本文選題：餐廚垃圾固渣　切入點：氨氮耐受響應機制　出處：《江南大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：餐廚垃圾是典型的城市有機廢棄物,餐廚垃圾固渣富含碳水化合物和蛋白質,采用厭氧消化技術對其進行處理是實現(xiàn)餐廚垃圾資源化、減量化和無害化處理的有效途徑。然而厭氧消化過程易發(fā)生氨氮抑制而導致過程失穩(wěn)。氨氮對厭氧消化體系的抑制主要表現(xiàn)為強烈抑制產(chǎn)甲烷菌活性,因自由氨具有細胞膜自由滲透性,可通過被動擴散的方式進入細胞,引起細胞質酸化、質子不平衡及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)氨氮耐受響應機制等問題,是實現(xiàn)餐廚垃圾固渣大規(guī)模處理處置的基礎和前提。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;借助高通量測序技術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機制,回答了嗜乙酸產(chǎn)甲烷途徑受抑制情況下乙酸如何轉化為甲烷等問題,為餐廚垃圾固渣的大規(guī)模處理處置奠定了理論基礎。主要的研究結果如下: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,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)過度酸化、提高處理能力。物料比為1:0.5時,單位質量餐廚垃圾固渣的甲烷產(chǎn)量最高,達604.32 m L/gTS,同時TS去除率達90.40%。Logistic方程、Modified Gompertz模型和Transference方程均可較好地擬合餐廚垃圾固渣產(chǎn)甲烷過程;其中Transference方程的擬合度更高。餐廚垃圾固渣連續(xù)厭氧消化過程中,蛋白質分解產(chǎn)生的氨氮是造成反應器失穩(wěn)的首要因素:氨氮抑制效應影響了產(chǎn)甲烷菌的活性,進而引起揮發(fā)VFAs積累,產(chǎn)生了酸抑制效應,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)厭氧消化過程中,通過梯度提高氨氮壓力的方式對厭氧系統(tǒng)進行耐受性馴化,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過程中,反應器運行良好,沼氣日產(chǎn)量、甲烷含量、上清液中化學需氧量(SCOD)和VFAs等指標保持穩(wěn)定,平均值分別為58.93 L/d、62.31%、7238 mg/L和578 mg/L;同時反應器的緩沖性能隨著氨氮濃度的增加而逐漸提高。馴化過程中,淀粉酶活和蛋白酶活性保持相對穩(wěn)定,而CoF420的活性卻隨著氨氮濃度的增加呈上升趨勢。經(jīng)過耐受性馴化后,氨氮對厭氧污泥產(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程中,厭氧污泥中微生物群落相對豐度發(fā)生明顯變化:嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌(主要是Methanosaetaceae和Methanosarcinaceae)的相對豐富下降,而嗜氫產(chǎn)甲烷菌(主要是Methanobacteriaceae)的相對豐度提高;并伴隨著Firmicutes Clostridia細菌豐度的增加。同時發(fā)現(xiàn)了一類特殊的微生物Candidatus Cloacamonas,該菌歸屬于WWE1 candidate division,可能是存在于厭氧反應器中的一類互養(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)途徑抑制劑無水茶堿,證明了氨氮耐受污泥產(chǎn)甲烷過程中存在乙酸氧化過程(SAO)過程。產(chǎn)甲烷代謝途徑由AM向SAO-HM的轉變是厭氧系統(tǒng)應對氨氮壓力的一種響應機制,保證了體系中AM途徑受抑制情況下乙酸向甲烷的順利轉化。接種馴化污泥條件下,單位質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%;同時污泥馴化后,有機負荷越高甲烷產(chǎn)量的提高率越高,物料比為1:2.5時的甲烷產(chǎn)量提高了6.12倍。氨氮濃度在4000-4500 mg/L條件下,全混式厭氧反應器處理餐廚垃圾固渣的容積負荷可以達到5 kgTS/m3/d,容積產(chǎn)氣率達2.65 m3/m3/d,但單位質量底物的甲烷產(chǎn)量隨著有機負荷的提高而降低。本研究中所用50 L全混式厭氧反應器在處理餐廚垃圾固渣時的氨氮耐受閾值是8156 mg/L。氨氮濃度提高過程中,Methanobacterium科仍是優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌,Methanosaeta科和Methanosarcina科產(chǎn)甲烷菌的相對豐度則明顯下降。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：江南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X799.3;S216.4

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本文編號：1592145