水葫芦生物降解动力学实验研究

唐颖婴 于兆祥

同济大学化学院生态环境研究室 （上海 200092）

水葫芦生物降解动力学实验研究

唐颖婴 于兆祥

同济大学化学院生态环境研究室 （上海 200092）

以富含纤维素的水葫芦粉末为发酵底物，经驯化的厌氧污泥为接种物，在中温条件下（34℃）进行了探索性实验。计算了序批式厌氧发酵过程的主要生物动力学参数。给出了发酵过程的比基质利用常数K=0.058 d-1和基于底物投料量P（以VSS计，g/L）与接种污泥量X（以MLVSS计，g/L）的水解速率方程r=1.40P+20.07X-53.74。实验中测定所产生物气中最高甲烷含量为59%。

水葫芦 厌氧单相发酵 基质利用常数 水解速率方程 产甲烷

0 引言

水葫芦植物体中所富含的纤维素可用来发酵制沼气，在治理水葫芦固体废物的同时也可将其资源化利用。污水处理厂二沉池污泥同样是一种难以处理的废弃物，其含水量通常高达95%以上，无法直接填埋处理。但二沉池污泥中含有丰富的厌氧菌群，并且通常具有较强的抗酸化能力，也没有传统畜粪接种物的氨氮积聚问题，是厌氧发酵接种物的理想稳定来源。本实验对以厌氧污泥为接种物对水葫芦进行发酵产气实验作了初步探讨，根据实验结果，以投料量和接种污泥量为基准计算了发酵过程中的两个主要生物动力学参数，即比基质利用常数和基质水解速率；并对发酵过程中生物产气量和甲烷含量进行了测定，为发酵过程的运行和操作以及水葫芦的能源化利用提供了理论依据。

1 实验方法

1.1 基质

实验采用的水葫芦是从黄浦江十六铺码头处打捞收集，经过自然风干6 d后手工分拣除去其中的泥沙、大块垃圾，并切分为茎秆部分和根须部分，在台秤上称重。经烘箱在120℃下烘烤12 h后，称重，用家用粉碎机粉碎并过筛去除细小沙砾，手工筛分成颗粒度为60目（钢丝）以下的粉末，置于干燥器中保存。实验中所使用的发酵基质为水葫芦茎秆部分脱水粉末，原含水量为92%。水葫芦粉末在混合发酵液中的浓度以挥发性悬浮固体VSS（g/L）计量。

水葫芦干粉中碳氮比约为5∶1,满足一般厌氧细菌生长的最佳碳氮比，无需外加氮源。

1.2 接种物

原污泥为曲阳污水厂二沉池沉淀污泥，经6个月驯化培养后形成的颗粒化厌氧污泥，污泥生物相在混合发酵液中的浓度以混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS（g/L）计量。测定原厌氧污泥（已浓缩），各评价指数见表1。

表1 污泥各项评价指标

培养后的厌氧污泥较原二沉池污泥凝聚沉降性能更好，经反复淘洗洗去残余基质，并过筛除去砂石与未颗粒化胶团，将污泥浓缩成为发酵接种物。

1.3 中温厌氧发酵试验装置

本试验采用6个100mL锥形瓶，水浴加热，温度保持在34℃左右，采用一次性加料，序批式运行。加料分为两组污泥接种量，每组中水葫芦基质加入量又分为三个水平。加入基质与接种污泥后定时震荡，使其充分混合。加入物料后密封，顶空部分充氮气，保持在严格的厌氧环境下发酵，人工定时振荡玻璃瓶进行搅拌，用针筒从软橡胶密封的取样口抽取污泥上清液分析。发酵产生的气体从发酵罐顶部的导气管导出进入集气袋中，定时抽取测定体积与组分。同时为排除固相有机颗粒水解的因素，采用水葫芦基质经过同种污泥厌氧水解的混合液上清液为基质，进行6组平行试验测定基质利用常数，基质初始浓度水平与相对应的厌氧发酵试验装置中的相一致，人工定时震荡进行搅拌并抽取上清液分析。

