环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (1): 161-169  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.59

引用本文  

卞志明, 赵明星, 廖家林, 等. 高效纤维质降解菌处理木薯酒精废液及其厌氧发酵动力学分析[J]. 环境科学研究, 2018, 31(1): 161-169.
BIAN Zhiming, ZHAO Mingxing, LIAO Jiain, et al. Treatment of Cassava Alcohol Wastewater by Using Efficient Cellulose Degrading Microbial and the Anaerobic Fermentation Kinetics[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(1): 161-169.

基金项目

国家科技支撑计划项目(2014BAC25B01);国家自然科学基金项目(51678279)
Supported by National Science and Technology Support Program Project(No.2014BAC25B01); National Natural Science Foundation of China(No.51678279)

责任作者

阮文权(1966-), 男, 上海人, 教授, 博士, 博导, 主要从事厌氧处理技术与废物资源化研究, wqruan@jiangnan.edu.cn

作者简介

卞志明(1990-), 男, 安徽霍邱人, bzmingjn@163.com

文章历史

收稿日期:2017-01-12
修订日期:2017-10-12
高效纤维质降解菌处理木薯酒精废液及其厌氧发酵动力学分析
卞志明1,2 , 赵明星1,2 , 廖家林1,2 , 阮文权1,2     
1. 江南大学环境与土木工程学院, 江苏 无锡 214122;
2. 江苏省厌氧生物技术重点实验室, 江苏 无锡 214122
摘要:为提高木薯酒精废液中固形物的降解效率,优化木薯酒精废液的厌氧发酵特性,采用高效纤维质降解菌群作为CSTR(continuous stirred tank reactor,连续搅拌反应器)接种污泥,通过逐级提高进料负荷,研究不同容积负荷下的厌氧消化性能及相应的酶活性变化,建立了厌氧发酵过程动力学模型.结果表明,在高温(55℃)条件下经长时间稳定运行,容积负荷为14 kg/(m3·d)(以CODCr计)时,反应器出水ρ(TCOD)(TCOD为总化学需氧量,以CODCr计)和ρ(SCOD)(SCOD为溶解性化学需氧量,以CODCr计)分别为15 367.6、10 982.8 mg/L,TCOD去除率达到70%~75%;φ(CH4)在48%左右,沼气产率为0.22 L/g(以每g TCOD计);此外,木聚糖酶活性、纤维素酶活性在该条件下达到最大值,分别为42.1、30.2 U.脱氢酶活性在容积负荷为12 kg/(m3·d)时达到最大值80.1 TFμg/(h·mL).动力学模型研究表明,最大原料产气率(ym)为0.335 L/g(以每g TCOD计),一级反应常数(k)为0.743 d-1,产气率为0.3 L/g,通过该模型可以得到最佳HRT(hydraulic retention time,水力停留时间)为11.5 d,最佳容积负荷为4.6 kg/(m3·d).研究显示,在高温高容积负荷条件下,CSTR能够稳定的处理木薯酒精废液,并且能够获得较高的纤维素和半纤维素酶活性.
关键词厌氧发酵    高温    木薯酒精废液    酶活    动力学模型    
Treatment of Cassava Alcohol Wastewater by Using Efficient Cellulose Degrading Microbial and the Anaerobic Fermentation Kinetics
BIAN Zhiming1,2 , ZHAO Mingxing1,2 , LIAO Jiain1,2 , RUAN Wenquan1,2     
1. School of Environment and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China;
2. Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology, Wuxi 214122, China
Abstract: In order to improve solid organics degradation rate of cassava alcohol wastewater and optimize its anaerobic fermentation characteristics, the high-efficiency cellulose degradation microbial was used as inoculum in the continuous stirred tank reactor (CSTR). The study investigates the anaerobic fermentation characteristics, enzyme activity changes as well as the kinetic model of anaerobic digestion by the increasing of volume loading rate. The results showed that the effluent concentration of ρ(TCOD)(total chemical demand) and ρ(SCOD)(soluble chemical demand) were 15, 367.6 and 10, 982.8 mg/L, respectively, and the total removal rate of ρ(TCOD) was 70%-75%, φ(CH4) maintained at about 48%, the biogas generation rate was 0.22 L/g TCOD when the volume loading rate was 14 kg/(m3·d) (Calculated as CODCr) under the thermophilic condition (55 ℃). Besides, xylanase activity and cellulose enzyme activity reached its maximum value under this condition, which were 42.1, 30.2 U, respectively. In addition, dehydrogenase activity reached the maximum value of 80.1 μg/(h·mL) when the volume loading rate was 12 kg/(m3·d).The kinetic model results indicated that the maximum raw material biogas production rate ym was 0.335 L/g TCOD and the first order reaction constant k was 0.743 d-1, according to the fitting curve, it could figure out the optimized hydraulic retention time (HRT) of 11.5 d and the volume loading rate of 4.6 kg/(m3·d) by the given anaerobic fermentation rate of y(t) 0.3 L/g TCOD. The anaerobic fermentation of cassava alcoholic wastewater by CSTR could be achieved stably at the high volume loading rate under the thermophilic conditions, and the activity of xylanase activity and cellulose enzyme was relatively high.
Keywords: anaerobic fermentation    thermophilic temperature    enzyme activity    kinetic model    

