丙酸产甲烷菌系驯化及对餐厨垃圾厌氧发酵强化作用研究

发布时间：2020-11-09 02:44

　　 餐厨垃圾在我国生产量巨大,其高含水率、高有机物含量与易腐性决定了餐厨垃圾既是城市中的严重污染源,也是一种具有广阔前景的生物质资源。采用厌氧发酵产甲烷工艺处理餐厨垃圾可以实现其无害化与资源化处理,然而在餐厨垃圾厌氧发酵工程中,常存在酸抑制的问题,导致发酵浓度提升困难,产气效率低等问题,限制了厌氧发酵工程的进一步推广与应用。本文通过以丙酸为唯一碳源,驯化富集利用丙酸的丙酸产甲烷菌系,同时对其微氧处理优化微生物群落,并分析其内部的微生物群落,通过宏基因组手段比较功能基因的丰度,了解生物强化菌剂的内部特征。然后针对餐厨垃圾厌氧发酵中酸抑制的问题进行生物强化。并通过动力学分丙酸产甲烷菌系的投加对餐厨垃圾批式厌氧发酵的影响,及采用宏基因组学分析半连续餐厨垃圾发酵在阶梯式提高有机负荷中的效能与微生物群落的变化规律。论文主要结果如下:(1)以丙酸为碳源进行半连续发醇,恒定丙酸的进料浓度,可获得高效的丙酸产甲烷菌系,通过微氧处理的丙酸产甲烷菌系,在适应期表现出了更好的效果,在稳定期与未特殊处理的反应器表现相似。每克VS产甲烷量均在440 ml到450 ml之间。R1,R2反应器中丙酸产甲烷菌菌群中Syntrophobacter,Smithella,Mesotoga,Thermovirg均为反应器中优势菌种。其中Syntrophobacter与Mesotoga在R1中相对丰度较高,Smithella与Thermovirg在R2中相对丰度较高。功能基因分析结果显示,丙酸产甲烷体系的细菌基因在R1中10.01%参与膜运输,8.79%参与碳化合物代谢,8.95%参与氨基酸代谢,6.57%参与能量代谢。R2中8.75%参与膜运输,8.91%参与碳水化合物代谢,8.75%参与氨基酸代谢,6.65%参与能量代谢,并推测R2中细菌生长更稳定。?(2)通过向不同浓度餐厨垃圾批式厌氧发酵系统中投加丙酸产甲烷菌系。1gVS餐厨垃圾添加0,0.5,1 gVS与3gVs餐厨垃圾添加0,0.5,1 gVS菌剂的各处理组的最终累积甲烷产量分别为426.7、377.6、362.2、338.5、372.2和319.45 ml/gVS_(added)。1gVS餐厨垃圾的甲烷累积产量在1gVS菌剂添加的状态下最高。3 gVS餐厨垃圾的甲烷累积产量在0.5 gVS菌剂添加的状态下最高。这表明添加适量的生物强化菌剂有效增加了丙酸利用率,提高了厌氧反应器的甲烷产量。通过修正的Gompertz方程的拟合实验结果表明相对于其他方式添加0.5 gVS菌剂的反应器可以取得系统的最大产甲烷速率,同时实验表明投加的菌剂越多餐厨垃圾批式厌氧发酵的延滞期越短。(3)通过向半连续餐厨垃圾厌氧发酵系统中投加丙酸产甲烷菌剂,分析对比了反应器之间的最大承载负荷与产气性能。未添加丙酸产甲烷菌剂的对照组最大承载负荷为1.5 gVS/L/d。添加微氧处理的丙酸产甲烷菌剂的实验组能承载有机负荷3 gVS/L/d,且反应器内部较为稳定,可继续提高有机负荷。添加未曾微氧处理丙酸产甲烷菌剂的实验组最大承载负荷为2.5 gVS/L/d。通过三组反应器中沼液与菌剂微生物属水平上的相似性比较,表明添加丙酸产甲烷菌剂可以改变反应器内部的种群结构,增加了利用丙酸产甲烷菌的丰度,提升了反应器内部利用丙酸的能力。
【学位单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X799;S216.4
【文章目录】：
摘要
英文摘要
1 引言
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究动态
        1.2.1 餐厨垃圾资源化处理技术
        1.2.2 厌氧发酵技术的基本原理
        1.2.3 生物强化技术在厌氧发酵工艺中的应用
        1.2.4 厌氧发酵酸抑制作用机理
        1.2.5 生物强化应对酸抑制中的应用
    1.3 研究内容的提出及依据
        1.3.1 丙酸产甲烷过程生物强化的提出依据
        1.3.2 生物强化菌剂采用丙酸产甲烷的提出依据
        1.3.3 优化高浓度丙酸产甲烷菌群的依据
        1.3.4 宏基因组技术分析微生物群落的依据
        1.3.5 厌氧过程动力学模型分析代谢效率的依据
    1.4 研究目的、内容及技术路线
        1.4.1 研究目的
        1.4.2 研究内容
        1.4.3 技术路线
2 丙酸产甲烷菌系的富集与群落结构优化及微生物分析
    2.1 材料与方法
        2.1.1 接种物与营养液
        2.1.2 实验装置与实验设计
        2.1.3 测试指标及方法
        2.1.4 宏基因组分析测定方法
    2.2 丙酸产甲烷菌群的发酵性能
    2.3 丙酸产甲烷菌系的群落解析
        2.3.1 细菌的分类鉴定
        2.3.2 微生物网络关系
    2.4 丙酸产甲烷菌剂中微生物基因功能分析
    2.5 本章小结
3 丙酸产甲烷菌系的添加对餐厨垃圾批式厌氧消化的影响
    3.1 材料与方法
        3.1.1 接种物及原料
        3.1.2 实验装置与设计
        3.1.3 测试指标及方法
        3.1.4 数据分析
    3.2 餐厨垃圾的理论产甲烷量分析
    3.3 丙酸产甲烷菌系对餐厨垃圾批式厌氧消化甲烷产量的影响
    3.4 丙酸产甲烷菌剂对可溶性COD浓度的影响
    3.5 丙酸产甲烷菌剂对餐厨垃圾批式厌氧消化过程动力学参数的影响
    3.6 本章小结
4 丙酸产甲烷菌剂的添加对餐厨垃圾厌氧消化过程运行稳定性的影响
    4.1 材料与方法
        4.1.1 实验原料及特性
        4.1.2 实验设置
        4.1.3 实验设计
        4.1.4 测试指标及方法
    4.2 丙酸产甲烷菌对厌氧消化系统发酵性能的影响
        4.2.1 丙酸产甲烷菌剂对厌氧发酵系统最大承载负荷及气体产量的影响
        4.2.2 丙酸产甲烷菌剂对餐厨垃圾厌氧消化过程稳定性的影响
    4.3 厌氧细菌及古菌菌群结构与菌剂的相似性分析
    4.4 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
致谢
参考文献
附录
攻读硕士学位期间发表的学术论文

【参考文献】

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本文编号：2875758