有机废水选择性厌氧产酸发酵过程的调控与产物回收新技术

发布时间：2020-06-12 19:38

【摘要】：很多工业和农业的生产过程会产生有机废水,其中含有丰富的可再生资源和能源。两步厌氧生物转化是实现有机废水资源化处理的有效途径。在此过程中,废水中复杂的有机物被转化成相对简单的挥发性脂肪酸(VFAs)。这些VFAs能被直接回收或进一步原位利用转化成高价值产品,但VFAs的纯度和浓度往往较低,制约了其回收转化。因此,如何实现高效、选择性产酸是急需解决的一个关键挑战。本论文报道了一种通过用pH调控有机废水厌氧发酵过程实现连续的、高选择性产乙酸的简便方法。在酸性pH(5.0)条件下,液相产物中乙酸达到66%,气体产品中富含CH4(41%),未检测到H2。微生物群落分析显示,在低pH条件下,Clostridium、Bacteroides产酸菌和嗜氢产甲烷菌是主要的微生物种群。H2的快速消耗显著降低了氢分压,从而有利于产乙酸。因此,本工作证实了通过简单的pH调控能实现高选择性同时产乙酸和CH4。为了回收厌氧系统中产生的VFAs,我们设计了一套厌氧反应器-电渗析(ED)耦合系统。该装置能浓缩和原位回收厌氧反应器产的VFAs。当给系统施加20.0 V电压时,在运行528小时后乙酸被浓缩了 4倍,丙酸和丁酸也能够被浓缩超过3倍,显示了很高的回收效率和运行稳定性。该工作为有机废水的资源化提供了新的思路。虽然短链VFAs是一种有用的工业原料,但由于价值较低限制了这种资源化途径的实际应用。几年来,研究者尝试将VFAs通过链延长进一步发酵生成更高价值的产品,但该过程的机理和影响因素尚未明晰。在本工作中,我们采用厌氧膜生物反应器(AnMBR)来富集产己酸微生物,并研究了相关的影响因素。结果显示,当利用乙酸和乙醇作为底物产己酸时,产己酸菌是富集的主要微生物。接下来的小瓶实验证明,气相产物的成分能显著影响产己酸过程。其中,CH4对产己酸没有影响,CO2能够促进链延长过程产己酸,而H2会完全抑制链延长过程。但当H2与CO2共存时,H2能被嗜氢产甲烷菌消耗从而减轻对链延长过程的抑制,并减少乙醇氧化。这些工作为有机废水定向产酸和资源化利用新技术的开发奠定了基础。
【图文】：

逦第１章文献综述逦逡逑复杂有机物的厌氧消化通常分为四个阶段：水解、发酵、产乙酸和产ＣＨ４逡逑（Ａｎｇｅｎｅｎｔｅｔａｌ．２００４）。第一步，是复杂有机聚合物（多糖、蛋白和脂质）水解成逡逑溶解性的单体物质（单糖、氨基酸和脂肪酸）。然后这些简单的单体物质被发酵逡逑成低分子量的脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸）和乙醇、Ｈ２还有ｃｏ２。产乙酸微生物逡逑会把低分子量的脂肪酸再转化成乙酸和Ｈ２ｄ乙酸也能通过同型产乙酸过程利用逡逑Ｈ２和Ｃ０２产生。最后，乙酸型产甲烷菌把乙酸转化成ＣＨ４。同时Ｈ２和ｃｏ２被嗜逡逑氢产甲烷菌转化成ＣＨ４。逡逑

（ｉｖ）邋Ｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｅｓｉｓ逡逑ＣＨ４邋＋邋ｃｏ２逡逑图１．１复杂有机物的厌氧消化（Ａｎｇｅｎｅｎｔ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００４）逡逑两步厌氧消化通过分离酸化阶段和产ＣＨ４阶段，，使发酵性能得到优化（Ｗａｎｇ逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

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本文编号：2710012