木薯是世界上三大薯类作物之一,产量仅次于马铃薯,其根、茎含有大量的碳水化合物和淀粉[1],具有种植成本低、光合效率高、单位鲜木薯产量高等特点.近年来,为了缓解资源紧缺和保障能源安全问题,我国高度重视发展多元化的可替代再生能源,其中,燃料乙醇被认为是非常具有潜力的能源.戴世明等[2]认为,木薯燃料乙醇在未来能源配置过程中将会发挥越来越重要的作用,成为可替代能源乙醇生产的重要原材料.然而,在木薯燃料乙醇生产过程中,每生产1 t乙醇大约需排放12~15 t废水[3],该类废水是一类难降解的工业高浓度有机废水,具有高固形物、高ρ(CODCr)和低pH等特点,不仅影响废水接纳水体的生态环境,而且也是制约企业发展的重要影响因素之一.

当前国内外研究者针对这一难题,分别从不同的方向展开了木薯酒精废液资源化利用的研究,如Sousa等[4-6]对木薯渣作为动物饲料进行了研究认为,在一定条件下木薯渣可以适度地替代动物饲料,但由于木薯酒精废液具有浓度高、黏度大等特点,直接固液分离较为困难,并对分离设备质量要求相当高,而且木薯渣中蛋白质含量较低,做动物饲料不具有潜在的市场价值.在将木薯酒精废液作为植物或菌类肥料研究方面,韦民政等[7]研究了木薯酒精厌氧发酵液对香蕉种植的影响,结果表明施用木薯酒精厌氧发酵液能显著提高产量和果实品质,较常规施肥产量增加19.80%.在木薯酒精废液沼气化研究方面,ZHANG等[8]提出了热稀硫酸预处理木薯废液提高CH4产量的研究,结果表明当预处理反应温度为57.84 ℃、w(H2SO4)为2.99%,处理时间为20.15 min时,CH4产率为248 mL/g〔以每g VS(volatile solid,挥发性固体)计〕.有关固形物研究领域,王荣等[9]已成功构建了一组具有稳定高效降解高纤维能力的微生物菌群,通过高效菌种添加预处理技术使得木薯酒精废液固形物得到一定的降解和转化,但纯菌种实际应用范围较小. Tiehm[10]等报道,超声波能够缩短粗纤维的厌氧发酵时间,提高沼气产量. Clarkson[11]等认为碱度可以提高纤维质的降解效率. Wongwilaiwalin等[12]得到一组能够有效降解工业甘蔗渣、玉米秸秆等的高效高温纤维素降解复合菌群.目前,采用全混式厌氧发酵处理木薯酒精废液技术,已经成为当前木薯酒精废液主要的处理方法之一.通过应用微生物厌氧发酵技术,木薯酒精废液可以转化为可再生清洁能源沼气[13-14].在该研究领域中,LUO等[15]利用ASBR(anaerobic sequencing batch reactor,厌氧序批间歇式反应器)反应器在高温55 ℃条件下获得85.1%的ρ(TCOD)(total chemical oxygen demand,总化学需氧量)除率,CH4产率为200~230 mL/g(以每g CODCr计). ZHANG等[16]利用ASBR反应器,底物经过水解后,在高温55 ℃条件下获得80%的TCOD去除率,CH4产率为147 mL/g. WANG等[17]利用半连续CSTR(continuous