有機(jī)生活垃圾厭氧液化過程酸堿度對(duì)產(chǎn)物組成及產(chǎn)物抑制的影響.pdf

1、厭氧消化用于處理有機(jī)生活垃圾時(shí)希望達(dá)到兩個(gè)目標(biāo)：減少有機(jī)生活垃圾的廢物量和提高厭氧消化后可資源化/能源化的產(chǎn)品量(即減量化和資源化)。有機(jī)生活垃圾在微生物作用下水解酸化，由不可溶高分子有機(jī)物降解成可溶小分子物質(zhì)的厭氧液化過程，其優(yōu)化控制有利于實(shí)現(xiàn)廢物的減量和資源轉(zhuǎn)化。有機(jī)生活垃圾屬高含固率有機(jī)物，對(duì)于非均相非均質(zhì)高含固率有機(jī)物的降解，顆粒態(tài)物料的水解是厭氧消化的限速步驟。高含固率有機(jī)物厭氧液化過程在啟動(dòng)階段水解酸化迅速進(jìn)行，

2、導(dǎo)致高濃度的液化產(chǎn)物的累積，并進(jìn)而影響反應(yīng)體系的酸堿度。酸堿度和高濃度液化產(chǎn)物對(duì)厭氧液化過程的影響不能忽略，包括對(duì)水解過程和酸化過程的影響。而高含固率限制了液化產(chǎn)物稀釋的傳質(zhì)條件，使酸堿度和液化產(chǎn)物的潛在影響更為強(qiáng)烈。為提高厭氧液化過程的有機(jī)物降解率和調(diào)節(jié)液化產(chǎn)物的組成，本論文比較了不同酸堿度對(duì)有機(jī)生活垃圾厭氧液化過程水解和酸化速率，以及微生物多樣性的影響，分析了液化產(chǎn)物組成隨酸堿度變化的規(guī)律。探究了酸堿度與極性液化產(chǎn)物(

3、揮發(fā)性脂肪酸、乳酸和氨)對(duì)厭氧液化過程的交互影響，以辨別酸堿度與極性液化產(chǎn)物在抑制水解和酸化過程的相對(duì)重要性程度，從而確定兩者對(duì)有機(jī)生活垃圾水解和酸化過程的影響規(guī)律。主要研究結(jié)果如下：(1)蔬菜類有機(jī)垃圾的間歇式厭氧液化實(shí)驗(yàn)表明，酸堿度會(huì)影響有機(jī)生活垃圾的 水解和酸化過程。pH不控制時(shí)會(huì)嚴(yán)重抑制水解和酸化。pH 7最有利于微生 物的合成代謝，從而會(huì)促進(jìn)碳水化合物和蛋白質(zhì)的水解和酸化。pH5、6和 8時(shí)的水解和酸化

4、速率均低于pH7條件。酸堿度會(huì)影響代謝途徑的選擇。 pH5～7有利于乳酸的生成，而pH7有利于乙醇、丁酸和丙酸的生成。在發(fā) 酵液不同pH條件下，易腐性有機(jī)垃圾的基本發(fā)酵類型為：pH7時(shí)主要進(jìn)行 丁酸發(fā)酵；pH8時(shí)丁酸發(fā)酵類型逐漸占優(yōu)勢(shì)；而pH5時(shí)丙酸發(fā)酵逐漸占優(yōu) 勢(shì)。在酸化初期醇的產(chǎn)生量大于揮發(fā)性脂肪酸，酸化后期在pH5時(shí)產(chǎn)醇代 謝途徑占優(yōu)勢(shì)，而在pH7和pH8時(shí)產(chǎn)酸代謝途徑占優(yōu)勢(shì)。(2)研究了中溫條件下

5、(37℃)，pH和乙酸對(duì)碳水化合物和蛋白質(zhì)酶水解的影響規(guī) 律，pH評(píng)價(jià)范圍5～9，乙酸選取2種濃度(0和20gl-1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明pH 和乙酸會(huì)抑制生物質(zhì)的水解。碳水化合物的水解和蛋白質(zhì)的水解受抑制的規(guī) 律不同。對(duì)于碳水化合物的水解，pH7時(shí)的水解效率最高，其次是pH8～9， pH5～6水解率最低。無(wú)論添加乙酸與否，液相溶解性碳的累計(jì)量由高至低 遵循pH7＞pH8＞pH9＞pH6＞pH5的順序；乙酸的添加導(dǎo)致水解

6、效率降低30％。 對(duì)于蛋白質(zhì)的水解，pH不產(chǎn)生影響；但是乙酸的添加在堿性條件下可達(dá)完 全抑制的水平。偏最小二乘法(PLS)分析結(jié)果表明，對(duì)于碳水化合物的水解， pH的參數(shù)重要性要高于乙酸；對(duì)于蛋白質(zhì)的水解，乙酸的參數(shù)重要性遠(yuǎn)高 于pH。不同動(dòng)力學(xué)方程的模擬和比較發(fā)現(xiàn)，Chen-Hashimoto模型模擬水解 過程的擬合優(yōu)度最高；據(jù)此計(jì)算出對(duì)碳水化合物的水解，產(chǎn)生50％抑制的 乙酸濃度為12600～17400 mg

