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1、為揭示消化過(guò)程失穩(wěn)的源頭和關(guān)鍵環(huán)節(jié);辨析對(duì)消化過(guò)程穩(wěn)定性具有決定作用的功能微生物;尋找對(duì)消化過(guò)程失穩(wěn)具有指示特征的微生物預(yù)警因子,本研究以超負(fù)荷失穩(wěn)和氨抑制失穩(wěn)為研究對(duì)象,在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的餐廚垃圾厭氧消化反應(yīng)器中開(kāi)展可控的擾動(dòng)實(shí)驗(yàn),結(jié)合理化分析、微生物活性檢測(cè)和高通量測(cè)序等技術(shù)手段,研究了過(guò)程失穩(wěn)的動(dòng)力學(xué)特征和微生物機(jī)理。結(jié)果表明:
?、傥勰嘭?fù)荷(即接種比,Substrate-Inoculums Ratio,S/I)比容積負(fù)荷(O
2、rganic Loading Rate,OLR)更適于作為負(fù)荷界定參數(shù),S/I大于2 g VS·gVSS-1時(shí),反應(yīng)器即面臨超負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn);但氨氮和微生物濃度的比(Total Ammonia-Biomass Concentration Ratio,TAN/BC)不適合用作厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)的氨抑制界定參數(shù),氨氮濃度本身才是決定抑制程度大小的主要因素;
②超負(fù)荷系統(tǒng)中,水解和產(chǎn)甲烷速率常數(shù)(k和Rmax′)隨OLR、BC及S/I的增
3、加都呈現(xiàn)非單調(diào)變化趨勢(shì),從 k和 Rmax′的數(shù)值變化上無(wú)法直接判斷厭氧消化反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài),但k/Rmax′與反應(yīng)器運(yùn)行效率呈負(fù)相關(guān),高效運(yùn)行的反應(yīng)器k/Rmax′應(yīng)維持在1.69~3.44(p=0.05);增加負(fù)荷對(duì)水解階段的削弱作用小于產(chǎn)甲烷階段,因此會(huì)增加k/Rmax′,導(dǎo)致產(chǎn)酸和耗酸失衡,反應(yīng)器失穩(wěn);反之,提高接種物濃度,可以更加有效的促進(jìn)產(chǎn)甲烷階段,從而緩解這種失衡,對(duì)保證反應(yīng)器的過(guò)程穩(wěn)定具有重要意義;
?、郯币种葡?/p>
4、統(tǒng)中,k、Rmax以及 k/Rmax′都不能很好的指示反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)。中、低TAN下,TAN對(duì)k和Rmax的抑制程度相當(dāng),k/Rmax′保持恒定,此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)無(wú)中間代謝產(chǎn)物積累,但呈現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),甲烷產(chǎn)率下降的“抑制型穩(wěn)態(tài)”現(xiàn)象;而高氨氮下 TAN對(duì)產(chǎn)甲烷階段的抑制程度比水解階段更重,k/Rmax′急劇上升,產(chǎn)酸和耗酸失衡,因此反應(yīng)器呈現(xiàn)中間代謝產(chǎn)物急劇積累,運(yùn)行效率劇下降的氨中毒現(xiàn)象;
?、艹?fù)荷實(shí)驗(yàn)中,穩(wěn)定運(yùn)行階段反應(yīng)器具
5、有高的產(chǎn)甲烷活性,且甲烷鬃菌主導(dǎo),乙酸營(yíng)養(yǎng)型和氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌共存,水解、酸化和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌各類(lèi)微生物平衡發(fā)展。高負(fù)荷下產(chǎn)酸的柔膜菌門(mén)和放線(xiàn)菌門(mén)微生物急劇繁殖,造成高揮發(fā)性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA)產(chǎn)率,這是系統(tǒng)失穩(wěn)的第一個(gè)原因。高VFA產(chǎn)率誘導(dǎo)酸氧化菌大量生長(zhǎng),導(dǎo)致系統(tǒng)H2增加;而相應(yīng)的氫型產(chǎn)甲烷菌豐度和活性均下降,造成 H2消耗速率下降,這種細(xì)菌和古菌之間代謝功能的不匹配是系統(tǒng)失穩(wěn)的第二個(gè)原因。此外,抑
6、制物積累直接降低了乙酸產(chǎn)甲烷活性;且引起主導(dǎo)氫型甲烷菌從甲烷螺菌轉(zhuǎn)為甲烷囊菌,間接降低了氫型產(chǎn)甲烷活性,這是系統(tǒng)失穩(wěn)的第三大誘因;
?、莅币种茖?shí)驗(yàn)中,穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,反應(yīng)器中同樣具有均衡的微生物群落結(jié)構(gòu)。TAN增加的過(guò)程中,產(chǎn)甲烷鬃菌因高度的TAN敏感性而逐漸消失,導(dǎo)致乙酸代謝成為了反應(yīng)器內(nèi)的限速步驟,這是系統(tǒng)失穩(wěn)的最初原因;乙酸積累影響上游脂肪酸的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而誘發(fā)丙酸積累,這是系統(tǒng)失穩(wěn)的第二階段;高酸濃度引起保護(hù)性的放線(xiàn)菌屬豐度
7、下降,從而破壞了微生物聚集體,使反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)微生物僅剩下產(chǎn)酸或耐酸的水解和酸化微生物。保護(hù)性微生物豐度下降及產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的缺失,打破了串聯(lián)有序的厭氧消化過(guò)程,是氨抑制厭氧消化反應(yīng)器失穩(wěn)的根本原因;
?、薷爬ǖ奈⑸锷鷳B(tài)學(xué)參數(shù)不適用于指示厭氧消化反應(yīng)器的過(guò)程穩(wěn)定性,健康、平衡、有效的微生物群應(yīng)具備怎樣的生態(tài)學(xué)特征依然存在爭(zhēng)議;但放線(xiàn)菌屬及產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸類(lèi)微生物的豐度與過(guò)程穩(wěn)定性相關(guān),且具有理論支撐,可作為反應(yīng)器內(nèi)潛在的生物預(yù)警因子。<
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