厭氧發酵是一種能夠有效實現有機廢物資源化和能源化的生物反應過程。在我國，餐廚垃圾(FW)每年的產生量約為6×107t，占城市固體廢棄物總量的40%以上。FW主要由易于降解的碳水化合物、蛋白質和脂質組成，具有較高的產甲烷潛力。但是，單獨發酵FW時，由于FW水解速度較快會積累揮發性脂肪酸(VFA)，易發生系統抑制崩潰的后果。已經有研究證明將剩余活性污泥(WAS)添加到FW厭氧發酵系統提高混合發酵運行性能的可行性。與單獨FW或WAS厭氧發酵相比，將2者進行厭氧混合發酵能夠促使微生物發揮協同作用，穩定厭氧發酵性能。
目前，有關FW和WAS厭氧混合發酵系統的構型主要采用間歇進料的連續攪拌反應器(CSTR)。然而，CSTR不能實現污泥停留時間(SRT)和水力停留時間(HRT)的有效分離，使得微生物難以持留，難以保障微生物的持續生長，而且CSTR的間歇式進料方式容易引起負荷沖擊。動態膜生物反應器(DMBR)使用在膜基材表面上沉積/吸附形成的濾餅層作為過濾層，能有效防止生長緩慢的厭氧微生物尤其是產甲烷菌的流失，提供了較長SRT來維持大量微生物種群生長。已有研究利用板框內置式膜組件，采用連續流運行模式，在2.8g·L-1·d-1的負荷下，實現了基于DMBR進行玉米秸稈和FW的混合發酵。連續流進料方式可以有效緩解間歇式進料方式引起的基質沖擊，增加系統的緩沖能力。目前，有關連續流動態膜厭氧混合發酵系統的穩定運行的解析鮮見報道。
在厭氧混合發酵系統中，基質的混合比例是影響厭氧發酵的關鍵參數，李浩等的研究結果表明，在FW和WAS厭氧混合發酵過程中，FW所占比例影響混合發酵的反應速率。同時，厭氧發酵系統的最優基質混合比也會隨著系統的長期運行和菌群結構的馴化改變而變化。食微比(F/M)是衡量有機負荷的重要參數，F/M與基質種類和接種物中微生物菌群密切相關，不同的F/M會影響系統的效能潛力。截至目前，很少有研究考慮基質混合比(FW/WAS)和F/M對厭氧混合發酵系統長期運行的影響。
本研究構建了FW和WAS的外置式動態膜厭氧混合發酵系統。在連續流條件下啟動動態膜厭氧混合發酵系統，以實現系統的穩定運行；同時，對DMBR運行過程中動態膜的形成和固液分離的效果進行解析。通過FW/WAS的產甲烷潛能和動力學實驗，優化連續流厭氧混合發酵系統的因素，結合F/M動力學實驗，評價FW/WAS與F/M對連續流厭氧混合發酵系統運行效能的影響。
1、材料與方法
1.1 實驗裝置
本研究使用的外置式動態膜生物反應器如圖1所示。反應器的有效體積為9.0L，外部使用水浴層和恒溫槽來控制反應器的溫度為(39±1)℃，基質罐連接4℃恒溫冷水浴。外置式膜組件由300目不銹鋼篩網定制加工而成，平均孔徑為48μm，有效過濾面積為0.047m2。系統的運行模式為連續進出料，產生的生物氣通過水封瓶后用濕式氣體流量計計量產氣量。通過曝氣泵將系統內頂空生物氣泵入膜組件腔體底部，對膜組件進行氣擦洗后回流至系統內；同時，通過反洗曝氣泵將系統內頂空生物氣定期泵入膜組件腔體外側，對膜組件進行氣反洗后回流至系統內。當膜組件和出料泵間跨膜壓差增加到40kPa時，開啟反洗曝氣泵進行氣反洗，反洗強度為10L·min-1，氣反洗時間為10min。當進行氣反洗不能提高膜通量時，通過增大曝氣泵流量、回流量或氣反洗頻率進行調控。
1.2 基質和接種污泥
