連續(xù)流厭氧動(dòng)態(tài)膜混合發(fā)酵系統(tǒng)的優(yōu)化及運(yùn)行效能研究*

邢保山 唐喜芳 曹思凡 韓詠辰 常享琳 張 毅 陳 榮 王曉昌

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055；3.國(guó)家城市非傳統(tǒng)水資源開(kāi)發(fā)利用國(guó)際科技合作基地，陜西 西安 710055；4.陜西省污水處理與資源化工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710055；5.陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

玉米秸稈(CS)屬于纖維素類生物質(zhì)，可利用厭氧發(fā)酵產(chǎn)生能源沼氣而實(shí)現(xiàn)廢物資源化[1]，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜致使其單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)效率較低[2]。餐廚垃圾(FW)單獨(dú)發(fā)酵時(shí)水解酸化速率快，但易使短鏈揮發(fā)性脂肪酸(VFA)積累[3]，導(dǎo)致發(fā)酵系統(tǒng)pH降低，抑制胞內(nèi)酶活性，從而使厭氧發(fā)酵系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)高甚至崩潰[4]。將FW與CS進(jìn)行厭氧混合發(fā)酵，能夠提高兩者的產(chǎn)甲烷效能。FW與CS的混合比是影響厭氧混合發(fā)酵效能的關(guān)鍵參數(shù)。ZHOU等[5]614的研究結(jié)果表明：當(dāng)FW和CS混合質(zhì)量比(FW/CS)為4∶1時(shí)，產(chǎn)甲烷速率可提高22.5%～41.6%。YONG等[6]采用批次試驗(yàn)，以FW和CS混合物為基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)兩者混合質(zhì)量比為5∶1時(shí)其產(chǎn)氣效果較單獨(dú)發(fā)酵提高39.5%～149.7%。劉月玲等[7]的研究結(jié)果表明：FW、CS、FW/CS為1∶1的混合原料的產(chǎn)甲烷潛能分別為448、221、268 mL/g。XING等[8]研究結(jié)果表明：厭氧混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷系統(tǒng)啟動(dòng)前最優(yōu)基質(zhì)混合比會(huì)隨著系統(tǒng)微生物菌群結(jié)構(gòu)的改變發(fā)生變化。因此，基質(zhì)混合比的優(yōu)化顯得尤為必要。此外，在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)階段，接種比常作為衡量有機(jī)負(fù)荷的重要參數(shù)[9]，通常在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)前通過(guò)批次試驗(yàn)優(yōu)化接種比，確定系統(tǒng)啟動(dòng)階段適宜的有機(jī)負(fù)荷。然而，在FW與CS混合發(fā)酵系統(tǒng)中，關(guān)于接種比對(duì)CS和FW厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)的影響研究報(bào)道較少。

在有機(jī)固廢能源化技術(shù)研究中，針對(duì)FW和CS混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的相關(guān)研究尚處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)固液的高效、低成本分離。厭氧動(dòng)態(tài)膜反應(yīng)器(DMBR)可通過(guò)解耦水力停留時(shí)間(HRT)與污泥停留時(shí)間(SRT)提高厭氧發(fā)酵效率[10]2，但仍存在構(gòu)型單一且動(dòng)態(tài)膜厚度難以精確動(dòng)態(tài)調(diào)控的問(wèn)題。本研究在新型的DMBR[11]基礎(chǔ)上，設(shè)置三重曝氣區(qū)可合理調(diào)控氣循環(huán)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)膜厚度的動(dòng)態(tài)調(diào)控，進(jìn)而增強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)微生物的污染物轉(zhuǎn)化效能。此外，與批次試驗(yàn)和半連續(xù)流試驗(yàn)相比，在相同的有機(jī)負(fù)荷下，連續(xù)流抗沖擊負(fù)荷能力更強(qiáng)[12]4115，更有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，有關(guān)連續(xù)流厭氧動(dòng)態(tài)膜混合發(fā)酵系統(tǒng)的啟動(dòng)參數(shù)優(yōu)化及其穩(wěn)定運(yùn)行效能的分析鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究擬在優(yōu)化CS和FW厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)關(guān)鍵啟動(dòng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用新型DMBR啟動(dòng)CS和FW連續(xù)流厭氧動(dòng)態(tài)膜混合發(fā)酵系統(tǒng)并探究其運(yùn)行效能和動(dòng)態(tài)膜的截留效能，為DMBR在有機(jī)固廢處理領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用提供兼具效能且經(jīng)濟(jì)的生物質(zhì)碳減排途徑。

