基于Monod方程测定厌氧污泥活性

潘君廷， 邱 凌,2， 马俊怡， 徐 锐

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院， 陕西 杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学 农业部农村可再生能源开发利用西部实验站， 陕西 杨凌 712100； 3. 云南师范大学 能源与环境科学学院， 云南 昆明 650500)



基于Monod方程测定厌氧污泥活性

潘君廷1， 邱 凌1,2， 马俊怡1， 徐 锐3

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院， 陕西 杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学 农业部农村可再生能源开发利用西部实验站， 陕西 杨凌 712100； 3. 云南师范大学 能源与环境科学学院， 云南 昆明 650500)

文章根据Monod方程和厌氧消化理论提出了用厌氧污泥的最大比产气速率(Umax·gas)代替最大比产甲烷速率(Umax·CH4)作为评价厌氧污泥活性的指标，并尝试采用淀粉作为厌氧消化基质，在35℃±2℃和30℃±2℃条件下分别进行相应的测定实验，测定实验持续进行了60个小时。结果表明：可以通过测定厌氧污泥的最大比产气速率(Umax·gas)来评价厌氧污泥活性，并得到其测定条件为：温度为30℃±2℃时，测定时间段为实验启动后的第30小时至第40小时；温度为35℃±2℃时，测定时间段为实验启动后的第12小时至第18小时。待测污泥在30℃时的活性高于35℃时的活性。

厌氧污泥活性； 测定方法； 测定条件； 最大比产甲烷速率； 淀粉

目前国内大中型沼气工程启动通常需要3～6个月的周期，并且基本停留在自然消化的水平，启动前负荷通常较低，已对沼气工业的健康快速发展形成了制约[1]。厌氧污泥活性的变化能在一定程度上反映出某种抑制性因素或是非降解性和难降解性有机物在污泥中的积累[2]。由此可知，培养出高活性的厌氧污泥，及如何快速准确的检测出厌氧污泥活性的研究迫在眉睫。目前，对于厌氧污泥活性的检测一直处于不断寻求之中[3]，就目前能找到的相关文献看，多数采用产甲烷活性[4-9](Umax·CH4),脱氢酶活性[10-11]，辅酶F420活性[12]等来表征厌氧污泥活性，这些方法都建立在产甲烷阶段是厌氧消化反应的限速阶段的基础上。但由厌氧消化理论可知：不同厌氧消化底物的限速阶段不同。就目前很大一部分原料而言，水解阶段是整个厌氧消化过程的限速阶段[13]，单独采用产甲烷阶段厌氧污泥活性来表征厌氧污泥活性具有一定的局限性。如能找到一种快速准确地检测出厌氧污泥活性的检测方法，将对于深入研究培养高活性污泥、厌氧消化活性添加剂[14]、物料前处理[15]等因子对产甲烷体系的影响，以及借助分子生物学的方法如全细胞杂交[16]，实时荧光定量PCR[17]和基因序列分析[18]等建立产甲烷微生物群落特征与厌氧污泥活性的联系等后续研究具有深远的意义。

笔者通过对厌氧消化理论的研究和Monod[19]方程的分析推导认为：可以通过测定污泥的最大比产气速率(Umax·CH4)来表征污泥活性，并通过实验进行验证,得出了相应的测定条件。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验材料

可溶性淀粉(分析纯)。

厌氧污泥取自农业部农村可再生能源开发利用西部实验站常温下长期驯化的产甲烷污泥。

测定污泥及加水溶解后淀粉的pH值，TS，VS，VSS值见表1。

表1 原料的TS，VS，pH值及VSS值

1.1.2 实验装置

自制500 mL实验型批量式厌氧消化装置(见图1)。

1.温控仪； 2.交流接触器； 3.水槽； 4.电热管； 5.热电偶； 6.循环水泵； 7.厌氧消化瓶； 8.取样口； 9.玻璃三通； 10.集气瓶； 11.计量瓶图1 厌氧消化装置图

