纤维素类固体废弃物厌氧消化条件优化及酸抑制机理探究
发布时间：2020-11-14 05:12
厌氧消化作为一种成熟的生物质转化技术可以有效地将纤维素类固体废弃物转化为生物甲烷。然而厌氧消化资源化效率及挥发性脂肪酸的累积一直是研究人员的研究热点。在此背景下,本研究首先采用批次实验以废弃纸箱为基质通过优化温度、粒径、碳氮比(C/N)、食微比(F/M)及总固体含量(TS)等消化过程相关影响因素,及投加生物炭的方式以提高纸箱厌氧消化效率。然后采用完全混合式反应器(CSTR)进行长周期高负荷运转实验,投加Fe、Co、Ni微量元素,探究其对挥发性脂肪酸(VFA)生成转化及厌氧消化性能的具体影响,并分析有机酸积累对微生物产生的抑制效应。同时运用高通量测序及宏基因组技术对酸抑制前后微生物样品进行基因组信息检测,对水解、酸化、乙酸化和产甲烷化的关键酶活相关编码基因进行全面分析,判断酸抑制前后厌氧消化代谢路径变化情况。最在给定的酸抑制环境下,考察不同抑制条件下厌氧污泥胞外聚合物(EPS)组分及各类ATP酶活的变化情况。本研究主要结论如下:1.在温度为35℃、纸箱粒径为2-5 mm、F/M在0.5-2范围时取得纸箱最佳消化效果。当TS为30%,C/N比为60时由于氨抑制而引起产甲烷下降;当TS为10%,C/N为400时会由于氮元素不足而导致微生物活性降低。适量生物炭的添加有利于促进微生物的协同活动,富集可能参与种间电子传递的菌种(Syntrophomonas,Bacteroidetes,Methanosaeta)S,显著提高了纸箱消化中的最大产甲烷速率(Kmax),与未添加生物炭的实验组相比,Kmax提高了 1.41倍,从而达到了纸箱高效消化的目的。2.在纤维素长期单独厌氧消化过程中,有机进料负荷提升至7.36 gCOD/L/d时导致微生物水解效率较低,单位基质产甲烷量仅为48mL/gCOD/d。在添加铁、鈷、镍微量元素短期内缓解了高有机负荷引起的甲烷产量下降的趋势。但随着消化的持续运行,微量元素的添加提高了水解酸化菌活性,导致水解酸化速率远大于产甲烷速率,造成VFA的累积消化酸败。在酸抑制前后微生物群落均以Methanosaeta为优势微生物分别占比为31.4%和32.1%。受酸抑制的影响在门水平上耐受性微生物Firmicutes、Acinobacteria和Thermotogae得到富集成为优势菌种。在属水平上Clostridioides表现出了极强的耐酸性,其相对丰度从抑制前1.3%增加到抑制后的16.5%。3.基于KEGG数据库分析酸抑制前后代谢路径的变化情况。受酸抑制的影响2-磷酸丙酰、磷酸丁酰酯和乙酰磷酸酯作为前体物向丙酸、丁酸、乙酸转化过程中的编码基因含量分别下降了 60.8%、79.4%和35.0%。在抑制前后样品中均以乙酸营养型和氢营养型产甲烷菌代谢路径为主。在反应器稳定运行样品中产甲烷菌代谢路径相关编码基因含量远高于抑制后样品的含量。4.在高浓度VFA环境下厌氧微生物会分泌更多的EPS来抵御VFA所造成的抑制,特别是蛋白质含量的增加。而H+-K+、Ca2+-Mg2、、Na+-K+ATP酶活性随pH的变化而呈不同的变化趋势,由此引发胞内K+和Ca2+的富集以维持胞内外渗透压平衡。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X705
【部分图文】：
引起低效率的沼气生产提供理论依据，通过提高厌氧处理有??机废物的效率对纤维素类固体废弃物在实际厌氧消化应用中高效稳定运行具有重??要意义。??１．３．２研究内容及技术路线图??ＶＦＡ抑制机理探宄??１????！?—?＼?￣１???纸箱最佳消化效果?ｉ长周期高负荷下ＶＦＡ的累积｜厌氧微生物对ＶＦＡ抵御机制??Ｉ??１?１??优化消化环境因素?投加生物炭?代谢路径变化?ＡＴＰ薅活变化???１???１??１?１??高效资源化技术??图１．１技术路线图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?Ｒｏａｄｍａｐ??本研宄以纸箱纤维素类废弃物作为反应基质，优化厌氧消化过程中各项影响??因素，并开展长期实验探宄厌氧消化过程中出现的酸抑制具体作用机制，主要包括：??１．纸箱单独消化条件的优化??１）以快递纸箱作为基质探讨了粒径、Ｆ／Ｍ、ＴＳ、Ｃ／Ｎ和温度因素对纸箱厌氧??消化效能的影响；２）生物炭对纸箱单独消化的促进效应。??２．以完全混合式反应器［２２］为反应体系探宄在高有机进料负荷运转情况下，??Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ微量元素对ＶＦＡ生成转化及消化性能的具体影响。??３．?ＶＦＡ抑制后微生物代谢路径的变化。选取长周期运转实验中ＶＦＡ抑制前??后样品进行宏基因组学分析，探明ＶＦＡ抑制后代谢途径的差异。??４．模拟ＶＦＡ抑制环境，探究ＶＦＡ产生抑制的阈值，测定质子泵相关跨膜蛋??白酶的活性。在一定程度上揭示厌氧微生物对ＶＦＡ抵御机制。??７??
