40.07 g·L-1，CaCl20.01 g·L-1，微量元素母液0.25 mL(每5 d加一次)；微量元素母液配方：EDTA 5000 mg·L-1，MnCl2·4H2O 990 mg·L-1，ZnSO4·7H2O 430 mg·L-1，CuSO4·5H2O 250 mg·L-1，CoCl2·6H2O 240 mg·L-1，NiCl2·6H2O 190 mg·L-1，H3BO414 mg·L-1，NH4MoO4·4H2O 9 mg·L-1。

1.2 不同濃度鹽分對厭氧污泥產甲烷活性影響的實驗設計

取若干套ASBR裝置，改用模擬混合酸(各酸配比由先期實驗[8]確定，模擬混合酸由乳酸，乙酸，丙酸，丁酸，戊酸，異丁酸和異戊酸組成，各酸的質量濃度比例為88.76∶8.06∶1.445∶1.1475∶0.1975∶0.0425∶0.36，作進水基質，微量元素母液添加量和方式同1.1，進行厭氧污泥的培養與馴化(進水COD負荷2 g·L-1d-1，HRT 6.7 d)，待產氣量和COD去除率趨于穩定后，在進水中分別添加不同濃度的NaCl研究鹽分對厭氧污泥產甲烷活性的影響，其中NaCl進水梯度為0(對照)，2，4，8，16，24，32，48，64 g·L-1。在裝置運行期間，每天取樣測定TOC去除率并記錄前一天進水所產生的甲烷氣體體積。在進入ASBR之前，模擬混合酸溶液的pH值用12 mol·L-1NaOH調至中性。

1.3 厭氧污泥產甲烷活性毒性負荷判定方法

本研究設計了兩種方法用于確定鹽分的毒性濃度。第1種方法依據ASBR穩態運行條件下，日均甲烷產量與進水NaCl濃度的關系來判斷，其原理是在未抑制范圍內，各馴化后反應器日均甲烷產量基本一致，而在毒性濃度下厭氧污泥產甲烷活性受抑制，甲烷產量將隨之下降。第2種方法依據甲烷轉化率與進水NaCl濃度的關系判斷，其原理是在非抑制濃度下，甲烷轉化率即單位質量COD經厭氧轉化生成的甲烷氣體體積是個定值，在毒性濃度下將導致甲烷轉化率下降。

1.4 檢測分析方法

pH值用雷磁25型pH計測定。總有機碳(TOC)采用日本島津公司VCSN型TOC測定儀測定。

2 結果與討論

2.1 不同濃度氯化鈉對厭氧污泥產甲烷活性的影響

在兩相厭氧消化工藝中，向產酸相物料中添加堿度物質可以加速有機質水解酸化的速率，但也會導致水解酸化液中的鹽分濃度增加，可能影響后續產氣相的運行效果，為此筆者以模擬混合酸為進水基質研究了不同濃度NaCl對厭氧污泥產甲烷活性的影響。由于Cl-離子濃度過高會影響COD測定，故改用TOC去除率表示有機物的去除效率。從圖2可以看出，當進水中NaCl濃度為0～16 g·L-1時，TOC去除率無顯著差異，整個運行期間大致穩定在73%～77%。而當NaCl濃度升至24～64 g·L-1時，TOC去除率隨NaCl濃度升高明顯下降，但各反應器TOC去除率的變化趨勢較為相似，即運行初期TOC去除率隨運行時間的延長呈緩慢下降的趨勢直至達到最低值，隨后保持穩定。各反應器達到穩態運行的時間因進水NaCl濃度略有差異，比如進水中NaCl濃度升高至24 g·L-1和32 g·L-1時，分別運行至第6天和第8天達到穩態運行狀態，而當進水NaCl濃度增加到48 g·L-1和64 g·L-1時，其TOC去除率均在10 d后達到最低值，隨后穩態運行。從圖2還可以看出當進水中NaCl濃度≤16 g·L-1時，對TOC去除率影響不大，各反應器穩態運行時的TOC去除率可達75%左右；當進水中NaCl濃度≥24 g·L-1時對ASBR穩態運行時TOC去除率有很大影響。比如當進水NaCl濃度升至24 g·L-1和32 g·L-1時，TOC去除率分別下降為65%和52%；而當進水中NaCl濃度增加到48 g·L-1和64 g·L-1時，TOC去除率大幅下降，分別降至34%和8%，說明當進水NaCl濃度≥24 g·L-1時(相當于Na+濃度9.45 g·L-1)，對厭氧污泥的活性具有明顯抑制作用，NaCl濃度愈高，對厭氧污泥活性的抑制作用越強，ASBR的處理效率也就越低。

