混菌厭氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物的調(diào)控及其機(jī)理研究.pdf

1、復(fù)雜有機(jī)物在厭氧消化過程中，除了有一部分用于微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)生一些難降解的有機(jī)物，大部分有機(jī)物會(huì)轉(zhuǎn)化為甲烷。當(dāng)產(chǎn)甲烷過程受到抑制后，混菌厭氧發(fā)酵同樣會(huì)產(chǎn)生一些其他的有價(jià)值的產(chǎn)物（如醇類，揮發(fā)性脂肪酸等生物燃料）。但是，所產(chǎn)生的生物燃料濃度和純度都不能達(dá)到生產(chǎn)的直接要求，需要進(jìn)一步的分離純化才能夠被后續(xù)的工藝所利用。所以，本論文對(duì)混菌厭氧發(fā)酵(MCF)代謝產(chǎn)物的調(diào)控進(jìn)行了一系列研究，即通過調(diào)控溫度，pH，氨根離子濃度等一系列相關(guān)參數(shù)，可定向

2、調(diào)控混菌厭氧發(fā)酵的代謝產(chǎn)物，以提高其濃度和純度，為MCF體系產(chǎn)脂肪酸和甲烷應(yīng)用于實(shí)際提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。主要內(nèi)容和結(jié)果包括:1.將污泥厭氧消化體系的溫度從高溫上升到超高溫，開發(fā)出一段式原位污泥厭氧消化的工藝，實(shí)現(xiàn)了污泥水解和產(chǎn)甲烷過程在同一體系中連續(xù)進(jìn)行。研究結(jié)果表明，在55℃-65℃的溫度范圍內(nèi)獲得了穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷性能，在溫度為65℃的條件下，獲得了208.51±13.66mL/gVS的最大甲烷產(chǎn)量，并且得到最大水解率(33％)和酸

3、化率(27.1％)。然而，進(jìn)一步升溫至70℃并未相應(yīng)地改善產(chǎn)甲烷的性能。微生物群落分析表明，與乙酸氧化過程高度相關(guān)的菌群Coprothermobacter在較高溫度下占據(jù)著主要地位，且隨著溫度的升高，產(chǎn)甲烷古菌的優(yōu)勢(shì)種群從嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌Methanosarcina轉(zhuǎn)變?yōu)槭葰洚a(chǎn)甲烷菌Methanothermobacter。該研究結(jié)果表明，一段式污泥厭氧消化可以實(shí)現(xiàn)在高溫條件(65℃)下穩(wěn)定產(chǎn)甲烷，從而可以減少常規(guī)的高溫預(yù)處理環(huán)節(jié)，有效降低

4、處理成本。
　　2.研究了污泥停留時(shí)間（SRT）對(duì)高溫條件下(65℃)一段式污泥厭氧消化的影響。結(jié)果表明，最佳SRT為6天，此時(shí)甲烷產(chǎn)量達(dá)到最大值(186.16mL/gVS)。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)SRT的變化對(duì)水解和VS的分解率幾乎沒有影響。較長(zhǎng)的SRT促使更多難降解中間產(chǎn)物的生成，從而減弱了酸化程度，最終導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量較低。微生物群落分析顯示，溫度為65℃時(shí)不同SRT條件下的甲烷生成均是由厭氧乙酸氧化細(xì)菌和嗜氫產(chǎn)甲烷菌協(xié)同作用完成的。另外，

5、從經(jīng)濟(jì)角度來看進(jìn)料污泥的濃度高于23g/L時(shí)，產(chǎn)生的能量可以抵消高溫維持消耗的能量。
　　3.以半連續(xù)流模式運(yùn)行MCF，以混合污泥（初沉污泥和好氧污泥）為發(fā)酵底物，旨在提高揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的產(chǎn)量。在130天的運(yùn)行周期中，采用逐步提高pH的方式使其從7升高至10。結(jié)果表明，在pH為8.9時(shí)獲得最大酸化率(21％)，從而導(dǎo)致VFAs產(chǎn)量最大化(423.22±25.49mgCOD/gVSS)，而在pH為9.9條件下污泥水解率達(dá)到

