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蔬菜废物高温厌氧发酵产沼气及微生物群落结构研究

王菊华  
【摘要】:厌氧发酵技术处理固体废物有助于各种固体有机废物的能源回收和再利用,已被应用于废水、动物粪便、食品废物和农业残留物的处理;其主要目标是生产生物能源和废物资源化利用。由于蔬菜废物的含水率和有机物含量较高,且具有可降解性,是生产沼气的主要有机固体废物之一。本文以蔬菜废物为原料,在高温(55±1℃)条件下研究了底物浓度、颗粒粒径、蔬菜种类和搅拌方式等多种因素及蔬菜渣汁混合物和以大白菜、花椰菜、苦菜等废物组成的混合蔬菜废物对厌氧发酵产沼气效果的影响,分析了最佳工艺条件下产甲烷菌群落结构的变化。研究结果如下:1.底物浓度为3%、粒径为0.85 mm(合20目)的大白菜废物在厌氧发酵过程中的TS(总固体含量,Total Solid)降解率、VS(挥发性固体含量,Volatile Solid)降解率、第二个日产气高峰、最高CH_4(甲烷)含量、累积总产气量分别为56.75%、68.32%、515 mL、65.32%、4251 mL,均优于其他实验组(即底物浓度分别为2%、5%、7%;粒径为4.00 mm(合5目)及分别以花椰菜和甘蓝菜废物为原料的实验组)的对应指标;且发酵前后的pH分别为7.4和7.6,均在产甲烷菌的正常pH范围内。2.底物浓度为3%、蔬菜渣粒径为0.85 mm,以蔬菜废物渣汁混合物为原料,蔬菜渣+水的实验组TS降解率、VS降解率、第二个日产气高峰、最高CH_4含量、累积总产气量分别为56.23%、61.06%、525 mL、66.19%、3390 mL,均优于其他实验组的对应指标;且发酵前后的pH值分别为7.2和7.6均在产甲烷菌的正常pH范围内。3.在粒径为0.85 mm的条件下,以混合蔬菜废物为原料,底物浓度为3%的TS降解率、VS降解率、最高日产气量、最高CH_4含量、累积总产气量分别为42.25%、56.35%、210 mL、64.51%、2070 mL;在相同条件下,均优于底物浓度为2%、4%、5%和6%实验组的对应指标。4.连续搅拌实验组:VFAs(挥发性脂肪酸,Volatile Fatty Acids)浓度和氨氮浓度未出现积累,pH值在6.9~7.9范围内波动;TS降解率、VS降解率、日产气量、CH_4含量、累积总产气量分别为42.25%和56.35%、42 L、63.80%、297.1L,均优于间歇搅拌和不搅拌实验组的对应指标。5.连续搅拌实验组的高通量测序发现:在纲水平上,古菌主要以甲烷杆菌纲(Methanobacteria)、甲烷微菌纲(Methanomicrobia)为主;在属水平上,嗜热弯曲甲烷热杆菌属(Methanothermobacter)是反应器中最主要的产甲烷菌(占总菌量的55%~81%),甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)是第二主导的产甲烷菌属(占总菌量的16%~42%)。在连续搅拌过程中,甲烷主要由Methanosarcina利用CO_2和H_2通过产氢途径产生,即Methanosarcina对连续搅拌实验组的甲烷产生起主导作用。


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