餐廚垃圾在我國生產(chǎn)量巨大,其高含水率、高有機(jī)物含量與易腐性決定了餐廚垃圾既是城市中的嚴(yán)重污染源,也是一種具有廣闊前景的生物質(zhì)資源。采用厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷工藝處理餐廚垃圾可以實(shí)現(xiàn)其無害化與資源化處理,然而在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工程中,常存在酸抑制的問題,導(dǎo)致發(fā)酵濃度提升困難,產(chǎn)氣效率低等問題,限制了厭氧發(fā)酵工程的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。本文通過以丙酸為唯一碳源,馴化富集利用丙酸的丙酸產(chǎn)甲烷菌系,同時對其微氧處理優(yōu)化微生物群落,并分析其內(nèi)部的微生物群落,通過宏基因組手段比較功能基因的豐度,了解生物強(qiáng)化菌劑的內(nèi)部特征。然后針對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵中酸抑制的問題進(jìn)行生物強(qiáng)化。并通過動力學(xué)分丙酸產(chǎn)甲烷菌系的投加對餐廚垃圾批式厭氧發(fā)酵的影響,及采用宏基因組學(xué)分析半連續(xù)餐廚垃圾發(fā)酵在階梯式提高有機(jī)負(fù)荷中的效能與微生物群落的變化規(guī)律。論文主要結(jié)果如下:(1)以丙酸為碳源進(jìn)行半連續(xù)發(fā)醇,恒定丙酸的進(jìn)料濃度,可獲得高效的丙酸產(chǎn)甲烷菌系,通過微氧處理的丙酸產(chǎn)甲烷菌系,在適應(yīng)期表現(xiàn)出了更好的效果,在穩(wěn)定期與未特殊處理的反應(yīng)器表現(xiàn)相似。每克VS產(chǎn)甲烷量均在440 ml到450 ml之間。R1,R2反應(yīng)器中丙酸產(chǎn)甲烷菌菌群中Syntrophobacter,Smithella,Mesotoga,Thermovirg均為反應(yīng)器中優(yōu)勢菌種。其中Syntrophobacter與Mesotoga在R1中相對豐度較高,Smithella與Thermovirg在R2中相對豐度較高。功能基因分析結(jié)果顯示,丙酸產(chǎn)甲烷體系的細(xì)菌基因在R1中10.01%參與膜運(yùn)輸,8.79%參與碳化合物代謝,8.95%參與氨基酸代謝,6.57%參與能量代謝。R2中8.75%參與膜運(yùn)輸,8.91%參與碳水化合物代謝,8.75%參與氨基酸代謝,6.65%參與能量代謝,并推測R2中細(xì)菌生長更穩(wěn)定。?(2)通過向不同濃度餐廚垃圾批式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中投加丙酸產(chǎn)甲烷菌系。1gVS餐廚垃圾添加0,0.5,1 gVS與3gVs餐廚垃圾添加0,0.5,1 gVS菌劑的各處理組的最終累積甲烷產(chǎn)量分別為426.7、377.6、362.2、338.5、372.2和319.45 ml/gVS_(added)。1gVS餐廚垃圾的甲烷累積產(chǎn)量在1gVS菌劑添加的狀態(tài)下最高。3 gVS餐廚垃圾的甲烷累積產(chǎn)量在0.5 gVS菌劑添加的狀態(tài)下最高。這表明添加適量的生物強(qiáng)化菌劑有效增加了丙酸利用率,提高了厭氧反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)量。通過修正的Gompertz方程的擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相對于其他方式添加0.5 gVS菌劑的反應(yīng)器可以取得系統(tǒng)的最大產(chǎn)甲烷速率,同時實(shí)驗(yàn)表明投加的菌劑越多餐廚垃圾批式厭氧發(fā)酵的延滯期越短。(3)通過向半連續(xù)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中投加丙酸產(chǎn)甲烷菌劑,分析對比了反應(yīng)器之間的最大承載負(fù)荷與產(chǎn)氣性能。未添加丙酸產(chǎn)甲烷菌劑的對照組最大承載負(fù)荷為1.5 gVS/L/d。添加微氧處理的丙酸產(chǎn)甲烷菌劑的實(shí)驗(yàn)組能承載有機(jī)負(fù)荷3 gVS/L/d,且反應(yīng)器內(nèi)部較為穩(wěn)定,可繼續(xù)提高有機(jī)負(fù)荷。添加未曾微氧處理丙酸產(chǎn)甲烷菌劑的實(shí)驗(yàn)組最大承載負(fù)荷為2.5 gVS/L/d。通過三組反應(yīng)器中沼液與菌劑微生物屬水平上的相似性比較,表明添加丙酸產(chǎn)甲烷菌劑可以改變反應(yīng)器內(nèi)部的種群結(jié)構(gòu),增加了利用丙酸產(chǎn)甲烷菌的豐度,提升了反應(yīng)器內(nèi)部利用丙酸的能力。