stirred tank reactor,连续搅拌反应器)研究了木薯酒精废液与剩余污泥混合发酵的效能,结果表明,剩余污泥经过加热处理之后,在反应温度为60 ℃条件下,H2和CH4的产率分别可达到34.2~40.0和354.4~375.4 mL/g. Moon等[18]在木薯酒精废液中添加碳源葡萄糖的情况下,通过发酵可获得一定量的琥珀酸. Intanoo等[19]在高温55 ℃条件下,得到H2和CH4的产率分别为54.22和164.87 mL/g.此外,Intanoo等[20]在2015的研究中获得的最大H2产率为17.5 mL/g,CH4产率为107.4 mL/g.综上,木薯酒精废液在反应器的选择、纯菌种的筛选以及其他资源化的研究较为丰富,但在木薯酒精废液固形物混合高效菌种厌氧发酵方面的研究还不多,尤其是采用牛瘤胃高效纤维质降解微生物作为全混式反应器的接种污泥,对木薯酒精废液进行连续式高容积负荷厌氧处理方面的研究较少.高效纤维素降解菌群是由一定比例的牛瘤胃微生物和产甲烷菌组成,并经长时间秸秆干式厌氧发酵形成,具有良好的纤维质降解和转化能力,与其他常规菌种相比,该菌种在降解纤维质类物质时能够表现出更高的纤维素和半纤维素酶活性.

针对木薯酒精废液中固形物含有大量的纤维质类物质和微生物固定化问题,以笔者所在实验室保存的高效纤维质降解菌群作为CSTR的接种污泥,同时连接配套的沉淀设施以维持反应体系中高微生物浓度,研究了木薯酒精废液反应过程中的发酵特性及相关酶活性变化情况,同时研究了木薯酒精废液处理过程中的动力学模型,以期为酒精废液的工业化处理提供理论支持.

1 材料与方法 1.1 试验材料

木薯酒精废液,取自镇江长兴酒精厂,其基本特性见表 1.

表 1 木薯酒精废液特性 Table 1 Characteristics of cassava alcohol wastewater

接种污泥取自本实验室中试规模的CSTR,在中温条件下通过容积负荷提升方式进行秸秆干式厌氧发酵,并经过长时间的稳定运行而得.接种污泥的性质:ρ(TS)为80.3 mg/L,ρ(VS)为53.1 mg/L,pH为6.67.接种物初始酶活性:纤维素酶活性为34.2 U,半纤维素酶活性为29.4 U,脱氢酶活性为65.3 TFμg/(h·mL)(每mL活性污泥每h产生的酶活性).通过高通量测序,接种物中主要的微生物群落组成见表 2.

表 2 高效复配菌种主要微生物群落结构组成 Table 2 The high efficient compound bacteria community constructure

CSTR结构装置见图 1.反应器采用全玻璃装置,体积为5 L,实际有效反应体积为4.2 L,液体上方为气体储存室,产生的气体由专门的集气装置收集.反应器外部嵌有玻璃水浴夹层,通过水浴加热方式维持适宜的内部反应温度.试验采用机械搅拌方式使反应物质均匀混合,搅拌速度为5 r/min.进水通过蠕动泵从配水槽进入反应器,反应器出水流入小型沉淀池.