圖2 不同氯化鈉濃度下TOC去除率

圖3 不同氯化鈉濃度下每日甲烷產量的變化

從圖3中甲烷產量的變化曲線可以看出，進水中的NaCl濃度為0～8 g·L-1對應ASBR的甲烷產量在運行初始呈現大幅上升趨勢，4～7 d后達到最大值，隨后逐漸下降，7～11 d后降至最低值，隨后趨于平穩；在進水NaCl濃度為16 g·L-1時，運行頭4 d其甲烷產量也是在逐漸上升，隨后的甲烷產量大體穩定在850 mL左右；當進水NaCl濃度上升至24 g·L-1時，ASBR中的甲烷產量隨運行時間的延長逐漸上升，至第9天達到最大氣量，而后緩緩下降，至第14天達到最低值，隨后穩態運行；從進水NaCl濃度為0～24 g·L-1的產氣趨勢來看，運行初期均出現甲烷產量上升后下降的情況，其原因可能是由于運行初期反應器內的NaCl濃度是在逐步提高，低濃度的NaCl對甲烷產量有一定促進作用，但隨著反應器內NaCl濃度逐漸上升至所設置的濃度，產氣量隨之下降而后趨于平穩。這一研究結果與低濃度的 Na+在 ATP 形成或 NADH 氧化過程中能起到一定作用，高濃度的Na+對厭氧消化過程存在一定影響，其影響機理主要是改變細胞的滲透壓，從而導致產甲烷細菌細胞失水死亡的普遍原理不謀而合。Lee[12]曾報道甲烷形成的最適Na+離子濃度為0.1～0.2 g·L-1，在Na+離子濃度0.8 g·L-1時，其甲烷產量較2 g·L-1和4 g·L-1時分別提高了36%和41%。Shin[13]等報道了相似的結果。

當進水NaCl濃度為32 g·L-1時，其對應ASBR中的甲烷產量在整個運行階段僅有小幅波動，但產氣量基本穩定在600 mL左右；而當NaCl濃度升高到48 g·L-1和64 g·L-1時，產氣量只在第2天時略有上升，而后則隨運行時間延長緩慢下降，分別于8 d和10 d后趨于穩定。進水中NaCl濃度較高(32～64 g·L-1)時，甲烷產量的變化趨勢與低濃度時有所不同，這是因為進水中的NaCl濃度較高時可以迅速提高整個反應器內的鹽分，所以甲烷產量很快就下降了。

圖4 穩態運行期間不同氯化鈉濃度下混合酸的平均甲烷產量

由圖4可知，當進水NaCl濃度較低(0～16 g·L-1)時，ASBR的甲烷產量無顯著差異，但當濃度進一步提高到24 g·L-1以上時，進水中的NaCl濃度對穩態運行時ASBR的甲烷產量有明顯影響，甲烷產量隨著NaCl濃度的提高而下降。進水NaCl濃度為24 g·L-1，32 g·L-1，48 g·L-1和64 g·L-1的ASBR的日均產氣量依次為665 mL，608 mL，465 mL和241 mL，同對照的甲烷產量(781 mL)相比，分別下降了15%，22%，40%和69%，這說明進水NaCl濃度在24～64 g·L-1之間時對厭氧污泥的活性具有明顯的抑制作用。經分析發現，甲烷日均產量同NaCl濃度之間呈現明顯負相關關系，兩者的關系符合線性方程y=-10.63x+ 941.2(R2=0.9844)。由此可以得出，使污泥甲烷產量下降10%和50%的NaCl濃度分別為22.07 g·L-1和51.22 g·L-1。