6、最大(42％)。高pH值條件下(＞7)有利于污泥有效釋放蛋白質(zhì)，碳水化合物，Bulidingblocks（腐殖酸中間產(chǎn)物）和低分子量(LMW)中性物質(zhì)。在更高的pH條件下(＞9)，低分子質(zhì)量(LMW)的溶解性有機(jī)物(DOMs)比高分子質(zhì)量(HMW)的DOMs釋放更多。在pH9.9條件下，有利于HMW-DOMs的水解，但是并沒有提高LMW-DOM的酸化率。微生物群落分析表明，Actinobacteria和Proteobacteria的相對(duì)

7、豐度隨著pH的升高而增加，這可能是導(dǎo)致在pH9.9條件下的得到最大水解率的原因。在pH8.9時(shí)，Clostridia(59.16％)的相對(duì)豐度最大，同時(shí)在此條件下酸化率達(dá)到最大(21％)。這表明Clostridia的相對(duì)豐度與酸化程度呈正相關(guān)關(guān)系。隨著pH的增加，Euryarchaeota的相對(duì)豐度從58％顯著下降到2％。
　　4.乙酸是一種重要的工業(yè)化學(xué)品，通過混菌厭氧發(fā)酵(MCF)從廢棄物中生產(chǎn)高濃度、高純度的乙酸是具有經(jīng)濟(jì)效

8、益的途徑。本論文，研究了水力停留時(shí)間(HRT)對(duì)豆腐加工廢水(TPW)在超高溫條件下(70℃)通過MCF穩(wěn)定產(chǎn)乙酸的影響。結(jié)果表明較長(zhǎng)的HRT（＞3天）導(dǎo)致較少乙酸的產(chǎn)生，而在較短的HRT（3天）下可以實(shí)現(xiàn)了高濃度乙酸穩(wěn)定產(chǎn)生，產(chǎn)量為0.57g-COD/g-CODTPw。微生物群落分析表明，在HRT為3天和5天兩種條件下，嗜氫產(chǎn)甲烷菌（主要是Methanothermobacter）占據(jù)古菌的比例均為90％左右。然而，當(dāng)HRT從5天降至3

9、天時(shí)，主要的乙酸降解菌Coprothermobacter從35.74％降至10.58％，這意味著長(zhǎng)HRT能夠有利于乙酸降解菌的生長(zhǎng)。研究結(jié)果表明，HRT是在超高溫MCF中保持TPW穩(wěn)定產(chǎn)乙酸的關(guān)鍵因素。
　　5.研究發(fā)現(xiàn)高氨根離子濃度可以定向調(diào)控MCF產(chǎn)高純度丙酸，以甘油為發(fā)酵底物進(jìn)行研究。補(bǔ)料分批實(shí)驗(yàn)顯示當(dāng)氨根離子濃度大于2.9g/L時(shí)，對(duì)乙酸和丙酸的降解均會(huì)產(chǎn)生抑制。在另外一組補(bǔ)料分批實(shí)驗(yàn)中，丙酸產(chǎn)量和COD轉(zhuǎn)化率分別為22.

10、6g/L和0.45g-COD/COD-甘油，其中丙酸的純度高達(dá)96％。批次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在甘油濃度分別為2.78，4.38和5.56g/L時(shí)，丙酸產(chǎn)量分別為0.3±0.05，0.32±0.01和0.34±0.03g-COD/g-COD，丙酸的純度高達(dá)91％-100％。微生物群落分析表明，在不同的甘油濃度條件下，細(xì)菌群落以Firmicutes門為主。然而，當(dāng)甘油的濃度從2.78g/L增加到5.56g/L時(shí)，Methanosaeta的相對(duì)豐