揮發(fā)酸積累對干式厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵的影響及其動力學(xué)研究.pdf

1、揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）是干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程的中間產(chǎn)物，是發(fā)酵能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。本文研究了添加不同濃度乙酸、丙酸、丁酸和不同比例廚余垃圾的干式厭氧發(fā)酵過程，探討了不同揮發(fā)酸積累對各類群微生物豐度及甲烷產(chǎn)率的影響，分析VFA和相應(yīng)菌群間的關(guān)系，并建立了不同揮發(fā)酸積累發(fā)酵過程的微生物生長和甲烷生成動力學(xué)模型等。
　　確定了牛糞干式厭氧發(fā)酵過程的起始條件和操作條件：固含量20％，接種率10%，攪拌頻率為兩天攪拌一次；利用響應(yīng)曲

2、面法優(yōu)化了微量元素 Fe、Co、Ni的添加濃度分別為15.0 mg/L，1.0 mg/L和1.2 mg/L。
　　牛糞干式厭氧發(fā)酵過程中，每次添加乙酸21 g、每兩天加一次、共添加6次的反應(yīng)器（R2ace）中，沼氣和甲烷累積量最大，分別為157.97 L和73.46 L，其甲烷產(chǎn)率為5.27 mL CH4/g VS/d。R2ace的產(chǎn)甲烷微生物豐度和活性、甲烷產(chǎn)率遠(yuǎn)高于對照和其它乙酸添加量的反應(yīng)器。
　　每次添加丙酸4 g和

3、8 g、每兩天加一次、共添加6次的反應(yīng)器（R2pro和R3pro）的甲烷產(chǎn)率相似，且遠(yuǎn)高于對照和其它丙酸添加量的反應(yīng)器。R3pro的甲烷產(chǎn)率最大為4.17 mL CH4/g VS/d，以日產(chǎn)甲烷量和古細(xì)菌豐度比值表示的產(chǎn)甲烷活性， R3 pro的活性最高，以日產(chǎn)甲烷量和總揮發(fā)性固體比值表示的產(chǎn)甲烷活性，R2 pro最大。
　　每次添加丁酸7.2 g、每兩天加一次、共加6次的反應(yīng)器（R6but）微生物豐度最高，沼氣和甲烷產(chǎn)率均為最高

4、，分別為10.62 mL/g VS/d和5.11 mL CH4/g VS/d。丁酸添加量為4.8（R5but）和2.4（R4but）的產(chǎn)甲烷活性相差不大，較其它反應(yīng)器高。每次添加丁酸量在2.4～7.2之間的三個(gè)反應(yīng)器的微生物豐度、沼氣和甲烷產(chǎn)率均遠(yuǎn)高于對照和其它丁酸添加量的反應(yīng)器。
　　啟動階段氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌隨著乙酸濃度的增加而減少，相關(guān)系數(shù) R2為0.8658；乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌則隨著乙酸濃度的增加而增加，相關(guān)系數(shù) R2為0.

5、8578，當(dāng)乙酸濃度超過100000 mg/L時(shí)，二者呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.8984。古細(xì)菌和乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌與甲烷產(chǎn)率呈正相關(guān)。食丙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌與低濃度丙酸呈正相關(guān)，當(dāng)丙酸濃度高于40 g/L時(shí)，二者呈負(fù)相關(guān)。降解丁酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌與乙酸和丁酸濃度均呈正相關(guān)。
　　干式厭氧發(fā)酵過程中，硫酸鹽還原菌（SRB）對揮發(fā)酸的利用順序依次為丙酸、丁酸、乙酸，揮發(fā)酸的少量積累利于 SRB和產(chǎn)甲烷菌在厭氧發(fā)酵中的協(xié)同作用。
　　

6、牛糞干式厭氧發(fā)酵過程，當(dāng)廚余垃圾添加量為20%（以添加廚余垃圾的干物質(zhì)量相對于牛糞的干物質(zhì)量計(jì)，即牛糞比廚余垃圾為5:1）時(shí)，揮發(fā)酸中主要是乙酸和丁酸，總揮發(fā)酸低于100 g/L，沼氣產(chǎn)率最高為9.64 mL/g VS/d。添加量為14%（牛糞比廚余垃圾為7:1）的發(fā)酵過程甲烷產(chǎn)率最高為5.09 mL CH4/g VS/d，產(chǎn)甲烷活性也是最高。廚余垃圾添加量在9%～20%（牛糞比廚余垃圾為11:1～5:1）范圍內(nèi)的沼氣和甲烷產(chǎn)率遠(yuǎn)高于對

7、照和其它處于垃圾添加量的反應(yīng)器。
　　利用厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷動力學(xué)公式ln分別分析了各發(fā)酵過程的啟動階段和穩(wěn)定階段，對啟動階段k值最大的發(fā)酵過程，利用Logistic模型模擬了乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌對乙酸的動力學(xué)，從動力學(xué)常數(shù)k值可知乙酸和丁酸積累對乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的活性提高有利，丙酸積累則不利，而且添加適量廚余垃圾對乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的活性提高比添加乙酸更有效。利用修正的Gompertz模型模擬了發(fā)酵過程產(chǎn)甲烷微生物生長和甲烷生成動力