1 材料與方法

1.1 基質(zhì)和接種污泥

本研究FW由人工配制[13]2，主要成分見(jiàn)表1。CS取自西安郊區(qū)，自然風(fēng)干后經(jīng)高速粉碎機(jī)研磨，加水混勻后待用。批次試驗(yàn)和連續(xù)流試驗(yàn)的接種污泥相同，均為實(shí)驗(yàn)室中溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)排泥。連續(xù)流系統(tǒng)運(yùn)行所需基質(zhì)按照設(shè)定比例混合均勻后，攪拌混合10 min，用水稀釋至基質(zhì)總固體(TS)為8.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)～9.0%。接種比基于揮發(fā)性固體有機(jī)物(VS)計(jì)算。接種污泥、FW與CS的主要理化特性如表2所示。

表1 FW的組成1)Table 1 Composition of FW %

1.2 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行策略

1.2.1 批次試驗(yàn)

采用批次試驗(yàn)探究CS/FW和接種比對(duì)厭氧混合發(fā)酵的影響，具體試驗(yàn)設(shè)置見(jiàn)表3。試驗(yàn)于120 mL血清瓶中進(jìn)行，置于39 ℃的恒溫?fù)u床中，分為單獨(dú)發(fā)酵(CS和FW分別進(jìn)行單獨(dú)發(fā)酵)和混合發(fā)酵(分別探究CS/FW和接種比)。所有試驗(yàn)均設(shè)置平行和空白組。在血清瓶中將加入的基質(zhì)和接種污泥混勻后，用氮?dú)獯得?～5 min，然后用橡膠塞與螺帽壓緊封瓶，最后將血清瓶放入恒溫?fù)u床。根據(jù)設(shè)定時(shí)間定時(shí)取樣，樣品用于測(cè)定化學(xué)指標(biāo)，并定時(shí)測(cè)量產(chǎn)氣量和氣體組分。

1.2.2 試驗(yàn)裝置和連續(xù)流運(yùn)行策略

如圖1所示，本研究采用的DMBR有效容積為3.5 L。DMBR使用等效孔徑為300目(48 μm)的不銹鋼網(wǎng)制成浸沒(méi)式濾膜，支撐動(dòng)態(tài)膜的形成。濾膜的表面積為18.5 cm2。DMBR外部包裹水浴層，通過(guò)恒溫水浴控制反應(yīng)器溫度為39 ℃。基質(zhì)罐連接4 ℃恒溫冷水浴。當(dāng)跨膜壓差增至30 kPa時(shí)，采用生物氣反洗恢復(fù)出料，其中，以15 L/min的氣速用自產(chǎn)氣反洗10 min。DMBR設(shè)置三重曝氣區(qū)，其運(yùn)行模式為連續(xù)進(jìn)出料，以此維持DMBR內(nèi)液位平衡。基于優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，采用最優(yōu)CS/FW，設(shè)定DMBR的初始HRT為8.33 d和有機(jī)負(fù)荷為10.86 g/(L·d)啟動(dòng)運(yùn)行。

表2 接種污泥、FW和CS的理化特性1)Table 2 Physicochemical properties of inoculum,FW and CS

表3 批次試驗(yàn)的運(yùn)行設(shè)置Table 3 Operating design of batch experiments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和修正的Gompertz模型

批次試驗(yàn)過(guò)程中，采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬[14]。纖維素類生物質(zhì)的水解常數(shù)可通過(guò)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行模擬得到。一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)式(1)。

P=P0×[1-exp(-kt)]

(1)

式中：P為甲烷產(chǎn)量，mL；P0為產(chǎn)甲烷潛能，mL；k為水解常數(shù)，d-1；t為厭氧發(fā)酵時(shí)間，d。

批次試驗(yàn)過(guò)程中，去除背景值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用修正的Gompertz模型(見(jiàn)式(2))對(duì)甲烷產(chǎn)量進(jìn)行擬合[15]，確定最大甲烷產(chǎn)率和遲滯期。

P=P0×exp{-exp[Rmax×1/P0×
2.71×(t0-t)+1]}

(2)

式中：Rmax為最大甲烷產(chǎn)率，mL/d；t0為遲滯期，d。

1.3.2 常規(guī)分析方法

TS、VS、堿度、化學(xué)需氧量(COD)和氨氮采用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[16]。pH采用便攜式pH計(jì)(Horiba)進(jìn)行測(cè)定。產(chǎn)氣量、生物氣組分(甲烷、二氧化碳和氫氣)和 VFA按照文獻(xiàn)[13]所述方法進(jìn)行測(cè)定。其中，乙酸、丙酸、丁酸、戊酸對(duì)應(yīng)等量COD轉(zhuǎn)化系數(shù)分別為1.07、1.51、1.82、2.04[17]。濁度采用便攜式濁度儀(Turb?355 IR)進(jìn)行測(cè)定，膜通量采用體積法測(cè)定[18]。跨膜壓差由數(shù)字壓力表(SIN-P300)記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)的啟動(dòng)參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 CS/FW

