中温和高温环境下乙酸和丙酸厌氧发酵产甲烷动力学特征

乔 玮，姜萌萌，赵 婧，Wandera S.M，董仁杰,3※



中温和高温环境下乙酸和丙酸厌氧发酵产甲烷动力学特征

乔 玮1,2，姜萌萌1,2，赵 婧1,4，Wandera S.M1,2，董仁杰1,2,3※

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发（实验）中心，北京 100083； 3. 中国农业大学烟台研究院，烟台 264670；4. 荷兰格罗宁根大学科学与工程学院，9747 AG，格罗宁根）

采用不同浓度的乙酸和丙酸在中高温下进行厌氧发酵批次试验，采用修正的Gompertz模型和产甲烷的一级动力学模型分析，研究酸浓度和温度对发酵产气动力学的影响。研究表明，当乙酸和丙酸浓度较低时降解较快，高浓度酸抑制产气。乙酸在中温条件下降解较快，质量浓度为5 000 mg/L时中温反应有最大产甲烷速率101 mL/d；质量浓度为10 000 mg/L时高温条件下有最大产甲烷速率77 mL/d，随酸浓度增加，最大产甲烷速率减小，高温反应器对酸的耐受度较高。丙酸在高温条件下更易降解，浓度为4 000 mg/L时，中高温反应均有最大产气速率：78 mL/d（中温）和96 mL/d（高温）。另外，高浓度乙酸和丙酸厌氧降解产气具有滞后性，且随酸浓度的增加滞后期延长，降解过程受到抑制，一级动力学常数减小。温度对厌氧降解的影响大于酸浓度对厌氧降解的影响。

甲烷；动力学；温度；厌氧发酵；乙酸；丙酸

0 引 言

厌氧发酵过程中，有机物通过4个连续阶段降解产生甲烷[1]。厌氧发酵受温度的影响较大[2-3]，当反应温度过高时，反应器中易出现挥发性有机酸的积累现象，尤其是乙酸和丙酸的积累[4-6]，导致甲烷产量降低[7]。有研究表明，厌氧发酵中系统对乙酸的承受能力在10 000 mg/L以上，而当丙酸质量浓度为1 000 mg/L便出现抑制产气的现象[8]；也有研究发现反应器对丙酸质量浓度承受范围为800～3 000 mg/L[9]。前期研究发现，在中温条件下乙酸与丙酸的最适质量浓度都为5 000 mg/L，且乙酸活性大于丙酸，但高温条件下丙酸质量浓度大于3 000 mg/L时甲烷菌活性被抑制，而乙酸质量浓度大于8000 mg/L时污泥活性降低[10]。目前针对发酵动力学的研究主要针对同一或不同温度下的固定酸浓度[11-13]，或在实际废弃物厌氧产甲烷过程中进行研究[14-16]，得到的酸抑制浓度和温度也各有差异。而针对不同温度下不同浓度酸的产气动力学研究较少。前期报道[17]主要讨论了温度和基质浓度对挥发性有机酸降解的影响，未深入进行动力学特征讨论。因而，对不同温度及酸浓度下的基质产甲烷动力学进行研究，对现实的厌氧发酵工程应用具有重要意义。

本研究采用咖啡伴侣中高温长期发酵液为接种物，采用不同浓度的乙酸和丙酸进行厌氧发酵批式试验，利用修正的Gompertz模型和一级动力学模型进行产甲烷动力学分析，研究中温和高温条件下乙酸和丙酸的产气动力学特征。

1 材料与方法

1.1 试验的接种物来源

接种物分别取自采用咖啡伴侣为进料基质的中温(37±1)℃、高温(55±1)℃连续发酵试验出料的污泥，其含有2%蛋白质，34%脂肪，56%碳水化合物。

1.2 产甲烷潜能试验

批次试验装置为总容积为120 mL的血清瓶。发酵罐取出的新鲜出料污泥先放入中温(37±1)℃和高温(55±1)℃水浴锅中继续发酵产气3 d，至不产气后使用。

每个血清瓶中添加70 mL的接种污泥，然后加入乙酸和丙酸，使血清瓶中的乙酸质量浓度分别达到0、2000、5 000、10 000和20 000 mg/L，丙酸质量浓度达到0、500、1 000、2 000、4 000和8 000 mg/L，采用氢氧化钠调节pH值范围在7.2～7.6。每个浓度设置3个平行。向发酵瓶中充入足量N2，排出残留空气，盖上瓶塞，并用铝盖压紧，标号后置于水浴锅中。每天都将瓶内的液体混匀，使瓶内的微生物与乙酸或丙酸充分接触。每0.5～3 d用玻璃注射器测产气量。