本研究所采用的FW依據學生食堂餐廚剩余物的主要成分進行人工模擬配制，WAS取自西安市第五污水處理廠，2者混合后添加微量元素作為最終混合基質。啟動階段FW和WAS的混合比例為4∶1(基于濕重)，該最優混合基質比是啟動前期批次實驗優化的結果。研究所用接種污泥為FW和WAS中溫厭氧CSTR的排泥，接種體積為9.0L。本研究中使用的FW、WAS、混合基質和接種污泥的理化特性如表1所示。
1.3 實驗設置
設置DMBR系統的初始OLR和HRT分別為(1.84±0.45)g·L-1·d-1和62.5d，啟動運行72d，測定系統的運行性能參數和動態膜截留性能。啟動階段運行結束后，采用批次實驗進行FW/WAS和F/M參數優化，實驗設置見表2。FW/WAS批次實驗在F/M為0.145(基于VS)時共設置7組，其中2組為FW和WAS單發酵。F/M批次實驗在FW/WAS為4.4∶1時共設置8組。所有批次實驗均在120mL血清瓶中分批進行，同時設置空白組。其中，空白組與實驗組均設置2組平行。當混合基質和接種污泥加入血清瓶搖晃均勻后，用氮氣吹脫約3min，橡皮塞封瓶后置于39℃恒溫搖床內，搖床轉速為120r·min-1，2min后血清瓶頂空放氣，定時測定氣組和氣量。
1.4 測定項目和方法
TS、VS、COD、堿度和NH4+-N的測定采用標準方法。pH采用便攜式pH計進行測定(pHS25型，上海精密科學儀器有限公司)。蛋白質和多糖分別采用Folin-酚試劑法和硫酸-蒽酮法。CH4、CO2、N2、H2和VFA均采用氣相色譜法進行測定。濁度采用便攜式濁度儀(Turb®355IR，德國賽萊默公司)測定。采用修正的Gompertz方程(公式1)擬合批次實驗數據，以確定產甲烷潛力、最大產甲烷速率和延滯期。采用一級動力學模型(公式2)進行數據擬合可得水解常數。
式中：P為生物氣產量，mL；P0為生物氣潛能，mL；Rmax為最大生物氣產生速率，mL·d-1；t0為延滯期，d；k為產甲烷速率常數，d-1。
2、結果與討論
2.1 反應裝置的啟動及運行性能
在HRT和OLR分別為62.5d和(1.84±0.45)g·L-1·d-1的初始條件下，啟動連續流FW和WAS厭氧混合發酵動態膜生物反應器。反應器啟動運行過程中，系統的生物氣產量、甲烷產量和甲烷占比如圖2(a)所示。前5d啟動過程中，系統的生物氣產量、甲烷產量和甲烷占比逐漸增加，然后趨于穩定。72d的運行過程中，系統的平均生物氣產量達到(0.60±0.11)L·L-1·d-1，平均甲烷產量達到(0.41±0.08)L·L-1·d-1，甲烷占比穩定在66%~71%，平均甲烷占比達到69.00%。pH和VFA的變化趨勢能夠直觀的表明反應器的運行狀況。如圖2(b)所示，啟動過程中，系統的pH始終穩定在7.6~8.0，在產甲烷菌最適pH(7.0~8.0)內。本研究VFA最大質量濃度僅為284mg·L-1，無VFA積累現象。這表明，連續流動態膜混合發酵系統啟動成功。如圖2(c)所示，TVFA/堿度最大值僅為0.024，低于閾值0.4。VFA和TVFA/堿度均未超過閾值，這表明厭氧發酵系統穩定性良好。厭氧發酵系統成功啟動后，系統的平均TVFA質量濃度為(15.9±1.89)mg·L-1，低于產甲烷菌TVFA的抑制濃度5000mg·L-1，相應的總堿度為11000~14000mg·L-1，也在穩定運行范圍內。上述結果表明，連續流FW和WAS厭氧混合發酵DMBR啟動成功且能穩定運行。此外，對系統進行物料平衡分析可知，在該系統基質VSS的生物降解轉化去除率為84%±3.8%，去除單位質量COD的基質甲烷產量為(294±13)mL。
2.2 動態膜的截留性能
