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厭氧發(fā)酵是沼氣工程中的關(guān)鍵過(guò)程，今天為大家分享一篇關(guān)于些過(guò)程的行業(yè)論文

本文轉自《中國沼氣》2018第1期，作者吳娟娟 徐恒 Nasir Ali 苑泉 黃博 于彩虹 王凱軍

果蔬和餐廚垃圾是我國城市生活垃圾的重要組 成部分,其有效處理處置仍面臨巨大挑戰。由于它們的含水率高、有機質(zhì)含量高且易降解,相比于衛生填埋、焚燒和堆肥等技術(shù),沼氣工程厭氧消化技術(shù)因具有更加顯著(zhù)的經(jīng)濟、環(huán)保和能源效益而得到廣泛應  用-。在沼氣工程應用中,一般采用單相全混流  反應器(CSTR)處理這類(lèi)易降解固體物料。此外,考慮到物料水解酸化過(guò)程非常迅速,通常設計采用較  長(cháng)的停留時(shí)間(30d左右)和較低的有機負荷(低于  3gs·Ld-1),以避免沼氣工程厭氧反應系統出現酸化和  持穩定的污泥產(chǎn)甲烷活性。為提高厭氧處理過(guò)程  的效率和穩定性,目前,國內外學(xué)者大多關(guān)注兩相厭  氧消化技術(shù)工藝的研發(fā)3°。根據水解酸化和產(chǎn)甲  烷微生物的生理生態(tài)特性差異,在空間上將傳統單  厭氧反應器分為產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相兩個(gè)反應器,  以維持各自最佳性能2=8。然而,通過(guò)分析現有文  獻報道結果可知,單相和兩相厭氧工藝效果的優(yōu)劣  尚存在較大爭議12。這可能主要由于在不同物  料組分、接種物等條件下產(chǎn)酸相的酸化產(chǎn)物類(lèi)型存  波動(dòng),從面影響兩相工藝整體效果。因此,有必要  對酸化產(chǎn)物分布特征進(jìn)行考察,以便于實(shí)現產(chǎn)物的  定向調控和產(chǎn)酸相過(guò)程優(yōu)化  前期研究表明,在諸多環(huán)境因子中,pH  值

對酸化產(chǎn)物分布和產(chǎn)量具有重要影響,且容易在實(shí)  際操作中進(jìn)行調控。同時(shí),考慮到碳水化合物是果  蔬和餐廚垃圾的重要組分之一,因此,筆者研究擬以  純物質(zhì)葡萄糖為原料,在pH值分別控制為4.0,5.0  和6.0條件下,考察酸化產(chǎn)物分布情況,并與不控制  pH值的對照組進(jìn)行對比。此外,與其他短周期的間

歇式產(chǎn)酸沼氣工程實(shí)驗研究方法不同3,筆者擬在半連續

長(cháng)期運行條件下開(kāi)展沼氣工程酸化產(chǎn)物分布特征研究,同時(shí)

輔以污泥沉淀操作,以期獲得穩定的產(chǎn)酸微生物群

落,最后對不同酸化產(chǎn)物分布下的優(yōu)勢菌群特征進(jìn)

行分析與比較。筆者研究結果有望為后續果蔬和餐

廚垃圾產(chǎn)酸調控和沼氣工程兩相厭氧消化工藝高效穩定運行

提供理論依據。

1材料與方法

1.1接種污泥

原污泥取自北京市某污水處理廠(chǎng)的污泥厭氧消化池,其VSS為16.74g·L1,Vs/TS為0.538,接種污泥VSs為8g·L

1.2實(shí)驗裝置與方法

如圖1所示,沼氣工程實(shí)驗采用的反應器有效容積為1  L,HRT設為4d,并借助pH值控制系統對其ph值  進(jìn)行實(shí)時(shí)監測與調控。實(shí)驗設置4套反應裝置(分  別命名為R0,R1,R2和R3),其中R0為對照組,其  pH值不作控制,R1,R2和R3的pH值分別控制在  4.0,5.0和6.0左右。所有反應器放置在35℃恒

溫室內磁力攪拌器上(轉速280mm)。實(shí)驗基質(zhì)為  葡萄糖溶液(由厭氧培養液配制而成,葡萄糖濃  度為20g·1)。為富集穩定的產(chǎn)酸微生物群落,2  出料前反應器靜置30min。實(shí)驗期間定期取樣  反應器內產(chǎn)氣和酸化產(chǎn)物特性,實(shí)驗結束后對產(chǎn)2微生物的群落進(jìn)行分析

