兩段式厭氧工藝產(chǎn)甲烷發(fā)酵特性及微生物生態(tài)調(diào)控機制研究.pdf

1、隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,石化能源日趨枯竭,環(huán)境污染日益加重。亟待開發(fā)以高效利用各種廢棄物能源化、資源化的新技術(shù)。目前,利用有機廢棄物厭氧消化產(chǎn)甲烷技術(shù)已得到部分地區(qū)應(yīng)用和推廣,并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。然而,實際上普遍應(yīng)用的厭氧發(fā)酵技術(shù)仍依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗實施,缺乏對厭氧消化微生物過程深入的機理研究。因此造成厭氧消化裝置和運行工藝簡單,系統(tǒng)運行效率低及穩(wěn)定性差等。尤其在一些高寒地區(qū),受發(fā)酵溫度制約,更加難以應(yīng)用和推廣。此外,厭氧消化過

2、程產(chǎn)生的大量殘液處理不當(dāng)還會造成對環(huán)境的二次污染,而作為生物有機肥應(yīng)用在加工及施灌等技術(shù)方面還不成熟。
　　本文圍繞沼氣應(yīng)用中的實際問題及待深入研究的理論問題,構(gòu)建一套兩段式厭氧發(fā)酵系統(tǒng),以北方農(nóng)村典型的廢棄物牛糞和水稻秸稈為產(chǎn)甲烷基質(zhì),開展了以利用單一底物牛糞的產(chǎn)甲烷特性研究,以及利用水稻秸稈和糖漿廢水混合底物共發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性的研究。同時,為探索低溫條件對厭氧消化微生物作用的抑制機理,采取兩種研究技術(shù)路線,即從自然生境篩選低溫復(fù)

3、合產(chǎn)甲烷菌群的傳統(tǒng)培養(yǎng)技術(shù),結(jié)合兩段發(fā)酵產(chǎn)甲烷相降溫馴化適低溫產(chǎn)甲烷菌群的技術(shù)途徑,探求低溫條件下的產(chǎn)甲烷效能及微生物特性。此外,在沼液資源化利用方面,提出了以厭氧消化產(chǎn)甲烷殘液作為生產(chǎn)生物絮凝劑的廉價替代底物,證實并獲得較理想絮凝率和絮凝劑產(chǎn)量的可行性。論文取得研究結(jié)果如下。
　　發(fā)現(xiàn)了結(jié)合MFC技術(shù)構(gòu)建的復(fù)合產(chǎn)酸系統(tǒng),可顯著促進(jìn)牛糞降解、產(chǎn)酸速率及有利于末端液相有機揮發(fā)酸的定向轉(zhuǎn)化。以單一底物牛糞8％TS穩(wěn)定運行時,末端液相發(fā)

4、酵產(chǎn)物以乙酸為主,占揮發(fā)酸總量的78.7%,并顯著抑制丙酸濃度積累。生物膜表面優(yōu)勢細(xì)菌種群為Acinetobactersp.、Pseudomonassp.和Flavobacteriumsp.。利用復(fù)合產(chǎn)酸系統(tǒng)運行40d的酸化物料作為產(chǎn)甲烷相進(jìn)料基質(zhì),以HRT為40d,OLR為2.5kgVSaddm-3d-1運行時,產(chǎn)甲烷相的沼氣容積產(chǎn)量可達(dá)1.21±0.047m3m-3reactord-1,甲烷產(chǎn)量為252.6±8.4Lkg-1VSfe

5、d。產(chǎn)甲烷相優(yōu)勢細(xì)菌類群為Lutaonellasp.、Sedimentibactersp.、Proteiniphilumsp.、和Clostridiumsp.;優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌為Methanosaetasp.、Methanosarcinasp.和Methanobacteriumformicicum。
　　利用水稻秸稈和糖漿廢水混合底物共發(fā)酵考察兩段發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn),8%TS的CSTR產(chǎn)酸系統(tǒng)運行至30d時,pH迅速降為6.

