餐廚垃圾厭氧消化過程失穩(wěn)的動力學(xué)特征及微生物機(jī)理研究.pdf

1、為揭示消化過程失穩(wěn)的源頭和關(guān)鍵環(huán)節(jié)；辨析對消化過程穩(wěn)定性具有決定作用的功能微生物；尋找對消化過程失穩(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)器中開展可控的擾動實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理化分析、微生物活性檢測和高通量測序等技術(shù)手段，研究了過程失穩(wěn)的動力學(xué)特征和微生物機(jī)理。結(jié)果表明：
　　①污泥負(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，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；
　?、诔?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，從 k和 Rmax′的數(shù)值變化上無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)荷對水解階段的削弱作用小于產(chǎn)甲烷階段，因此會增加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，對保證反應(yīng)器的過程穩(wěn)定具有重要意義；
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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k和Rmax的抑制程度相當(dāng)，k/Rmax′保持恒定，此時反應(yīng)器內(nèi)無中間代謝產(chǎn)物積累，但呈現(xiàn)反應(yīng)時間延長，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；
　　④超負(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)，乙酸營養(yǎng)型和氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌共存，水解、酸化和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌各類微生物平衡發(fā)展。高負(fù)荷下產(chǎn)酸的柔膜菌門和放線菌門微生物急劇繁殖，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)的第一個原因。高VFA產(chǎn)率誘導(dǎo)酸氧化菌大量生長，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；
　　⑤氨抑制實(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)特征依然存在爭議；但放線菌屬及產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸類微生物的豐度與過程穩(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。<