生物预处理柑橘皮渣及优化厌氧发酵技术研究

摘要

重庆市地处我国沿长江柑橘优势产业带，年橙汁加工能力达25万吨，位居亚洲第一，每年产生约25万吨的柑橘皮渣。大量的橘渣至今仍采用填埋的方式处理，不但占用了大量宝贵的土地资源。同时对三峡库区的生态环境造成巨大的威胁。柑橘皮渣处理的问题已经迫在眉睫，产业化处理新技术亟待开发。 由于柑橘皮渣的成分特性．没经过预处理的柑橘皮在进行厌氧发酵(anaerobic fermentation)时，发酵产物的酸度达到pH1，限制了微生物繁殖利用，因此导致柑橘皮渣利用的低效率。 在柑橘皮渣厌氧发酵过程中，挥发性脂肪酸(Volatile fat acid，VFA)如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸以及它们的异构体是重要中间产物，其组成和含量可间接反映厌氧的反应运行情况。在运转良好的厌氧反应器中，VFA中乙酸可占有很高的比例，但是当反应器运行状态不好时，丙酸、丁酸浓度会上升。研究表明，丙酸的产生和积累严重影响厌氧发酵生物处理系统的正常运行。丙酸的大鼍产生导致产乙酸效率低，进而引起厌氧产甲烷反应器中pH降低并影响产甲烷细菌活性，导致产甲烷失败。本研究通过生物方法对柑橘皮渣进行好氧分解预处理以提高柑橘皮渣厌氧发酵液的pH，然后再进行厌氧发酵产甲烷，并在此基础上探讨柑橘皮渣厌氧发酵的产酸过程，定向控制发酵向最有利于产甲烷方向进行，目前国内尚无相关研究报道。此外，本论文还研究了使用沼气促进剂对沼气产量的影响。试验主要结论如下：白腐菌筛选并预处理柑橘皮渣试验研究表明：在1.6g干重的柑橘皮渣中该菌分解的最佳生长条件是柑橘皮渣含水量60％、初期pH为3，添加硫酸铵0.2g。同时还原糖和木糖产量平均分别达到517μg/g和120.81μg/g：纤维素+半纤维素分解量0.96g：均失重达到67％；能够有效地将柑橘皮渣发酵料的pH从1提高剑4。且酶活力测定表明：菌丝覆盖柑桔皮渣的第8天到第26天之间， AVI(微晶纤维素酶)的活力均要远高于CMC(羧甲基纤维素钠酶)和FPA(滤纸纤维素酶活)，在培养的第13天酶活力达到最大，在第17天后，酶活性直线下降。CMC在整个培养期间几乎没有变化，一直保持平稳。对柑橘皮渣预处理后的厌氧产甲烷试验表明，经预处理发酵后可使甲烷含量提高26％：COD值能有效地降低达27％，还原糖量降低24％。 2．真菌联合预处理结果：预处理分解后的还原糖的OD值、各处理失重(％)、处理前后pH值．以及最终判定标准产气效率分析，联合预处理的自腐菌+F160(本实验菌株分离的一株分解纤维素的青霉菌株)及白腐菌+黑曲霉联合处理柑橘皮渣25天后厌氧发酵是最佳选择。 3．控制柑橘皮渣产乙酸试验表明：柑橘皮渣在不同预处理后的厌氧发酵前10天，主要以乙酸为主，但当发酵进行了25天后各处理均不同程度地产生了丙酸，产酸量达到最大值。其中经白腐菌+黑曲霉联合预处理后的厌氧发酵乙酸、丙酸、丁酸均有产生，其余预处理发酵无丁酸产生。利用连续流控制其产酸类型时，启动阶段控制其容积负荷、ORP(OxidationReduction Potential，氧化还原电位)、pH分别在41.1[kg.COD．(m3．d)-1]、-400mV和5.6，乙酸产量最大；控制阶段其他条件不变的前提下，调整ORP值为-230mV，乙酸产量能显著提高73％；其后稳定发酵阶段调整pH值为6.7，乙酸产量保持稳定在7.6×10-6g/ml左右。 4．沼气促进剂试验表明：在厌氧发酵过程中微量元素和木炭都能够增强甲烷菌活性，提高产气量。其最佳配比为Fe3+：Ni2+：木炭为2：1：5，投加绝对量为0.61％(相对于原料干重)。经沼气促进剂驯化出的菌种微生物生物量较高，较驯化前提高了27.3％。 5．探索柑橘皮渣厌氧发酵工艺最住参数试验表明：柑橘皮渣从生物预处理到厌氧发酵过程如按以下过程进行，柑橘皮渣的产甲烷率可比只用鲜果渣直接厌氧发酵产甲烷量提高62％。 1)以含水量60％的柑橘皮渣废弃物为主要原料，先接种3％的白腐真菌于25℃中恒温培养分解7-10天。 2)然后再接种3％(黑曲霉菌悬液重与柑橘皮渣总重之比g：g)的黑曲霉于23℃中恒温，好氧分解20天。 3)将第1)和2)步预处理后的好氧分解物添加5-10％(以预处理后的柑橘皮渣为基础，人畜便粪干重与好养分解物加上人畜粪便的湿重总重之比g：g)的人畜禽粪便，以原料占有效反应容积的百分比6-8％(好养分解物加人畜便粪的干重与好养分解物加人畜便粪加水的所有物质湿重总重之比g：g)的浓度投料进行厌氧发酵：并接种2％的(陈旧污泥干重与好养分解物加人畜便粪加陈旧污泥加水的所有物质湿重之比g：g)微生物复合接种物，进行两相厌氧发酵，控制其产乙酸反应过程，在产有机酸发酵阶段，将发酵pH值维持在5.0；在厌氧发酵产甲烷阶段将发酵pH值维持在6.8：发酵温度维持在20-35℃，发酵30天。 6．接种物驯化表明：驯化后污泥的形态和其中的微生物优势菌群均发生了变化，说明驯化起到了很好的作用，污泥因物料性质的改变而逐渐适应；污泥中优势菌群发生了改变，富集了与柑橘皮渣的性质相匹配的微生物菌群，获得了能够适用于柑橘皮渣厌氧消化的接种物。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1固体垃圾厌氧消化生物预处理重要性及处理方式