图 1 CSTR厌氧反应器示意 Fig.1 The sketch of CSTR anaerobic reactor
1.2 反应器运行方式

CSTR采用梯度提升容积负荷的方式进行运行,初始启动a阶段温度维持在中温35 ℃下运行,稳定运行后,反应器在b阶段温度为45 ℃下运行,a和b两个阶段容积负荷都为5 kg/(m3·d);当b阶段稳定运行后,反应器升温到55 ℃,并采用容积负荷提升的方式运行,分别为在c、d、e、f、g阶段下运行,容积负荷分别为5、7、9、12、14 kg/(m3·d),最终反应温度维持在55 ℃,容积负荷为14 kg/(m3·d).同时在整个厌氧发酵过程中,碳酸钠和碳酸氢钠以3 :5的配比按照一定的量添加到进水中,维持进水pH在7.2~7.5,同时使得反应器中的碱度保持在适合的范围内.

1.3 检测方法

ρ(TS)、ρ(VS)采用灼烧减重法测定[21];纤维素、半纤维素和木质素的成分分析采用范式法[22];脱氢酶活性采用分光光度法[23]测定;维素酶活性和半纤维素酶活测定参照文献[24].酶活性定义:1 mL粗酶液1 min酶解底物产生1 g还原糖定义为一个酶活力单位U. ρ(TCOD)、ρ(SCOD)利用重铬酸钾法[25]测定;ρ(VFA)采用比色法测定[26]ρ(VFAs)采用高效液相色谱法[27]测定.

2 结果与讨论 2.1 CSTR的运行状况

CSTR在不同操作条件下的运行效能如图 23所示.反应器运行过程分为3个反应阶段,温度分别为35、45及55 ℃.由图 1可知,反应器首先在中温条件下启动运行,启动容积负荷为2 kg/(m3·d),进水ρ(TCOD)为13 333 mg/L;经过23 d厌氧处理反应器达到稳定运行时,出水ρ(TCOD)和ρ(SCOD)分别为3 591.3、2 213.2 mg/L,TCOD去除率为88%~89%,容积负荷为5 kg/(m3·d). 45 ℃下反应器运行时间为19 d,容积负荷为5 kg/(m3·d),进水ρ(TCOD)为13 333 mg/L,出水ρ(TCOD)和ρ(SCOD)分别为12 568.6、7 730.8 mg/L,TCOD去除率为58%;高温(55 ℃)运行阶段采用容积负荷提升方式,经过长时间运行,反应器在进水ρ(TCOD)为60 000 mg/L、温度为55 ℃和容积负荷为14 kg/(m3·d)的条件下能够高效稳定运行,出水ρ(TCOD)和ρ(SCOD)分别为15 367.6、10 982.8 mg/L,TCOD去除率达到70%~75%.

图 2 不同运行条件下CSTR反应器出水ρ(TCOD)和ρ(SCOD)的变化情况 Fig.2 CSTR effluent ρ(TCOD) and ρ(SCOD) under different operations

图 3 不同条件下CSTR反应器的运行效能 Fig.3 CSTR performance under different operations

整个运行过程中,随着容积负荷和反应温度的变化,反应过程中φ(CH4)和沼气日产量也随之发生相应的变化. φ(CH4)和沼气产生强度是表征厌氧发酵体系中产甲烷微生物活性的重要指标,由图 3可知,45 ℃稳定运行期间φ(CH4)和沼气日产量最低,分别为27.4%、630 mL,TCOD去除率为58%;高温运行稳定阶段,φ(CH4)稳定在48%,沼气日产量在容积负荷为5、7、9、12、14 kg/(m3·d)条件下分别达到30 200、5 800、8 000、13 420、16 700 mL,此外,TCOD去除率分别为55.1%、53.8%、64.3%、75.1%、73.4%.

