餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷工藝特性及其微生物學(xué)機理研究.pdf

1、餐廚垃圾是城市生活垃圾的重要組成部分，我國餐廚垃圾產(chǎn)生量巨大。餐廚垃圾高含水率、高有機質(zhì)含量和易降解腐敗等特性決定了其既具有嚴(yán)重的污染性，又蘊藏著可觀的資源和能源，餐廚垃圾資源化處理與利用成為必然趨勢。餐廚垃圾中有機物含量豐富，具有很高的理論產(chǎn)甲烷潛勢，采用厭氧消化產(chǎn)甲烷工藝處理餐廚垃圾具有廣闊前景。然而在餐廚垃圾厭氧消化工藝中，常存在酸化現(xiàn)象嚴(yán)重、負(fù)荷提升困難、垃圾消納能力與產(chǎn)氣效率低下等問題，限制了其工程化應(yīng)用。本文通過餐廚垃圾批式

2、厭氧消化過程影響因素、半連續(xù)厭氧消化工藝在負(fù)荷逐步提升過程的效能變化特征，以及微生物群落結(jié)構(gòu)與產(chǎn)甲烷途徑的動態(tài)變化等方面的研究，從微生物學(xué)角度揭示餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)效能提升與穩(wěn)定性維持的機制機理，提出并驗證餐廚垃圾高溫靜態(tài)兩相一體化厭氧消化工藝及其性能，以期為高效穩(wěn)定的餐廚垃圾厭氧消化工藝開發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。論文主要結(jié)果如下:
　　1、通過大量批式厭氧消化試驗發(fā)現(xiàn):食料比（substrate to inoculum

3、 ratio，S/I值）對餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)啟動與產(chǎn)氣過程影響重大，其次為總固體(total solid，TS)濃度，而微量元素（鐵，鈷，鎳，硒，鉬，鎢）添加對系統(tǒng)產(chǎn)甲烷沒有明顯的促進(jìn)作用。當(dāng)S/I≤1，TS濃度在2％-8％范圍時，餐廚垃圾中溫與高溫批式厭氧消化系統(tǒng)均能實現(xiàn)快速啟動，累積甲烷產(chǎn)量隨S/I的增高而增加，甲烷產(chǎn)率隨S/I值的增加而降低，中溫與高溫系統(tǒng)的最高甲烷產(chǎn)率分別為491.14mL/gVSadded和520.08mL/

4、g VSadded（volatile solid，VS）。當(dāng)S/I=2時，會發(fā)生明顯的酸化現(xiàn)象，中溫與高溫系統(tǒng)均出現(xiàn)明顯的產(chǎn)氣停滯期，停滯期隨TS濃度的增加而延長，在TS濃度＞6％時，中溫系統(tǒng)產(chǎn)氣微弱，高溫系統(tǒng)氣體產(chǎn)量隨TS濃度增加而增加，但增幅較TS濃度≤6％時而言逐漸變小。當(dāng)S/I＞2時，不論TS濃度為多少，中溫與高溫系統(tǒng)均因酸化嚴(yán)重而難以進(jìn)入快速產(chǎn)氣階段。綜合分析表明，以S/I=1、TS=8％和高溫的運行方式進(jìn)行餐廚垃圾批式厭氧消

5、化啟動較快，單位容積消納垃圾和產(chǎn)氣的綜合效率最高。
　　2、通過負(fù)荷逐步提升試驗對比分析了餐廚垃圾中溫與高溫單相半連續(xù)厭氧消化反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)中溫反應(yīng)器具有更好的穩(wěn)定性和更高的容積產(chǎn)甲烷速率。中溫反應(yīng)器在負(fù)荷2.5g VS/(L·d)下實現(xiàn)穩(wěn)定運行，單位基質(zhì)產(chǎn)甲烷率達(dá)415.9mL/(g VSadded)，單位容積甲烷產(chǎn)率為1039.8mL/(L·d);高溫反應(yīng)器在負(fù)荷為2.0g VS/(L·d)時，VFA（主要是乙酸和丙酸）明顯積累

6、的情況下，仍可維持相對穩(wěn)定的基質(zhì)甲烷產(chǎn)率(336.3mL/(g VSadded)和容積甲烷產(chǎn)生速率(772.6mL/(L·d))，但在負(fù)荷升至2.5g VS/(L·d)時因乙酸和丙酸迅速積累，pH急劇下降，產(chǎn)氣幾近停滯，系統(tǒng)接近崩潰。
　　3、運用微生物分子生物學(xué)技術(shù)，對比分析了負(fù)荷提升過程中，中溫與高溫系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)與功能組成變化特征，揭示了中溫厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于高溫系統(tǒng)的微生物學(xué)機理。中溫系統(tǒng)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，隨

7、負(fù)荷提升系統(tǒng)發(fā)育組成變化距離大，多樣性與均勻性指數(shù)始終卻維持在較高水平，而在高溫系統(tǒng)中細(xì)菌群落以Thermotoga為絕對優(yōu)勢菌，隨負(fù)荷提升，系統(tǒng)發(fā)育組成變化較小，多樣性和均勻性指數(shù)則降低。與高溫系統(tǒng)相比，中溫系統(tǒng)細(xì)菌群落功能冗余現(xiàn)象更為明顯。古菌群落結(jié)構(gòu)在中溫系統(tǒng)中隨負(fù)荷提升逐漸以Methanosaeta為主導(dǎo)的乙酸發(fā)酵型產(chǎn)甲烷古菌為主，而在高溫系統(tǒng)中隨負(fù)荷的提升逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐訫ethanothermobacter和Methanocul

8、leus為代表的氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌為主。高溫系統(tǒng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相對單一，難以及時調(diào)整出能應(yīng)對負(fù)荷提升壓力的生態(tài)結(jié)構(gòu);在以氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑為主的代謝過程中需產(chǎn)氫與耗氫菌的共生合作，對環(huán)境條件控制要求嚴(yán)格;產(chǎn)酸-產(chǎn)氫-耗氫速率間的不平衡隨負(fù)荷提升而加劇，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。該研究結(jié)果可為高效穩(wěn)定的厭氧消化工藝開發(fā)提供理論依據(jù)。
　　4、自主設(shè)計了一套高溫靜態(tài)兩相一體化厭氧消化反應(yīng)器，在此基礎(chǔ)上通過小試試驗驗證了其運行穩(wěn)定性和產(chǎn)氣效率。兩

9、相一體化反應(yīng)器可有效緩解酸化產(chǎn)物對產(chǎn)甲烷過程的抑制作用，并為微生物間的共生代謝作用提供有利的空間結(jié)構(gòu)。在不同有機負(fù)荷條件下，將甲烷相污泥回流至水解酸化相，回流污泥量隨負(fù)荷提升而增加，使進(jìn)料pH值保持在6.5-7.0之間，可為水解酸化反應(yīng)提供可靠的接種微生物和適宜的pH條件。反應(yīng)器以初始負(fù)荷4.67g VS/L進(jìn)行啟動，并實現(xiàn)在負(fù)荷7.00g VS/L下的穩(wěn)定運行。在負(fù)荷為7.00g VS/L時，平均單位基質(zhì)氣體與甲烷產(chǎn)率分別為0.79L