6、42,乙酸濃度為3210mg/L,占揮發(fā)酸總量72.2%。產(chǎn)酸相優(yōu)勢細(xì)菌為Firmicutes,其次是Bacteroidetes和Proteobacteria,占微生物總數(shù)的90%以上。以產(chǎn)酸相運行30d酸化物料為產(chǎn)甲烷相底物基質(zhì),HRT為40d,OLR為3.0kgVSaddm-3d-1和3.5kgVSaddm-3d-1運行時,沼氣容積產(chǎn)量分別達(dá)1.04±0.025m3m-3reactord-1和1.12±0.046m3m-3react

7、ord-1。產(chǎn)甲烷相的優(yōu)勢細(xì)菌屬γ-Proteobacteria和Clostridia;優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌為Methanosaetasp.。
　　為研究低溫對厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效能的影響,從自然生境篩選了兩組低溫產(chǎn)甲烷復(fù)合菌群,經(jīng)6次轉(zhuǎn)代富集培養(yǎng)周期累積沼產(chǎn)氣量穩(wěn)定,分別為180ml和195ml。兩組低溫菌群均在18°C時產(chǎn)氣效率最高,最大沼氣產(chǎn)量為0.26m3m-3reactord-1;18°C時低溫復(fù)合產(chǎn)甲烷菌群利用牛糞酸化液最大沼氣產(chǎn)

8、量為48mld-1。低溫復(fù)合產(chǎn)甲烷菌群的優(yōu)勢細(xì)菌屬Firmicutes和Bacteroidetes,可鑒定的產(chǎn)甲烷菌屬Methanomicrobiaceae和Methanobacteriumsp.。兩段發(fā)酵產(chǎn)甲烷相降溫產(chǎn)甲烷研究發(fā)現(xiàn),25°C和22°C穩(wěn)定運行時沼氣產(chǎn)量可達(dá)511.2±15.5和410.1±10.8mlL-1reactord-1。當(dāng)溫度降至20°C以下時,產(chǎn)氣波動大且運行不穩(wěn)定。產(chǎn)甲烷相在30°C、25°C和22°C穩(wěn)定

9、運行時,優(yōu)勢細(xì)菌類群屬Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes;20°C時過度為以Proteobacteria為絕對優(yōu)勢種群的群落組成,占微生物群落總數(shù)的71.36%。低溫運行時Methanosarcinasp.和Methanobacteriumsp.始終存在,Methanosarcinasp.屬最優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌。寒地海林沼氣發(fā)酵系統(tǒng)夏、冬季沼氣產(chǎn)量分別為0.625和0.35m3m-3digester

10、d-1,池內(nèi)優(yōu)勢細(xì)菌為Proteiniphilumsp.、Spirochaetasp.和Wolinellasp.,均屬動物消化系統(tǒng)常見菌群,Methanosaetasp.和Methanosarcinasp.是優(yōu)勢產(chǎn)甲烷古菌。
　　利用不同底物厭氧發(fā)酵殘液制取生物絮凝劑可行性的研究,結(jié)果表明,以水稻秸稈高濃度厭氧發(fā)酵100d的殘液,1:1混合配比傳統(tǒng)產(chǎn)絮培養(yǎng)基形成復(fù)合培養(yǎng)基,絮凝效率可達(dá)92.5%,產(chǎn)量為4.28±0.13g/L。對

11、厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)酸旺盛期細(xì)菌群落分析表明,Firmicutes為絕對優(yōu)勢種群,占微生物總序列的92.51%,Clostridiales目Peptostreptococcaceae科的Sporacetigenium屬占微生物總量的46.7%。利用海林沼氣池殘液、以牛糞為底物兩段發(fā)酵工藝產(chǎn)甲烷殘液,以及水稻秸稈與糖漿廢水混合底物兩段發(fā)酵產(chǎn)甲烷殘液,分別以1:1配比混合傳統(tǒng)產(chǎn)絮培養(yǎng)基,絮凝率分別可達(dá)52.3%、91.3%和92.1%,絮凝劑產(chǎn)量