连续搅拌式厌氧消化器用于将有机废物转化为沼气：系统搭建与基本操作

摘要

实验室规模的厌氧消化器可使科学家研究优化现有厌氧生物技术应用的新方法，并评估各类有机废弃物的产甲烷潜力。本文介绍了一种适用于实验室规模连续搅拌式厌氧消化器的构建、接种、运行和监测的通用模型。

摘要

厌氧消化（AD）是一种生物过程，通常用于将复杂的有机废物转化为以甲烷为能源载体的有用沼气^1-3。目前，AD 越来越多地应用于工业、农业以及市政废弃物（废水）处理领域^4,5。采用 AD 技术可使厂站运营者降低废物处置成本，并抵消部分能源开支。除了处理有机废物外，能源作物也正在被转化为能源载体甲烷^6,7。随着 AD 技术在新型底物及共底物混合物处理中的应用不断拓展⁸，对可在中试规模和实验室规模下进行可靠测试的方法学需求也随之增加。

厌氧消化系统具有多种构型，包括连续搅拌槽式反应器（CSTR）、推流式（PF）和厌氧序批式反应器（ASBR）等构型⁹。由于CSTR在设计和操作上的简便性及其在实验中的优势，它在研究中被广泛使用。与其他构型相比，CSTR在系统参数方面具有更高的均匀性，例如温度、混合程度、化学物质浓度和底物浓度。最终，在设计全尺寸反应器时，最优反应器构型将取决于给定底物的特性以及其他多种非技术性因素。然而，所有构型都具有基本的设计特征和运行参数，这使得CSTR适用于大多数初步评估。如果研究人员和工程师使用的进水液流中固体浓度相对较高，则由于实验室规模泵体易被固体堵塞或管道中固体沉降的问题，实验室规模的生物反应器无法实现连续进料。在这种需要持续混合的情况下，实验室规模的生物反应器需采用周期性进料，我们将此类构型称为连续搅拌式厌氧消化器（CSADs）。

本文介绍了一种通用方法，用于构建、接种、运行和监测连续式厌氧消化（CSAD）系统，以测试特定有机底物是否适用于长期厌氧消化。本文的构建部分将涵盖实验室规模反应器系统的搭建；接种部分将说明如何创建适合接种活性产甲烷菌种的厌氧环境；运行部分将涉及系统的操作、维护及故障排除；监测部分将介绍采用标准分析方法的检测流程。这些措施对于可靠评估底物在厌氧消化（AD）中的适用性至关重要。本实验方案有助于避免厌氧消化研究中常见的一种错误，即在反应器运行失败时错误地归因于所用底物，而实际上失败原因往往是操作不当¹⁰。

引言

厌氧消化（AD）是一种成熟的技术，通过生物介导的方式将复杂的有机废弃物转化为以甲烷为能源载体的有用沼气。与好氧处理相比，厌氧处理具有诸多优势，包括能量和营养物质投入最少，以及生物污泥产量较低¹⁰。此外，这些系统中固有的混合微生物群落具有高度多样性，使得多种有机底物均可作为合适的原料^11,12。正是由于这些优势，厌氧消化的应用正越来越多地扩展到传统市政污水处理之外，特别是在工业、市政（如餐厨垃圾）和农业领域^4,7,13。自20世纪80年代起，为应对前十年的全国性能源危机，厌氧消化技术迎来了首次大规模发展。随着全球能源危机日益加剧，并伴随环境退化问题，当前人们正更加关注生物燃料技术，尤其是废物资源化产能源的理念。例如，在美国，厌氧消化可满足全国总电力需求的5.5%⁸。

这增加了对在中试规模和实验室规模下开展严格控制的实验研究的需求，以评估新型有机废弃物及废弃物混合物是否适用于厌氧消化¹⁴。我们旨在提供一个通用模型，用于构建、接种、运行和监测适用于可靠评估的实验室规模厌氧消化器。厌氧消化器存在多种不同的构型。一些常见的构型包括：连续搅拌釜式反应器（CSTR），具有连续进料；连续搅拌厌氧消化器（CSAD），具有周期性进料；推流式（PF）、上流式厌氧污泥床（UASB）；厌氧迁移式污泥床反应器（AMBR）；厌氧折流板反应器（ABR）以及厌氧序批式反应器（ASBR）构型^9....