為最大限度地發(fā)揮FW和CS厭氧混合發(fā)酵的效能優(yōu)勢(shì)，首先進(jìn)行FW和CS厭氧混合發(fā)酵CS/FW的優(yōu)化試驗(yàn)，相應(yīng)的累積甲烷產(chǎn)量如圖2所示。當(dāng)CS/FW為3.166、2.399、1.554時(shí)，運(yùn)用修正的Gompertz模型模擬可得相應(yīng)的產(chǎn)甲烷潛能分別為230.8、239.3、236.4 mL，相應(yīng)的模型擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.97(見(jiàn)表4)，擬合結(jié)果較好。但當(dāng)CS/FW≤0.791時(shí)，相應(yīng)的產(chǎn)甲烷潛能均低于CS單獨(dú)發(fā)酵組(192.0 mL)，說(shuō)明混合發(fā)酵系統(tǒng)受到不同程度地抑制。一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠用來(lái)描述難降解纖維素類生物質(zhì)的水解程度，當(dāng)CS/FW為3.166、2.399、1.554時(shí)，與修正的Gompertz模型擬合的結(jié)果較為一致(見(jiàn)表4)。此外，F(xiàn)W單獨(dú)發(fā)酵因水解過(guò)快酸化導(dǎo)致厭氧發(fā)酵過(guò)程受限；CS單獨(dú)發(fā)酵的最大甲烷產(chǎn)率為24.5 mL/d，占CS/FW為2.399時(shí)混合發(fā)酵最大甲烷產(chǎn)率(30.8 mL/d)的79.5%，說(shuō)明通過(guò)基質(zhì)混合能夠?qū)崿F(xiàn)提高FW和CS厭氧混合發(fā)酵效能，同時(shí)最大限度地提升厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷耐受能力，與文獻(xiàn)[6]研究結(jié)果一致。

對(duì)CS和FW厭氧混合發(fā)酵進(jìn)行COD物料平衡分析，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)CS/FW≤0.791時(shí)，相應(yīng)的累積甲烷產(chǎn)量低于空白組(見(jiàn)圖2)，產(chǎn)甲烷過(guò)程受限，其主要原因在于混合基質(zhì)中FW占比大時(shí)混合發(fā)酵體系易降解利用的有機(jī)物增多，水解速率過(guò)快導(dǎo)致VFA積累(見(jiàn)圖4)。當(dāng)CS/FW分別為3.166、2.399、1.554 時(shí)，末期甲烷等量COD占比分別為24.7%、27.1%、25.7%，其中當(dāng)CS/FW為2.399 時(shí)末期甲烷等量COD占比最高，且產(chǎn)甲烷潛能也最大(見(jiàn)圖2和表4)。VFA和pH是判斷厭氧發(fā)酵系統(tǒng)是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)。不同CS/FW下第18天時(shí)厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)中pH和VFA如圖4所示。當(dāng)CS/FW≤0.791時(shí)，體系pH趨近于5.0，低于厭氧發(fā)酵適宜pH范圍(6.8～8.0)，且VFA超出閾值5 000 mg/L[13]4。酸累積引起pH迅速降低造成的酸性環(huán)境抑制了厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌活性。當(dāng)CS/FW分別為3.166、2.399、1.554時(shí)，相應(yīng)的pH均為7.0且相對(duì)穩(wěn)定，VFA在45.8～254.5mg/L范圍內(nèi)且未發(fā)生積累，產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)酸菌處于較好的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。然而，文獻(xiàn)[6]的研究表明，最佳CS/FW為0.20。最佳CS/FW不同的原因主要與接種物中微生物種群結(jié)構(gòu)、基質(zhì)負(fù)荷及其組分和系統(tǒng)操作條件等有關(guān)[10]2。綜上分析可知：當(dāng)CS/FW為2.399 時(shí)，F(xiàn)W和CS混合發(fā)酵體系產(chǎn)甲烷量高且能夠保證體系產(chǎn)甲烷的穩(wěn)定性，是本研究進(jìn)行接種比優(yōu)化和連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行的最優(yōu)基質(zhì)混合比。

表4 不同CS/FW和接種比時(shí)擬合的產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)參數(shù)1)Table 4 Kinetic parameters of methane production with different CS/FW and substrate to inoculation ratios

