盐度和油脂对餐厨垃圾和剩余污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的影响与机理

发布时间：2020-08-12 00:35

【摘要】：随着经济和城镇化进程的不断加速,我国每年产生大量的餐厨垃圾和剩余污泥,餐厨垃圾具有有机质含量高,高盐高油脂且易腐败变质滋生病毒的特点。剩余污泥作为污水处理过程副产物同样具有高有机质但同时存在大量的病原体等有毒有害物质。若餐厨垃圾和剩余污泥得不到有效地处理与处置会造成资源浪费和环境二次污染。厌氧发酵以集污染治理和能源回收的独特优势而成为餐厨垃圾和剩余污泥处理和资源化利用的首先策略。短链脂肪酸(SCFA)是有机物厌氧发酵代谢过程的中间产物,其可以作为优质碳源应用于污水厂生物脱氮除磷,微生物燃料电池产电,及生产生物塑料。餐厨垃圾单一厌氧发酵常因C/N失衡,抗冲击负荷能力低等原因导致能源回收率及污染物去除不理想。餐厨垃圾与剩余污泥厌氧共发酵能平衡C/N,稀释有毒有害物质,协同微生物群落从而提高厌氧发酵体系的稳定性及效能。餐厨垃圾中含有的盐度和油脂必然影响后续资源化利用。尽管之前研究已报到盐度或油脂对餐厨垃圾厌氧消化的影响,但是之前研究多集中于产气阶段,而对餐厨垃圾单一发酵产酸及餐厨垃圾和剩余污泥共发酵产酸的影响报道较少,并且相应的机理尚不明确。因此,本论文在序批式厌氧反应器中分析了不同质量浓度盐度和油脂作用下餐厨垃圾和剩余污泥厌氧发酵SCFA,溶解性有机物,水解,酸化和甲烷化过程中关键酶活性及微生物群落结构的变化确立了盐度和油脂对餐厨垃圾和剩余污泥厌氧共发酵生产SCFA的影响并揭示了相关机理。首先,以餐厨垃圾为单一消化底物,在中温条件下,设置不同盐度梯度考察了盐度对甲烷,SCFA产量,有机物裂解,水解,酸化和甲烷化模拟基物降解,及关键酶活性的影响。结果显示餐厨垃圾中NaCl存在不仅影响甲烷的产量同时还影响最佳消化时间。当NaCl的质量浓度由0增加至15.0 g/L时,甲烷的最大积累量由253.3 mL/g(以单位VSS计)下降至22.7 mL/g,最佳消化时间由23 d延长至27 d。NaCl有助于提高餐厨垃圾中碳水化合物和蛋白质的溶出,当NaCl的质量浓度由2.0 g/L提高至15.0 g/L时,溶解性碳水化合物和蛋白质的最大含量分别由8596 mg/L和2156 mg/L提高至12054 mg/L和3124 mg/L。NaCl能够促进餐厨垃圾水解过程,然而低于5.0 g/L NaCl有助于酸化过程,而高于5.0 g/L NaCl却抑制酸化过程。NaCl存在能够抑制产甲烷化过程。在相同的NaCl质量浓度作用下,相较于餐厨垃圾单一消化,餐厨垃圾和剩余污泥共消化能够提高甲烷产量。此外研究发现餐厨垃圾和剩余污泥厌氧共发酵能减缓NaCl的抑制作用。其次,餐厨垃圾和剩余污泥共发酵能提高系统的稳定性和效能,因此研究者以餐厨垃圾和剩余污泥为研究对象,在中温环境下探究了盐度对餐厨垃圾和剩余污泥厌氧共发酵产SCFA的影响并揭示了相关机理。结果表明NaCl对SCFA产生的影响具有剂量依赖性。随着NaCl质量浓度从0增加到8.0 g/L,SCFA产量从367.6 mg/g增加到638.5 mg/g。然而,NaCl的进一步增加抑制SCFA的产生。机理研究表明,NaCl的存在不仅加速了餐厨垃圾中可溶性物质的释放,并加速剩余污泥中胞外聚合物(EPS)和细胞壁/膜的裂解,而且促进了从发酵系统释放的蛋白质的生物转化。