糖类基质厌氧发酵产甲烷特性研究*

杨海静， 张艳萍

(北京工商大学环境科学与工程系，北京　100048)



糖类基质厌氧发酵产甲烷特性研究*

杨海静， 张艳萍

(北京工商大学环境科学与工程系，北京100048)

糖类基质产甲烷是厌氧发酵技术研究中的重要内容，许多复杂的有机物都要先水解为可溶性糖，再进一步产酸、产甲烷。试验以葡萄糖为碳源，研究了温度、pH、污泥浓度对厌氧发酵产甲烷的影响。采用L9(33)正交实验表，通过甲烷含量指标的综合考察，得到pH是对产甲烷过程影响最大的因素。产甲烷最优组合为温度35 ℃、pH=7.5、污泥浓度30 gVSS/L。在上述条件下，以不同COD浓度的淀粉为碳源，研究其厌氧发酵产甲烷过程中各指标的变化规律。结果表明，中浓度条件更有利于产甲烷，高浓度条件容易产生有机酸积累导致甲烷产率低。

厌氧发酵；糖类基质；甲烷

糖类基质是厌氧发酵技术利用的重要原料之一[1]。厌氧发酵理论认为，复杂的有机物首先要水解为可溶性糖类、氨基酸、脂肪酸等物质才能进行下一步的产酸阶段和产甲烷阶段[2]。作为发酵工业的主要副产物，糖类基质是有机废水中的主要污染物。大量的有机废水水解产物中富含可溶性糖类[3]。当以溶解性糖类为主要基质进行厌氧发酵时，由于糖类基质代谢速度快，产酸阶段反应时间短，使得产甲烷阶段成为整个发酵过程的限制阶段。因此，优化产甲烷阶段的主要影响因素成为整个糖类基质厌氧发酵过程的关键问题。

本文针对糖类基质的厌氧发酵过程，选取初始pH值、温度、污泥浓度、有机物浓度等主要影响因素进行研究。探索糖类基质厌氧发酵的最优条件及其产气特性，对进一步了解富含糖类基质的各类有机废水厌氧产沼气的规律具有一定的参考价值。

1　实　验

1.1试验装置与运行

实验装置分为两种，一种是由500 mL厌氧发酵瓶，1 L的集气瓶和250 mL量筒三部分组成。发酵瓶分别置于中温水浴锅中，该组装置用于记录产气量。另一种装置是由500 mL厌氧发酵瓶和500 mL集气袋组成，该组装置用于取样测试。

1.2材料与方法

采用COD=2000 mg/L的合成废水(以葡萄糖为碳源，微量元素[4]：KAl(SO4)2：10 mg/L， NiCl2·6H2O：10 mg/L， CoCl2·6H2O：200 mg/L，ZnCl2：50 mg/L，MnCl2·6H2O：100 mg/L，CaCl2·2H2O：100 mg/L)(C:N:P=200:5:1)。厌氧发酵正交因素水平表如表1所示，按照正交实验表接种污泥、调pH值并加入0.4 g NaHCO3[5]，组装完成后，向每组发酵瓶中通入氮气5 min，保证厌氧环境。

以淀粉作为碳源，分析这一类糖类机制对厌氧发酵产甲烷的影响。实验条件为：正交试验得出的最佳组合条件，同样加入NaHCO3作为pH缓冲物质。

表1　正交因素水平表

1.3检测指标及方法

VFA组分含量测定采用气相色谱法[6](采用瓦里安气相色谱仪，CP-Wax58(FFAP) 型毛细色谱柱 25 m×0.32 mm×0.2 μm)。

甲烷含量测定采用气相色谱法 (型号：SP3801)，色谱柱 porapak Q(3 m×3 mm)。色谱条件：进样口温度50 ℃，检测容温度50 ℃，柱温：30 ℃，桥电流：100 mA，柱前压：0.2 MPa，每次进样量：1 mL。

多糖的测定采用苯酚-硫酸法[7]。

2　结果与分析

2.1正交实验结果分析

表2　正交试验结果

以甲烷含量为目标，采用极差法对实验结果进行分析，见表3。

表3　甲烷含量极差分析表

由表3可知，以甲烷含量为指标时，最优组合为：A2B2C3。各极差r的大小顺序为B>C>A，即pH>污泥浓度>温

度，其中极差最大的是pH，表明以甲烷含量为指标时pH的影响最大，其次为污泥浓度，最后为温度。原因是厌氧发酵过程主要依靠三大类微生物类群，即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌的联合作用完成[8]，其中产甲烷阶段主要依靠产甲烷菌。产甲烷菌对pH的要求极为苛刻，一般 中温产甲烷菌的最适pH范围为6.8～7.2[8]，pH成为主要的影响因素。

2.2淀粉试验结果分析

2.2.1pH及VFA随发酵时间的变化

设置不同淀粉浓度，每隔8 h监测发酵液的pH和VFA，其变化如图3、图4所示。

图3　pH随发酵时间的变化

图4　VFA随发酵时间的变化

从图3可以看出后面两个试验组，发酵开始的前16h内，pH急剧快速下降，说明碳酸氢钠加入量不足以起到缓冲作用，引起了pH的下降。 COD=5000 mg/L条件下，pH在16 h后上升缓慢，最终保持在5左右。原因是产生了大量有机酸且酸性环境不适合产甲烷菌生存，导致有机酸积累。COD=4000 mg/L条件下，pH在16 h后有较大幅度的上升，原因是随着发酵的进行，产甲烷菌不断利用生成的有机酸，使得发酵液中有机酸浓度降低，pH也随之上升。其他实验组pH也有小幅度降低，32 h后趋于平稳，最终均保持在7左右。由图4可看出，发酵液中VFA从第8 h开始一直缓慢上升，表明随着发酵的进行，在发酵菌的作用下开始产酸并积累。除COD=5000 mg/L外，各试验组在第40 h左右时到达高峰后开始逐步下降，原因是40 h以后在产甲烷菌的作用下，开始消耗脂肪酸，进入产甲烷阶段。而COD=5000 mg/L发酵液中 VFA继续上升，与该试验组pH和COD的变化趋势一致。