1.4 实验分析手段

活性污泥的各项评价指标（MLSS、MLVSS、SV、SVI）实验的操作参考《环境工程实验》推荐的实验方法[1]；水葫芦粉末完全消解并测定COD，采用标准重铬酸钾消解法（消解液浓度为0.4mol/L，消解温度为170℃，持续时间20min，滴定用硫酸亚铁铵浓度为0.049 3mol/L）[2-3]；混合液中可溶性总碳（STC）采用上清液经滤膜过滤后使用一台TOC测定仪（TOC-V CND SHIMADZU）测定[4]。所产生生物气以体积置换法测定体积，使用一台气相色谱仪（GC-7890T）测定生物气组。

2 试验结果与分析

本实验主要对基质水解过程的影响因素作了研究，分以下几个方面：

（1）自然溶出所占STC比值

通过重铬酸钾消解法计算得到投料量为1 g（VSS）/L水葫芦干粉末（茎叶部分）完全消解于25 mL消解混合液后的COD值为172 526mg/L，纤维素简单分子式为（C6H10O5）n，则通过计量换算可知投料量P为1 g（VSS）/L水葫芦干粉末（茎叶部分）完全水解后的可溶性有机物（以可溶性总碳值STC计）为3 235mg/L。水葫芦茎叶部分的含水量以92%计算，则新鲜水葫芦理论上能达到的P最大值为80 g（VSS）/L，理论上在消化过程基质完全水解能够达到的最大的STC值为248 430mg/L。在34℃温度下，投料量 P 分别为 10、20、30、40 g（VSS）/L，空白溶出实验中发现，每克水葫芦干粉末（茎叶部分）纯自然溶出产生的STC仅为33.24mg/L，仅占理论完全水解值的1%，可见水葫芦粉末颗粒中不可溶的纤维素及半纤维素物质占绝大多数。在发酵过程中产生的可溶性有机物主要是由生物相对固态颗粒的水解反应提供的。

（2）比基质利用速率计算

已知某时间差Δt内混合液中STC浓度的变化ΔC，由于发酵过程中生物相对混合液中可溶性基质STC的利用与对固相的水解反应是同时进行的，为测定排除了水解速率r影响的生物相消耗可溶性有机物的速率f和比基质利用常数K，采用经过厌氧水解的混合液上清液为基质排除固相有机颗粒水解的因素，进行可溶性有机物［以mg（STC）/L计］的利用速率f的测定。

图1总结了中温（34℃）条件下两组污泥浓度，3种初始STC水平的6组基质利用实验中STC值的变化，C1～C3 MLVS 为 2.98 g/L，C4～C6 MLVSS 为3.78 g/L。10 d中各反应器内的基质利用基本呈线性。

相近初始STC浓度的C1、C2、C3与相对应的C4、C5、C6在基质的利用速率上几乎重合，表明生物相浓度的增加即增加基质利用酶浓度对基质的利用速率并没有明显的影响，但STC的利用速率与上清液中STC值基本成正比。

表2 基质利用速率计算

采用6组数据的线性段共30个取样点的回归计算得到34℃、污泥浓度2.98～3.78时，比基质利用常数 K=0.058 d-1。

（3）水解速率计算

图2总结了中温（34℃）条件下两组污泥浓度，3种投料水平的6个厌氧反应器在进入发酵稳定期后混合液中可溶性有机物［以mg（STC）/L计］的变化趋势，其中TVSS为混合液中总挥发性固体浓度，TVSS=MLVSS+VSS。

各反应器在进入稳定运行期后反应器内STC值趋向于平稳，且平均STC值高于纯溶出的理论最大值。在整个消化过程中，颗粒中难溶物质（主要是纤维素和半纤维素）的水解溶出与可溶有机物的利用是同时进行的，根据质量守恒原理，每一时刻反应器内STC浓度同时受水解产物量和该时刻产基质利用量的影响，由于试验期间对混合液中STC浓度的监测具有不连续性，故对质量守恒式采用离散化处理得到ΔC=rΔt-fΔt。由比基质利用常数K可计算出各时段内的基质利用速度和基质利用量，由实验测得各时间段内的可溶性有机物浓度变化ΔC值（以STC计）可计算得到各反应器在各时间段内的水解速率常数r，并进一步可计算稳定运行期内平均水解速率常数r，见表3和图3。