低水平的NaCl增强了水解和酸化过程,但是抑制了甲烷生成过程,而酸化和甲烷生成过程均被高质量浓度NaCl严重抑制。再者,油脂也是餐厨垃圾中存在的物质,研究者以餐厨垃圾为单一发酵基质,在中温环境下设置不同含量的油脂探究了油脂对餐厨垃圾单一厌氧发酵生产SCFA的影响并揭示了相关机理。结果表明当油脂含量由0增加至4.0 g/L时,SCFA的最大产量由32.7 g/L增加至38.5 g/L,当油脂含量继续增加至8.0 g/L,16.0 g/L和32.0 g/L时,SCFA的最大产量却下降至26.5 g/L,21.6 g/L和19.8 g/L。此外高浓度油脂延长SCFA产生的最佳发酵时间。油脂自身降解会产生SCFA,但其贡献量不大,高浓度油脂存在对餐厨垃圾厌氧发酵生产SCFA具有抑制作用,并且油脂含量越高,SCFA的抑制程度越明显。油脂浓度对溶解性COD(SCOD)的最大值影响不明显,在本研究油脂应用范围内(0~32.0 g/L),SCOD的最大值均在89.4~91.5 g/L。油脂含量为32.0 g/L时,油脂存在延长了SCOD达到最大值时所需时间。低浓度油脂促进餐厨垃圾水解和酸化过程,但抑制产甲烷化,而高浓度油脂抑制水解,酸化和产甲烷化。随后,研究者探究了油脂含量对餐厨垃圾和剩余污泥厌氧发酵生产SCFA的影响及相关机理。当油脂含量为4.0 g/L时,油脂能够促进SCFA的积累,并且缩短最佳发酵时间,然而当油脂含量为8.0,16.0和32.0 g/L时,SCFA的产量均低于空白组,并且最佳发酵时间均出现不同程度延滞。油脂含量对餐厨垃圾和剩余污泥共发酵SCOD的量影响不大,但是高浓度油脂能够延长SCOD达到最大值所需的时间。4.0 g/L油脂有助于水解和酸化过程。当油脂含量进一步提高至32.0 g/L时,水解和酸化过程受到严重抑制。不论油脂含量多少均对产甲烷化产生严重抑制作用。此外,油脂厌氧降解过程中产生的棕榈酸对水解酸化和甲烷化抑制作用最强烈。低浓度油脂促进水解和酸化过程中关键酶的活性,并且提高Bacteroidetes和Firmicutes的相对百分含量至35.9%和39.2%,属级别微生物群落显示低浓度油脂提高了Bacteroides,Clostridium和Bacillus和Proteiniborus的相对丰度,并分别为19.5%,21.3%,10.3%和9.4%。最后,研究者探究了盐度和油脂联合作用对餐厨垃圾和剩余污泥共发酵生产SCFA的影响。在低盐低油反应器中,SCFA的最大值为651.2 mg/g,显著高于低盐组519.6 mg/g和低油组421.3 mg/g,低盐低油存在有助于餐厨垃圾和剩余污泥厌氧共发酵积累SCFA。低盐低油组中,甲烷的最大产量为271.5 mL/g,较空白组下降约13.9%。在低盐中油组,甲烷最大产量为235.6 mL/g,较空白组下降约25.3%。在低盐高油组,甲烷最大积累量为185.6 mL/g,较空组下降约41.2%。盐度和油脂联合对餐厨垃圾和剩余污泥溶解性的影响主要依赖于盐度。当盐度含量较高时,混合发酵系统中溶解性有机物释放量较大,而当盐度较小时,混合发酵系统中有机物释放量较小。低盐低油组促进了PO_4~(3-)-P和NH_4~+-N释放,而高盐高油抑制PO_4~(3-)-P和NH_4~+-N的释放,并且低盐低油对水解和酸化酶具有促进作用,而高盐高油抑制水解和酸化酶的活性。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X70
【图文】：