1.1.1生物预处理中利用白腐菌预处理方法的使用

1.2厌氧发酵技术处理柑橘皮渣研究进展

1.2.1柑橘皮渣的研究现状

1.2.2柑橘皮渣的生物转化

1.3厌氧生物处理的基本原理

1.3.1厌氧生物处理的基本生物过程及其特征

1.3.2厌氧消化过程中的主要微生物

1.3.3厌氧生物处理的影响因素

1.3.4厌氧生物处理工艺概述

1.4厌氧消化技术在柑橘皮渣处理方面的应用

1.5展望

第2章 绪论

2.1研究背景和意义

2.2研究范围和内容

2.3研究技术路线

第3章 材料与方法

3.1试验猪粪、柑橘皮渣材料

3.2试验菌种及培养基

3.3试验仪器及药品

3.4试验装置

3.5试验设计及试验过程

3.5.1筛选分离一株对柑橘皮渣具有较高分解的白腐菌

3.5.2白腐菌最合适分解柑橘皮渣的正交及厌氧发酵试验

3.5.3自腐菌和其他霉菌联合处理柑橘皮渣的试验

3.5.4筛选驯化适于柑橘皮渣厌氧发酵的微生物复合接种物

3.5.5柑橘皮渣酸化试验分析

3.5.6柑橘皮渣厌氧发酵产乙酸优化控制

3.5.7探索柑橘皮渣厌氧发酵工艺最佳参数

3.5.8利用沼气促进剂提高产气效率试验

3.4测定项目和方法

3.5数据处理

第四章：试验结果与分析

4.1柑橘皮渣生物预处理及产甲烷结果与分析

4.1.1利用白腐真菌对柑橘皮渣进行预处理及厌氧发酵产甲烷结果与分析

4.1.2白腐菌与霉菌联合预处理厌氧发酵产甲烷结果与分析

4.2厌氧发酵工艺研究

4.2.1柑橘皮渣厌氧发酵产乙酸控制结果与分析

4.2.2探索柑橘皮渣厌氧发酵工艺最佳参数结果与分析

4.3利用沼气促进剂提高产气效率及驯化柑橘皮渣厌氧发酵的微生物接种物结果与分析

4.3.1驯化后菌种变化

4.3.2利用沼气促进剂提高产气率正交试验结果

第五章讨论与结论

5.1生物预处理柑橘皮渣对厌氧发酵的影响讨论

5.2利用沼气促进剂提高产气效率及驯化柑橘皮渣厌氧发酵的微生物接种物对发酵效果的影响

5.3柑橘皮渣厌氧发酵产乙酸控制对厌氧发酵产甲烷影响讨论

5.3.1试验控制容积负荷、pH不变而调节ORP值变化对生物预处理后的柑橘皮渣厌氧发酵产乙酸的影响讨论

5.3.2控制ORP值及容积负荷，改变pH值柑橘皮渣厌氧发酵产乙酸的影响讨论

5.3.3控制pH值及ORP，提高容积负荷对柑橘皮渣厌氧发酵产乙酸的影响讨论

5.4试验结论

5.4.1利用白腐真菌对柑橘皮渣进行预处理及厌氧发酵产甲烷结论

5.4.2白腐菌最佳生长条件止交试验结论

5.4.3白腐菌和其他霉菌联合预处理结论

5.4.4柑橘皮渣厌氧发酵控制产乙酸以提高产甲烷结论

5.4.5利用沼气促进剂提高产气效率及驯化柑橘皮渣厌氧发酵的微生物接种物结论

5.4.6探索柑橘皮渣厌氧发酵工艺最佳参数结论

参考文献：

发表论文及参加课题一览表

致 谢