在相同投料量P时，污泥接种量X的提高显著提高了反应器内STC的初始浓度和平均浓度，也提高了平均水解速率但的值与混合液浓度T基本呈一次函数的形式。可先假设水解速率同时受投料量P和污泥接种量X控制，可将改写为r'其中其中r'是系统影响因子为一常数，r0为仅受X影响的水解速率基本值，线性部分系数Ks'是受T影响的广义比水解速率常数，由于T=P+X，假设实验过程中生物相浓度X为常数，设K0'是仅仅X影响的广义比水解速率常数，则上式可写作，其中(Ks'+K0')X 为常数项，经回归计算得

表3 中温条件下稳定期内各反应器中平均水解速率常数计算

表3 中温条件下稳定期内各反应器中平均水解速率常数计算

以投料量P和接种量X为预测因素的水解速率的双因素方程可写作：

（4）产气量与气体组分

实验进入5 d后各反应器内的生物气中甲烷浓度达到峰值，各反应器生物气的产气速率及峰值甲烷浓度见表4。

表4 各反应器产气速率与峰值甲烷浓度

较大的投料率并未进一步增加产气速率，经分析可能是由于过大的投料量引起了丙酸积聚,抑制了产甲烷菌产气所致。在同等投料率下，接种污泥的增加并未明显增加产气速率，对生物气中甲烷含量的影响亦不明显，见图4。

3 结论

由于纤维素类基质的难降解性和甲烷菌的长生长周期，根据Monod公式，生物相对水解产物的利用速率可以简化为仅受混合液中可溶性有机物浓度控制的一级反应，即f=0.058 4C。分析水解速率的双因素方程可看出，在生物相浓度较低的条件下提高生物相浓度对提高水解速率的贡献远大于提高投料量的贡献。实际操作中，投料量的取值可达到7.09～27.78 g/L，由于污泥压缩体积的限制，厌氧污泥中MLVSS的取值难以做到4.0 g/L以上，因此从数量级分析来看，不能忽略投料量的改变，由此推导水解速率方程的假设成立，即投料量和接种量是影响水解速率的两个主要因素。投料配比P 为 14～27 g（VSS）/L，X 为 3.0～4.0 g（MLVSS）/L 的区间内，在运行5 d后生物气中甲烷含量达到峰值，综合考虑累积产气量和甲烷含量，最适宜的投料配比应为 P=14.08 g（VSS）/L，X=3.01 g（MLVSS）/L。

[1]徐竟成,章非娟.环境工程实验 [M].北京:高等教育出版社,2006,135-150.

[2]国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法.第4版 [M].北京:中国环境科学出版社,2002:236-239.

[3]季天委.重铬酸钾容量法中不同加热方式测定土壤有机质的比较研究 [J]． 浙江农业学报，2005，17（5）：311-313．

[4]吴季松，刘雅鸣．水利技术标准汇编．水资源水环境卷．分析方法 [M].北京:中国水利水电出版社,2002:594-595,613-616.

[5]Hyohak Song,William P,Clarke.Cellulose Hydrolysis By A Methanogenic Culture Enriched From Landfill Waste In A Semi-Continuous Reactor[J]．Bioresource Technology,2008:1-6.

[6]周群英,高廷耀.环境工程微生物学.第2版 [M].北京:高等教育出版社,2000,83-94.

Study on Degradation Kinetics of Eichhornia Crassipes

Tang Yingying Yu Zhaoxiang

This article used E.Crassipes powder which is rich in cellulose for the fermentation substrate,and acclimated anaerobic sludge for supplement.And in the medium temperature conditions (34 ℃)carried out exploratory experiments.The main bio-kinetic parameters of the sequence batch anaerobic fermentation process was calculated.The results showed the related substrate utilization rate K=0.058 d-1and the hydrolysis rate equation based on substrate quantity P (VSS,g/L)and supplement sludge quantity X(MLVSS,g/L).It also determined the highest content of methane in the biogas is 59%during the experiment.

E.Crassipes;Single-phase anaerobic fermentation;Substrate utilization rate;Hydrolysis rate equation;Methane

X 172

唐颖婴 女 1984年出生 硕士研究生 主要从事生物质厌氧发酵工艺研究

2010年2月