2.2.2COD和多糖随发酵时间的变化

不同淀粉浓度发酵过程中，COD和多糖随时间的变化如图4、图5所示。

图5　COD随发酵时间的变化

图6　多糖随发酵时间的变化

图5结果表明，COD的总体趋势是由高逐渐降低，在发酵前32 h COD下降速率最快。说明有机质的降解主要集中在前32 h。32 h后，各发酵液中COD都逐渐降低。COD去除率达90%以上。而COD=5000 mg/L中发酵液的COD一直保持在3000 mg/L左右，结合其pH变化趋势，证明高浓度的淀粉发酵容易导致有机酸积累。图6可看出在发酵前8h内多糖含量基本保持在初始值，说明此时淀粉还未被大量的转换，仍然以多糖形式存在。随发酵的进行，在第8～24 h多糖含量迅速下降，此时淀粉被大量的水解。24 h后多糖含量下降缓慢，原因是此时大量淀粉已经被降解利用。40 h后，多糖含量几乎为零，此时绝大部分淀粉已经水解利用。

2.2.3产气量和甲烷含量随发酵时间的变化

产气量直接显示了厌氧发酵的效果，不同淀粉浓度下产气量随时间的变化如图7、图8所示。

图7　产气量随发酵时间的变化

图8　甲烷含量随发酵时间的变化

图7中可以看出，COD=1000 mg/L在第8 h时就达到产气高峰。COD=5000 mg/L、COD=4000 mg/L、COD=3000 mg/L在发酵的第16 h达到了产气高峰。COD=2000 mg/L在24 h达到产气高峰。其中COD=5000 mg/L明显比其他实验组产气量大，产气达到240 mL。24 h后COD=4000 mg/L和COD=3000 mg/L发酵液的产气量一直保持较好水平。图8可看出各实验组在发酵的第24 h时甲烷含量达到了最高。其中COD=3000 mg/L组甲烷含量最高达到了52.52%，其次为COD=2000 mg/L组甲烷含量达到49.60%。COD=5000 mg/L组甲烷含量相对于其他各组最低仅为35.87%。24 h后甲烷含量有所下降，除COD=5000 mg/L组其他各组甲烷含量均保持在30%～40%。

3　结　论

综合考虑甲烷含量指标以及实际运行条件的控制，正交最优组合为温度35 ℃、pH=7.5、污泥浓度30 gVSS/L。

对于淀粉类基质的发酵，中浓度条件比低浓度和高浓度条件下的产气效果好，过程更好控制。高浓度条件容易产生有机酸积累，从而影响产气效果。厌氧发酵过程中加入适量的pH缓冲剂(碳酸氢钠)可以更好的控制发酵过程混合液的pH，保证产气过程的顺利进行。

[1]孟亮,王殿龙,艾平,等.葡萄糖厌氧产甲烷影响因素研究及优化[J].广东农业科学,2014(8):139-144.

[2]任南琪,王爱杰,马放.产酸发酵微生物生理生态学[M].北京:科学出版社,2005:82-113.

[3]贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京:中国轻工业出版社,1998:120-123.

[4]吴阳春.餐厨垃圾废水中温厌氧消化试验研究[D].湖南:湖南大学,2011:1-74.

[5]Lay J J, Li Y Y, Noike T. Influences of pH and moisture content on the methane production in high-solids sludge digestion[J].Water Research,1997,31(6):1518-1524.

[6]秦清. 剩余污泥发酵液为碳源合成 PHA 的工艺研究[D].北京:北京工商大学.2013:1-76.

[7]徐光域,颜军,郭晓强,等.硫酸-苯酚定糖法的改进与初步研究[J].食品科学，2005,26(8):342-346.

[8]万松,李永峰,殷天名.废水厌氧生物处理工程[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2013：3-84.

Study on Characteristic of Anaerobic Methane Production from Carbohydrate*

YANGHai-jing,ZHANGYan-ping

(Department of Environmental Science and Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

Carbohydrate is a type of important substrate of anaerobic fermentation technique to produce methane, many complex organics are first hydrolyzed to soluble sugar solution, further to produce acid and methane. The effects of temperature, pH, sludge concentration on anaerobic methane production were studied by using glucose as carbon source. Used the orthogonal test L9(33), got the effects of on producing methane by pH was the most influential factor in the process of gas production by consider about methane content. The optimal combination of methane production was at 35 ℃, pH=7.5, with sludge concentration 30 gVSS/L. The changes of the methane producing process were studied by using starch as carbon source. The results showed that the medium concentration was more favorable to the production of methane, and the accumulation of organic acids in high concentration can result in the poor of methane production.

anaerobic fermentation; carbohydrate; methane

国家“十二五”科技支撑项目(2014BAC28B01)；北京市自然科学基金(8112012)。

杨海静(1991-)，女，硕士研究生，主要从事水污染控制与防治方面的研究。

张艳萍。

X703.1

A

1001-9677(2016)07-0060-03