餐廚垃圾在我國生產量巨大,其高含水率、高有機物含量與易腐性決定了餐廚垃圾既是城市中的嚴重污染源,也是一種具有廣闊前景的生物質資源。采用厭氧發(fā)酵產甲烷工藝處理餐廚垃圾可以實現(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,導致發(fā)酵濃度提升困難,產氣效率低等問題,限制了厭氧發(fā)酵工程的進一步推廣與應用。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,了解生物強化菌劑的內部特征。然后針對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵中酸抑制的問題進行生物強化。并通過動力學分丙酸產甲烷菌系的投加對餐廚垃圾批式厭氧發(fā)酵的影響,及采用宏基因組學分析半連續(xù)餐廚垃圾發(fā)酵在階梯式提高有機負荷中的效能與微生物群落的變化規(guī)律。論文主要結果如下:(1)以丙酸為碳源進行半連續(xù)發(fā)醇,恒定丙酸的進料濃度,可獲得高效的丙酸產甲烷菌系,通過微氧處理的丙酸產甲烷菌系,在適應期表現(xiàn)出了更好的效果,在穩(wěn)定期與未特殊處理的反應器表現(xiàn)相似。每克VS產甲烷量均在440 ml到450 ml之間。R1,R2反應器中丙酸產甲烷菌菌群中Syntrophobacter,Smithella,Mesotoga,Thermovirg均為反應器中優(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。功能基因分析結果顯示,丙酸產甲烷體系的細菌基因在R1中10.01%參與膜運輸,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化菌劑有效增加了丙酸利用率,提高了厭氧反應器的甲烷產量。通過修正的Gompertz方程的擬合實驗結果表明相對于其他方式添加0.5 gVS菌劑的反應器可以取得系統(tǒng)的最大產甲烷速率,同時實驗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)中投加丙酸產甲烷菌劑,分析對比了反應器之間的最大承載負荷與產氣性能。未添加丙酸產甲烷菌劑的對照組最大承載負荷為1.5 gVS/L/d。添加微氧處理的丙酸產甲烷菌劑的實驗組能承載有機負荷3 gVS/L/d,且反應器內部較為穩(wěn)定,可繼續(xù)提高有機負荷。添加未曾微氧處理丙酸產甲烷菌劑的實驗組最大承載負荷為2.5 gVS/L/d。通過三組反應器中沼液與菌劑微生物屬水平上的相似性比較,表明添加丙酸產甲烷菌劑可以改變反應器內部的種群結構,增加了利用丙酸產甲烷菌的豐度,提升了反應器內部利用丙酸的能力。
【學位單位】：東北農業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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 國內外研究動態(tài)
        1.2.1 餐廚垃圾資源化處理技術
        1.2.2 厭氧發(fā)酵技術的基本原理
        1.2.3 生物強化技術在厭氧發(fā)酵工藝中的應用
        1.2.4 厭氧發(fā)酵酸抑制作用機理
        1.2.5 生物強化應對酸抑制中的應用
    1.3 研究內容的提出及依據(jù)
        1.3.1 丙酸產甲烷過程生物強化的提出依據(jù)
        1.3.2 生物強化菌劑采用丙酸產甲烷的提出依據(jù)
        1.3.3 優(yōu)化高濃度丙酸產甲烷菌群的依據(jù)
        1.3.4 宏基因組技術分析微生物群落的依據(jù)
        1.3.5 厭氧過程動力學模型分析代謝效率的依據(jù)
    1.4 研究目的、內容及技術路線
        1.4.1 研究目的
        1.4.2 研究內容
        1.4.3 技術路線
2 丙酸產甲烷菌系的富集與群落結構優(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 實驗裝置與實驗設計
        2.1.3 測試指標及方法
        2.1.4 宏基因組分析測定方法
    2.2 丙酸產甲烷菌群的發(fā)酵性能
    2.3 丙酸產甲烷菌系的群落解析
        2.3.1 細菌的分類鑒定
        2.3.2 微生物網絡關系
    2.4 丙酸產甲烷菌劑中微生物基因功能分析
    2.5 本章小結
3 丙酸產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 實驗裝置與設計
        3.1.3 測試指標及方法
        3.1.4 數(shù)據(jù)分析
    3.2 餐廚垃圾的理論產甲烷量分析
    3.3 丙酸產甲烷菌系對餐廚垃圾批式厭氧消化甲烷產量的影響
    3.4 丙酸產甲烷菌劑對可溶性COD濃度的影響
    3.5 丙酸產甲烷菌劑對餐廚垃圾批式厭氧消化過程動力學參數(shù)的影響
    3.6 本章小結
4 丙酸產甲烷菌劑的添加對餐廚垃圾厭氧消化過程運行穩(wěn)定性的影響
    4.1 材料與方法
        4.1.1 實驗原料及特性
        4.1.2 實驗設置
        4.1.3 實驗設計
        4.1.4 測試指標及方法
    4.2 丙酸產甲烷菌對厭氧消化系統(tǒng)發(fā)酵性能的影響
        4.2.1 丙酸產甲烷菌劑對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)最大承載負荷及氣體產量的影響
        4.2.2 丙酸產甲烷菌劑對餐廚垃圾厭氧消化過程穩(wěn)定性的影響
    4.3 厭氧細菌及古菌菌群結構與菌劑的相似性分析
    4.4 本章小結
5 結論與展望
    5.1 結論
    5.2 展望
致謝
參考文獻
附錄
攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文

【參考文獻】

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本文編號：2875758