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餐厨垃圾厌氧消化过程失稳的动力学特征及微生物机理研究

李蕾  
【摘要】:为揭示消化过程失稳的源头和关键环节;辨析对消化过程稳定性具有决定作用的功能微生物;寻找对消化过程失稳具有指示特征的微生物预警因子,本研究以超负荷失稳和氨抑制失稳为研究对象,在实验室规模的餐厨垃圾厌氧消化反应器中开展可控的扰动实验,结合理化分析、微生物活性检测和高通量测序等技术手段,研究了过程失稳的动力学特征和微生物机理。结果表明:(1)污泥负荷(即接种比,Substrate-Inoculums Ratio,S/I)比容积负荷(Organic Loading Rate,OLR)更适于作为负荷界定参数,S/I大于2 g VS·g VSS-1时,反应器即面临超负荷的风险;但氨氮和微生物浓度的比(Total Ammonia-Biomass Concentration Ratio,TAN/BC)不适合用作厌氧消化反应器内的氨抑制界定参数,氨氮浓度本身才是决定抑制程度大小的主要因素;(2)超负荷系统中,水解和产甲烷速率常数(k和R_(max)′)随OLR、BC及S/I的增加都呈现非单调变化趋势,从k和R_(max)′的数值变化上无法直接判断厌氧消化反应器的运行状态,但k/R_(max)′与反应器运行效率呈负相关,高效运行的反应器k/R_(max)′应维持在1.69~3.44(p=0.05);增加负荷对水解阶段的削弱作用小于产甲烷阶段,因此会增加k/R_(max)′,导致产酸和耗酸失衡,反应器失稳;反之,提高接种物浓度,可以更加有效的促进产甲烷阶段,从而缓解这种失衡,对保证反应器的过程稳定具有重要意义;(3)氨抑制系统中,k、R_(max)以及k/R_(max)′都不能很好的指示反应器运行状态。中、低TAN下,TAN对k和R_(max)的抑制程度相当,k/R_(max)′保持恒定,此时反应器内无中间代谢产物积累,但呈现反应时间延长,甲烷产率下降的“抑制型稳态”现象;而高氨氮下TAN对产甲烷阶段的抑制程度比水解阶段更重,k/R_(max)′急剧上升,产酸和耗酸失衡,因此反应器呈现中间代谢产物急剧积累,运行效率剧下降的氨中毒现象;(4)超负荷实验中,稳定运行阶段反应器具有高的产甲烷活性,且甲烷鬃菌主导,乙酸营养型和氢营养型产甲烷菌共存,水解、酸化和产氢产乙酸菌各类微生物平衡发展。高负荷下产酸的柔膜菌门和放线菌门微生物急剧繁殖,造成高挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA)产率,这是系统失稳的第一个原因。高VFA产率诱导酸氧化菌大量生长,导致系统H2增加;而相应的氢型产甲烷菌丰度和活性均下降,造成H2消耗速率下降,这种细菌和古菌之间代谢功能的不匹配是系统失稳的第二个原因。此外,抑制物积累直接降低了乙酸产甲烷活性;且引起主导氢型甲烷菌从甲烷螺菌转为甲烷囊菌,间接降低了氢型产甲烷活性,这是系统失稳的第三大诱因;(5)氨抑制实验中,稳定运行状态下,反应器中同样具有均衡的微生物群落结构。TAN增加的过程中,产甲烷鬃菌因高度的TAN敏感性而逐渐消失,导致乙酸代谢成为了反应器内的限速步骤,这是系统失稳的最初原因;乙酸积累影响上游脂肪酸的转化,进而诱发丙酸积累,这是系统失稳的第二阶段;高酸浓度引起保护性的放线菌属丰度下降,从而破坏了微生物聚集体,使反应器的优势微生物仅剩下产酸或耐酸的水解和酸化微生物。保护性微生物丰度下降及产氢产乙酸菌的缺失,打破了串联有序的厌氧消化过程,是氨抑制厌氧消化反应器失稳的根本原因;(6)概括的微生物生态学参数不适用于指示厌氧消化反应器的过程稳定性,健康、平衡、有效的微生物群应具备怎样的生态学特征依然存在争议;但放线菌属及产氢产乙酸类微生物的丰度与过程稳定性相关,且具有理论支撑,可作为反应器内潜在的生物预警因子。本研究创新地揭示了过程失稳始于产酸和产甲烷动力学(k/R_(max)′)的不匹配,产甲烷是厌氧消化过程失稳的关键环节;系统地解析了微生物如何应对扰动,明确了低效的甲烷菌是引发过程失稳的症结所在;辨析出了潜在的与厌氧消化过程稳定性相关的微生物预警因子,证实了微生物管理的可行性。这些研究结果为开发针对性的微生物调控技术提供了基础数据,也为开发更具预警性的微生物诊断技术提供了理论支撑,因此,对保证厌氧消化系统的高效稳定运行具有重要意义。


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