【學(xué)位單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X799;S216.4
【文章目錄】：
摘要
英文摘要
1 引言
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)
        1.2.1 餐廚垃圾資源化處理技術(shù)
        1.2.2 厭氧發(fā)酵技術(shù)的基本原理
        1.2.3 生物強(qiáng)化技術(shù)在厭氧發(fā)酵工藝中的應(yīng)用
        1.2.4 厭氧發(fā)酵酸抑制作用機(jī)理
        1.2.5 生物強(qiáng)化應(yīng)對酸抑制中的應(yīng)用
    1.3 研究內(nèi)容的提出及依據(jù)
        1.3.1 丙酸產(chǎn)甲烷過程生物強(qiáng)化的提出依據(jù)
        1.3.2 生物強(qiáng)化菌劑采用丙酸產(chǎn)甲烷的提出依據(jù)
        1.3.3 優(yōu)化高濃度丙酸產(chǎn)甲烷菌群的依據(jù)
        1.3.4 宏基因組技術(shù)分析微生物群落的依據(jù)
        1.3.5 厭氧過程動力學(xué)模型分析代謝效率的依據(jù)
    1.4 研究目的、內(nèi)容及技術(shù)路線
        1.4.1 研究目的
        1.4.2 研究內(nèi)容
        1.4.3 技術(shù)路線
2 丙酸產(chǎn)甲烷菌系的富集與群落結(jié)構(gòu)優(yōu)化及微生物分析
    2.1 材料與方法
        2.1.1 接種物與營養(yǎng)液
        2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)設(shè)計
        2.1.3 測試指標(biāo)及方法
        2.1.4 宏基因組分析測定方法
    2.2 丙酸產(chǎn)甲烷菌群的發(fā)酵性能
    2.3 丙酸產(chǎn)甲烷菌系的群落解析
        2.3.1 細(xì)菌的分類鑒定
        2.3.2 微生物網(wǎng)絡(luò)關(guān)系
    2.4 丙酸產(chǎn)甲烷菌劑中微生物基因功能分析
    2.5 本章小結(jié)
3 丙酸產(chǎn)甲烷菌系的添加對餐廚垃圾批式厭氧消化的影響
    3.1 材料與方法
        3.1.1 接種物及原料
        3.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)計
        3.1.3 測試指標(biāo)及方法
        3.1.4 數(shù)據(jù)分析
    3.2 餐廚垃圾的理論產(chǎn)甲烷量分析
    3.3 丙酸產(chǎn)甲烷菌系對餐廚垃圾批式厭氧消化甲烷產(chǎn)量的影響
    3.4 丙酸產(chǎn)甲烷菌劑對可溶性COD濃度的影響
    3.5 丙酸產(chǎn)甲烷菌劑對餐廚垃圾批式厭氧消化過程動力學(xué)參數(shù)的影響
    3.6 本章小結(jié)
4 丙酸產(chǎn)甲烷菌劑的添加對餐廚垃圾厭氧消化過程運(yùn)行穩(wěn)定性的影響
    4.1 材料與方法
        4.1.1 實(shí)驗(yàn)原料及特性
        4.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
        4.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計
        4.1.4 測試指標(biāo)及方法
    4.2 丙酸產(chǎn)甲烷菌對厭氧消化系統(tǒng)發(fā)酵性能的影響
        4.2.1 丙酸產(chǎn)甲烷菌劑對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)最大承載負(fù)荷及氣體產(chǎn)量的影響
        4.2.2 丙酸產(chǎn)甲烷菌劑對餐廚垃圾厭氧消化過程穩(wěn)定性的影響
    4.3 厭氧細(xì)菌及古菌菌群結(jié)構(gòu)與菌劑的相似性分析
    4.4 本章小結(jié)
5 結(jié)論與展望
    5.1 結(jié)論
    5.2 展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

【參考文獻(xiàn)】

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