以上结果表明,高温运行阶段φ(CH4)、沼气日产量以及容积负荷都有一定程度的提升,这表明在高温条件下微生物具有更高的活性,有机物的分解代谢能力更强.同时,高温各稳定运行阶段出水中ρ(SCOD)/ρ(TCOD)较高,达到85.1%,这说明出水中SCOD较高,在提高了难降解固形物降解效率的同时,也为CSTR高温厌氧出水进一步资源化处理提供了良好的底物. 45 ℃运行阶段,反应器表现出较差的反应性能,这可能是由于在45 ℃条件下,产甲烷菌体系受到了抑制,导致有机物质的降解受到了较为明显的影响.从运行条件和反应指标来看,CSTR厌氧反应器在容积负荷为14 kg/(m3·d)条件下能够获得高效稳定的运行能力,充分体现了CSTR处理高浓度SS有机废液的优势.

2.2 CSTR反应器稳定性特性分析

产甲烷厌氧体系在高负荷条件下运行时易受到酸化影响,使得ρ(VFA)累积和pH降低,导致产甲烷微生物活性受到抑制,从而降低厌氧消化过程中有机物质的转化效率,甚至会造成整个反应器的崩溃[28].因此,通常采用ρ(VFA)、碱度、pH等指标作为厌氧发酵过程中表征发酵特性的关键指标,用于评价厌氧发酵的稳定性能.

图 4表明整个厌氧发酵运行稳定阶段,反应器出水pH维持在7.1~7.8.一般认为产甲烷菌最适pH范围为6.8~7.2[29].在45 ℃条件下,反应器酸化现象较为明显,通过加入一定量的碱性物质进行调节,ρ(VFA)最终维持在1 400 mg/L,这说明一方面抑制了产酸菌的活性,另一方面该条件下的微生物总量降低,导致有机物质的分解和转化效率降低.但是ρ(VFA)/碱度达到0.524,一般认为ρ(VFA)/碱度低于0.3表明厌氧反应器稳定性高,酸化风险低[30].高温运行阶段,ρ(VFA)随着容积负荷的提高呈先升后降的趋势,在稳定状态下出水中ρ(VFA)达到2 400 mg/L左右,虽然出水中ρ(VFA)较高,但是ρ(VFA)/碱度维持在0.315~0.423,表现出较好的酸碱缓冲性能,起到非常良好的反应器稳定作用.挥发性脂肪酸是评价厌氧发酵产甲烷体系能力强弱以及其稳定性的重要指标.由图 5可见,整个厌氧发酵过程中,乙酸始终是主要代谢产物,在稳定状态下ρ(乙酸)维持在2 000 mg/L左右,当反应器处于各个运行条件初始阶段时,体系中容易出现酸化现象,此时ρ(丙酸)会增至2 520 mg/L左右,同时ρ(丁酸)也会逐渐升至1 550 mg/L,使得pH下降,这说明ρ(丙酸)和ρ(丁酸)的升高是造成反应器酸化的主要原因之一.

图 4 CSTR反应器碱度、ρ(VFA)和pH的稳定特性 Fig.4 Alkalinity, ρ(VFA) and pH stability during the CSTR operation

图 5 CSTR反应体系有机酸组成动态变化 Fig.5 The change of organic acidsin CSTR
2.3 CSTR运行过程中的酶活性

高效纤维质降解菌群在厌氧发酵分解木薯酒精废液过程,实质上是高效纤维质降解菌群分泌复杂酶水解体系的过程,酶活性的高低直接反映了微生物代谢活性和有机物质的分解效率,这些酶能够将大分子木质纤维素物质破坏和分解,并将其转化为简单的小分子物质,如糖类、脂肪类和氨基酸类中间代谢物质,从而实现木薯酒精废液的分解和降解[31].

表 3是在不同操作条件下,当反应器沼气日产量、TCOD去除率和ρ(VFAs)趋于稳定时,获得的复合菌种在处理木薯酒精废液过程中连续3 d的酶活性变化情况.由表 3可知,高效纤维质降解菌群分泌不同种类的酶,既能够降解纤维素、半纤维素,又能够从整体上反映有机物质氧化还原的生化效率.

