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微曝气预处理/添加零价铁/两相法—强化猪粪厌氧消化的研究

杨源  
【摘要】:畜禽粪便对大气、水和农田造成了严重的环境污染问题,厌氧消化(anaerobic digestion,AD)能有效消除畜禽粪便的污染,并且可以回收粪便中的能量,是一项非常有前景的废弃物处理技术。本论文通过微曝气预处理猪粪、在高浓度氨氮猪粪中添加零价铁(Zero valent iron,ZVI)、在两相AD中添加ZVI探究其对猪粪厌氧消化过程中溶解性有机物、产气量、微生物群落的影响,以强化厌氧消化过程。1)通过将猪粪在厌氧发酵前进行微曝气(搅拌)预处理,发现预处理促进了大颗粒有机物的溶解,使得溶解性多糖、蛋白和sCOD分别增加了 93.9%、124.7%、158.8%;预处理后的总氨氮浓度相比对照有了明显的增长,说明预处理增强了猪粪底物中微生物的活性;将预处理后的猪粪进行厌氧消化,结果发现经过预处理的猪粪产生的累计沼气量相比对照增加了24.7%,累计甲烷量增加了 77.8%。2)高浓度氨氮会对AD过程产生抑制,通过向猪粪中添加固体NH4Cl模拟高氨氮(5000 mg/L)环境,空白组(不加NH4Cl)和对照组(加NH4Cl)的累计产甲烷量对比验证高氨氮浓度抑制了 AD过程。发酵30天后,对照组累计产甲烷量为109.0 mL/g-VS猪粪,ZVI组(投加NH4Cl和ZVI)为168.0 mL/g-VS猪粪,相比对照组提高了 54.1%,说明添加ZVI促进了猪粪AD产甲烷过程。在Day 10,零价铁组的总挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)浓度相比对照组增加了 86.87%,说明添加ZVI加速了AD水解酸化过程;添加ZVI提高了发酵系统的总碱度,因为ZVI可以消耗发酵液中的H+;添加使得零价铁组的ORP值范围在-158.0~-250.0 mV,有利于丁酸型发酵,促进后续产甲烷过程。通过微生物高通量测序发现添加ZVI能够提高Methannculleus菌属的15.3%的相对丰度,这类菌属可以耐受高氨氮的抑制,从而缓解高氨氮对AD产甲烷的抑制。3)添加ZVI和两相AD法是强化厌氧消化的有效途径。但是很多文献在研究两相AD产酸相过程中添加了产甲烷抑制剂,使得两相AD并不连续。因此,本部分实验在猪粪两相AD的产酸相和产甲烷相分别投加或同时投加ZVI,总投加ZVI质量为6g,同时利用pH调节实现产酸相和产甲烷的分离,使得两相AD得以连续。结果发现在产酸相和产甲烷相中分别添加ZVI可使CH4产量提高27.3%。产酸相过程中添加的ZVI会被缓慢溶蚀,减少ZVI与产甲烷菌的直接接触,对产甲烷不利。通过微生物序列分析发现添加ZVI可以提高氢营养型产甲烷菌Methanomassiliicoccius菌属39.2—92.0%的相对丰度。该研究结果证明在添加ZVI强化畜禽粪便厌氧消化时,应使ZVI与产甲烷菌直接接触以达到更高的能量回收率。


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