《Biochemical Engineering Journal》：Sustainable approach to anaerobically treat high-strength distillery wastewater for renewable energy recovery: start-up strategy, reactor performance, and kinetic evaluation
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生物乙醇废液（DSW）高浓度废水处理中，通过湿实验与改进的ADM-1动力学模型结合，确定最佳底物/接种物比（S/I）为1:4，使甲烷产量达299.0 mL-CH4/g-COD，COD去除率85.4%。模型整合VFA和硫化物抑制机制，验证SAB反应器30天最佳水力停留时间，并证实微生物分层对稳定产甲烷的作用。
卡莉娅·萨尼（Khaliyah Sani）、阿努恩·萨拉埃（Anun Salaeh）、拉塔纳·贾里亚布恩（Rattana Jariyaboon）、琼蒂查·马米明（Chonticha Mamimin）、阿利萨拉·伦桑（Alissara Reungsang）、松蓬·奥通（Sompong O-Thong）、安藤秀成（Hidenari Yasui）、普拉维特·孔詹（Prawit Kongjan）
泰国帕塔尼府宋卡亲王大学（Prince of Songkla University）科学技术学院（Faculty of Science and Technology）科学系（Department of Science），邮编94000
摘要
酿酒厂废液（Distillery Spent Wash，DSW）是一种在生物乙醇生产过程中产生的高浓度废水，具有巨大的潜力用于生产沼气，进而作为可持续能源载体。本研究结合了实验室实验和动力学模型优化了DSW的厌氧消化过程。在批次实验中，发现挥发性固体（Volatile Solids，VS）与接种物（Substrate to Inoculum，S/I）的比例为1:4时，甲烷产量最高且消化性能最稳定，优于其他比例（1:3、1:2和1:1）。通过改进的ADM-1模型（考虑了挥发性脂肪酸VFA和硫化物的抑制作用以及硫酸盐还原菌SRB的动力学特性）对实验结果进行了模拟。校准后的模型显示，该比例下的分解速率降至0.17 d?1，乙酸抑制常数升高至2333 g-COD m?3，表明微生物已适应高VFA环境。基于模型的预测结果表明，对于阶梯式厌氧挡板反应器（Step Anaerobic Baffled Reactor，SAB），30天的最佳水力停留时间（Hydraulic Retention Time，HRT）可使其达到稳定运行状态，甲烷产量为299.0 mL-CH?/g-COD，COD去除率为85.4%。动态模拟验证了批次实验校准的动力学参数的适用性，并强调了相分离和共生稳定性在维持甲烷生产中的作用。微生物群落分析证实了其空间分层现象：早期反应区以产酸菌为主，下游区域则以产甲烷古菌为主。动力学建模、模拟和微生物分析的结合为复杂工业废水的稳定高效厌氧处理提供了可靠的设计方法。
引言
酿酒厂废液（DSW）是乙醇生产过程中产生的主要高浓度废水。DSW是一种复杂的有机和无机化合物混合物，含有极高的有机碳含量（100–200 g-COD/L）和大量的硫酸盐（13,300–14,100 mg/L）。由于pH值极低，传统处理方法难以有效处理DSW，因此其处理问题十分突出[1][2]。若不进行适当处理，其毒性、颜色及长期存在的有机物质将严重破坏水生和陆地生态系统[1][2]。因此，需要开发稳定DSW的处理系统以回收能源并避免环境问题。
厌氧消化是一种更有效且可持续的处理高浓度工业废水的方法，不仅能减少有机物质，还能产生甲烷作为生物燃料，具有经济价值[3]。然而，由于挥发性脂肪酸（VFA）的积累和硫酸盐还原过程中产生的硫化物毒性，DSW的厌氧消化常常受到阻碍[4][5]。稳定的消化过程依赖于抑制作用与微生物种群之间的平衡以及反应器设计的合理性。S/I比例对消化过程的启动和进展至关重要：过低的接种量可能导致酸化，而过高的接种量可能掩盖废物的实际可降解性[6][7]。因此，合适的S/I比例对于实现稳定的微生物活性和较高的甲烷产量至关重要。合适的比例有助于确定关键的动力学参数，如水解程度、抑制作用和停留时间[8][9]。将实验室实验与动力学建模相结合，为厌氧过程的优化和放大提供了科学依据，减少了经验性试验的依赖性，提高了对DSW处理的信心。
