Name: 连续搅拌厌氧消化有机废物转化为沼气系统的安装和基本操作 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-13T12:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 31 s
Description: 学习连续搅拌厌氧消化系统的构建、接种与日常操作方法，评估有机底物长期产甲烷性能。本视频演示实验室规模厌氧生物反应器的完整运行流程与稳定性监测策略。

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本研究由美国农业部通过国家食品与农业研究所（NIFA）资助，资助号为2007-35504-05381；同时由纽约州能源研究与发展局（NYSERDA）资助号58872以及康奈尔大学农业实验站通过美国农业部NIFA联邦配额资金资助的NYC-123444项目提供支持。

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未声明任何利益冲突。

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。

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9,15。由于其易于搭建和良好的运行条件，CSTR 和 CSAD 构型已被广泛应用于实验室规模的实验中。由于持续搅拌，水力停留时间（HRT）等于污泥停留时间（SRT）。SRT 是厌氧消化器的重要设计参数。该构型还因参数在空间上的均匀性更高（如化学物质浓度、温度和扩散速率）而有利于受控实验的开展。然而需要注意的是，全规模厌氧消化器的最佳构型取决于有机底物特定的物理和化学特性，以及其他非技术因素，例如目标出水水质。例如，对于可溶性有机物含量相对较高且颗粒物较少的稀释废液（如啤酒厂废水），在高速上流式生物反应器构型（例如 UASB）中的能量转化效率通常高于 CSAD 构型。尽管如此，仍有一些基本运行参数对成功实现消化过程至关重要，并且适用于所有构型，因此有必要对该构型的通用应用进行说明。
事实上，每个包含多样化且开放的厌氧微生物群落的厌氧消化（AD）系统都会将底物逐级代谢为甲烷（即每电子可用自由能最低的最终产物）。这一过程涉及的代谢途径构成一个复杂的营养网络，大致可分为四个营养阶段：水解、酸化、产乙酸和产甲烷。在水解阶段，水解性发酵细菌将复杂的有机聚合物（如碳水化合物、脂类和蛋白质）分解为其相应的单体（如糖类、长链脂肪酸和氨基酸）。在酸化阶段，酸化细菌将这些单体发酵生成挥发性脂肪酸（VFAs）和醇类；在产乙酸阶段，同型产乙酸菌和专性产氢细菌进一步将这些产物氧化为乙酸和氢气5。在最后的产甲烷阶段，乙酸裂解型和氢营养型产甲烷菌分别将乙酸和氢气代谢为甲烷。需要认识到，整个厌氧消化过程依赖于不同微生物类群之间相互关联的一系列代谢活动，只有当每个成员均正常发挥作用时，系统整体才能实现最佳性能。在设计和构建厌氧消化反应器系统时，必须始终考虑对反应器进行完全密封的要求。反应器顶部（气相空间）或气体处理系统中的微小泄漏可能难以察觉，因此系统在使用前应进行压力测试。在确保无泄漏的装置建立后，厌氧消化器实验的失败通常源于接种、培养及日常操作过程中的错误。因此，消化器常被认为本质上不稳定且易发生意外故障。那么，为何全规模的消化器却能够在稳定条件下运行数十年之久呢13？失败很可能源于操作人员的不当处理，尤其是在启动阶段，此时微生物群落必须缓慢适应有机废物的组成和浓度。因此，我们的目标不仅是提供一种构建厌氧消化系统的方法，还包括阐明这些系统的接种、运行和监测过程。
文章的第一部分将介绍如何构建连续搅拌槽式反应器（CSTR）或连续搅拌厌氧消化器（CSAD）系统，第二部分将提供利用活性产甲烷生物质对消化器进行接种的操作流程。相较于从初始培养物中逐步建立足够的生物质，直接从正在处理相似底物的运行中消化器的混合液或出水中获取活性产甲烷生物质进行接种更为实用且节省时间。第三部分将涵盖操作注意事项，包括底物投加、出水倾倒以及各类反应器问题的排查与解决。本系统的底物投加和出水倾倒将以半连续方式进行（即周期性地进行投加和倾倒，而大部分生物质和混合液保留在生物反应器内）。消化器投加和倾倒的频率由操作人员自行决定。通常情况下，更频繁且规律地进行投加和倾倒有助于提高消化器运行的稳定性，并使各投加周期间的性能表现更加一致。第四部分将介绍在实验期间应采用的基本监测方案。文中列出了若干标准分析方法，这些方法在 水和废水检测标准方法 16 (表1、2），需用于底物表征及系统的正常监测。除测量变量外，监测的重要方面还包括检查厌氧消化系统各组件是否正常运行。定期对消化系统进行维护，可预防可能危及消化器长期性能与稳定性的重大系统故障。例如，加热元件故障导致温度下降，可能因降低产甲烷菌的代谢速率而引起挥发性脂肪酸积累。若系统缺乏足够的碱度以维持产甲烷菌抑制阈值以上的pH值，该问题将进一步加剧。在沼气产率意外下降后，及时检测并封堵可能的泄漏点也至关重要。因此，在实验设计中设置重复，例如在完全相同的运行条件下并行运行两个生物反应器，有助于识别由系统故障（如微小泄漏）引起的意外性能下降。

