厭氧發(fā)酵過程中小分子底物代謝的研究.pdf

1、鑒于化石能源日益枯竭，而人類的活動對于能源的消耗與日俱增，能源危機問題逐漸顯露。在這一過程中，以生物質(zhì)能源為代表的綠色能源強勢興起。其中，厭氧消化工藝由于底物選擇廣泛，且可以在產(chǎn)能過程中對有機質(zhì)垃圾進行有效的處理而引起越來越多的關(guān)注。另一方面，作為一個餐飲大國，中國的餐廚垃圾總量與日俱增又極大的刺激了城市垃圾的排放量，隨之而來的后果不容小覷。而將厭氧消化工藝與餐廚垃圾處理相結(jié)合，可以有效的解決上述問題。本文針對餐廚垃圾厭氧消化過程中氮抑

2、制現(xiàn)象進行了深入的研究，主要考察了厭氧消化體系內(nèi)氮抑制現(xiàn)象出現(xiàn)的機制、方式等，并在半連續(xù)厭氧消化過程中發(fā)現(xiàn)了底物緩沖體系（buffer體系）對于厭氧消化的促進作用;同時對該buffer的功能進行了全面的考察，以期向體系內(nèi)投放buffer后，改善厭氧消化體系的狀態(tài);考察了其最佳的添加濃度，添加方式，接種濃度，及其對厭氧消化體系菌群的影響;并以餐廚垃圾為底物，進行半連續(xù)厭氧消化操作。主要結(jié)論如下:
　　 1.厭氧消化體系內(nèi)，不同無機

3、含氮離子會隨濃度的不斷升高而抑制體系的產(chǎn)氣能力，其中NO2-N產(chǎn)生的抑制最劇烈。同時，高濃度的NH4+-N可促進體系的甲烷菌活性，當C/N=0.5時，體系的甲烷濃度為高于空白組10％;低濃度的NO3--N也可促進體系的產(chǎn)氣效率，該效果在NO3--N濃度上升至48.8 ppm時消失，且在84.8 ppm時出現(xiàn)顯著的抑制。同時，NO3--N批次C/N=28組的TOC利用率比NH4+-N批次C/N=1組高9.2％，且不易產(chǎn)生抑制。因此，其促進

4、效果比高濃度組的NH4+-N的效果更好。厭氧消化體系中的脫氮路徑主要為硝化→反硝化路徑，其他氮代謝路徑活性較低。當?shù)匆訬O3--N或NO2--N進入底物的時候，體系的脫氮率相對NH4+-N組有一定的提高。由于NO2--N離子不穩(wěn)定，在消化后期，NO2-N被氧化為NO3--N存在于體系中。
　　 2.對不同碳氮比廚余/動物糞便廢水進行90 d的半連續(xù)厭氧消化。在整個消化過程中，體系維持了對NH4+-N較高的耐受性。在消化最初60

5、 d里，較低的碳氮比會顯著增加體系微生物的活性及體系的TOC利用率，雖然此時NH4+-N濃度已經(jīng)達到5.65 g/L，VFAs濃度已經(jīng)達到12 g/L。但是，C/N=6.5組的TOC利用率仍然比C/N=26組高11.1％，結(jié)果表明，在該過程中NH4+-N同VFAs結(jié)合形成了一個活躍的buffer體系，從而增加了體系的甲烷產(chǎn)量及TOC利用率，也增加了體系對于NH4+-N同VFAs的耐受性。在第三階段(61～90 d)，由于體系的NH4+-

6、N顯著積累，體系的buffer降解，最終產(chǎn)生了明顯的氮抑制。因此，通過調(diào)整半連續(xù)厭氧消化體系內(nèi)的底物C/N可以有效的增加體系的產(chǎn)氣效率，提高體系的甲烷產(chǎn)率及TOC利用率。
　　 3.以1d為HRT進行外源性buffer的添加，由于底物簡單，代謝過快，會使體系出現(xiàn)明顯的抑制。分別為以4 g/L，2g/L及1 g/L乙酸銨為底物進行消化時，體系的總產(chǎn)氣量同空白組相比分別下降了66.1％，31.2％及17.5％;同時，外源性buffe

7、r可有效的提高體系的產(chǎn)甲烷濃度，4 g/L組的平均甲烷濃度可達73.66％，遠高于空白組的42.72％。同時，外源性buffer的添加可以明顯維持體系的pH穩(wěn)定性;相比于其他產(chǎn)氣菌，產(chǎn)甲烷菌需要更長的時間由“不可逆抑制狀態(tài)”恢復(fù)。以半連續(xù)法向體系內(nèi)添加buffer可以有效的促進內(nèi)源性buffer的形成，以2d為時間間隔，向體系內(nèi)添加1d的乙酸銨buffer，最有益于體系的消化。最佳的TOC利用率可達到843.31 mL CH4/g TO

8、C。buffer存在的AD體系內(nèi)，消化的總產(chǎn)氣量與種子污泥所稀釋的倍數(shù)成反比，而產(chǎn)甲烷濃度與所稀釋的倍數(shù)呈正比。當污泥VS為3.5％時，體系的產(chǎn)氣量僅為原污泥(Vs=17.0％)組的49.77％，而平均甲烷產(chǎn)率卻高于該組13％; VS=8.1％組的產(chǎn)氣情況也相應(yīng)下降，但是當污泥VS為10.2％時，其平均產(chǎn)氣效率僅比原污泥組低3.2％。乙酸銨buffer可以有效的促進體系生物質(zhì)的形成，并促進體系的產(chǎn)甲烷菌活性。
　　 4.以HRT

9、=2 ds，添加時間為1d，體系的產(chǎn)氣效果最好，可達到901.11mL CH4/g TOC;以HRT=2 ds，添加時間為3 ds時，即使組內(nèi)的NH4+-N和VFAs濃度雖然分別達到3.27 g/L及12.46 g/L，體系的TOC仍然可達802.65 mL CH4/g TOC。隨buffer添加時間的增加，體系的產(chǎn)甲烷菌活性可以在短時期內(nèi)被促進，TOC利用率也會相應(yīng)提高，但隨著消化的進行，AD體系會逐漸產(chǎn)生抑制。外源性buffer的添

10、加會對AD體系微生物產(chǎn)生明顯的影響，隨著抑制的發(fā)生，部分厭氧細菌DGGE條帶的亮度會明顯降低甚至消失;同時，外源性buffer的添加對體系古菌的影響并不明顯，在整個反應(yīng)過程中，體系的古菌條帶（以Methanobacterium aarhusense strainH2-LR為主）基本并無變化。證明以該種方式添加buffer可以促進體系內(nèi)源性buffer的形成，且不會明顯抑制體系的產(chǎn)甲烷菌。
　　 5.以外源性buffer向餐廚垃圾

11、厭氧消化體系內(nèi)添加，可以有效的增加體系的穩(wěn)定性，促進體系的產(chǎn)氣及產(chǎn)甲烷狀態(tài)。當添加buffer總量相同時，HRT=3 ds組獲得了最佳的甲烷濃度，該組的平均甲烷濃度為55.22％，比空白組高28.0％;而以HRT=1 d乙酸銨向體系內(nèi)添加buffer時，AD體系的平均甲烷濃度為54.87％，且有抑制現(xiàn)象發(fā)生;以HRT=5 ds向體系內(nèi)添加時，促進效果并不明顯，平均甲烷濃度僅為52.61％。與簡單底物相比，以餐廚垃圾為底物，可有明顯的降低