本實驗的反應器裝置為外置式的柱型動態膜組件，開啟出料泵后，反應器內污泥先通過回流泵進入膜組件腔體內部，當回流污泥充滿膜組件內部腔體后附著在動態膜基材上，逐漸形成過濾層。在第35d膜組件清洗后，動態膜組件的跨膜壓差、膜通量和濁度變化如圖3所示。前4h，動態膜組件的跨膜壓差快速升高，由8.34kPa增至22.3kPa，相應的出料濁度由252NTU降低至90.4NTU，通量降低至0.42L·m-2·h-1，2者均呈現快速下降的趨勢。這是因為，動態膜組件腔體內充滿了污泥，污泥開始附著在動態膜基材上，具有一定的截留效果。從4h至21h，通量降低了約40%(由0.42L·m-2·h-1降至0.25L·m-2·h-1)，濁度也降至100NTU以下，表明動態膜逐漸形成。隨著過濾過程的進行，通量下降速度減緩，出料濁度趨于穩定。約40h后，出料濁度穩定在50NTU，通量在0.2L·m-2·h-1左右。動態膜層逐漸增厚，進入穩定過濾階段，具有穩定的截留效果。此外，當跨膜壓差增至40kPa時，進行動態膜氣反洗后，能夠快速形成動態膜，相應的壓差逐漸增加(如圖3)，長期運行過程中動態膜跨膜壓差呈現周期性變化。袁宏林等采用相同材質和孔徑的動態膜基材，以玉米秸稈和FW為混合基質進行厭氧混合發酵，也獲得了較優的固液分離效果，相應的有機物截留率達到95.9%，與本研究動態膜截留效果相當。通過借用在大孔徑膜基材上形成的濾餅層作為過濾層，能夠將傳統膜生物反應器運行中存在的“膜污染”瓶頸問題轉化為過濾層加以利用。本研究雖然對動態膜的過濾周期進行了表征，但仍需進一步解析動態膜濾餅層的過濾機理。此外，對接種物、運行末期動態膜濾餅層和系統排泥進行宏全基因組菌群分析可知：混合發酵系統以細菌為主，其中細菌主要包括Bacteroidetes(30.5%~44.6%)、Chloroflexi(10.5%~24.5%)和Firmicutes(23.1%~36.5%)，古菌主要包括Methanosarcina(53.0%~97.9%)和Methanobacterium(0.16%~18.7%)。不同的微生物菌群結構組成及其變化，對于動態膜的形成和過濾效能均有一定程度的影響，但其作用機理仍需進一步研究。
為進一步揭示動態膜過濾截留效能的周期穩定性，在反應器運行的第7、15、21、28、41、53和60d取樣分析動態膜過濾液中TCOD、蛋白質及多糖質量濃度。如圖4(a)所示，出料TCOD均低于3g·L-1，且動態膜對TCOD的截留率可達到99.5%，最終可穩定在99%以上。這表明，該外置式動態膜組件可實現較好的出料質量，實現有機物和微生物的穩定截留。如圖4(b)所示，經過動態膜出料的蛋白質和多糖質量濃度均低于300mg·L-1，相應的蛋白質和多糖截留率均不低于95%。其中，出料蛋白質質量濃度始終高于多糖，主要由于混合基質中蛋白質質量濃度是多糖質量濃度的3倍以上(表1)；同時，出料蛋白質質量濃度逐漸下降，相應的去除率逐漸增加。分析其原因主要是，由于形成的動態膜對蛋白質的截留效果逐漸增強；相反，出料多糖質量濃度略有增加，相應的多糖截留率略有降低，但仍維持較高水平(>95%)，也與動態膜的過濾效能密切相關。動態膜濾餅層中蛋白質和多糖以及凝膠層對混合發酵系統中物質的截留作用是目前膜生物反應器探究的熱點，相應的過濾截留機理有待進一步深入解析，以實現動態膜對蛋白質和多糖的截留調控。
2.3 運行參數的優化調控
1)FW/WAS的優化。