和總量化4

圖1沼氣工程實(shí)驗裝置示意圖

1.3分析與計算方法  沼氣工程產(chǎn)氣特性分析:氣體產(chǎn)量(mL)由氣袋法測量  采用安捷倫A7890氣相色譜儀對氣體組分(H  CH4等)進(jìn)行測定,采用的氣相色譜儀配備有4.6m  3.2mm不銹鋼 Carboxen-100060/80目)填充  柱。缸氣作為截氣其流速為30m,m像  min。其他運行參數包括:沼氣工程進(jìn)樣口溫度(150℃),TCD  檢測器溫度(250℃),柱溫(150℃)。  酸化產(chǎn)物種類(lèi)和濃度(mmol·L):采用安捷  倫A7890氣相色譜儀對酸化產(chǎn)物中的揮發(fā)性有機  酸(乙醇、乙酸等)的進(jìn)行測定,毛細管柱為DB  FFAP(30m,0.53mm,L.D×1.0μm);使用FID檢  測器,進(jìn)樣器和檢測器溫度分別為230℃,230℃;柱  溫箱溫度為180℃;載氣為氮氣,柱流量恒定在  L·minl。采用島津高效液相色譜儀(LC-201  測定樣品中的乳酸,色譜柱為 Aminex HPX87H,300  7,8m,檢測器為UY檢測器(20m),采用的  流動(dòng)相為0.005mol·L稀硫酸。  微生物群落分析:采用 OMEGA土壤提取試劑  盒提取污泥基因組DNA,具體方法參照試劑盒說(shuō)明  書(shū);PCR擴增采用341f(5′ CCTACGGGNGGCWG  CAG-3)和805r(5′ GACTACHVGGGTATCTAATCC  3)引物;PCR結束后,PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖電泳  對DNA進(jìn)行回收;利用 Qubit2.0DNA檢測試劑盒  對回收的DNA精確定量,以方便按照1:1的等量混  合后測序;最后使用 Illumina MiSeq高通量測序平臺進(jìn)行基因測。  沼氣工程酸化率計算方法:總酸化產(chǎn)物(以COD計)占進(jìn)料TCO的百分比。

2結果與分析  2.1不同pH值對酸化產(chǎn)物組成的影響  8如不同pH值條件下的沼氣工程酸化產(chǎn)物分布與酸化率變  況如圖2-圖5所示。RO的酸化產(chǎn)物總量在  46-71.79mmol·L之間波動(dòng),明顯低于R1、R2  R3,說(shuō)明控制pH值能顯著(zhù)提高反應器酸化產(chǎn)物  量,這與張玉靜等人的研究結果一致。對比  R1、R2、R3的酸化產(chǎn)物情況可知,R2的酸化產(chǎn)物總  量最高,基本穩定在204.47mmol·L左右,其酸  化率高達97.4%,明顯高于R1(最高酸化率為

和R3(最高酸化率79.35%),這說(shuō)明,相比于pH值為4.0和6.0,pH值控制為5.0時(shí)有助于提高反應器酸化效率和酸化產(chǎn)物總量。從圖5還可以看出,pH值為6.0時(shí)酸化產(chǎn)物波動(dòng)較大,反應器穩定性較差。

就酸化產(chǎn)物分布情況而言(見(jiàn)圖2),不控制pH值的R0以乙醇為主,其含量高達91.23%;當pH值為4.0(見(jiàn)圖3)時(shí),反應器酸化產(chǎn)物以乙醇和乳酸

為主,其中,乙醇占比在12.41-75.86%之間,乳  占比高達75.3%。這與前期沼氣工程研究中的pH值為4.0  時(shí)果蔬垃圾酸化產(chǎn)物分布情況比較類(lèi)似。pH值  為5.0(見(jiàn)圖4)時(shí),反應器主要以乙醇、乳酸和乙酸  為主,3者占比之和高達93.83%,且較pH值為6.0(見(jiàn)圖5)時(shí)酸化產(chǎn)物組分占比更平穩,乙醇和乳酸的占比波動(dòng)較大,分別為2.04-46.0%和1.5836.67%,可能是由于乙醇和乳酸容易轉化成乙酸的緣故。pH值為6.0(見(jiàn)圖5)時(shí),酸化產(chǎn)物分布波動(dòng)較大,在反應器運行前期有丙酸和正丁酸出現;之后正丁酸的占比逐漸降低,而丙酸占比隨之增加;且此時(shí)的酸化產(chǎn)物種類(lèi)最豐富。前期文獻研究表明3,21-2),相比于乙醇和乳酸,丙酸在熱力學(xué)上具有難降解性,容易造成厭氧反應器內酸積累,對微生  物活性產(chǎn)生抑制,進(jìn)而對反應器運行效率產(chǎn)生不利  影響。因此,上述研究結果表明,當pH值為5.0(見(jiàn)  圖4)時(shí),不僅反應器酸化率最高,而且酸化產(chǎn)物以  相對易降解的乙醇、乳酸和乙酸為主,有望作為沼氣工程兩相  厭氧消化工藝中酸化相的優(yōu)選條件。