<table><tbody><tr><td>加热循环器</td><td>VWR Scientific</td><td>13271-063 VWR</td><td>用于加热夹套反应系统</td></tr><tr><td>变速电动实验室搅拌器</td><td>Cleveland Mixer Co.</td><td>(Model 5VB)</td><td>该型号搅拌器可配合铁架台安装使用</td></tr><tr><td>湿式精密气体流量计</td><td>Ritter Gasmeters</td><td>(Model TG-01)</td><td>该型号需最小流量为 (0.1 L/h)，最大可承受流量为 30 L/h</td></tr><tr><td>气体鼓泡器</td><td>Chemglass</td><td>(Model AF-0513-20)</td><td></td></tr><tr><td>气体采样管</td><td>Chemglass</td><td>(Model CG-1808)</td><td></td></tr><tr><td>轴向搅拌桨</td><td>Lightnin&amp;#8217;</td><td>R04560-25 Cole-Parmer</td><td>搅拌桨叶片内径为 7.9375 mm</td></tr><tr><td>搅拌桨轴</td><td>Grainger</td><td>2EXC9 Grainger</td><td>1.83 m 长不锈钢棒，外径 7.9375 mm（需切割至合适尺寸）</td></tr><tr><td>铸铁支撑架</td><td>American Educational Products</td><td>(Model 7-G16)</td><td>用于搅拌器安装</td></tr><tr><td>三爪延伸夹</td><td>Talon</td><td>21572-803 VWR</td><td>用于搅拌器安装</td></tr><tr><td>普通夹具架</td><td>Talon</td><td>21572-501 VWR</td><td>用于搅拌器安装</td></tr><tr><td>蠕动泵</td><td>Masterflex</td><td>WU-07523-80 Cole-Parmer</td><td>用于上清液倾析</td></tr><tr><td>L/S 标准泵头</td><td>Masterflex</td><td>EW-07018-21 Cole-Parmer</td><td>用于上清液倾析——蠕动泵配件</td></tr><tr><td>L/S 精密泵管</td><td>Masterflex</td><td>EW-06508-18 Cole-Parmer</td><td>用于上清液倾析——蠕动泵配件</td></tr><tr><td colspan="4">pH 分析</td></tr><tr><td>pH 计</td><td>Thermo Fisher Scientific - Orion</td><td>1212000</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">总固体与挥发性固体分析（标准方法：2540-B, E）</td></tr><tr><td>玻璃真空干燥器</td><td>Kimax</td><td>WU-06536-30 Cole-Parmer</td><td></td></tr><tr><td>瓷质蒸发皿</td><td>VWR</td><td>89038-082 VWR</td><td></td></tr><tr><td>实验室烘箱</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>(Model 13-246-516GAQ)</td><td></td></tr><tr><td>中型腔马弗炉</td><td>Barnstead/ Thermolyne</td><td>F6010 Thermo Scientific</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">总挥发性脂肪酸分析（标准方法：5560-C）</td></tr><tr><td>大容量变速离心机</td><td>Sigma</td><td>WU-17451-00 Cole-Parmer</td><td></td></tr><tr><td>实验室电热板</td><td>Thermo Scientific</td><td>(Model HP53013A)</td><td></td></tr><tr><td>大型冷凝器</td><td>Kemtech America</td><td>(Model C150190)</td><td></td></tr><tr><td>乙酸试剂 [CAS: 64-19-7]</td><td>Alfa Aesar</td><td>AA33252-AK</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">化学需氧量（标准方法：5520-C）</td></tr><tr><td>COD 消解加热块</td><td>HACH</td><td>(Model DRB-200)</td><td></td></tr><tr><td>硼硅酸盐培养管</td><td>Pyrex</td><td>(Model 9825-13)</td><td></td></tr><tr><td>重铬酸钾试剂 [CAS: 7778-50-9]</td><td>Avantor Performance Materials</td><td>3090-01</td><td></td></tr><tr><td>硫酸汞(II)试剂 [CAS: 7783-35-9]</td><td>Avantor Performance Materials</td><td>2640-04</td><td></td></tr><tr><td>菲啰啉指示剂溶液 [CAS: 14634-91-4]</td><td>Ricca Chemical</td><td>R3140000-120C</td><td></td></tr><tr><td>六水合硫酸亚铁铵 [CAS: 7783-85-9]</td><td>Alfa Aesar</td><td>13448-36</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">气相色谱法分析气体组成</td></tr><tr><td>气相色谱仪</td><td>SRI Instruments</td><td>Model 8610C</td><td>必须配备热导检测器（TCD），使用下述色谱柱和载气，在105 &amp;deg;C恒温条件下运行</td></tr><tr><td>氦气</td><td>Airgas</td><td>He HP300</td><td>用作载气</td></tr><tr><td>填充柱</td><td>Restek</td><td>80484-800</td><td>用于 N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;、CH&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt; 和 CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 的分离</td></tr></tbody></table>

