【摘要】：隨著經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化進程的不斷加速,我國每年產(chǎn)生大量的餐廚垃圾和剩余污泥,餐廚垃圾具有有機質(zhì)含量高,高鹽高油脂且易腐敗變質(zhì)滋生病毒的特點。剩余污泥作為污水處理過程副產(chǎn)物同樣具有高有機質(zhì)但同時存在大量的病原體等有毒有害物質(zhì)。若餐廚垃圾和剩余污泥得不到有效地處理與處置會造成資源浪費和環(huán)境二次污染。厭氧發(fā)酵以集污染治理和能源回收的獨特優(yōu)勢而成為餐廚垃圾和剩余污泥處理和資源化利用的首先策略。短鏈脂肪酸(SCFA)是有機物厭氧發(fā)酵代謝過程的中間產(chǎn)物,其可以作為優(yōu)質(zhì)碳源應(yīng)用于污水廠生物脫氮除磷,微生物燃料電池產(chǎn)電,及生產(chǎn)生物塑料。餐廚垃圾單一厭氧發(fā)酵常因C/N失衡,抗沖擊負荷能力低等原因?qū)е履茉椿厥章始拔廴疚锶コ焕硐搿２蛷N垃圾與剩余污泥厭氧共發(fā)酵能平衡C/N,稀釋有毒有害物質(zhì),協(xié)同微生物群落從而提高厭氧發(fā)酵體系的穩(wěn)定性及效能。餐廚垃圾中含有的鹽度和油脂必然影響后續(xù)資源化利用。盡管之前研究已報到鹽度或油脂對餐廚垃圾厭氧消化的影響,但是之前研究多集中于產(chǎn)氣階段,而對餐廚垃圾單一發(fā)酵產(chǎn)酸及餐廚垃圾和剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的影響報道較少,并且相應(yīng)的機理尚不明確。因此,本論文在序批式厭氧反應(yīng)器中分析了不同質(zhì)量濃度鹽度和油脂作用下餐廚垃圾和剩余污泥厭氧發(fā)酵SCFA,溶解性有機物,水解,酸化和甲烷化過程中關(guān)鍵酶活性及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化確立了鹽度和油脂對餐廚垃圾和剩余污泥厭氧共發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的影響并揭示了相關(guān)機理。首先,以餐廚垃圾為單一消化底物,在中溫條件下,設(shè)置不同鹽度梯度考察了鹽度對甲烷,SCFA產(chǎn)量,有機物裂解,水解,酸化和甲烷化模擬基物降解,及關(guān)鍵酶活性的影響。結(jié)果顯示餐廚垃圾中NaCl存在不僅影響甲烷的產(chǎn)量同時還影響最佳消化時間。當(dāng)NaCl的質(zhì)量濃度由0增加至15.0 g/L時,甲烷的最大積累量由253.3 mL/g(以單位VSS計)下降至22.7 mL/g,最佳消化時間由23 d延長至27 d。NaCl有助于提高餐廚垃圾中碳水化合物和蛋白質(zhì)的溶出,當(dāng)NaCl的質(zhì)量濃度由2.0 g/L提高至15.0 g/L時,溶解性碳水化合物和蛋白質(zhì)的最大含量分別由8596 mg/L和2156 mg/L提高至12054 mg/L和3124 mg/L。NaCl能夠促進餐廚垃圾水解過程,然而低于5.0 g/L NaCl有助于酸化過程,而高于5.0 g/L NaCl卻抑制酸化過程。NaCl存在能夠抑制產(chǎn)甲烷化過程。在相同的NaCl質(zhì)量濃度作用下,相較于餐廚垃圾單一消化,餐廚垃圾和剩余污泥共消化能夠提高甲烷產(chǎn)量。此外研究發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾和剩余污泥厭氧共發(fā)酵能減緩NaCl的抑制作用。其次,餐廚垃圾和剩余污泥共發(fā)酵能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效能,因此研究者以餐廚垃圾和剩余污泥為研究對象,在中溫環(huán)境下探究了鹽度對餐廚垃圾和剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)SCFA的影響并揭示了相關(guān)機理。結(jié)果表明NaCl對SCFA產(chǎn)生的影響具有劑量依賴性。隨著NaCl質(zhì)量濃度從0增加到8.0 g/L,SCFA產(chǎn)量從367.6 mg/g增加到638.5 mg/g。然而,NaCl的進一步增加抑制SCFA的產(chǎn)生。