过程图,厌氧发酵,酸化,有机物

图 1.1 有机物厌氧发酵水解和酸化过程简图[32]Fig.1.1 Schematic diagram of the hydrolysis and acidification of organic matter in anaerobifermentation餐厨垃圾厌氧发酵生产 SCFA 的产量主要水解速率，酸化速率及产甲烷速率主要方面。因此国内外学者针对提高餐厨垃圾厌氧发酵生产 SCFA 的研究主中于：1）预处理提高水解速率，主要通过预处理手段强化有机物溶解；2）酸化过程的影响因素，主要通过调控 pH，温度，水力停留等条件强化酸化过3）抑制甲烷产量，主要通过条件改变抑制产甲烷菌的活性从而减少 SCFA 的[34,35]。1）预处理提高水解速率：餐厨垃圾中可利用的有机物多为固态颗粒状形式存因此采取相应的预处理手段强化餐厨垃圾厌氧水解速率具有重要意义。目前餐厨垃圾厌氧水解的预处理技术手段主要包括化学试剂，热处理，超声，微[35,36]。Elbeshbish 等[37]利用酸对餐厨垃圾在 4℃条件下预处理 24 h（pH3）后 SCOD 的含量增加约 28%。Jiang 等[38]采用利用超声预处理（20 kHz，能量

实验装置图,厌氧反应器,反应器

注：±表示三次测定的误差2.2.2 盐度对餐厨垃圾厌氧消化的影响本实验在 5 个相同的厌氧反应器中进行，厌氧反应器的有效体积为先 4.5 L 餐厨垃圾被平均分配到 5 个厌氧反应器中，然后向各反应器接接种污泥。最后向各反应器中投加一定量 NaCl 并控制 NaCl 在反应器中0，2.0，5.0，10.0 和 15.0 g/L。各反应器中的 pH 通过投加 4.0 M HCl维持在 7.0±0.2，因为中性环境有助于产甲烷菌活性[116,117]。最后向反应纯度氮气 60 s 以排净氧气保证厌氧环境，密封后放置于转速为 120 r（35±1℃）空气摇床进行 30 d 消化实验。消化瓶上方配有进料口，出料口，甲烷气体采用排水法测定。图 2.1 为厌氧发酵实验装置简图。总多糖 1420 ± 80 mg COD/L 128.5 ± 5.2 g COD/L 65.8 ± 3.4SCFA 21.2 ± 0.3mg COD/L 102.2 ± 5.6 g COD/L 58.9 ± 2.7 C/N 7.2/1 28.6/1 22.

餐厨垃圾,厌氧消化,产甲烷,溶解性

图 2.2 NaCl 对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响2 Effect of NaCl on methane production from anaerobic digestion of food对餐厨垃圾水解和酸化过程影响和甲烷化过程影响厌氧消化过程包含裂解，水解，酸化和甲烷化四个连续的生化主要成分为碳水化合物和蛋白质（表 2.1），且它们多以非溶餐厨垃圾中碳水化合物和蛋白质首先要溶解成溶解态才能被后生物所吸收和代谢转化。图 2.3 为 NaCl 对餐厨垃圾厌氧消化过合物和溶解性蛋白质含量的影响。由图 2.3 可知，所有反应器物和溶解性蛋白质的含量均随消化时间呈现先增加后下降的趋中最大溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质的含量分别为 7890 溶解性有机物含量升高主要是由于水解细菌产生水解酶促进有机物含量下降主要是被产甲烷菌所利用。然而当 NaCl 投加至后，溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质的最大含量显著提高。

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