1.3 分析方法

TS、VS、SS、VSS的测定采用重量法[18]；pH值用Mettler-Toledo酸度计测定；COD采用重铬酸钾法[19]测定；沼气成分（CH4与CO2）由SP2100气相色谱仪测出，色谱柱为 2 m×10 mm不锈钢色谱柱。沼气成分检测条件：氢气分压为0.6 MPa，流速为60 mL/min，进样口温度、柱温及检测器（TCD）温度分别为150、230和150℃，进样量为0.5 mL。

累积产气用修正的Gompertz模型拟合得到，如式（1）所示。

式中为时刻的累积产气量，mL；0为最大产甲烷潜能，mL，max为最大产甲烷速率，mL/d；为迟滞期，d；为试验持续时间，d；为常数。

厌氧发酵的一级动力学模型如式（2）所示。

式中C0是最大产气量，mL；C为最大产气量减去时刻的累积产气量，mL；为速率常数，d–1。

2 结果与分析

2.1 乙酸在中高温下的产气动力学模型

2.1.1 Gompertz模型计算的产气动力学特征

批次试验得到的产气量如图1所示，表1为拟合参数，2均大于0.99，判断拟合效果较好。

注：图中实线为修正的Gompertz模型拟合曲线。

由图1可看出，乙酸虽是产甲烷菌的直接底物，但是中高温条件下高浓度乙酸对厌氧发酵速率都有抑制作用，且乙酸浓度越高，产气持续时间越长。中温条件下，当反应器内乙酸质量浓度分别为2 000和5 000 mg/L时反应器产气较快，分别在前3 天和前4 天完成90%的产气量。随着乙酸浓度增加，产气速率逐渐变慢，厌氧发酵滞后明显，结合表1可看出产气迟滞期由0.4 d逐渐增加到3.5 d。高温条件下抑制产气的效果更加明显，当乙酸的质量浓度增加到20 000 mg/L时，产气迟滞期为5.1 d，即前5天几乎不产气。但乙酸质量浓度为10 000 mg/L的反应器产气恢复较快，在反应前9天就几乎完成90%的产气。

由表1可看出各浓度乙酸在中温下的产甲烷速率max较大，高温下的产气迟滞期比中温长20%～33%，且随酸浓度增加而延长。中温条件下，当乙酸质量浓度为5 000 mg/L时出现最大产甲烷速率101 mL/d，这与Li等[10]的研究一致，但本研究中所得max值较大。乙酸质量浓度为10 000与20 000 mg/L时最大产甲烷速率与5 000 mg/L时相比分别下降了23.8%和51.5%。高温条件下最大产气速率较低，当乙酸质量浓度为10 000 mg/L时具有最大产甲烷速率77 mL/d，与中温条件下的最大产甲烷速率101 mL/d相比降低了23.8%。乙酸质量浓度为20 000 mg/L时产甲烷速率仅为34%。虽然高浓度乙酸对厌氧发酵产气速率具有抑制作用，但就2 000～10 000 mg/L的乙酸质量浓度来说，高温厌氧发酵系统与中温系统相比可承受的酸浓度更大一些。

表1 乙酸降解的修正Gompertz模型拟合参数

注：0为最大产甲烷潜能，mL；max为最大产甲烷速率，mL·d-1；为试验持续时间，d；为迟滞期，d。下同。

Note:0is max methane production potential, mL;maxis the max methane production rate, mL·d-1;is duration time of the batch experiment;is lag phase, d. Same as below.

在相同乙酸浓度下，高温反应滞后于中温。有文献报道，中高温条件下乙酸分解途径可能不同，乙酸裂解产甲烷途径与互营乙酸氧化产甲烷2种途径[20]中，互营乙酸氧化产甲烷途径在高温条件下占主导[21]，且该途径受乙酸浓度、温度、甲烷菌群等影响[22]，因此，高温发酵产气出现滞后，可能是高温条件下乙酸会先分解为氢气和二氧化碳，然后再生成甲烷，前期报道[17]中也通过试验分析验证了这一可能性。