機理研究表明,NaCl的存在不僅加速了餐廚垃圾中可溶性物質(zhì)的釋放,并加速剩余污泥中胞外聚合物(EPS)和細胞壁/膜的裂解,而且促進了從發(fā)酵系統(tǒng)釋放的蛋白質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化。低水平的NaCl增強了水解和酸化過程,但是抑制了甲烷生成過程,而酸化和甲烷生成過程均被高質(zhì)量濃度NaCl嚴重抑制。再者,油脂也是餐廚垃圾中存在的物質(zhì),研究者以餐廚垃圾為單一發(fā)酵基質(zhì),在中溫環(huán)境下設(shè)置不同含量的油脂探究了油脂對餐廚垃圾單一厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的影響并揭示了相關(guān)機理。結(jié)果表明當(dāng)油脂含量由0增加至4.0 g/L時,SCFA的最大產(chǎn)量由32.7 g/L增加至38.5 g/L,當(dāng)油脂含量繼續(xù)增加至8.0 g/L,16.0 g/L和32.0 g/L時,SCFA的最大產(chǎn)量卻下降至26.5 g/L,21.6 g/L和19.8 g/L。此外高濃度油脂延長SCFA產(chǎn)生的最佳發(fā)酵時間。油脂自身降解會產(chǎn)生SCFA,但其貢獻量不大,高濃度油脂存在對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA具有抑制作用,并且油脂含量越高,SCFA的抑制程度越明顯。油脂濃度對溶解性COD(SCOD)的最大值影響不明顯,在本研究油脂應(yīng)用范圍內(nèi)(0~32.0 g/L),SCOD的最大值均在89.4~91.5 g/L。油脂含量為32.0 g/L時,油脂存在延長了SCOD達到最大值時所需時間。低濃度油脂促進餐廚垃圾水解和酸化過程,但抑制產(chǎn)甲烷化,而高濃度油脂抑制水解,酸化和產(chǎn)甲烷化。隨后,研究者探究了油脂含量對餐廚垃圾和剩余污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的影響及相關(guān)機理。當(dāng)油脂含量為4.0 g/L時,油脂能夠促進SCFA的積累,并且縮短最佳發(fā)酵時間,然而當(dāng)油脂含量為8.0,16.0和32.0 g/L時,SCFA的產(chǎn)量均低于空白組,并且最佳發(fā)酵時間均出現(xiàn)不同程度延滯。油脂含量對餐廚垃圾和剩余污泥共發(fā)酵SCOD的量影響不大,但是高濃度油脂能夠延長SCOD達到最大值所需的時間。4.0 g/L油脂有助于水解和酸化過程。當(dāng)油脂含量進一步提高至32.0 g/L時,水解和酸化過程受到嚴重抑制。不論油脂含量多少均對產(chǎn)甲烷化產(chǎn)生嚴重抑制作用。此外,油脂厭氧降解過程中產(chǎn)生的棕櫚酸對水解酸化和甲烷化抑制作用最強烈。低濃度油脂促進水解和酸化過程中關(guān)鍵酶的活性,并且提高Bacteroidetes和Firmicutes的相對百分含量至35.9%和39.2%,屬級別微生物群落顯示低濃度油脂提高了Bacteroides,Clostridium和Bacillus和Proteiniborus的相對豐度,并分別為19.5%,21.3%,10.3%和9.4%。最后,研究者探究了鹽度和油脂聯(lián)合作用對餐廚垃圾和剩余污泥共發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的影響。在低鹽低油反應(yīng)器中,SCFA的最大值為651.2 mg/g,顯著高于低鹽組519.6 mg/g和低油組421.3 mg/g,低鹽低油存在有助于餐廚垃圾和剩余污泥厭氧共發(fā)酵積累SCFA。低鹽低油組中,甲烷的最大產(chǎn)量為271.5 mL/g,較空白組下降約13.9%。在低鹽中油組,甲烷最大產(chǎn)量為235.6 mL/g,較空白組下降約25.3%。在低鹽高油組,甲烷最大積累量為185.6 mL/g,較空組下降約41.2%。鹽度和油脂聯(lián)合對餐廚垃圾和剩余污泥溶解性的影響主要依賴于鹽度。當(dāng)鹽度含量較高時,混合發(fā)酵系統(tǒng)中溶解性有機物釋放量較大,而當(dāng)鹽度較小時,混合發(fā)酵系統(tǒng)中有機物釋放量較小。低鹽低油組促進了PO_4~(3-)-P和NH_4~+-N釋放,而高鹽高油抑制PO_4~(3-)-P和NH_4~+-N的釋放,并且低鹽低油對水解和酸化酶具有促進作用,而高鹽高油抑制水解和酸化酶的活性。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X70