表 3 不同操作参数运行过程中酶活性的变化 Table 3 The enzyme activity changes under different operations during the anaerobic fermentation process

45 ℃时酶活性表现较低,半纤维素酶、纤维素酶和脱氢酶酶活力分别为16.3~20.81 U、14.02~22.56 U、34.02~39.56 TFμg/(h·mL).在反应温度为55 ℃时,菌群分泌的关键水解酶表现最为活跃,并随着容积负荷的提高酶活性也产生了一定的变化,整体呈上升趋势,但幅度不大,并且在容积负荷稳定阶段各关键酶活性能够保持较好的稳定状态.从表 3可知,在容积负荷为5 kg/(m3·d)时,高温状态下木聚糖酶活性和纤维素酶活性较低;木聚糖酶活性、纤维素酶活性在容积负荷为14 kg/(m3·d)时达到最大值,分别为42.1、30.2 U,脱氢酶活性在容积负荷为12 kg/(m3·d)时,达到最大值80.1 TFμg/(h·mL).何江等[32]通过构建一组高效的纤维质分解复合菌种,在该复合菌种用于木薯渣分解过程中,研究结果表明纤维素和半纤维素酶获得最大酶活性分别为34.4、90.5 U.厉文成等[33]通过接种一组高效的纤维质分解复合菌种,以木薯渣为底物在厌氧分解过程中所获得的最大纤维素和半纤维素酶活性分别为12、70 U.这表明与其他研究者构建的纯菌种相比,该研究接种菌群的半纤维素酶活性较好,具有较高的半纤维素分解能力.

以上结果表明,在不同的运行操作条件下,高效纤维质降解菌群会分泌不同的水解酶,从而表现出不同的厌氧发酵特性.温度对有机物质微生物分解利用效率有重要的影响[34].在45 ℃条件下,菌群分泌的水解酶活性最低,这可能是因为在该条件下产甲烷微生物生长受到了一定的抑制,分泌的酶活性降低,导致有机物质的分解和降解能力下降,这一结果与沼气日产量以及TCOD去除率表现一致.另一方面,微生物在中温和高温条件下都具有良好的生长繁殖能力,而45 ℃温度环境条件对产甲烷类微生物的生长繁殖会不利,Wiegel[35]认为,在温度为45 ℃时,产甲烷微生物的相对生长速率处于较低水平,基本抑制了产甲烷菌群和其他菌群的生长.在高温条件下,史宏伟等[36]认为容积负荷的提高可以改变反应器中的细菌和古细菌群落结构,因此伴随着容积负荷的提高,相应的优势菌群会产生不同的酶活体系,导致木薯酒精废液厌氧发酵的效率发生一定的变化.

2.4 CSTR厌氧发酵过程动力学模型的研究

通过对厌氧发酵过程中沼气产气率进行拟合(见图 6),可以得到最大沼气产气率分别为0.335 L/g.

图 6 不同容积负荷下CSTR厌氧反应沼气产气率拟合直线 Fig.6 The biogas production fitting liner of anaerobic fermentation in CSTR under different volume loading rates

CSTR厌氧发酵过程动力学模型[37]的建立基于物料守恒而得,则有:

$ {V_{\rm{R}}}\frac{{{\rm{d}}\;c}}{{{\rm{d}}\;t}} = {m_0} \cdot {c_0}{\rm{-}}{m_0} \cdot c + {V_{\rm{R}}} \cdot r\left( c \right) $ (1)

式中:VR为反应器的体积,L;m0为投加的物料量,L/d;c0为投加物料有机物质的浓度,g/L;c为反应器中有机物质的浓度,g/L;r(c)为底物被消化的速率,g/(L·d);

根据一级反应动力学:

$ -\frac{{{\rm{d}}\;c}}{{{\rm{d}}\;t}} = r\left( c \right) =-k \cdot c $ (2)

式中,k为一级反应速率,d-1.