反应器配置直接影响其在高浓度和富含硫酸盐条件下的稳定运行能力。例如上流式厌氧污泥床（Up-Flow Anaerobic Sludge Blanket，UASB）和连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）在面临高有机负荷时容易出现生物量流失、水解受限和局部抑制等问题[10]。阶梯式厌氧挡板反应器（SAB）通过分区设计促进了微生物分层，增强了系统的稳定性和性能。然而，这种反应器也存在负荷分布不均、局部酸化和系统不稳定等问题[11]。
阶梯式厌氧挡板反应器（SAB）正是为解决这些问题而设计的。通过调整反应室体积和挡板方向，可实现稳定的水力条件、改善有机负荷分布和相分离效果。这些特性有助于提高颗粒物的停留时间，降低系统对冲击的敏感性，并促进产酸区和产甲烷区的有效分离。对于富含硫酸盐的废水（如DSW），这种设计尤为有效，因为它能抑制上层产硫细菌产生的硫化物扩散到产甲烷区，从而保护产甲烷菌[12]。尽管ADM-1厌氧消化模型已被广泛用于机理分析和过程模拟，但批量校准参数在多反应器系统中的适用性仍存在不确定性[13]。传统ADM-1模型未充分考虑VFA和H?S的协同抑制效应，也不清楚SAB系统中的微生物分层是否与模型预测一致。
本研究的创新之处在于将S/I比例优化、考虑VFA和硫化物抑制作用的改进ADM-1模型以及SAB反应器设计整合到一个统一的模型框架中，用于处理高浓度、富含硫酸盐的酿酒厂废水。通过多组S/I比例的批次实验确定了支持甲烷生产的最佳消化条件，并据此调整了ADM-1模型，以考虑VFA和硫化物抑制机制。校准后的模型用于预测连续SAB系统的最佳水力停留时间和操作条件。最终，通过实验验证了稳态下的反应器性能（包括甲烷产量、COD去除率和生化稳定性），并与动态模拟结果进行了对比。
部分内容摘录
底物与接种物
本研究使用的DSW来自泰国苏拉坦尼市的Thai Beverage Energy有限公司。为保持其物理化学性质，DSW储存在密封塑料容器中（4°C）。厌氧消化接种物来自苏拉坦尼市的Phrasaeng Green Power有限公司，来源于棕榈油厂废水的沼气生产。接种物在室温（30±3°C）下储存于塑料容器中。
DSW和接种物的特性
DSW和接种物的物理化学特性见表1。DSW含有较高的COD（172.8 ± 1.5 g/L）和VS（130.1 ± 3.0 g/L），表明其具有良好的生物降解性。其碳水化合物和蛋白质含量使得C/N比达到14.66，适合厌氧消化。较低的pH值（5.12 ± 0.01）需要调整至适宜的产甲烷条件。较高的硫酸盐含量（7.08 ± 0.07 g/L）可能引发硫化物生成，从而影响消化过程。结论
通过结合动力学建模和实验验证来设计和运行厌氧系统以处理高浓度DSW，可提供一种可靠的框架。改进的ADM-1模型考虑了VFA和硫化物的抑制作用以及SRB的动力学特性，成功描述了DSW消化的生化复杂性，并预测了最佳操作条件。校准后的参数表明，分解速率为0.17 d?1，乙酸抑制常数为2,333 g-COD m?3。
作者贡献声明
拉塔纳·贾里亚布恩（Rattana Jariyaboon）：验证、监督、资源协调、项目管理、资金筹集、数据分析、概念构思。阿努恩·萨拉埃（Anun Salaeh）：初稿撰写、数据可视化、结果验证、调查分析、数据整理、概念构思。阿利萨拉·伦桑（Alissara Reungsang）：结果验证、资源协调、方法论设计、调查分析。琼蒂查·马米明（Chonticha Mamimin）：结果验证、资源协调、方法论设计、调查分析。卡莉娅·萨尼（Khaliyah Sani）：初稿撰写与编辑、数据可视化、结果验证。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。致谢
作者感谢以下机构的财务支持：(i) 国家科学技术发展局（National Science and Technology Development Agency）和Mitr Phol Bio-Power Songkhla有限公司提供的STEM奖学金（SCA-CO-2560-4980-TH）；(ii) 泰国能源部能源政策与规划办公室（Energy Policy and Planning Office，SAT 6105195S）；(iii) 泰国科学研究与创新机构（Thailand Science Research and Innovation，RTA 6280001）；(iv) PSU OPEN MOBILITY项目。
