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

本文轉(zhuǎn)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(zhàn)。由于它們的含水率高、有機質(zhì)含量高且易降解,相比于衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥等技術(shù),沼氣工程厭氧消化技術(shù)因具有更加顯著的經(jīng)濟、環(huán)保和能源效益而得到廣泛應(yīng)  用-。在沼氣工程應(yīng)用中,一般采用單相全混流  反應(yīng)器(CSTR)處理這類易降解固體物料。此外,考慮到物料水解酸化過程非常迅速,通常設(shè)計采用較  長的停留時間(30d左右)和較低的有機負(fù)荷(低于  3gs·Ld-1),以避免沼氣工程厭氧反應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)酸化和  持穩(wěn)定的污泥產(chǎn)甲烷活性。為提高厭氧處理過程  的效率和穩(wěn)定性,目前,國內(nèi)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(jù)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(tǒng)單  厭氧反應(yīng)器分為產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相兩個反應(yīng)器,  以維持各自最佳性能2=8。然而,通過分析現(xiàn)有文  獻(xiàn)報道結(jié)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)物類型存  波動,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,以便于實現(xiàn)產(chǎn)物的  定向調(diào)控和產(chǎn)酸相過程優(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  際操作中進(jìn)行調(diào)控。同時,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)酸沼氣工程實驗研究方法不同3,筆者擬在半連續(xù)

長期運行條件下開展沼氣工程酸化產(chǎn)物分布特征研究,同時

輔以污泥沉淀操作,以期獲得穩(wěn)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(jié)果有望為后續(xù)果蔬和餐

廚垃圾產(chǎn)酸調(diào)控和沼氣工程兩相厭氧消化工藝高效穩(wěn)定運行

提供理論依據(jù)。

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實驗裝置與方法

如圖1所示,沼氣工程實驗采用的反應(yīng)器有效容積為1  L,HRT設(shè)為4d,并借助pH值控制系統(tǒng)對其ph值  進(jìn)行實時監(jiān)測與調(diào)控。實驗設(shè)置4套反應(yīng)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(yīng)器放置在35℃恒

溫室內(nèi)磁力攪拌器上(轉(zhuǎn)速280mm)。實驗基質(zhì)為  葡萄糖溶液(由厭氧培養(yǎng)液配制而成,葡萄糖濃  度為20g·1)。為富集穩(wěn)定的產(chǎn)酸微生物群落,2  出料前反應(yīng)器靜置30min。實驗期間定期取樣  反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)氣和酸化產(chǎn)物特性,實驗結(jié)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(shù)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(xì)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明  書;PCR擴增采用341f(5′ CCTACGGGNGGCWG  CAG-3)和805r(5′ GACTACHVGGGTATCTAATCC  3)引物;PCR結(jié)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(jié)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,明顯低于R1、R2  R3,說明控制pH值能顯著提高反應(yīng)器酸化產(chǎn)物  量,這與張玉靜等人的研究結(jié)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(wěn)定在204.47mmol·L左右,其酸  化率高達(dá)97.4%,明顯高于R1(最高酸化率為

和R3(最高酸化率79.35%),這說明,相比于pH值為4.0和6.0,pH值控制為5.0時有助于提高反應(yīng)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時酸化產(chǎn)物波動較大,反應(yīng)器穩(wěn)定性較差。

就酸化產(chǎn)物分布情況而言(見圖2),不控制pH值的R0以乙醇為主,其含量高達(dá)91.23%;當(dāng)pH值為4.0(見圖3)時,反應(yīng)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(dá)75.3%。這與前期沼氣工程研究中的pH值為4.0  時果蔬垃圾酸化產(chǎn)物分布情況比較類似。pH值  為5.0(見圖4)時,反應(yīng)器主要以乙醇、乳酸和乙酸  為主,3者占比之和高達(dá)93.83%,且較pH值為6.0(見圖5)時酸化產(chǎn)物組分占比更平穩(wěn),乙醇和乳酸的占比波動較大,分別為2.04-46.0%和1.5836.67%,可能是由于乙醇和乳酸容易轉(zhuǎn)化成乙酸的緣故。pH值為6.0(見圖5)時,酸化產(chǎn)物分布波動較大,在反應(yīng)器運行前期有丙酸和正丁酸出現(xiàn);之后正丁酸的占比逐漸降低,而丙酸占比隨之增加;且此時的酸化產(chǎn)物種類最豐富。前期文獻(xiàn)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(yīng)器內(nèi)酸積累,對微生  物活性產(chǎn)生抑制,進(jìn)而對反應(yīng)器運行效率產(chǎn)生不利  影響。因此,上述研究結(jié)果表明,當(dāng)pH值為5.0(見  圖4)時,不僅反應(yīng)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  在沼氣工程實驗穩(wěn)定期間,4個反應(yīng)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(yīng)器運行初期,4個反應(yīng)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給出了沼氣工程實驗結(jié)束后各反應(yīng)器污泥樣品屬水平細(xì)菌的相對豐度分布情況。接種原泥中屬水平微生物種類豐富,相對豐度<5%的細(xì)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)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%,這說明在不  制pH值和pH值控制為4.0的條件下形成了穩(wěn)?  的以產(chǎn)乳酸菌群為主的菌群結(jié)構(gòu)(2-2x。

圖8屬水平細(xì)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)時沼氣工程反應(yīng)器污泥中優(yōu)勢菌群種類明顯增多,主24 Lactobacillus, Prevotella, Bifidobacterium, Clostridium sensu stricto, Clostridium /V, Sporolactobacillus. JI中, Pseudomonas Fll Bifidobacterium為常見的碳水化合物水解酸化細(xì)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(jié)果表明,不同pH值對酸  化細(xì)菌具有明顯的選擇調(diào)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(jié)論

通過考察并比較了不同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(jié)構(gòu),得到以下主要沼氣工程結(jié)論

(1)pH值為5.0時,反應(yīng)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期穩(wěn)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(xì)菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化隨著pH值的升高,優(yōu)勢菌  種類增多;pH值為5.0時形成了以 lactobacill  (8.9%), Prevotella( 32. 0%1), Bifidobacterium( 22.49).Cm2.3%)和Somi.14%)為  的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)主要參與葡萄糖的水解和產(chǎn)乳酸  醇等過程。

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