厌氧发酵过程中小分子底物代谢的研究

摘要

鉴于化石能源日益枯竭，而人类的活动对于能源的消耗与日俱增，能源危机问题逐渐显露。在这一过程中，以生物质能源为代表的绿色能源强势兴起。其中，厌氧消化工艺由于底物选择广泛，且可以在产能过程中对有机质垃圾进行有效的处理而引起越来越多的关注。另一方面，作为一个餐饮大国，中国的餐厨垃圾总量与日俱增又极大的刺激了城市垃圾的排放量，随之而来的后果不容小觑。而将厌氧消化工艺与餐厨垃圾处理相结合，可以有效的解决上述问题。本文针对餐厨垃圾厌氧消化过程中氮抑制现象进行了深入的研究，主要考察了厌氧消化体系内氮抑制现象出现的机制、方式等，并在半连续厌氧消化过程中发现了底物缓冲体系（buffer体系）对于厌氧消化的促进作用;同时对该buffer的功能进行了全面的考察，以期向体系内投放buffer后，改善厌氧消化体系的状态;考察了其最佳的添加浓度，添加方式，接种浓度，及其对厌氧消化体系菌群的影响;并以餐厨垃圾为底物，进行半连续厌氧消化操作。主要结论如下:
　　 1.厌氧消化体系内，不同无机含氮离子会随浓度的不断升高而抑制体系的产气能力，其中NO2-N产生的抑制最剧烈。同时，高浓度的NH4+-N可促进体系的甲烷菌活性，当C/N=0.5时，体系的甲烷浓度为高于空白组10％;低浓度的NO3--N也可促进体系的产气效率，该效果在NO3--N浓度上升至48.8 ppm时消失，且在84.8 ppm时出现显著的抑制。同时，NO3--N批次C/N=28组的TOC利用率比NH4+-N批次C/N=1组高9.2％，且不易产生抑制。因此，其促进效果比高浓度组的NH4+-N的效果更好。厌氧消化体系中的脱氮路径主要为硝化→反硝化路径，其他氮代谢路径活性较低。当氮源以NO3--N或NO2--N进入底物的时候，体系的脱氮率相对NH4+-N组有一定的提高。由于NO2--N离子不稳定，在消化后期，NO2-N被氧化为NO3--N存在于体系中。
　　 2.对不同碳氮比厨余/动物粪便废水进行90 d的半连续厌氧消化。在整个消化过程中，体系维持了对NH4+-N较高的耐受性。在消化最初60 d里，较低的碳氮比会显著增加体系微生物的活性及体系的TOC利用率，虽然此时NH4+-N浓度已经达到5.65 g/L，VFAs浓度已经达到12 g/L。但是，C/N=6.5组的TOC利用率仍然比C/N=26组高11.1％，结果表明，在该过程中NH4+-N同VFAs结合形成了一个活跃的buffer体系，从而增加了体系的甲烷产量及TOC利用率，也增加了体系对于NH4+-N同VFAs的耐受性。在第三阶段(61～90 d)，由于体系的NH4+-N显著积累，体系的buffer降解，最终产生了明显的氮抑制。因此，通过调整半连续厌氧消化体系内的底物C/N可以有效的增加体系的产气效率，提高体系的甲烷产率及TOC利用率。
　　 3.以1d为HRT进行外源性buffer的添加，由于底物简单，代谢过快，会使体系出现明显的抑制。分别为以4 g/L，2g/L及1 g/L乙酸铵为底物进行消化时，体系的总产气量同空白组相比分别下降了66.1％，31.2％及17.5％;同时，外源性buffer可有效的提高体系的产甲烷浓度，4 g/L组的平均甲烷浓度可达73.66％，远高于空白组的42.72％。同时，外源性buffer的添加可以明显维持体系的pH稳定性;相比于其他产气菌，产甲烷菌需要更长的时间由“不可逆抑制状态”恢复。以半连续法向体系内添加buffer可以有效的促进内源性buffer的形成，以2d为时间间隔，向体系内添加1d的乙酸铵buffer，最有益于体系的消化。最佳的TOC利用率可达到843.31 mL CH4/g TOC。buffer存在的AD体系内，消化的总产气量与种子污泥所稀释的倍数成反比，而产甲烷浓度与所稀释的倍数呈正比。当污泥VS为3.5％时，体系的产气量仅为原污泥(Vs=17.0％)组的49.77％，而平均甲烷产率却高于该组13％; VS=8.1％组的产气情况也相应下降，但是当污泥VS为10.2％时，其平均产气效率仅比原污泥组低3.2％。乙酸铵buffer可以有效的促进体系生物质的形成，并促进体系的产甲烷菌活性。
　　 4.以HRT=2 ds，添加时间为1d，体系的产气效果最好，可达到901.11mL CH4/g TOC;以HRT=2 ds，添加时间为3 ds时，即使组内的NH4+-N和VFAs浓度虽然分别达到3.27 g/L及12.46 g/L，体系的TOC仍然可达802.65 mL CH4/g TOC。随buffer添加时间的增加，体系的产甲烷菌活性可以在短时期内被促进，TOC利用率也会相应提高，但随着消化的进行，AD体系会逐渐产生抑制。外源性buffer的添加会对AD体系微生物产生明显的影响，随着抑制的发生，部分厌氧细菌DGGE条带的亮度会明显降低甚至消失;同时，外源性buffer的添加对体系古菌的影响并不明显，在整个反应过程中，体系的古菌条带（以Methanobacterium aarhusense strainH2-LR为主）基本并无变化。证明以该种方式添加buffer可以促进体系内源性buffer的形成，且不会明显抑制体系的产甲烷菌。
　　 5.以外源性buffer向餐厨垃圾厌氧消化体系内添加，可以有效的增加体系的稳定性，促进体系的产气及产甲烷状态。当添加buffer总量相同时，HRT=3 ds组获得了最佳的甲烷浓度，该组的平均甲烷浓度为55.22％，比空白组高28.0％;而以HRT=1 d乙酸铵向体系内添加buffer时，AD体系的平均甲烷浓度为54.87％，且有抑制现象发生;以HRT=5 ds向体系内添加时，促进效果并不明显，平均甲烷浓度仅为52.61％。与简单底物相比，以餐厨垃圾为底物，可有明显的降低buffer对体系带来的冲击。在该过程中，体系的NH4+-N并未产生明显的积累。在进行的30 ds消化过程可以确定，以3 ds HRT进行乙酸铵buffer的添加，添加浓度为1g/L，TOC=1.20 g/L，最适宜体系的消化。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 我国能源系统的需求

