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，且可以在產能過程中對有機質垃圾進行有效的處理而引起越來越多的關注。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。主要結論如下:
　　 1.厭氧消化體系內，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氣能力，其中NO2-N產生的抑制最劇烈。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濃度已經達到5.65 g/L，VFAs濃度已經達到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％，結果表明，在該過程中NH4+-N同VFAs結合形成了一個活躍的buffer體系，從而增加了體系的甲烷產量及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，最終產生了明顯的氮抑制。因此，通過調整半連續(xù)厭氧消化體系內的底物C/N可以有效的增加體系的產氣效率，提高體系的甲烷產率及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;相比于其他產氣菌，產甲烷菌需要更長的時間由“不可逆抑制狀態(tài)”恢復。以半連續(xù)法向體系內添加buffer可以有效的促進內源性buffer的形成，以2d為時間間隔，向體系內添加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，消化的總產氣量與種子污泥所稀釋的倍數(shù)成反比，而產甲烷濃度與所稀釋的倍數(shù)呈正比。當污泥VS為3.5％時，體系的產氣量僅為原污泥(Vs=17.0％)組的49.77％，而平均甲烷產率卻高于該組13％; VS=8.1％組的產氣情況也相應下降，但是當污泥VS為10.2％時，其平均產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的形成，并促進體系的產甲烷菌活性。
　　 4.以HRT

9、=2 ds，添加時間為1d，體系的產氣效果最好，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，體系的產甲烷菌活性可以在短時期內被促進，TOC利用率也會相應提高，但隨著消化的進行，AD體系會逐漸產生抑制。外源性buffer的添

10、加會對AD體系微生物產生明顯的影響，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可以促進體系內源性buffer的形成，且不會明顯抑制體系的產甲烷菌。
　　 5.以外源性buffer向餐廚垃圾

11、厭氧消化體系內添加，可以有效的增加體系的穩(wěn)定性，促進體系的產氣及產甲烷狀態(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