2.2不同pH值對沼氣工程產(chǎn)氣特性的影響  在沼氣工程實(shí)驗穩定期間,4個(gè)反應器產(chǎn)氣速率差別不  大,平均值分別為224.7mL·d-,218.4mL·d-1,  262.2mL·d-1和227.7mL·d-1,其中,R2產(chǎn)氣速  率最高,與此條件下最高的酸化率基本吻合。圖6  和圖7給出了氣體中氫氣和甲烷組分的變化情況。  反應器運行初期,4個(gè)反應器均有少量氫氣產(chǎn)生。  然而,僅R2一直有極少量氫氣的產(chǎn)生,其含量約為0.84(±0.19)%,關(guān)于氫氣產(chǎn)生的具體原因,有待進(jìn)一步實(shí)驗分析和研究。值得注意的是,在R3中能檢測到較高含量的甲烷(0~30%),這說(shuō)明在pH值為6的條件下,產(chǎn)甲烷古菌的活性很難得到完全抑制。

2.3微生物群落分析

圖8給出了沼氣工程實(shí)驗結束后各反應器污泥樣品屬水平細菌的相對豐度分布情況。接種原泥中屬水平微生物種類(lèi)豐富,相對豐度<5%的細菌一共占58.09%,相對豐度較大的僅有 Levitina(13.83%)和 Ornatilinea(6.5%)。與接種污泥相比,RO(pH值在3.21~3.62之間波動(dòng))和R1(pH值4.0)的屬水平微生物優(yōu)勢菌群較為單一, Lactobacillus為優(yōu)勢菌屬,相對豐度分別為86.4%和93.48%。原泥中

Lactobacillus的相對豐度僅為0.03%,這說(shuō)明在不  制pH值和pH值控制為4.0的條件下形成了穩?  的以產(chǎn)乳酸菌群為主的菌群結構(2-2x。

圖8屬水平細菌相對豐度分布

從圖8還可以看出,pH值為5.0(R2)和6.0  (R3)時(shí)沼氣工程反應器污泥中優(yōu)勢菌群種類(lèi)明顯增多,主24 Lactobacillus, Prevotella, Bifidobacterium, Clostridium sensu stricto, Clostridium /V, Sporolactobacillus. JI中, Pseudomonas Fll Bifidobacterium為常見(jiàn)的碳水化合物水解酸化細菌23; Clostridium sensu stricto和Clostridium /1等梭狀芽孢桿菌屬,同樣具有水解產(chǎn)  酸代謝功能,但同時(shí)還具有產(chǎn)芽孢和耐酸的特性(23); Sporolactobacillus是除 lactobacillus外具有乳酸特性2-2的菌屬,在R2和R3中的相對豐分別為1141%和2.03%,與這兩種pH值條件下產(chǎn)乳酸的情況相符。此外,在R3(pH值為6.0)中還檢測到大量的 Petrimonas菌屬,它主要存在于弱性條件下2。上述研究結果表明,不同pH值對酸  化細菌具有明顯的選擇調控作用,且優(yōu)勢菌群分布情況與酸化產(chǎn)物特征基本一致。

3結論

通過(guò)考察并比較了不同pH值條件下有機(葡萄糖)厭氧酸化特性和作用微生物群落結構,得到以下主要沼氣工程結論

(1)pH值為5.0時(shí),反應器酸化率最高,且酸化產(chǎn)物以相對容易降解的乙醇、乳酸和乙酸為主,有利于兩相厭氧消化工藝的長(cháng)期穩定運行,可作為酸化相的優(yōu)選條件。

2)在不同pH值條件下,接種污泥的細菌群結構發(fā)生了明顯變化隨著(zhù)pH值的升高,優(yōu)勢菌  種類(lèi)增多;pH值為5.0時(shí)形成了以 lactobacill  (8.9%), Prevotella( 32. 0%1), Bifidobacterium( 22.49).Cm2.3%)和Somi.14%)為  的細菌群落結構主要參與葡萄糖的水解和產(chǎn)乳酸  醇等過(guò)程。

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