7、l-1；對(duì)蛋白質(zhì)的水解，產(chǎn)生50％抑制的乙酸濃 度為1500mgl-1。(3)研究了中溫條件碳水化合物在固定pH(5～9)和特定的乙酸濃度水平(0或333 mmoll-1)條件下，乙酸對(duì)酸化過程的影響。實(shí)驗(yàn)研究和主成分分析(PCA)表 明：pH和高濃度的乙酸均會(huì)改變酸化過程的代謝途徑。高濃度乙酸在pH5 條件下，會(huì)完全抑制乙醇和乳酸的生成，而甲酸的生成不受影響。但在pH6 時(shí)，會(huì)促進(jìn)乙醇的生成。低濃度乙酸條件下，代

8、謝途徑逐漸由產(chǎn)乙酸向產(chǎn)乳 酸改變。高濃度乙酸條件下，代謝途徑逐漸由產(chǎn)乳酸向產(chǎn)醇方向改變。(4)研究了中溫條件下(37℃)，乳酸對(duì)碳水化合物水解和酸化的影響規(guī)律，pH評(píng) 價(jià)范圍5～9，乳酸選取3種濃度(0、15和30gl-1)。酸堿度和乳酸本身均會(huì) 導(dǎo)致α-淀粉酶活力下降和VS減量率的降低，即抑制酶水解過程。乳酸的添 加抑制了水解，但未改變pH對(duì)水解影響的趨勢(shì)，即中性和偏堿性最有利于 水解進(jìn)行，酸性條件下水解過程容易

9、被抑制。隨著乳酸濃度的提高，pH的 影響減弱，水解主要受乳酸化合物本身的抑制。產(chǎn)生50％水解抑制的乳酸濃 度為7380mgl-1。響應(yīng)曲面法(RSM)分析表明，為了緩解乳酸的抑制，pH應(yīng) 控制在7.20～8.35范圍。乳酸對(duì)水解的抑制強(qiáng)度要高于乙酸。乳酸本身會(huì)進(jìn) 一步降解形成乙酸和丙酸；隨著初始乳酸濃度的提高，乳酸降解率下降，且 產(chǎn)物由丙酸和乙酸為主逐漸過渡至以乙酸為主；中性和偏堿性環(huán)境(pH 7～9) 條件下的

10、乳酸降解率以及丙酸與乙酸的比值要高于酸性環(huán)境(pH5～6)。(5)研究了中性環(huán)境下，氨氮(0～16gl-1)對(duì)蛋白質(zhì)和脂肪的水解和酸化過程的影 響。外部氨氮的添加會(huì)抑制蛋白質(zhì)的水解；外部添加氨氮的濃度分別為2、 4、8、16gl-1時(shí)，與參照組(0gl-1)相比，蛋白質(zhì)的水解量分別下降了12％、 24％、37％和58％。外部氨氮的添加抑制了脂肪的水解；外部添加氨氮的濃 度分別為2、4、8、16gl-1時(shí)，與參照組(0

11、gl-1)相比，脂肪的水解量在第12 天分別下降了20％、8％、27％和63％。酸化率在外加氨氮的濃度小于8gl-1 時(shí)基本不受氨氮的影響，而16gl-1則嚴(yán)重抑制了酸化過程。乙酸激酶的活 力隨氨氮濃度的增加而順序下降，表明氨氮對(duì)乙酸生成的抑制。(6)研究了不同pH(pH不控制和pH7)和不同堿金屬陽(yáng)離子濃度(Na+和K+，0、25、 50g1-1)條件下，堿金屬陽(yáng)離子對(duì)厭氧液化過程的影響。pH不控制時(shí)，低濃 度陽(yáng)

12、離子(25gl-1)對(duì)產(chǎn)酸細(xì)菌產(chǎn)生抑制，但產(chǎn)酸細(xì)菌能適應(yīng)該濃度范圍，而 高濃度陽(yáng)離子(50gl-1)嚴(yán)重抑制產(chǎn)酸細(xì)菌。但pH7緩沖體系中，產(chǎn)酸細(xì)菌不 受高濃度陽(yáng)離子(50gl-1)影響，因此適宜pH條件(pH7)可提高微生物對(duì)堿金 屬陽(yáng)離子的耐受能力。(7)采用PCR-DGGE技術(shù)分析pH對(duì)厭氧液化過程微生物多樣性的影響。應(yīng)用3 種數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法(香農(nóng)多樣性指數(shù)、聚類分析、主成分分析)分析DGGE指紋 圖譜。香農(nóng)多樣

13、性指數(shù)分析表明，pH5時(shí)的多樣性比7和8時(shí)略低。根據(jù) 非加權(quán)成對(duì)算術(shù)平均法得出的聚類系統(tǒng)樹圖揭示了pH7和pH8時(shí)的微生物 群落更為相似，而pH5時(shí)則很不同。主成分分析得出了與之一致的結(jié)論， 但提供了更多關(guān)于細(xì)菌群落變化的細(xì)節(jié)。根據(jù)測(cè)序結(jié)果，乳酸細(xì)菌和 Clostridium是所有pH下的優(yōu)勢(shì)菌屬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，pH改變了厭氧液化 過程中的細(xì)菌群落，導(dǎo)致了不同的液化產(chǎn)物組成分布。 本論文的研究表明極性液化產(chǎn)物對(duì)厭