1.2 实验方法

测定分别在35℃±2℃和30℃±2℃恒温条件下同时进行，每种温度下各一组空白对照。实验组及对照组的料液配比如下：

实验组：30%接种物，60 g淀粉，加水至2800 mL，厌氧消化料液混合均匀后分装在6个厌氧消化瓶中，每个厌氧消化瓶400 mL。

对照组：30%接种物，加水至1200 mL，接种物分装在两个厌氧消化瓶中，每个厌氧消化瓶400 mL。

实验组料液初始pH值为7.37，对照组料液初始pH值为7.46。

初始厌氧消化料液的TS，VS浓度及物质的COD(文章中涉及的所有的COD均是指厌氧污泥或厌氧消化料液经φ12.5定量滤纸抽滤后清液的COD)见表2。

1.3 测试内容及方法

1.3.1 测试内容

淀粉的TS，VS，原料接种物以及厌氧消化前后料液的TS，VS采用常规分析法[20]。

VSS采用标准方法测定[21]。

COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)。测定方法参照国标GB/T 11914-89。

pH值：用pHS-3C精密酸度计(上海虹益仪器仪表有限公司，04c-482型)测量。

产气情况记录：实验采用排水法收集气体，每2个小时准时记录各套装置的产气量，以3个平行样的平均产气量为最终产气量，用火焰颜色法[22]判断所产沼气中甲烷的含量。

1.3.2 分析方法

最大比产气速率(Umax·gas)定义为：每克VSS(间接代表厌氧污泥生物量)每小时的最大气体产量，单位为mL·g-1VSSh-1

由Monod方程:

U=Umax×S/(Ks+S)

可得出：

(1)

式中，S为基质浓度，gVS·L-1；t为时间，h；Umax为基质的最大比降解速率，h-1；X为饱和微生物浓度，gVSS·L-1；Ks为饱和常数，g·L-1。

由于厌氧条件下，污泥净产率系数很小。因为反应器中微生物浓度X较高，而微生物增量ΔX远小于X。因此，可近似的认为X不变。在测量区，反应器混合液中溶解气体已经饱和，溶于混合液中的气体可以忽略不计。在厌氧系统中，淀粉厌氧消化产沼气速率与基质降解速率成正比，由此可得：

(2)

式中，Vgas为间歇反应开始后的累积产气量，mL；Yg为基质对气体的转化系数，mL·g-1VS；VR为反应器反应区容积，L。

由公式(1)和公式(2)可知：

(3)

反应初期，基质浓度较高，S≫Ks，Ks可忽略不计。原式可化简为：

(4)

令Umax·gas=YgUmax可得到最大比产气速率为：

(5)

在反应启动阶段，由于底物充足，由米氏方程可知：在一段时间内反应为零级反应。因而，比产气速率为常数，数值等于最大比产气速率。常数Umax·gas表示微生物降解有机基质的最大能力。对于同一基质，Umax·gas越大，该厌氧污泥的活性越强。用Umax·gas可以比较不同厌氧污泥在相同环境的活性，还可比较同一厌氧污泥在不同环境(如不同基质、温度等)的活性。 Umax·gas大则基质降解速率快，厌氧污泥活性高，否则机制降解速率较慢，厌氧污泥活性低。

2 结果和讨论

表2为料液厌氧消化前后的TS，VS，COD及pH值的测定结果。本实验的厌氧消化时间为60小时，30℃和35℃时的产气量及pH值变化情况分别见图2～图5。

表2 厌氧消化料液的TS，VS，COD及pH值

由表2可知，实验组中与厌氧消化前相比，厌氧消化后料液的TS和VS值均下降，COD的值升高，pH值降低。对照组，与厌氧消化前相比，厌氧消化后料液的各项指标基本不变。

