本文選題：餐廚垃圾固渣　切入點(diǎn)：氨氮耐受響應(yīng)機(jī)制　出處：《江南大學(xué)》2015年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：餐廚垃圾是典型的城市有機(jī)廢棄物,餐廚垃圾固渣富含碳水化合物和蛋白質(zhì),采用厭氧消化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理是實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾資源化、減量化和無(wú)害化處理的有效途徑。然而厭氧消化過(guò)程易發(fā)生氨氮抑制而導(dǎo)致過(guò)程失穩(wěn)。氨氮對(duì)厭氧消化體系的抑制主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈抑制產(chǎn)甲烷菌活性,因自由氨具有細(xì)胞膜自由滲透性,可通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入細(xì)胞,引起細(xì)胞質(zhì)酸化、質(zhì)子不平衡及K+流失等;產(chǎn)甲烷菌活性的抑制使得揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)大量積累,進(jìn)一步造成pH劇烈下降。氨氮和VFAs的雙重抑制及pH的變化往往導(dǎo)致厭氧消化系統(tǒng)處于“抑制型假穩(wěn)態(tài)”。因此,充分掌握餐廚垃圾固渣的厭氧消化特性、有效減緩氨氮抑制的措施及系統(tǒng)氨氮耐受響應(yīng)機(jī)制等問(wèn)題,是實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾固渣大規(guī)模處理處置的基礎(chǔ)和前提。本論文以餐廚垃圾固渣為厭氧消化底物,利用批式厭氧發(fā)酵方式確定了餐廚垃圾固渣厭氧消化的特性及潛力;采取了相關(guān)措施提高了連續(xù)厭氧消化系統(tǒng)的氨氮耐受性,減緩了氨氮抑制效應(yīng);借助高通量測(cè)序技術(shù)及選擇性抑制手段闡明了微生物群落及產(chǎn)甲烷代謝途徑的氨氮耐受響應(yīng)機(jī)制,回答了嗜乙酸產(chǎn)甲烷途徑受抑制情況下乙酸如何轉(zhuǎn)化為甲烷等問(wèn)題,為餐廚垃圾固渣的大規(guī)模處理處置奠定了理論基礎(chǔ)。主要的研究結(jié)果如下:中溫條件下,餐廚垃圾固渣批式厭氧消化隨著物料比(接種物:底物,固體含量比)的不同,面臨不同程度的酸抑制效應(yīng),甚至完全抑制甲烷的形成,投加NaHCO3可以一定程度地防止系統(tǒng)過(guò)度酸化、提高處理能力。物料比為1:0.5時(shí),單位質(zhì)量餐廚垃圾固渣的甲烷產(chǎn)量最高,達(dá)604.32 m L/gTS,同時(shí)TS去除率達(dá)90.40%。Logistic方程、Modified Gompertz模型和Transference方程均可較好地?cái)M合餐廚垃圾固渣產(chǎn)甲烷過(guò)程;其中Transference方程的擬合度更高。餐廚垃圾固渣連續(xù)厭氧消化過(guò)程中,蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的氨氮是造成反應(yīng)器失穩(wěn)的首要因素:氨氮抑制效應(yīng)影響了產(chǎn)甲烷菌的活性,進(jìn)而引起揮發(fā)VFAs積累,產(chǎn)生了酸抑制效應(yīng),并造成pH劇烈下降。為此,論文提出了“基于梯度氨氮壓力”的厭氧系統(tǒng)氨氮耐受性馴化策略,在餐廚垃圾固渣連續(xù)厭氧消化過(guò)程中,通過(guò)梯度提高氨氮壓力的方式對(duì)厭氧系統(tǒng)進(jìn)行耐受性馴化,逐步提高了系統(tǒng)的氨氮耐受性。在氨氮濃度由2000 mg/L提高至4500 mg/L過(guò)程中,反應(yīng)器運(yùn)行良好,沼氣日產(chǎn)量、甲烷含量、上清液中化學(xué)需氧量(SCOD)和VFAs等指標(biāo)保持穩(wěn)定,平均值分別為58.93 L/d、62.31%、7238 mg/L和578 mg/L;同時(shí)反應(yīng)器的緩沖性能隨著氨氮濃度的增加而逐漸提高。馴化過(guò)程中,淀粉酶活和蛋白酶活性保持相對(duì)穩(wěn)定,而CoF420的活性卻隨著氨氮濃度的增加呈上升趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)耐受性馴化后,氨氮對(duì)厭氧污泥產(chǎn)沼氣活性的半數(shù)抑制濃度由3709 mg/L提高至10072 mg/L,提高了171.56%;對(duì)產(chǎn)甲烷活性的半數(shù)抑制濃度由3111 mg/L提高至9180mg/L,提高了195.08%,氨氮耐受性有了較大提高。梯度提高氨氮濃度的馴化過(guò)程中,厭氧污泥中微生物群落相對(duì)豐度發(fā)生明顯變化:嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌(主要是Methanosaetaceae和Methanosarcinaceae)的相對(duì)豐富下降,而嗜氫產(chǎn)甲烷菌(主要是Methanobacteriaceae)的相對(duì)豐度提高;并伴隨著Firmicutes Clostridia細(xì)菌豐度的增加。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)特殊的微生物Candidatus Cloacamonas,該菌歸屬于WWE1 candidate division,可能是存在于厭氧反應(yīng)器中的一類(lèi)互養(yǎng)產(chǎn)氫菌。本研究利用產(chǎn)甲烷抑制劑二溴乙烷磺酸鹽(BES)、嗜乙酸產(chǎn)甲烷(AM)途徑抑制劑氟乙酸鹽和嗜氫產(chǎn)甲烷(HM)途徑抑制劑無(wú)水茶堿,證明了氨氮耐受污泥產(chǎn)甲烷過(guò)程中存在乙酸氧化過(guò)程(SAO)過(guò)程。產(chǎn)甲烷代謝途徑由AM向SAO-HM的轉(zhuǎn)變是厭氧系統(tǒng)應(yīng)對(duì)氨氮壓力的一種響應(yīng)機(jī)制,保證了體系中AM途徑受抑制情況下乙酸向甲烷的順利轉(zhuǎn)化。接種馴化污泥條件下,單位質(zhì)量餐廚垃圾固渣的平均甲烷產(chǎn)量為448 mL/g TS,比馴化前提高了31.37%;厭氧消化的最佳物料比由1:1.5提高至1:2,較馴化前厭氧消化體系的處理能力提高了33.33%;同時(shí)污泥馴化后,有機(jī)負(fù)荷越高甲烷產(chǎn)量的提高率越高,物料比為1:2.5時(shí)的甲烷產(chǎn)量提高了6.12倍。氨氮濃度在4000-4500 mg/L條件下,全混式厭氧反應(yīng)器處理餐廚垃圾固渣的容積負(fù)荷可以達(dá)到5 kgTS/m3/d,容積產(chǎn)氣率達(dá)2.65 m3/m3/d,但單位質(zhì)量底物的甲烷產(chǎn)量隨著有機(jī)負(fù)荷的提高而降低。本研究中所用50 L全混式厭氧反應(yīng)器在處理餐廚垃圾固渣時(shí)的氨氮耐受閾值是8156 mg/L。氨氮濃度提高過(guò)程中,Methanobacterium科仍是優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌,Methanosaeta科和Methanosarcina科產(chǎn)甲烷菌的相對(duì)豐度則明顯下降。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：X799.3;S216.4

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本文編號(hào)：1592145