餐厨垃圾热预处理与剩余污泥联合发酵产乳酸的影响及机理研究

摘要

近年来，餐厨垃圾和剩余污泥因其难以计数的产生量成为了世界范围内的两大有机废弃物。联合发酵餐厨垃圾与剩余污泥产乳酸既可以充分利用餐厨垃圾丰富的有机质和剩余污泥富含的微生物菌群，又可以弥补单独发酵剩余污泥碳氮比过低的不足，是一种环境友好型的废物利用方式。目前，已有不少研究致力于优化剩余污泥与餐厨垃圾联合发酵产乳酸的过程，如优化发酵条件（温度、pH值）、利用金属元素作为营养物质和生物催化剂等。而上述优化方式均在发酵过程中起到调控作用，且需要投加额外的化学试剂。热预处理是广泛应用于污泥厌氧消化的有效预处理方式，可以增强固态有机质的溶出并提高消化后期沼气的产量。近几年来，热预处理法也已应用至餐厨垃圾发酵产挥发性脂肪酸（VFA）的领域，但鲜有报道将其与乳酸发酵相结合。本论文主要开展了热预处理对餐厨垃圾联合剩余污泥发酵产乳酸的影响及机理研究，获得了以下结论： 首先，本文研究了餐厨垃圾、剩余污泥及二者的混合物分别作为热预处理发酵基质的产酸效果，并优化获得了最佳发酵条件。（1）通过对餐厨垃圾、剩余污泥及二者的混合物的热预处理基质进行产乳酸对比研究，发现餐厨垃圾更适合单独作为热预处理基质。剩余污泥单独作为发酵基质时，无论是否经过热预处理，获得的乳酸产量均很低。餐厨垃圾与剩余污泥的混合物经热预处理后产酸效果比空白对照组（不经热预处理）低。（2）最佳发酵条件的选择：以餐厨垃圾为唯一的热预处理发酵基质，实验对比了室温25 ℃（pH值分别为不调，7.5和10）、中温35 ℃（pH值分别为不调，7.5和10）和高温50 ℃（pH值分别为不调，7.5和10）的产乳酸效能，发现发酵温度为50 ℃，pH为7.5时，乳酸产量最高，且L-乳酸OA值（Optical Activity，光学纯度）较空白对照组提升最显著（提高43.9%）。综合以上，筛选出最佳的热预处理基质为餐厨垃圾，最佳发酵条件为50 ℃，pH 7.5。 其次，选用餐厨垃圾为发酵基质，50 ℃，pH 7.5为发酵条件，进一步研究了不同热预处理温度（80 ℃，110 ℃，140 ℃，170 ℃和200 ℃）对产乳酸的影响。结果表明热预处理可以促进发酵基质的溶出过程，显著提高发酵效率，缩短发酵周期。相比空白对照组，140 ℃和170 ℃热预处理尽管对总乳酸产量没有显著的改善，产量提高率仅为9.9%和7.5%，但其在乳酸浓度积累至最高时的产率分别为7.39 g/(L·d)和 9.59 g/(L·d)，较空白提高了 37.4 %（140 ℃）和 78.3 %（170 ℃）。80 ℃和200 ℃热预处理可显著提高L-乳酸的OA值，在乳酸浓度达到峰值时，与空白对照组相比，OA值可提高约25.3%和55.4 %。针对发酵体系糖酵解情况的分析，发现140-170 ℃范围内的热预处理有利于促进水解及糖酵解过程。热预处理后 VFA 产量的差异表明VFA的代谢途径发生转变。 最后，对上述发生的现象进行机理性分析，分别从热预处理后发酵基质物化性质的变化、发酵体系代谢分析和发酵体系微生物群落分析三个角度展开。发酵基质的红外光谱分析、元素分析和对发酵上清液的全波长扫描结果都表明200 ℃预处理温度不利于乳酸生成。从代谢角度分析，80 ℃ 热预处理促进了微生物对腐殖质的利用，而170 ℃热预处理会明显改变上清液有机物的性质，并影响后期微生物的转化利用。乳酸脱氢酶与 L-乳酸脱氢酶的相对活性与乳酸浓度变化规律一致，热预处理餐厨垃圾提高 L-乳酸产量的内在原因是发酵体系内 L-乳酸脱氢酶的活性被激发。通过电镜观察发现，热预处理实验组内发酵混合物在表观上表现出更大的比表面积，有利于微生物充分与发酵体系接触。进一步的微生物群落分析表明，发酵体系微生物丰度及多样性发生了变化，热预处理温度越高，微生物群落丰度越低。热预处理实验组中关键微生物如产L-乳酸的芽孢杆菌属（Bacillus）和产L-和D-乳酸的乳酸杆菌属（Lactobacillus）较空白对照组分别有所提高和降低，是造成L-乳酸OA值差异的重要原因。

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