图2 30℃条件下产气量和pH值变化曲线

图3 35℃条件下产气量和pH值变化曲线

图4 30℃条件下累积产气量曲线

图5 35℃条件下累积产气量曲线

由图2和图3知：30℃条件下，实验进行至10小时时开始产气，pH值先是小幅波动而后一直降低并在第50小时降到最低值，而后慢慢上升。35℃条件下，实验进行至8小时时开始产气，pH值先是急剧下降而后上升，并在合理的范围内波动。整个实验过程中，对照组不产气。

由图4和图5可知：30℃条件下整个过程累积产气量为2590 mL。35℃条件下整个过程累积产气量为3575 mL。

30℃条件下，实验进行到24小时产生的气体可以持续燃烧且之后产生的气体均可以持续燃烧。35℃条件下，实验进行到14小时产生的气体可以持续燃烧且之后产生的气体均可以持续燃烧。

综合考虑产气曲线变化趋势、实验测定时间、线性回归方程与累积产气量的相关关系、气体中甲烷含量变化等因素，30℃条件下选择实验启动后第30小时至第40小时的时间段作为测量区间,35℃条件下选择实验启动后第12小时至第18小时的时间段作为测量区间，如图4和图5所示。

30℃条件下的整个厌氧消化过程中，TS降解率为15.65%，VS降解率为74.04%，COD升高为14000 mg·L-1，pH值降低为6.33。35℃条件下的整个厌氧消化过程中，TS降解率为38.42%，VS降解率为77.41%，COD升高为24000 mg·L-1，pH值降低为6.32。由于淀粉易于水解，所以TS和VS降解率都比较高。淀粉被水解产酸菌利用，主要产生可溶性糖类，而后被降解为挥发性脂肪酸，因而COD上升较大。

30℃条件下的整个厌氧消化过程中，产气量先是整体呈上升趋势，而后出现波动，自第42小时开始下降，持续10个小时并自第52小时开始恢复正常状态。期间pH值一直呈下降趋势，第50个小时达到最低值5.17，而后逐渐上升并保持稳定。随着pH值的降低，产气量也逐渐降低，并在pH值达到最低时产气量也急剧下降，趋于最低。随着pH值的恢复产气量也逐渐恢复正常。整个过程中，气体从反应开始后第24个小时能持续燃烧，之后整个实验过程均可以持续燃烧。此时，根据火焰颜色法可知：甲烷含量在55%左右。

35℃条件下的整个厌氧消化过程中，产气量先是整体呈上升趋势，期间出现3个产气高峰，第一次产气高峰出现在第12小时，第二次产气高峰出现于第28小时，第三次产气高峰出现于第54小时，随后产气量一直保持稳定。随着pH值的降低，产气量也逐渐降低，并在pH值达到最低时产气量趋于最低。随着pH值的恢复产气量经过轻微的波动后恢复正常。整个过程中，气体从反应开始后第14小时均可以持续燃烧。此时，根据火焰颜色法可知：甲烷含量在55%左右。

与35℃条件下相比30℃条件下实验启动慢，60个小时内累积产气量低，线性回归区间出现得晚。这主要是由于适宜范围内温度的提高有利于提高产气速率。

在30℃条件下：由图6可知，测量区间内所测得的实验数据可以建立线性回归方程为：

y=168.4x+539.7，R2=0.9982

由公式(5)可知：

图6 30℃条件下测量区内累积产气量曲线及回归方程

在35℃条件下：由图7可知，测量区间内所测得的实验数据可以建立线性回归方程为：

y=158.0x+90.0，R2=0.9962

由公式(5)可知：

图7 35℃条件下测量区内累积产气量曲线及回归方程

由此可知，虽然35℃条件下产气较快，但是35℃条件下最高比产气速率低于30℃条件下，该厌氧污泥在30℃条件下活性高于35℃条件下。这可能是由于待测厌氧污泥主要是在室内常温下驯化的，室内温度处于21℃至26℃之间，因此厌氧污泥在30℃条件下活性高于35℃条件下。