【圖文】：

圖 1.1 有機物厭氧發(fā)酵水解和酸化過程簡圖[32]Fig.1.1 Schematic diagram of the hydrolysis and acidification of organic matter in anaerobifermentation餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生產(chǎn) SCFA 的產(chǎn)量主要水解速率，酸化速率及產(chǎn)甲烷速率主要方面。因此國內(nèi)外學(xué)者針對提高餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生產(chǎn) SCFA 的研究主中于：1）預(yù)處理提高水解速率，主要通過預(yù)處理手段強化有機物溶解；2）酸化過程的影響因素，主要通過調(diào)控 pH，溫度，水力停留等條件強化酸化過3）抑制甲烷產(chǎn)量，主要通過條件改變抑制產(chǎn)甲烷菌的活性從而減少 SCFA 的[34,35]。1）預(yù)處理提高水解速率：餐廚垃圾中可利用的有機物多為固態(tài)顆粒狀形式存因此采取相應(yīng)的預(yù)處理手段強化餐廚垃圾厭氧水解速率具有重要意義。目前餐廚垃圾厭氧水解的預(yù)處理技術(shù)手段主要包括化學(xué)試劑，熱處理，超聲，微[35,36]。Elbeshbish 等[37]利用酸對餐廚垃圾在 4℃條件下預(yù)處理 24 h（pH3）后 SCOD 的含量增加約 28%。Jiang 等[38]采用利用超聲預(yù)處理（20 kHz，能量

注：±表示三次測定的誤差2.2.2 鹽度對餐廚垃圾厭氧消化的影響本實驗在 5 個相同的厭氧反應(yīng)器中進行，厭氧反應(yīng)器的有效體積為先 4.5 L 餐廚垃圾被平均分配到 5 個厭氧反應(yīng)器中，然后向各反應(yīng)器接接種污泥。最后向各反應(yīng)器中投加一定量 NaCl 并控制 NaCl 在反應(yīng)器中0，2.0，5.0，10.0 和 15.0 g/L。各反應(yīng)器中的 pH 通過投加 4.0 M HCl維持在 7.0±0.2，因為中性環(huán)境有助于產(chǎn)甲烷菌活性[116,117]。最后向反應(yīng)純度氮氣 60 s 以排凈氧氣保證厭氧環(huán)境，密封后放置于轉(zhuǎn)速為 120 r（35±1℃）空氣搖床進行 30 d 消化實驗。消化瓶上方配有進料口，出料口，甲烷氣體采用排水法測定。圖 2.1 為厭氧發(fā)酵實驗裝置簡圖�？偠嗵� 1420 ± 80 mg COD/L 128.5 ± 5.2 g COD/L 65.8 ± 3.4SCFA 21.2 ± 0.3mg COD/L 102.2 ± 5.6 g COD/L 58.9 ± 2.7 C/N 7.2/1 28.6/1 22.

圖 2.2 NaCl 對餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響2 Effect of NaCl on methane production from anaerobic digestion of food對餐廚垃圾水解和酸化過程影響和甲烷化過程影響厭氧消化過程包含裂解，水解，酸化和甲烷化四個連續(xù)的生化主要成分為碳水化合物和蛋白質(zhì)（表 2.1），且它們多以非溶餐廚垃圾中碳水化合物和蛋白質(zhì)首先要溶解成溶解態(tài)才能被后生物所吸收和代謝轉(zhuǎn)化。圖 2.3 為 NaCl 對餐廚垃圾厭氧消化過合物和溶解性蛋白質(zhì)含量的影響。由圖 2.3 可知，所有反應(yīng)器物和溶解性蛋白質(zhì)的含量均隨消化時間呈現(xiàn)先增加后下降的趨中最大溶解性碳水化合物和溶解性蛋白質(zhì)的含量分別為 7890 溶解性有機物含量升高主要是由于水解細菌產(chǎn)生水解酶促進有機物含量下降主要是被產(chǎn)甲烷菌所利用。然而當(dāng) NaCl 投加至后，溶解性碳水化合物和溶解性蛋白質(zhì)的最大含量顯著提高。

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