1．1．1 传统化石能源所带来的危害

1．1．2 可再生能源的发展趋势

1．1．3 生物质产甲烷

1．1．4 产甲烷菌的菌群分布

1．2 餐厨垃圾及其处理方法研究进展

1．2．1 我国目前餐厨垃圾生产与处理现状

1．2．2 国内外餐厨垃圾处理方法的进展

1．3 餐厨垃圾的厌氧消化处理

1．3．1 厌氧消化的微生物学代谢基础

1．3．2 餐厨垃圾性质对于厌氧消化系统的影响

1．3．3 不同处理工艺对厌氧消化系统的影响

1．3．4 不同处理工艺对厌氧消化系统的影响

1．4 厌氧消化过程中的氮抑制研究

1．5 本研究工作的主要学术思想和研究内容

1．6 技术路线

2 实验装置与实验方法

2．1 实验药品

2．2 实验材料

2．2．1 餐厨垃圾

2．2．2 接种污泥

2．2．3 实验装置

2．3 实验仪器

2．4 实验方法

3 不同无机氮源对厌氧消化产甲烷体系的影响及代谢方式研究

3．1 介绍

3．2 实验材料与方法

3．2．1 污泥的驯化

3．2．2 NH4+-N对于AD体系产气的影响及其代谢方式

3．2．3 NO3+-N对于AD体系产气的影响及其代谢方式

3．2．4 NO2+-N对于AD体系产气的影响及其代谢方式

3．3 结果与讨论

3．3．1 NH4+-N对于AD体系产气的影响及其代谢方式

3．3．2 NO3+-N对于AD体系产气的影响厦其代谢方式

3．3．2 NO2+-N对于AD体系产气的影响及其代谢方式

3．3．4 不同浓度无机氮源底物对于厌氧消化产甲烷体系pH的影响

3．3．5 不同浓度无机氮源底物对于体系产气情况的影响

3．4 本章小结

4 半连续厌氧消化过程中buffer的形成，功能及其对体系的影响

4．1 介绍

4．2 实验材料与方法

4．2．1 污泥的驯化

4．2．2 厌氧消化实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同C／N底物对于体系产气及产甲烷的影响

4．3．2 不同C／N底物对于体系TOC利用率的影响

4．3．3 不同C／N底物对于体系buffer形成的影响

4．3．4 不同C／N底物对于体系氮源积累及利用的影响

4．4 本章小结

5 添加外源性buffer对于半连续厌氧消化过程的影响

5．1 介绍

5．2 实验材料与方法

5．2．1 污泥的驯化

5．2．2 厌氧消化体系对于底物TOC的耐受

5．2．3 不同浓度外源性buffer对于AD体系的影响

5．2．4 NH4+-N抑制情况下AD体系的恢复

5．2．5 不同外源性buffer添加方式对于AD体系的影响

5．2．6 不同外源性buffer添加间隔对于AD体系消化的影响

5．2．7 不同污泥接种量对于外源性buffer存在下AD体系的影响

5．3 结果与讨论

5．3．1 厌氧消化体系对于底物TOC的耐受

5．3．2 不同浓度外源性buffer对于AD体系的影响

5．3．3 NH4+-N抑制情况下AD体系的恢复

5．3．4 不同外源性buffer添加方式对于AD体系的影响

5．3．5 不同外源性buffer添加间隔对于AD体系消化的影响

5．3．6 不同污泥接种量对于外源性buffer存在下AD体系的影响

5．4 本章小结

6 外源性buffer添加对于厌氧消化体系菌群结构的影响及其DGGE的结果分析

6．1 介绍

6．2 实验材料与方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 不同外源性buffer添加时间对于AD体系产气的影响

6．3．2 不同外源性buffer添加时间对于AD体系pH及NH4+-N浓度的影响

6．3．3 不同外源性buffer添加时间对于AD体系VFAs及乙酸浓度的影响

6．3．4 消化过程中厌氧体系内微生物DGGE分析

6．4 本章小结

7 添加外源性buffer溶液对于餐厨垃圾AD产甲烷的影响

7．1 介绍

7．2 实验材料与方法

7．3 结果与讨论

7．3．1 不同外源性buffer添加方式对于体系产气情况的影响

7．3．2 不同外源性buffer添加方式对于体系pH变化的影响

7．3．3 不同外源性buffer添加方式对于体系NH4+-N积累的影响

7．4 本章小结

结论与展望

本文结论

论文创新点

展望

参考文献

研究成果及发表的学术论文

致谢

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