有機生活垃圾厭氧液化過程酸堿度對產(chǎn)物組成及產(chǎn)物抑制的影響.pdf

1、厭氧消化用于處理有機生活垃圾時希望達到兩個目標：減少有機生活垃圾的廢物量和提高厭氧消化后可資源化/能源化的產(chǎn)品量(即減量化和資源化)。有機生活垃圾在微生物作用下水解酸化，由不可溶高分子有機物降解成可溶小分子物質(zhì)的厭氧液化過程，其優(yōu)化控制有利于實現(xiàn)廢物的減量和資源轉(zhuǎn)化。有機生活垃圾屬高含固率有機物，對于非均相非均質(zhì)高含固率有機物的降解，顆粒態(tài)物料的水解是厭氧消化的限速步驟。高含固率有機物厭氧液化過程在啟動階段水解酸化迅速進行，

2、導(dǎo)致高濃度的液化產(chǎn)物的累積，并進而影響反應(yīng)體系的酸堿度。酸堿度和高濃度液化產(chǎn)物對厭氧液化過程的影響不能忽略，包括對水解過程和酸化過程的影響。而高含固率限制了液化產(chǎn)物稀釋的傳質(zhì)條件，使酸堿度和液化產(chǎn)物的潛在影響更為強烈。為提高厭氧液化過程的有機物降解率和調(diào)節(jié)液化產(chǎn)物的組成，本論文比較了不同酸堿度對有機生活垃圾厭氧液化過程水解和酸化速率，以及微生物多樣性的影響，分析了液化產(chǎn)物組成隨酸堿度變化的規(guī)律。探究了酸堿度與極性液化產(chǎn)物(

3、揮發(fā)性脂肪酸、乳酸和氨)對厭氧液化過程的交互影響，以辨別酸堿度與極性液化產(chǎn)物在抑制水解和酸化過程的相對重要性程度，從而確定兩者對有機生活垃圾水解和酸化過程的影響規(guī)律。主要研究結(jié)果如下：(1)蔬菜類有機垃圾的間歇式厭氧液化實驗表明，酸堿度會影響有機生活垃圾的 水解和酸化過程。pH不控制時會嚴重抑制水解和酸化。pH 7最有利于微生 物的合成代謝，從而會促進碳水化合物和蛋白質(zhì)的水解和酸化。pH5、6和 8時的水解和酸化

4、速率均低于pH7條件。酸堿度會影響代謝途徑的選擇。 pH5～7有利于乳酸的生成，而pH7有利于乙醇、丁酸和丙酸的生成。在發(fā) 酵液不同pH條件下，易腐性有機垃圾的基本發(fā)酵類型為：pH7時主要進行 丁酸發(fā)酵；pH8時丁酸發(fā)酵類型逐漸占優(yōu)勢；而pH5時丙酸發(fā)酵逐漸占優(yōu) 勢。在酸化初期醇的產(chǎn)生量大于揮發(fā)性脂肪酸，酸化后期在pH5時產(chǎn)醇代 謝途徑占優(yōu)勢，而在pH7和pH8時產(chǎn)酸代謝途徑占優(yōu)勢。(2)研究了中溫條件下

5、(37℃)，pH和乙酸對碳水化合物和蛋白質(zhì)酶水解的影響規(guī) 律，pH評價范圍5～9，乙酸選取2種濃度(0和20gl-1)。實驗結(jié)果表明pH 和乙酸會抑制生物質(zhì)的水解。碳水化合物的水解和蛋白質(zhì)的水解受抑制的規(guī) 律不同。對于碳水化合物的水解，pH7時的水解效率最高，其次是pH8～9， pH5～6水解率最低。無論添加乙酸與否，液相溶解性碳的累計量由高至低 遵循pH7＞pH8＞pH9＞pH6＞pH5的順序；乙酸的添加導(dǎo)致水解

6、效率降低30％。 對于蛋白質(zhì)的水解，pH不產(chǎn)生影響；但是乙酸的添加在堿性條件下可達完 全抑制的水平。偏最小二乘法(PLS)分析結(jié)果表明，對于碳水化合物的水解， pH的參數(shù)重要性要高于乙酸；對于蛋白質(zhì)的水解，乙酸的參數(shù)重要性遠高 于pH。不同動力學(xué)方程的模擬和比較發(fā)現(xiàn)，Chen-Hashimoto模型模擬水解 過程的擬合優(yōu)度最高；據(jù)此計算出對碳水化合物的水解，產(chǎn)生50％抑制的 乙酸濃度為12600～17400 mg