2.1.2 接種比

設(shè)置CS/FW為 2.399，不同接種比對(duì)厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣性能的影響如圖5所示。當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為11 d，接種比分別為0.272、0.340、0.408、0.543、0.679、0.815時(shí)，累積甲烷產(chǎn)量依次為212.7、235.0、241.5、276.1、318.0、344.3 mL(見(jiàn)圖5)，運(yùn)用修正的Gompertz模型計(jì)算產(chǎn)甲烷潛能分別為197.2、218.0、222.2、255.0、296.0、336.3 mL(見(jiàn)表4)，擬合結(jié)果與實(shí)際吻合較好。在接種比由0.272增至0.815的過(guò)程中，累積甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)甲烷潛能均逐漸升高。當(dāng)接種比為1.019，用修正的Gompertz模型擬合得產(chǎn)甲烷潛能為76.1 mL，低于空白組(119.9 mL)，產(chǎn)甲烷過(guò)程受限，說(shuō)明此負(fù)荷下產(chǎn)甲烷體系的平衡被破壞，產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制。其中，當(dāng)接種比為0.815時(shí)，產(chǎn)甲烷潛能(336.3 mL)最高。接種比為0.815是CS和FW厭氧混合發(fā)酵啟動(dòng)運(yùn)行階段可承受的上限。采用與連續(xù)流相同的基質(zhì)和接種物，以接種比為0.815 啟動(dòng)連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜FW和CS厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)，投加混合基質(zhì)1 050 mL，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷為27.20 g/(L·d)。由此可知，接種相同來(lái)源的接種物和相同基質(zhì)混合比的基質(zhì)，在FW和CS連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)階段前期，系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷應(yīng)不高于27.20 g/(L·d)，即接種比應(yīng)不高于0.815，否則厭氧發(fā)酵系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)階段前期的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)的啟動(dòng)及其運(yùn)行效能

依據(jù)2.1節(jié)批次試驗(yàn)結(jié)果，考慮CS和FW連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)基質(zhì)添加和系統(tǒng)內(nèi)基質(zhì)轉(zhuǎn)化的連續(xù)性，同時(shí)保證系統(tǒng)啟動(dòng)前期的穩(wěn)定性，設(shè)定較低的有機(jī)負(fù)荷10.86 g/(L·d)，相應(yīng)的HRT為8.33 d。反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)的生物氣產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)量和甲烷占比、VFA、pH、堿度、總VFA(TVFA)/堿度變化如圖6所示。分析可知：?jiǎn)?dòng)初始階段系統(tǒng)的生物氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量不斷增加，甲烷占比在5 d內(nèi)由初始的6.23%連續(xù)增至61.70%左右，66 d的運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)平均生物氣產(chǎn)量達(dá)到2.84 L/(L·d)，系統(tǒng)平均甲烷產(chǎn)量為1.68 L/(L·d)。在DMBR運(yùn)行過(guò)程中VFA和pH變化如圖6(b)所示。系統(tǒng)啟動(dòng)前期(1～10 d)，由于基質(zhì)的加入為微生物提供了可生物降解的有機(jī)質(zhì)，水解逐漸產(chǎn)生VFA，但系統(tǒng)中TVFA最大值僅為737.90 mg/L，pH最低僅為7.13。如圖6所示，啟動(dòng)階段過(guò)后，連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期，系統(tǒng)中平均TVFA僅為36.71 mg/L，顯著低于產(chǎn)甲烷菌VFA抑制濃度(5 000 mg/L)[19]，堿度較高，且TVFA/堿度均未超過(guò)閾值(0.4)[20]。上述結(jié)果表明，啟動(dòng)參數(shù)優(yōu)化后，F(xiàn)W和CS連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)能夠成功啟動(dòng)且能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