2.2 不同濃度氯化鈉對甲烷轉化率的影響

分析不同濃度NaCl對甲烷轉化率的影響，可以得到同樣的結果。從圖5可以看出，當進水NaCl濃度在0～16 g·L-1時，污泥的甲烷轉化率無顯著差異，但是當進水NaCl濃度繼續提高時，ASBR中厭氧污泥的甲烷轉化率隨之下降，比如當進水NaCl濃度為24 g·L-1，32 g·L-1，48 g·L-1和64 g·L-1時，污泥的甲烷轉化率分別下降至0.20 L·g-1COD，0.18 L·g-1COD，0.14 L·g-1COD和0.07 L·g-1COD，較對照的甲烷轉化率(0.23 L·g-1COD)分別下降13%，21%，39%和69%，再次說明進水NaCl濃度在24～64 g·L-1d-1之間時，對厭氧污泥的產甲烷活性具有抑制作用，且NaCl濃度越高，對厭氧污泥活性的抑制作用越大。由數據分析可得，進水中的NaCl濃度在24～64 g·L-1d-1之間時，污泥的甲烷轉化率同NaCl濃度之間呈現負相關關系，兩者的關系符合線性y =-302.12 x+ 86.991(R2=0.9867)。由此方程得出，使厭氧污泥活性下降10%和50%的NaCl濃度分別為21.73 g·L-1和50.74 g·L-1。鄒智[14]等采用序批式厭氧消化反應器對模化餐廚垃圾進行的鹽抑制單因素實驗顯示，Na+濃度為20g·L-1(相當于NaCl濃度50.44g·L-1)時，甲烷產量為對照組的10.55%。李娟紅[15]采用相似的UASB工藝研究氯化鈉對高濃度有機廢水(啤酒廢水)厭氧處理時，發現進水氯離子濃度為0.9 g·L-1(相當于NaCl濃度約14.92 g·L-1)時，厭氧污泥活性降至50%左右。劉研萍[16]等利用連續式反應器(CSTR)研究餐廚垃圾厭氧消化累積產氣量時，Na+濃度為5 g·L-1時，累積產氣量為對照組產氣量的51%，而當Na+濃度為10 g·L-1(相當于NaCl濃度25.22g·L-1)時，抑制程度明顯，累積產氣量僅為對照組的1%。上述試驗結果和相關文獻表明不同工藝和不同進水基質條件下，鹽分對厭氧污泥產甲烷活性的影響有差異。

圖5 穩態運行期間不同氯化鈉濃度下混合酸的甲烷轉化率

據潘麗愛[17]等報道，我國高校食堂餐廚垃圾中NaCl濃度最高可達12.4 g·L-1，但未達到抑制濃度，顯然采用單相厭氧消化不會發生鹽分抑制作用。采用兩相厭氧消化工藝處理餐廚垃圾時，在餐廚垃圾中加入堿度為5000～7000 mg·L-1的緩沖物質可加速有機物質水解酸化的速率，假如餐廚垃圾與堿度進水按1∶1比例添加，則可以推算經堿中和的餐廚垃圾酸化液中NaCl濃度在8～12 g·L-1之間，也未達到抑制濃度，因此采用兩相厭氧消化工藝處理餐廚垃圾時，如在產酸相添加適量堿度物質一般也不會發生高濃度鹽分引起的抑制作用。

3 結論

采用兩相厭氧消化工藝處理餐廚垃圾已有不少文獻報道。目前，對產酸相中有機物的水解酸化過程研究得較為充分，對產氣相研究相對較少。餐廚垃圾厭氧水解產物中除乳酸、乙酸、丙酸、丁酸等各種短鏈脂肪酸外，鹽分(NaCl)也是餐廚垃圾水解酸化液的組分，直接影響甲烷產量的重要因素。

實驗結果表明，鹽分(NaCl)對厭氧污泥產甲烷活性影響有很大差別。進水NaCl濃度在0～16 g·L-1時，對污泥的產甲烷活性無顯著影響。

當進水中的NaCl濃度在24～64 g·L-1d-1之間時，采用兩種厭氧污泥產甲烷活性毒性負荷判定方式時，由第1種方法得出日均甲烷產量同NaCl濃度之間呈現明顯負相關關系，兩者的關系符合線性方程y =- 10.63 x + 941.2(R2=0.9844)，由此可得，IC10和IC50下NaCl對污泥產甲烷菌抑制分別為22.07 g·L-1和51.22 g·L-1。由第2種方法得出污泥的甲烷轉化率同NaCl濃度之間亦呈現負相關關系，兩者的關系符合線性y =-302.12 x+ 86.991(R2= 0.9867)，NaCl對污泥產甲烷菌抑制濃度IC10和IC50分別為21.73 g·L-1和50.74 g·L-1。此外，Feijoo[18]等發現Na+對未經馴化的污泥IC50低于5 g·L-1，但處理過高鹽廢水反應器內的污泥的IC50可提高至10 g·L-1以上，這說明通過逐步增加Na+濃度要比突然增加Na+濃度的方式更能提高產甲烷細菌的耐鹽能力。因此，后續有必要對ASBR反應器的鹽分耐受程度進一步展開研究，以期揭示在此工藝下厭氧污泥產甲烷活性耐鹽機理。