根据HRT= m0·VR, 在稳定状态条件下,由式(1)(2)可得:

$ {\rm{HRT = }}\frac{1}{k} \cdot \left( {\frac{c}{{{c_0}}}-1} \right) $ (3)

此外,在厌氧反应过程中,在不同的时间下,产气率和底物有机物质浓度有如下关系:

$ \frac{{{c_0}-c\left( t \right)}}{{{c_0}}} = \frac{{y\left( t \right)}}{{{y_{\rm{m}}}}} $ (4)

对式(4)转化可得:

$ \frac{{{c_0}}}{{c\left( t \right)}} = \frac{y}{{{y_m}-y\left( t \right)}} $ (5)

式中:y(t)为单位原料产气率,L/g;ym为单位原料最大产气率,L/g.

由式(3)和式(5)可得:

$ {\rm{HRT = }}\frac{1}{k} \cdot \frac{{y\left( t \right)}}{{{y_{\rm{m}}}-y\left( t \right)}} $ (6)

此外,根据容积负荷(Fr)与HRT的关系式Fr=m0·HRT,式(6)可以转化为

$ {F_{\rm{r}}} = \frac{{k \cdot {c_0}}}{{y\left( t \right)/\left[{{y_{\rm{m}}}-y\left( t \right)} \right]}} $ (7)

在式(7)的条件下,k值可以根据HRT与y(t)/[ym-y(t)]之间的拟合直线图(见图 7)而得.

图 7 1/Fry(t)/[ym-y(t)]之间的拟合直线 Fig.7 The fitting liner between 1/Fr and y(t)/[ym-y(t)]

此外,也可以通过拟合曲线图获得k、HRT和y(t)/[ym-y(t)]三者之间的关系图,令y(t)/ ym=U,可以将式(6)转化为

$ {\rm{HRT = }}\frac{1}{k} \cdot \frac{U}{{1-U}} $ (8)

根据式(8)可得图 8.由图 7可知,k值为0.743 d-1.由图 8可知,在k值一定的条件下,HRT随着y(t)/[ym-y(t)]增加而增加.

图 8 时间与U之间的拟合曲线 Fig.8 The fitting liner among time and U
2.5 厌氧发酵过程动力学模型的应用

该模型可以应用于木薯酒精废液CSTR厌氧发酵过程中的运行参数控制和优化.从产气率拟合曲线图 6可得不同阶段的最大产气率(ym)为0.335 L/g,通过1/Fry(t)/[ym-y(t)]之间的拟合曲线图 7可以得到k·C0为38.18 g/(L·d),根据CSTR进水有机物质浓度C0为51 400 mg/L,可以进一步获得k值为0.743 d-1.再通过图 8,在k值为0.743 d-1时,根据所给定的y(t)值0.3 L/g,可以获得该条件下最佳的HRT为11.5 d, 容积负荷为4.6 kg/(m3·d).因此,该模型能够在给定的预产气率y条件下,得出相应的最佳HRT和Fr,对工程建设规模和成本预算具有一定的指导意义.

3 结论

a) 经过长时间稳定运行,在容积负荷为14 kg/(m3·d)条件下,反应器出水ρ(TCOD)和ρ(SCOD)分别为15 367.6、10 982.8 mg/L,TCOD去除率达到70%~75%,φ(CH4)维持在48%左右,沼气产率为0.22 L/g.

b) 在45 ℃时,水解酶活性较低,木聚糖酶活性、纤维素酶活性和脱氢酶活性分别为16.3~20.8 U、14.02~22.5 U、34.0~39.56 TFμg/(h·mL).在55 ℃时,复合菌种分泌的水解酶表现最为活跃,木聚糖酶活性、纤维素酶活性在容积负荷为14 kg/(m3·d)时达到最大值,分别为42.1、30.2 U;脱氢酶活性在容积负荷为12 kg/(m3·d)时达到最大值,为80.1 TFμg/(h·mL).

c) 根据厌氧发酵过程动力学模型,可以获得最大产气率(ym)为0.335 L/g,一级动力学参数k为0.743 d-1,通过给定的预产气率y (0.3 L/g),可以获得该条件下最佳的HRT为11.5 d,容积负荷为4.6 kg/(m3·d).

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