表5為本研究與其他研究對(duì)CS和FW混合發(fā)酵提升厭氧發(fā)酵性能的對(duì)比。如表5所示，不同運(yùn)行方式下CS與FW厭氧混合發(fā)酵的單位基質(zhì)甲烷產(chǎn)率不同。根據(jù)原料的性質(zhì)(見(jiàn)表2)和Buswell方程[23]，計(jì)算出本研究在平均有機(jī)負(fù)荷為10.86 g/(L·d)時(shí)，連續(xù)流運(yùn)行過(guò)程中單位基質(zhì)甲烷產(chǎn)率為220.0 mL/g。袁宏林等[12]4119研究結(jié)果表明：采用相同溫度、連續(xù)流運(yùn)行模式和基質(zhì)，在不同構(gòu)型的動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器中，能夠在較低的有機(jī)負(fù)荷(2.78 g/(L·d) )和更長(zhǎng)的HRT(30 d)運(yùn)行條件下，獲得更高的單位基質(zhì)甲烷產(chǎn)率(305.0 mL/g)。ZHOU等[5]611-614進(jìn)行FW和CS的混合發(fā)酵批次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單位基質(zhì)的甲烷產(chǎn)率為272.0 mL/g；DAVID等[22]的研究結(jié)果表明，用相同基質(zhì)獲得最高單位基質(zhì)甲烷產(chǎn)率為251.9 mL/g；與本研究相比，單位基質(zhì)甲烷產(chǎn)率接近，但本研究基質(zhì)甲烷轉(zhuǎn)化程度相對(duì)較低。雖然與FW混合發(fā)酵能夠促進(jìn)CS的產(chǎn)甲烷效能[5]611-615，但水解仍是限制CS降解的主要步驟[24]，可通過(guò)預(yù)處理提高CS的利用效率和厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷性能[25]。其中，生物預(yù)處理對(duì)環(huán)境影響較小，后續(xù)可采取牛糞、瘤胃液或外源酶投加的方式對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行生物強(qiáng)化，進(jìn)一步提高CS和FW連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)行效能。

2.3 連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)膜截留效能

連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)的運(yùn)行效能及其穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)膜的形成及其截留效能密切相關(guān)[26]。根據(jù)動(dòng)態(tài)膜的通量變化，動(dòng)態(tài)膜可分為形成、穩(wěn)定運(yùn)行和再生階段[12]4120。第50天對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行氣反洗操作，并記錄了后續(xù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)膜跨膜壓差、通量和濁度的變化以及滲濾液中TCOD的變化(見(jiàn)圖7)，可從宏觀角度說(shuō)明動(dòng)態(tài)膜的形成過(guò)程。反洗恢復(fù)正常運(yùn)行后，前1.1 h內(nèi)系統(tǒng)通量較高但出料濁度較高(大于1 000 NTU)，出料TCOD與其變化一致。表明氣反洗操作效果顯著，且前期動(dòng)態(tài)膜還未形成，截留效果較差。隨著跨膜壓差的升高(10～23 h)，出料濁度出現(xiàn)顯著下降，60 h后降至100 NTU以下。65 h后通量最終穩(wěn)定在0.37～0.43 L/(m2·h-1)，跨膜壓差小于30 kPa。此時(shí)，出料TCOD由起始的4.85 g/L降至1.55 g/L左右，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物和微生物菌群的穩(wěn)定截留。與動(dòng)態(tài)膜系統(tǒng)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用相似，在高濃度有機(jī)固廢領(lǐng)域，系統(tǒng)產(chǎn)甲烷效能因動(dòng)態(tài)膜對(duì)有機(jī)物和微生物的截留效果變差相應(yīng)減弱。雖然較高的含固率能夠加速動(dòng)態(tài)膜的快速形成，但相應(yīng)的反洗再生周期縮短且通量較低，如何真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)膜濾餅層的動(dòng)態(tài)調(diào)控策略有待進(jìn)一步研究，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)的長(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié) 論

(1) CS和FW厭氧發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)最優(yōu)基質(zhì)混合比CS/FW為2.399。

(2) 在接種比不高于0.815時(shí)，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。以HRT和有機(jī)負(fù)荷分別為8.33 d和10.86 g/(L·d)為初始條件啟動(dòng)連續(xù)流CS和FW厭氧混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷系統(tǒng)，從運(yùn)行產(chǎn)氣性能、穩(wěn)定性能和動(dòng)態(tài)膜固液分離性能(跨膜壓差、通量、濁度和出料TCOD)綜合評(píng)估了該系統(tǒng)連續(xù)流啟動(dòng)和運(yùn)行效能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：通過(guò)批次試驗(yàn)優(yōu)化CS/FW和接種比，能夠較好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)流動(dòng)態(tài)膜厭氧混合發(fā)酵系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行；連續(xù)流混合發(fā)酵系統(tǒng)獲得較高的平均系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量1.68 L/(L·d)，未發(fā)生酸抑制且運(yùn)行穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)膜截留特性能實(shí)現(xiàn)較好的出料質(zhì)量，同時(shí)能在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低出料濁度(<100 NTU)，跨膜壓力增長(zhǎng)緩慢，通量穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。

表5 CS和FW混合發(fā)酵提升厭氧發(fā)酵性能的對(duì)比Table 5 Comparison of the enhancement performance of co-digestion with CS and FW