畜禽粪便APBR反应器功能菌群结构对温度分化的响应

发布时间：2020-08-10 10:11

【摘要】：在畜禽粪便巨大的环境污染可能性以及化石能源危机的双重压力下,使用畜禽粪便发酵产沼气是一种环保、清洁的新能源生产过程,沼气的主要成分是甲烷,其燃烧热值可以达到6000-7000kcal/m3,接近天然气。产生的沼气经过压缩提纯后,甲烷含量可以达到97%,完全可以代替天然气供应给居民、工业以及车辆使用,且在燃烧过程中释放的温室气体量最少,所以使用发酵产沼气是一种可再生的、清洁与高效并存的产能方式,不仅能缓解资源短缺与环境危机,还具有较高的经济价值、社会价值、生态效益以及环境效益。本文为研究畜禽粪便厌氧发酵产沼气时,固定床厌氧反应器(Anaerobic packed bed reactor, APBR)中的微生物特征和对温度变化的响应情况,进行了以下试验：1)牛粪和猪粪连续交替时的APBR运行效果；2) APBR在升温和降温过程中的运行效果；3)高中低温条件下APBR的负荷承载响应情况；4)温度变化前后以及负载响应时的微生物菌群结构变化。牛粪和猪粪连续交替时的APBR运行效果表明,使用猪粪进行厌氧发酵产甲烷,比使用牛粪发酵时具有更高的运行效率,日产气量较大,抗负荷缓冲能力强,体系稳定速度快,能高效、成功地启动发酵罐；但pH值波动范围大,罐体易于酸化,而交替成使用牛粪发酵后,OLR增大到6kg· COD/(m3.d),也没有发生酸化现象,表明牛粪发酵时,各APBR能承受较高的负荷。 APBR在升温和降温过程中的运行效果表明,温度变化的过程中,温度越高的APBR具有越高的COD去除率和日总产气量；不同温度条件下,各罐都具有较高的产甲烷含量,约为65%；高温罐COD去除率最高达到60%,累积产甲烷量为316.6L,是中温罐的1.30倍,低温罐的1.56倍。进行温度的阶梯式变化时,微生物菌群处于扰动的环境中,产甲烷菌的活性受到抑制,不能及时地分解利用所有的VFAs,从而造成少量VFAs的积累。高中低温条件下APBR的负荷承载响应情况表明,在负荷承载响应过程中,各罐的产甲烷含量都稳定在60%左右,但温度越高的APBR罐具有越高的日产气量和COD去除率；高温罐累积甲烷产量为中温罐的1.36倍,低温罐的1.81倍。对比中温、低温和高温APBR罐,温度恒定后,增大OLR至6kg· COD/(m3.d), VFAs并不会累积增加,反而会被消耗以产生更多的甲烷,表明在整个发酵过程中,温度是影响各罐发酵效率的关键性因素,且温度越高的罐运行效率越高。温度分化前后以及负载响应时的微生物结构变化表明,起始点污泥(O点)中,既有广古菌门中的常见重要产甲烷菌MBT(甲烷杆菌目)、Mst(甲烷鬃菌科)、Msc(甲烷八叠球菌科)和MMB(甲烷微菌目),以及嗜热菌,也有少部分泉古生菌门,细菌的优势OTUs为梭菌属(Clostridium)、绿弯菌门(Chloroflexi)、变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes),这为后续各罐的温度提升和下降提供了理论上的可行性；各罐中,嗜乙酸产甲烷的甲烷鬃毛菌Mst为各罐的优势菌,能较好地在低温和中温环境中繁殖,但在高温环境中迅速衰亡,MST有助于促进颗粒污泥的形成,有效地提高APBR反应器的发酵效率,增大负荷后,各罐的Mst菌群结构也能基本维持稳定；MMB与丙酸的平均浓度存在着正相关的关系,温度分化时,MMB能在中温条件下进行大量的繁殖,负荷增加时,低温和中温环境能促进反应体系的嗜氢产甲烷路径,而此时的高温环境会抑制MMB的生长；温度越低的罐中Msc的数量越多,且中温条件下增大一定的负荷有助于促进Msc的生长繁殖；低温条件下,细菌能更好地生长,古菌比细菌更能耐受高温环境。以上结果表明,常温罐可以通过阶梯式的温度提升与下降方法,培养得到发酵体系中的嗜高温菌和嗜低温菌。并且中温和低温发酵罐可以通过提高厌氧发酵的温度和进料负荷来获取更多的产甲烷量。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X713;S216.4

【参考文献】