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

Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation

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。

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。

厌氧消化（AD）是一种常用于将复杂有机废物转化为有用沼气的生物过程，其中甲烷作为能量载体……

本实验的总体目标是展示如何构建、接种、日常运行及正确监测用于评估特定有机底物是否适用于长期厌氧消化处理的实验室规模连续搅拌式厌氧消化器。首先需构建一套厌氧消化系统来实现这一目标。第二步是通过在生物反应器系统内建立适宜的厌氧环境，向消化器中接种活性产甲烷生物质。随后介绍消化器系统的正常运行，包括出水、倾析、进料及故障排除。最后一步是引入监测策略，采用厌氧生物技术领域常规使用的标准分析方法，评估消化器的运行性能与稳定性。最终结果表明，通过一个控制良好、定期监测的实验室规模厌氧消化系统，厌氧消化在处理有机底物以实现能源生产和降低有机负荷方面具有显著效果。许多初次接触厌氧消化过程的研究人员会发现该过程具有挑战性，因为必须为专性厌氧微生物维持一个无氧的环境。此外，用户可能会觉得启动阶段较为缓慢且繁琐，因为需要较长时间才能使足够数量的产甲烷菌生长，从而形成能够承受特定有机负荷率的生物量浓度。但需要明确的是，如果严格遵循本文所述的实验方案，这些问题是可以避免的。最后，当实现稳定的消化效果后，即可开始利用这些系统进行实验。然而，这也可能给实验人员带来挑战，因为我们所操作的是复杂的生物系统，对外部或环境扰动极为敏感。当以一致、规律和规范的方法操作时，消化技术可表现出极高的稳定性和可预测性。我们希望在本视频中传达这一理念。开始构建消化器时，应选择一个具有如图所示特征并符合所需工作体积的容器。如果容器未配备加热水套，则将其置于温度可控的环境（如加热水浴或培养室）中。将容器垂直固定，并确保水平台面有足够的空间放置其余组件。按照此处所示方式组装容器盖。出流管和出流管的端口应足够宽，以防止管内发生堵塞。生物反应器应具有足够的长度，以便在倾倒过程中保持浸没在消化液介质中，同时从盖子顶部伸出。为便于连接管路，搅拌桨护套应尽可能深入地延伸至消化液介质中。在盖子的接触面上涂抹硅基真空润滑脂，并将其夹紧到消解罐的顶部。使用铁架台和夹具，将可调速搅拌器固定在与消解罐垂直轴平行的位置，然后安装搅拌桨轴。由于搅拌电机存在振动和移动，因此必须使用独立且可自由移动的支架。将一段柔性管路连接到进液管和出液管上，然后将另一段管路连接至气体接口，作为气体导管使用；管路连接应比图示更紧密，以防止泄漏。下一步是将沼气导管连接至各个组件，并将其放置在消化器上方的支架上。首先连接气体取样口，该取样口应位于反应器顶部气相空间附近。接下来，连接泡沫捕集器，其体积应至少为反应器体积的25%，捕集器应包含两个端口，一个用于沼气进气管，另一个用于沼气出气管。进气管应比出气管插入更深。使用一根内径为2厘米的长玻璃管构建硫化氢洗涤器。用钢丝球填充，以提供足够的表面积用于去除杂质，但不要塞得过紧，以免阻碍沼气流动。在管子两端分别安装沼气进气口和出气口。最后，使用任何可压缩的密闭材料（如厚橡胶气球或气球）制作一个气体储罐，其体积应超过目标进料体积的两倍以上。如果系统将通过循环水浴加热器进行温度控制，则连接鼓泡器和气体流量计。将该装置置于加热套液面以上，并使用柔性管将其与加热套连接。将加热器设定为适合中温或高温消化的适当温度。对系统进行泄漏测试。首先将消化罐注满水，然后使用气体对进液管路进行轻微加压，压力低于5 PSI，随后将厌氧气体连接至进液管。