餐厨垃圾与污泥厌氧发酵动力学特性分析

第7期李浩，等：餐厨垃圾与污泥厌氧发酵动力学特性分析公式∞1如下：Acti、，ity：孥(1)式中：Activity为比产甲烷菌活性，gCH。一COD／(gVSS·d)；R⋯为最大产甲烷速率，gCH。一COD／d；S为污泥量(以VS计，下同)，g。1．5其他分析厌氧发酵分为4个不同阶段，水解阶段(hydrolysis，Hyd)、酸化阶段(acidogenesis，Acid)，乙酸化阶段(acetogenesis，Acet)和产甲烷阶段(methanogenesis，Meth)川，根据NevesL⋯的研究可用式(2)一式(5)表示：Hyd=(ycH。／350+CscoD‘V)(2)Acid=(ycH．／350+CT。F^·V)(3)Acet=(ycH．／350+C⋯。。·V)(4)Meth=ycH。／350(5)式中：Hyd、Acid、Acet和Meth分别为累积水解的COD、被酸化的溶解性COD、被乙酸化的溶解性COD和甲烷化的溶解性COD；Vc。。为甲烷体积，mL；V为接种污泥体积，L；C。。。。为溶解性COD浓度，g／L。C，。，。为TVFA浓度，gCOD／L；1gCOD理论上能产生350mLCH4。1．6动力学模型对批次实验的水解阶段、酸化阶段、乙酸阶段和产甲烷阶段以及产甲烷活性，使用Gompertz模型式(6)进行拟合：耻即唧{_exp[等∞。叫+1])(6)式中：P为基质的转化量，g(以转化的COD质量计，下同)；P0为基质潜在的转化量，g；R一为最大转化速率，gCOD／d；to为抑制时间，d；e=2．718281828。2结果与分析2．1不同基质对厌氧发酵过程的影响厌氧发酵动力学特性与微生物种群和代谢途径息息相关，而Gompertz模型被广泛应用于拟合和解析甲烷发酵的动力学参数，根据Gompertz模型中的最大反应速率R⋯和产气潜能P。比较每个步骤对厌氧发酵的影响。图1利用Gompertz模型拟合不同基质厌氧发酵四阶段结果，其转化速度为P，图2表示出各基质发酵过程中VFAs的变化。表3为基于图1、2计算的不同基质厌氧发酵4个阶段的动力学参数。时间dcS·lI、一I：·、lid；·机·t：·、1t-th：——拟ij}l、{I；⋯⋯拟合Acid；一一一拟合Acet；⋯拟合Meth。图1利用Gompertz模型拟合厌氧发酵4个阶段结果Fig．1Descriptionofthe4stagesinanaerobicdigestionmodifiedbyGompertzmodel水解阶段是将复杂的有机物水解为氨基酸、低级脂肪酸和单糖。如表3所示：Fw组、S组的R⋯和P。明显高于WAS组，是由于Fw和s组的主要成分为多糖，WAS组主要成分为蛋白’9o，而多糖较蛋白易水解¨⋯。s组受到WAS水解速率与潜能较低的影响，其尺⋯和P。低于Fw组。因此，混合基质s组中FW所占比例越大，其水解速率与水解潜能越高。酸化阶段是将水解产物(水溶解性COD)进一步转化为VFAs。在表3中，Fw、WAS和s组的酸化阶段与水解阶段相比，R⋯¨w。，均小于尺⋯。。刚。因为厌5432O00O导巡覃}睾毒辜万方数据0环境工程第36卷日戊酸；口r酸；_『碍酸；_乙酸【冬I2小M基匝的Ⅵ^s的变化Fig．2VariationofdifferentSstrateVFA氧发酵系统Fw、WAS和s组的部分水解产物未能及时转化成VFAs。如图2所示：厌氧发酵初期，Fw、WAS和s组与污泥恢复阶段相比冲击负荷较高，此时VFAs含量最高，但并未达到对反应系统的抑制程度¨“121，对发酵系统影响甚微。Fw组VFAs主要以乙酸为主，WAS组以丁酸为主，其最大值分别为85．33，75．62mg／L(以VFAs对应的COD质量计，下同)，而s组在反应初期存在丙酸，但后期也是以丁酸为主。所以污泥产生的VFAs是决定共发酵VFAs组分的关键。乙酸化过程是将所有C。。的VFAs转化为乙酸。由表3可知：在Fw、WAS和S组厌氧发酵过程中，尺⋯(ac。，与R⋯(。ci)几乎一致，系统中产生的有机酸基本能够比较及时地转化为乙酸，因此实验过程中VFAs几乎无积累。产甲烷阶段是将产生的乙酸转化为甲烷。由表3可知：Fw、WAS和S组甲烷化的基质分别占其水解化总量的87．81％、80．77％和84．55％，均具有较高的甲烷转化率。如图1和图2所示：由于Fw可生化降解性强，反应速率快，到第6天时，Fw组和S组甲烷产量几乎停止增加，相较于整个反应过程，VFAs的含量也处于较低水平，分别降至24．61，39．57mg／L，说明可生化降解部分已被转化为甲烷，反应结束，而WAS组反应结束则需要9d。综上所述，FW反应快，使得共发酵反应速率的加快。因此，混合基质中Fw的比例直接影响共发酵的反应速率；又由于共发酵反