7、l-1；對蛋白質(zhì)的水解，產(chǎn)生50％抑制的乙酸濃 度為1500mgl-1。(3)研究了中溫條件碳水化合物在固定pH(5～9)和特定的乙酸濃度水平(0或333 mmoll-1)條件下，乙酸對酸化過程的影響。實驗研究和主成分分析(PCA)表 明：pH和高濃度的乙酸均會改變酸化過程的代謝途徑。高濃度乙酸在pH5 條件下，會完全抑制乙醇和乳酸的生成，而甲酸的生成不受影響。但在pH6 時，會促進乙醇的生成。低濃度乙酸條件下，代

8、謝途徑逐漸由產(chǎn)乙酸向產(chǎn)乳 酸改變。高濃度乙酸條件下，代謝途徑逐漸由產(chǎn)乳酸向產(chǎn)醇方向改變。(4)研究了中溫條件下(37℃)，乳酸對碳水化合物水解和酸化的影響規(guī)律，pH評 價范圍5～9，乳酸選取3種濃度(0、15和30gl-1)。酸堿度和乳酸本身均會 導(dǎo)致α-淀粉酶活力下降和VS減量率的降低，即抑制酶水解過程。乳酸的添 加抑制了水解，但未改變pH對水解影響的趨勢，即中性和偏堿性最有利于 水解進行，酸性條件下水解過程容易

9、被抑制。隨著乳酸濃度的提高，pH的 影響減弱，水解主要受乳酸化合物本身的抑制。產(chǎn)生50％水解抑制的乳酸濃 度為7380mgl-1。響應(yīng)曲面法(RSM)分析表明，為了緩解乳酸的抑制，pH應(yīng) 控制在7.20～8.35范圍。乳酸對水解的抑制強度要高于乙酸。乳酸本身會進 一步降解形成乙酸和丙酸；隨著初始乳酸濃度的提高，乳酸降解率下降，且 產(chǎn)物由丙酸和乙酸為主逐漸過渡至以乙酸為主；中性和偏堿性環(huán)境(pH 7～9) 條件下的

10、乳酸降解率以及丙酸與乙酸的比值要高于酸性環(huán)境(pH5～6)。(5)研究了中性環(huán)境下，氨氮(0～16gl-1)對蛋白質(zhì)和脂肪的水解和酸化過程的影 響。外部氨氮的添加會抑制蛋白質(zhì)的水解；外部添加氨氮的濃度分別為2、 4、8、16gl-1時，與參照組(0gl-1)相比，蛋白質(zhì)的水解量分別下降了12％、 24％、37％和58％。外部氨氮的添加抑制了脂肪的水解；外部添加氨氮的濃 度分別為2、4、8、16gl-1時，與參照組(0

11、gl-1)相比，脂肪的水解量在第12 天分別下降了20％、8％、27％和63％。酸化率在外加氨氮的濃度小于8gl-1 時基本不受氨氮的影響，而16gl-1則嚴重抑制了酸化過程。乙酸激酶的活 力隨氨氮濃度的增加而順序下降，表明氨氮對乙酸生成的抑制。(6)研究了不同pH(pH不控制和pH7)和不同堿金屬陽離子濃度(Na+和K+，0、25、 50g1-1)條件下，堿金屬陽離子對厭氧液化過程的影響。pH不控制時，低濃 度陽

12、離子(25gl-1)對產(chǎn)酸細菌產(chǎn)生抑制，但產(chǎn)酸細菌能適應(yīng)該濃度范圍，而 高濃度陽離子(50gl-1)嚴重抑制產(chǎn)酸細菌。但pH7緩沖體系中，產(chǎn)酸細菌不 受高濃度陽離子(50gl-1)影響，因此適宜pH條件(pH7)可提高微生物對堿金 屬陽離子的耐受能力。(7)采用PCR-DGGE技術(shù)分析pH對厭氧液化過程微生物多樣性的影響。應(yīng)用3 種數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法(香農(nóng)多樣性指數(shù)、聚類分析、主成分分析)分析DGGE指紋 圖譜。香農(nóng)多樣

13、性指數(shù)分析表明，pH5時的多樣性比7和8時略低。根據(jù) 非加權(quán)成對算術(shù)平均法得出的聚類系統(tǒng)樹圖揭示了pH7和pH8時的微生物 群落更為相似，而pH5時則很不同。主成分分析得出了與之一致的結(jié)論， 但提供了更多關(guān)于細菌群落變化的細節(jié)。根據(jù)測序結(jié)果，乳酸細菌和 Clostridium是所有pH下的優(yōu)勢菌屬。實驗結(jié)果表明，pH改變了厭氧液化 過程中的細菌群落，導(dǎo)致了不同的液化產(chǎn)物組成分布。 本論文的研究表明極性液化產(chǎn)物對厭