如表3所示，一級動力學模型和修正的Gompertz模型的擬合相關系數分別為0.971~0.991和0.975~0.987。這表明，2者均可較好地擬合FW和WAS厭氧發酵系統的累積產甲烷量。FW和WAS混合發酵的t0值趨近于0，表明FW和WAS混合發酵產甲烷基本無延滯期。在F/M為0.206條件下，不同FW/WAS的單位基質累積產甲烷量如圖5所示。當厭氧發酵時間約為15d時，FW/WAS等于4∶1和4.4∶1的單位基質累積產甲烷量明顯高于3∶1、5∶1和6∶1時的單位基質累積產甲烷量。這表明，FW/WAS等于4∶1或4.4∶1時，FW和WAS混合發酵產甲烷的互促效果最佳。在FW/WAS為4∶1和4.4∶1時，運用Gompertz模型擬合分析可得P0和Rmax，如表3所示。可看出，在4.4∶1時，可獲得更高的產甲烷潛能和最大生物氣產率。如圖6所示，當FW/WAS為4∶1和6∶1外，混合發酵的實際甲烷產率相對于單獨發酵的加權平均值(即理論甲烷產量)均有不同程度的提升(7.1%~15.2%)。其中，FW/WAS為4.4∶1時，相應的甲烷產量提升率最高。對比先前優化結果可發現，FW和WAS厭氧混合發酵系統經過長期馴化，最優基質混合比由初始最優值4∶1逐漸變為4.4∶1。因此，定期調整優化FW/WAS有利于厭氧混合發酵系統獲得更高的產甲烷效能。
2)F/M實驗。
將FW/WAS的最優值4.4∶1作為基質混合比，使用相同接種物評價F/M的影響。不同F/M下，FW和WAS厭氧發酵系統的累積產甲烷量如圖7所示。當厭氧發酵時間約為12d，F/M分別為0.09、0.176、0.354、0.472、0.567、0.708和0.944時，相應的甲烷產量對應為54.0、94.8、192、236、264、298和317mL。如表3所示，運用Gompertz模型模擬分析可知相應的產甲烷潛能分別為51、91、166、219、240、277和325mL，模型擬合相關系數為0.969~0.994，這表明擬合結果與實際吻合較好。此外，FW和WAS混合發酵的t0值也都趨于0，與前述結果一致。如圖7和表3所示，當F/M為1.42時，累積產甲烷量和Rmax均為負值，這表明該結果無法用一級動力學模型和Gompertz模型擬合。其原因在于，在此負荷下，產甲烷菌的活性受到嚴重抑制。當F/M由0.090增至0.944時，累積產甲烷量和P0逐漸增加。當F/M為0.944時，與F/M為0.708相比，Rmax由106mL降至43mL，k由0.575d-1降為0.135d-1，分別降低了59.8%和76.5%。這表明，當F/M＞0.708時，FW和WAS混合發酵產甲烷的速率減緩。綜上，FW和WAS厭氧混合發酵的最大耐受F/M為0.944，且當F/M＞0.708時，相應的產甲烷速率減緩。
3、結論
1)在較低的有機負荷條件下能夠實現連續流FW和WAS厭氧動態膜混合發酵系統的啟動及其長期穩定運行，且系統堿度緩沖能力強、無酸累積，系統甲烷產量穩定。
2)在連續流厭氧動態膜系統啟動和長期運行過程中，能短時間形成動態膜，且對TCOD、蛋白質和多糖具有良好的截留率(>95%)，固液分離效果顯著且能實現低濁度出料(<50NTU)。
3)厭氧動態膜混合發酵系統長期運行后，最優混合基質比為4.4∶1，同時，該系統的最大食微比為0.944，為該系統后續運行效能的優化提升提供了調控依據，以最大限度的快速實現連續流動態膜混合發酵系統的高效穩定運行。（來源：西安建筑科技大學環境與市政工程學院，西北水資源與環境生態教育部重點實驗室，國家城市非傳統水資源開發利用國際科技合作基地，陜西省污水處理與資源化工程技術研究中心，陜西省環境工程重點實驗室）
