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餐厨垃圾厌氧消化过程中氨氮耐受响应机制研究

高树梅  
【摘要】:餐厨垃圾是典型的城市有机废弃物,餐厨垃圾固渣富含碳水化合物和蛋白质,采用厌氧消化技术对其进行处理是实现餐厨垃圾资源化、减量化和无害化处理的有效途径。然而厌氧消化过程易发生氨氮抑制而导致过程失稳。氨氮对厌氧消化体系的抑制主要表现为强烈抑制产甲烷菌活性,因自由氨具有细胞膜自由渗透性,可通过被动扩散的方式进入细胞,引起细胞质酸化、质子不平衡及K+流失等;产甲烷菌活性的抑制使得挥发性脂肪酸(VFAs)大量积累,进一步造成pH剧烈下降。氨氮和VFAs的双重抑制及pH的变化往往导致厌氧消化系统处于“抑制型假稳态”。因此,充分掌握餐厨垃圾固渣的厌氧消化特性、有效减缓氨氮抑制的措施及系统氨氮耐受响应机制等问题,是实现餐厨垃圾固渣大规模处理处置的基础和前提。本论文以餐厨垃圾固渣为厌氧消化底物,利用批式厌氧发酵方式确定了餐厨垃圾固渣厌氧消化的特性及潜力;采取了相关措施提高了连续厌氧消化系统的氨氮耐受性,减缓了氨氮抑制效应;借助高通量测序技术及选择性抑制手段阐明了微生物群落及产甲烷代谢途径的氨氮耐受响应机制,回答了嗜乙酸产甲烷途径受抑制情况下乙酸如何转化为甲烷等问题,为餐厨垃圾固渣的大规模处理处置奠定了理论基础。主要的研究结果如下:中温条件下,餐厨垃圾固渣批式厌氧消化随着物料比(接种物:底物,固体含量比)的不同,面临不同程度的酸抑制效应,甚至完全抑制甲烷的形成,投加NaHCO3可以一定程度地防止系统过度酸化、提高处理能力。物料比为1:0.5时,单位质量餐厨垃圾固渣的甲烷产量最高,达604.32 m L/gTS,同时TS去除率达90.40%。Logistic方程、Modified Gompertz模型和Transference方程均可较好地拟合餐厨垃圾固渣产甲烷过程;其中Transference方程的拟合度更高。餐厨垃圾固渣连续厌氧消化过程中,蛋白质分解产生的氨氮是造成反应器失稳的首要因素:氨氮抑制效应影响了产甲烷菌的活性,进而引起挥发VFAs积累,产生了酸抑制效应,并造成pH剧烈下降。为此,论文提出了“基于梯度氨氮压力”的厌氧系统氨氮耐受性驯化策略,在餐厨垃圾固渣连续厌氧消化过程中,通过梯度提高氨氮压力的方式对厌氧系统进行耐受性驯化,逐步提高了系统的氨氮耐受性。在氨氮浓度由2000 mg/L提高至4500 mg/L过程中,反应器运行良好,沼气日产量、甲烷含量、上清液中化学需氧量(SCOD)和VFAs等指标保持稳定,平均值分别为58.93 L/d、62.31%、7238 mg/L和578 mg/L;同时反应器的缓冲性能随着氨氮浓度的增加而逐渐提高。驯化过程中,淀粉酶活和蛋白酶活性保持相对稳定,而CoF420的活性却随着氨氮浓度的增加呈上升趋势。经过耐受性驯化后,氨氮对厌氧污泥产沼气活性的半数抑制浓度由3709 mg/L提高至10072 mg/L,提高了171.56%;对产甲烷活性的半数抑制浓度由3111 mg/L提高至9180mg/L,提高了195.08%,氨氮耐受性有了较大提高。梯度提高氨氮浓度的驯化过程中,厌氧污泥中微生物群落相对丰度发生明显变化:嗜乙酸产甲烷菌(主要是Methanosaetaceae和Methanosarcinaceae)的相对丰富下降,而嗜氢产甲烷菌(主要是Methanobacteriaceae)的相对丰度提高;并伴随着Firmicutes–Clostridia细菌丰度的增加。同时发现了一类特殊的微生物Candidatus Cloacamonas,该菌归属于WWE1 candidate division,可能是存在于厌氧反应器中的一类互养产氢菌。本研究利用产甲烷抑制剂二溴乙烷磺酸盐(BES)、嗜乙酸产甲烷(AM)途径抑制剂氟乙酸盐和嗜氢产甲烷(HM)途径抑制剂无水茶碱,证明了氨氮耐受污泥产甲烷过程中存在乙酸氧化过程(SAO)过程。产甲烷代谢途径由AM向SAO-HM的转变是厌氧系统应对氨氮压力的一种响应机制,保证了体系中AM途径受抑制情况下乙酸向甲烷的顺利转化。接种驯化污泥条件下,单位质量餐厨垃圾固渣的平均甲烷产量为448 mL/g TS,比驯化前提高了31.37%;厌氧消化的最佳物料比由1:1.5提高至1:2,较驯化前厌氧消化体系的处理能力提高了33.33%;同时污泥驯化后,有机负荷越高甲烷产量的提高率越高,物料比为1:2.5时的甲烷产量提高了6.12倍。氨氮浓度在4000-4500 mg/L条件下,全混式厌氧反应器处理餐厨垃圾固渣的容积负荷可以达到5 kgTS/m3/d,容积产气率达2.65 m3/m3/d,但单位质量底物的甲烷产量随着有机负荷的提高而降低。本研究中所用50 L全混式厌氧反应器在处理餐厨垃圾固渣时的氨氮耐受阈值是8156 mg/L。氨氮浓度提高过程中,Methanobacterium科仍是优势产甲烷菌,Methanosaeta科和Methanosarcina科产甲烷菌的相对丰度则明显下降。


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