尽管不是所有的基质的降解过程都符合Monod公式，但是如果初始基质浓度较高，不存在基质抑制作用，在反应初期一段时间内总会呈零级反应，同样适合该公式[23]。该方法以淀粉为消化基质进行厌氧污泥活性的测定是由于淀粉降解过程包含了水解、产氢产乙酸和产甲烷整个厌氧消化过程。所用淀粉为分析纯，降解底物成分已知，不含其他不可控或未知影响因素等，在新方法建立实验过程容易进行因素控制。与人工配置的VFAs(挥发性脂肪酸)基质测定厌氧污泥产甲烷活性相比，该方法要经过水解、产氢产酸阶段，这与厌氧消化过程可以较好吻合。因此，与最大产甲烷速率表征厌氧污泥活性相比，最大比产气速率表征厌氧污泥活性将更具有实际意义。

将30℃条件下和35℃条件下测量厌氧污泥活性对比分析可知，35℃条件下线性回归区间出现得更早，但30℃条件下曲线的回归模型更好。由此，同一厌氧污泥在不同条件下活性不同，需根据待测污泥的特性合理选择测量温度并确定合理的测量区间。

3 结论与展望

笔者提出了一种测定厌氧污泥活性的新方法，通过测定厌氧污泥最大比产气速率来表征厌氧污泥活性。并以淀粉为消化基质做了验证实验，探索出厌氧污泥活性的测定条件为：30℃恒温条件下测量时间为：实验启动后第30小时至第40小时的时间段；35℃恒温条件下测量时间为：实验启动后第12小时至第18小时的时间段。

由Monod公式导出的厌氧污泥最大比产气速率Umax·gas可以作为厌氧污泥活性指标。与厌氧污泥最大比产甲烷速率表征的厌氧污泥活性相比，厌氧污泥最大比产气速率包含了原料的水解、产酸阶段，更贴近于厌氧消化实际，对于实现厌氧消化过程中厌氧污泥活性监控具有一定意义。

由于目前大中型沼气工程多采用中温厌氧消化，因此选取30℃和35℃两个温度下进行厌氧污泥活性的测定，后续将根据大中型沼气工程的温度条件继续进行不同温度梯度的厌氧污泥活性测定方法的探究。后续将进行将Umax·gas应用于比较同一条件下不同厌氧污泥活性或同一厌氧污泥不同条件下(如降解不同基质，不同温度条件等)的验证实验。在实际应用过程中，还应根据大中型沼气工程实际采用的厌氧消化原料来进行厌氧污泥活性的测定。

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Determination of Anaerobic Sludge Activity Based on Monod Equation /

PAN Jun-ting1, QIU Ling1,2, MA Jun-yi1, XU Rui3/

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2.Northwest Research Center of Rural Renewable Energy Exploitation and Utilization of M.O.A, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. School of Energy and Environment Science, Yun Nan Normal University, Kunming 650500, China)

It was proposed in this paper that the maximum specific biogas production(Umax·gas) could be taken as sludge activity indicator instead of maximum specific methane production(Umax·CH4) based on Monod equation and anaerobic digestion theories. The corresponding experiments were carried out with starch as substrate and under condition of 35℃±2℃ and 30℃±2℃ respectively. The experiment lasted for 60 h. The results indicated that it was possible to adopt the maximum specific biogas production as indicator for sludge activity evaluation, and the determination conditions were temperature of 30℃±2℃, beginning the determination after system starting up for 30 h～ 40 h, or under temperature of 35℃±2℃, beginning the determination after system starting up for 12 h～ 18 h. The sludge activity under 30℃±2℃ was higher than that under 35℃±2℃.

activity of anaerobic sludge; determining method; determination condition； maximum specific gas production

2015-12-23

项目来源： 国家自然科学基金(51576167)

潘君廷(1989- )，男，山东栖霞人，博士，主要从事生物质能方面的研究工作，E-mail：panjunting@vip.qq.com

邱 凌，E-mail:QL2871@126.com

S216.4;X703

A

1000-1166(2016)02-0030-06