方案

1. 消化罐构建

1. 选择一个包含图1所示所有特征的消化器容器（锥形并非必需），并根据所需的运行体积（通常为1–10 L）进行选型。如果您的消化器容器未配备加热水夹套，请将其置于其他温度可控的环境中，例如恒温水浴或培养室。
2. 将容器垂直固定在实验台面上，确保周围有足够的水平空间用于安装其余组件（表2）。
3. 按照图2组装容器盖。进液管和出液管的接口应足够宽，以防堵塞。生物反应器内部的管道应具有足够长度，以确保在排液过程中始终浸没于消化液中，同时从盖子顶部伸出，以便连接软管。搅拌桨护套应尽可能深入消化液中（浸没的管道和护套可防止顶空区的沼气逸出生物反应器）。
4. 在盖子的接触面上涂抹硅基真空润滑脂，并将其夹紧在消化器容器顶部。
5. 使用铁架台和夹具将可调速搅拌器平行固定于消化器的垂直轴线上，然后安装搅拌桨轴。由于搅拌电机存在振动和移动，必须使用独立且可自由移动的支架。
6. 将一段柔性软管连接至进液管和出液管，再将另一段软管连接至气体接口，作为气体导管使用。
7. 将沼气导管依次连接至各个组件，这些组件可放置在消化器上方的架子上。组件连接顺序如下：取样口、泡沫捕集器、H₂S洗涤器、气体储袋、鼓泡器、气体流量计和通风管（图3）。为便于隔离或拆卸个别组件以进行故障排查或....

讨论

本文介绍的厌氧消化系统为大多数底物在实验条件下的处理提供了总体概述和一些基本指导原则。由于底物类型、反应器构型、运行参数的多样性，以及这些系统背后复杂的混合微生物群落生态特性，难以制定出可普遍适用的严格量化指标。尽管存在这些差异，所有厌氧消化系统均遵循一系列已被充分表征的生物降解途径，这些途径由物理和化学过程介导，其基本原理已被充分理解，并可应用于各类系统。本文所提出的系统参数最佳范围及规范运行方法，正是基于这些基本原理以及文献中已有详尽记录的运行观察结果。文中引用的各项参数相互关联，在厌氧消化过程中发挥着重要作用。深入理解这些参数之间的相互关系，将显著提升操作人员识别和解决系统问题的能力。对于希望进一步了解厌氧消化运行与监测相关主题的读者，Speece 所著《厌氧生物技术：工业废水处理》一书较为全面地汇总了相关议题¹⁰。

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材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
加热循环器	VWR Scientific	13271-063 VWR	用于加热夹套反应系统
变速电动实验室搅拌器	Cleveland Mixer Co.	(Model 5VB)	该型号搅拌器可配合铁架台安装使用
湿式精密气体流量计	Ritter Gasmeters	(Model TG-01)	该型号需最小流量为 (0.1 L/h)，最大可承受流量为 30 L/h
气体鼓泡器	Chemglass	(Model AF-0513-20)
气体采样管	Chemglass	(Model CG-1808)
轴向搅拌桨	Lightnin’	R04560-25 Cole-Parmer	搅拌桨叶片内径为 7.9375 mm
搅拌桨轴	Grainger	2EXC9 Grainger	1.83 m 长不锈钢棒，外径 7.9375 mm（需切割至合适尺寸）
铸铁支撑架	American Educational Products	(Model 7-G16)	用于搅拌器安装
三爪延伸夹	Talon	21572-803 VWR	用于搅拌器安装
普通夹具架	Talon	21572-501 VWR	用于搅拌器安装
蠕动泵	Masterflex	WU-07523-80 Cole-Parmer	用于上清液倾析
L/S 标准泵头	Masterflex	EW-07018-21 Cole-Parmer	用于上清液倾析——蠕动泵配件
L/S 精密泵管	Masterflex	EW-06508-18 Cole-Parmer	用于上清液倾析——蠕动泵配件
pH 分析
pH 计	Thermo Fisher Scientific - Orion	1212000
总固体与挥发性固体分析（标准方法：2540-B, E）
玻璃真空干燥器	Kimax	WU-06536-30 Cole-Parmer
瓷质蒸发皿	VWR	89038-082 VWR
实验室烘箱	Thermo Fisher Scientific	(Model 13-246-516GAQ)
中型腔马弗炉	Barnstead/ Thermolyne	F6010 Thermo Scientific
总挥发性脂肪酸分析（标准方法：5560-C）
大容量变速离心机	Sigma	WU-17451-00 Cole-Parmer
实验室电热板	Thermo Scientific	(Model HP53013A)
大型冷凝器	Kemtech America	(Model C150190)
乙酸试剂 [CAS: 64-19-7]	Alfa Aesar	AA33252-AK
化学需氧量（标准方法：5520-C）
COD 消解加热块	HACH	(Model DRB-200)
硼硅酸盐培养管	Pyrex	(Model 9825-13)
重铬酸钾试剂 [CAS: 7778-50-9]	Avantor Performance Materials	3090-01
硫酸汞(II)试剂 [CAS: 7783-35-9]	Avantor Performance Materials	2640-04
菲啰啉指示剂溶液 [CAS: 14634-91-4]	Ricca Chemical	R3140000-120C
六水合硫酸亚铁铵 [CAS: 7783-85-9]	Alfa Aesar	13448-36
气相色谱法分析气体组成
气相色谱仪	SRI Instruments	Model 8610C	必须配备热导检测器（TCD），使用下述色谱柱和载气，在105 °C恒温条件下运行
氦气	Airgas	He HP300	用作载气
填充柱	Restek	80484-800	用于 N2、CH4 和 CO2 的分离