接下来，夹住沼气管路和出液管路，使用肥皂水检查反应器盖周围是否存在泄漏，然后松开沼气管路的夹子，对整个气体处理系统进行泄漏检测。开启搅拌桨和加热元件，并使其运行过夜，以确保搅拌器和加热器能够持续稳定运行，为消化器接种做好准备。如有必要，可使用经厌氧气体冲洗过的水将接种物稀释至能够充满消化器的体积。在接种前，将厌氧消化器中的水排干。将进料管与厌氧气体源连接，夹住出流管，并用胶带密封搅拌器、轴和套管之间的缝隙，对空的消化系统通入厌氧气体吹洗数分钟。为防止厌氧气体流失，务必同时吹洗气体储罐。接下来，将漏斗连接到进样管并加入接种物。确保定期混匀以保证均匀性。重新将厌氧气体连接到进样管。打开混合器，冲洗消化池内容物至少15分钟。然而，混合并非必需。然后断开气体夹、进料管，并松开气体储罐的夹子。消化器现已开始运行，应在进料前持续运行数天。在计算出保守的初始有机负荷率（OLR）后，逐步提高OLR，直至达到目标值。配制好进料混合物，并在4°C下保存，直至进料时使用。通过将出流管连接至泵，将消化器中的出流液倾倒，移除与待添加进料体积相等的出流液体积。将出流液储存于4°C，以备后续分析。添加进料时，将漏斗连接至进料管，倒入进料，确保固体随主体液体一同进入。运行过程中应定期检查消化罐及其组件，以监控系统状态。需特别关注搅拌和加热系统，搅拌不充分会导致出水固体浓度突然下降。定期检查气体计量器中的油或水是否处于适当液位，并及时更换硫化氢捕集器中的钢丝绒，因其会变黑并失去活性。通过与硫化氢反应生成硫化铁。最后，按照书面方案中所述进行分析，并确认数值持续处于规定的最佳范围内。消化器接种成功的表现是在数天内产生沼气。在驯化期间，随着更多产甲烷生物质的富集，沼气中甲烷与二氧化碳的比值将逐渐升高。由于产甲烷菌的生长速度相较于产酸菌较慢，因此需要较长的驯化时间以及逐步的操作调整。本文展示了在启动阶段过早引入高有机负荷率（OLR）时，消化器的动态响应情况。在此示例中，甲烷生物量不足，无法去除底物降解阶段酸生成过程中产生的挥发性脂肪酸（VFAs）。这导致挥发性脂肪酸积累，进而引起 pH 下降。为纠正此情况，需降低有机负荷率（OLR），以限制产酸菌（ENS）产生的挥发性脂肪酸，并在恢复至较高有机负荷率前促进更多产甲烷菌的富集。随后，反应器在三个水力停留周期内表现出稳定的消化状态。当监测参数（如沼气产率、总挥发性脂肪酸浓度、挥发性固体浓度和pH值）在至少一个水力停留时间（HRT）或25天的最短时间内持续保持在其平均值的10%范围内时，可认为系统达到了稳定消化或拟稳态条件。此图揭示了CSTR系统对因混合不充分所引起扰动的长期响应。由于混合不充分，导致固体物在反应器中沉降，从而减少了被去除的固体量。在出水排出过程中，这些固体物的积聚使得出水中的固体浓度升高。当恢复充分混合后，大约经过一个水力停留时间（HRT），消化池的出水固体浓度才恢复正常。厌氧消化器是一种生物系统，因此会表现出一定的内部变异性及性能波动。在实验人员能够识别出系统所受实验干扰引起的特定效应之前，必须对这种变异性进行量化。在对反应器系统进行实验性改变之前，需要经过三个水力停留时间（HRT）周期。由于通常认为该时间足以使混合液中各化学组分达到稳定浓度，因此在该时间段结束时，实验人员应能够为每个测定参数建立可靠的基线。该基线可作为后续按照本方法进行实验时的比较依据。此外，还可开展其他方法，如生物化学甲烷潜力测定、甲烷生成活性测试以及肠道毒性测定，以回答诸如：通过特定底物可达到的最大甲烷产率是多少？反应器系统中甲烷菌生物量的代谢活性如何？此外，底物相关的毒性对厌氧生物量的影响程度和持续时间如何？进行此类分析将使操作人员能够更好地表征底物，并更准确地评估IC处理工艺用于处理此类有机废物的适用性。谢谢。

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