2.1.2 乙酸降解的一级动力学特征

图2描述了乙酸质量浓度对中高温厌氧发酵的一级动力学的影响。

由图2一级动力学方程可看出，中温条件下速率常数均大于高温，这一结果与Gompertz模型得到的max结果相同。随着反应器中乙酸浓度的增加值逐渐减小，与2 000 mg/L乙酸质量浓度相比，随着乙酸质量浓度由5 000增加到10 000 mg/L时，值分别降低了27.8%和64.7%，可见乙酸浓度越高对中温厌氧发酵的影响越大。

在高温厌氧反应时，厌氧发酵的一级速率常数的变化规律与中温的变化规律相似。与2 000 mg/L乙酸质量浓度的值相比，乙酸质量浓度由5 000逐渐增加到10 000 mg/L时，值分别降低了8.1%和44.4%，与中温反应时值降低的幅度相比较小，可见高温反应对乙酸的耐受能力在一定程度上要强于中温反应。

注：Cs0是最大产气量，mL；Cs为最大产气量减去t时刻的累积产气量，mL。下同。

当乙酸质量浓度为2 000 mg/L时，中温时的一级速率常数=1.151 d–1，而高温时的速率常数只有中温时的一半为0.615 d–1，这比中温时的乙酸质量浓度为5 000 mg/L的速率常数=0.831 d–1还小。可见在一定程度上温度对厌氧发酵的影响要大于乙酸浓度的影响。

2.2 温度对不同浓度丙酸降解能力的影响

2.2.1 中高温不同浓度丙酸产气

图3为不同质量浓度丙酸在中高温下的累积产气及修正Gompertz拟合曲线。由图3可看出，中高温条件下丙酸质量浓度较高时产气均比较滞后。随丙酸质量浓度增加，产气迟滞期变长，说明高浓度丙酸对中高温反应均有一定的影响。

图3 丙酸浓度对厌氧发酵累积甲烷产量的影响

表2总结了Gompertz模型拟合的参数。可以看出中温条件下，随丙酸质量浓度的增加，max逐渐增加，即产甲烷速率逐渐增加。在丙酸质量浓度为4 000 mg/L时具有最大产甲烷速率为78 mL/d，与Li等[10]的研究中所得的丙酸质量浓度3 000 mg/L即达到抑制有所不同，远高于Wang等[23]研究得到的中温条件下900 mg/L的抑制浓度。本研究中丙酸质量浓度为8 000 mg/L时max降低为70 mL/d，说明该丙酸质量浓度对发酵产生了抑制。

表2 丙酸降解的修正Gompertz模型拟合参数

2.2.2 丙酸降解的一级动力学特征

高温条件下，也是在丙酸质量浓度为4 000 mg/L时有最大产甲烷速率96 mL/d，丙酸质量浓度过高或过低都会影响丙酸的降解速率。由此说明，质量浓度4 000 mg/L是丙酸厌氧发酵反应的最佳浓度，丙酸浓度过低则不够微生物利用，过高则抑制微生物的生长代谢。中温条件下产气迟滞期受丙酸质量浓度的影响较大，在丙酸质量浓度从500增加到4 000 mg/L时，迟滞期增加了1倍，而高温只增加了0.5倍，可见丙酸的高温降解受丙酸浓度的影响要小于中温降解。图4是中高温下不同质量浓度丙酸降解的一级动力学模型。

图4 丙酸浓度对中高温厌氧发酵一级动力学的影响

由图4可看出，随着丙酸浓度的增加，速率常数逐渐降低。各浓度下高温时的值大于中温时，说明高温条件下丙酸产气速率快，这一结果与Siegrist等[12]和Ge等[11]利用乙酸进行降解研究所得结论一致。中高温试验中，当丙酸质量浓度为500 mg/L时反应器速率常数分别为0.655和0.699 d–1，随丙酸质量浓度逐渐增加，与500 mg/L乙酸质量浓度相比，值分别下降了36.3%、21.5%、32.8%、70.7%（中温）和28.5%、10.2%、28.9%、62.1%（高温）。相同丙酸质量浓度下，高温厌氧发酵值减少的百分比均小于中温厌氧发酵，说明丙酸高温降解较好，与前文Gompertz模型拟合结论一致。

3 结 论

乙酸在中温条件下降解速率较快，一级动力学常数大于高温条件。在乙酸质量浓度分别为5 000和10 000 mg/L时具有最大产甲烷速率max101 mL/d（中温）和77 mL/d（高温）。乙酸质量浓度越高，对中温厌氧发酵影响越大，而高温反应对高浓度乙酸的耐受度则高于中温。丙酸在高温条件下降解速率较快，一级动力学常数大于中温。质量浓度为4 000 mg/L时有最大产甲烷速率max78 mL/d（中温）和96 mL/d（高温），丙酸浓度过高或过低都会影响发酵产气。高温条件下丙酸的降解受酸浓度影响较中温小。高浓度乙酸及丙酸对厌氧发酵产气具有抑制作用，随着酸浓度的增加产气迟滞期变长，一级动力学常数减小。温度对厌氧发酵的影响在一定程度上大于酸浓度对厌氧发酵的影响。

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Methanogenesis kinetics of anaerobic digestion of acetate and propionate at mesophilic and thermophilic conditions

Qiao Wei1,2, Jiang Mengmeng1,2, Zhao Jing1,4, Wandera S.M1,2, Dong Renjie1,2,3※

(1.100083,; 2.(),100083,; 3.264670,; 4.9747 AG)

During anaerobic fermentation is strongly influenced by temperature and volatile fatty acids (VFAs). When the temperature in anaerobic reactors is too high, the VFAs are easy to accumulate, especially acetate and propionate. High VFAs will inhibit the activity of methanogens, the fermentation process as well as the methane yield will become unstable even make the anaerobic system failed. In order to investigate the ability of adapting different concentration of acids and temperature, batch experiments with different concentrations of acetate and propionate were carried out at both mesophilic and thermophilic conditions. Modified Gompertz model and first order model were used to analyze the methane production kinetics. The inoculum was got from coffee mate anaerobic digestion, because coffee mate contains 2% protein, 34% fat and 56% carbohydrates, which can simulate the real ingredients in anaerobic fermentation. The concentrations of acetate acid were set for 0, 2 000, 5 000, 10 000 and 20 000 mg/L; and the concentrations of propionate were set for 0, 500, 1 000, 2 000, 4 000 and 8 000 mg/L. In addition, sodium hydroxide was used to adjust the pH value in a range of 7.2-7.6 in every batch bottle, and every concentration had 3 parallels to ensure the veracity of this experiment. The result showed that both of acetate and propionate degradation faster at the lower concentration. Acetate was easily degraded at mesophilic condition, when the concentration of acetate was 5 000 mg/L; mesophilic reactors had the maximum methane production rate which was 101 mL/d, while the thermophilic reactor had the maximum methane production rate which was 77 mL/d when the acetate concentration was 10 000 mg/L. With the acid concentration increasing, methane production rate decreased and the thermophilic reactor had a higher tolerance for the acetate concentration. In contrast, propionate was easily decomposed under the thermophilic condition and the lag phase under mesophilic was greatly affected by the acid concentration; when the propionate concentration increased from 500 to 4 000 mg/L, the lag phase doubled under the mesophilic condition while a half fold increase under the thermophilic condition. The maximum methane production rate was 96 mL/d when the concentration of propionate was 4 000 mg/L, while the maximum methane production rate under mesophilic condition was 75 mL/d when the concentration of propionate was 4 000 mg/L as well. The lag phase of gas production was longer at higher acid concentration, while the first-order kinetic constants reduced. In addition, the degradation rate constant of both mesophilic and thermophilic under same acid condition showed that the effect of temperature on anaerobic degradation is greater than that of acid concentration to some extent.

methane; kinetics; temperature; anaerobic digestion; acetate; propionate

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.029

X712

A

1002-6819(2018)-21-0234-05

2018-06-02

2018-09-08

“十三五”国家重点研发计划课题（2016YFD0501403）；国家自然科学基金课题（51778616、51408599）；北京市自然科学基金（6182017）

乔 玮，副教授，博士，博士生导师，主要从事废水和废弃物的厌氧生物处理研究。Email：qiaowei@cau.edu.cn

董仁杰，教授，博士，博士生导师，主要从事生物质能源与环境保护方面研究。Email：rjdong@cau.edu.cn

乔玮，姜萌萌，赵婧，Wandera S.M，董仁杰. 中温和高温环境下乙酸和丙酸厌氧发酵产甲烷动力学特征[J]. 农业工程学报，2018，34(21)：234－238. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.029 http://www.tcsae.org

Qiao Wei, Jiang Mengmeng, Zhao Jing, Wandera S.M, Dong Renjie. Methanogenesis kinetics of anaerobic digestion of acetate and propionate at mesophilic and thermophilic conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 234－238. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.029 http://www.tcsae.org