?山东大学硕士学位论文???２．２实验方法??２．２．１指标的测定??ＴＳ、ＶＳ、ＣＯＤ、氨氮等指标根据标准方法测定［气ｐＨ使用ｐＨ计测定。ＶＦＡ??通过配备有ＵＶ检测器的高效液相色谱Ｓｈｉｍａｄｚｕ?ＬＣ－２０３０检测分析。沼气总产量??通过玻璃注射器测得，并转化为标准情况下气体含量。甲烷和二氧化碳组分通过饱??和的ＮａＯＨ溶液吸收测得。Ｈ＋－Ｋ＋ＡＴＰ酶活力及Ｃａ２＋、Ｍｇ２＇?Ｋ＋的含量使用南京??建成试剂盒测定；Ｃａｈ－Ｍｇ２＇?Ｎａ＋－Ｋ＋ＡＴＰ酶活力使用索莱宝试剂盒测定。胞外多??糖采用ＤＮＳ法进行测定，胞外聚合物（ＥＰＳ）中的胞外蛋白使用ＢＣＡ试剂盒测得。??Ｆ－４６００分光光度计（ＨｉｔａｃｈＵａｐａｎ?）用来获取消化液中溶解态有机质（ＤＯＭ?）??的荧光强度随激发波长（Ｅｘ）和发射波长（Ｅｍ）变化的关系谱图。发射波长从２００??到５５０ｎｍ，激发波长从２００到５００ｎｍ，其中间隔为５?ｎｍ。使用超纯水作来消除基??底效应。依据Ｗ?Ｃｈｅｎ?ｅｔ?ａｌ．?［２４］和Ｆ?Ｄｏｎｇ?ｅｔ?ａｌ．［２５］将ＥＥＭ划分为六个区域如图２．１??所示，包括Ｃ１：酪氨酸类物质；Ｃ２：色氨酸类物质；Ｃ３：?ＳＭＰ类物质，Ｃ４：类富??里酸物质；Ｃ５：类腐殖质物质；Ｃ６：可反映氢营养型产甲烷菌类Ｆ４２Ｃ物质。??２００?３００??２００?２５０?３００?３５０?４００?４５０?５００?５５０??Ｅｍ?（ｎｍ）??图２．１溶解型有机质三维荧光光谱??Ｆｉｇ．?２．１?３Ｄ－ＥＥＭ?ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ?ｓｐｅｃｔｒａ?ｏｆ?ＤＯＭ??１０??
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【参考文献】
本文编号：2883122
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X705
【部分图文】：
引起低效率的沼气生产提供理论依据，通过提高厌氧处理有??机废物的效率对纤维素类固体废弃物在实际厌氧消化应用中高效稳定运行具有重??要意义。??１．３．２研究内容及技术路线图??ＶＦＡ抑制机理探宄??１????！?—?＼?￣１???纸箱最佳消化效果?ｉ长周期高负荷下ＶＦＡ的累积｜厌氧微生物对ＶＦＡ抵御机制??Ｉ??１?１??优化消化环境因素?投加生物炭?代谢路径变化?ＡＴＰ薅活变化???１???１??１?１??高效资源化技术??图１．１技术路线图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?Ｒｏａｄｍａｐ??本研宄以纸箱纤维素类废弃物作为反应基质，优化厌氧消化过程中各项影响??因素，并开展长期实验探宄厌氧消化过程中出现的酸抑制具体作用机制，主要包括：??１．纸箱单独消化条件的优化??１）以快递纸箱作为基质探讨了粒径、Ｆ／Ｍ、ＴＳ、Ｃ／Ｎ和温度因素对纸箱厌氧??消化效能的影响；２）生物炭对纸箱单独消化的促进效应。??２．以完全混合式反应器［２２］为反应体系探宄在高有机进料负荷运转情况下，??Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ微量元素对ＶＦＡ生成转化及消化性能的具体影响。??３．?ＶＦＡ抑制后微生物代谢路径的变化。选取长周期运转实验中ＶＦＡ抑制前??后样品进行宏基因组学分析，探明ＶＦＡ抑制后代谢途径的差异。??４．模拟ＶＦＡ抑制环境，探究ＶＦＡ产生抑制的阈值，测定质子泵相关跨膜蛋??白酶的活性。在一定程度上揭示厌氧微生物对ＶＦＡ抵御机制。??７??
?山东大学硕士学位论文???２．２实验方法??２．２．１指标的测定??ＴＳ、ＶＳ、ＣＯＤ、氨氮等指标根据标准方法测定［气ｐＨ使用ｐＨ计测定。ＶＦＡ??通过配备有ＵＶ检测器的高效液相色谱Ｓｈｉｍａｄｚｕ?ＬＣ－２０３０检测分析。沼气总产量??通过玻璃注射器测得，并转化为标准情况下气体含量。甲烷和二氧化碳组分通过饱??和的ＮａＯＨ溶液吸收测得。Ｈ＋－Ｋ＋ＡＴＰ酶活力及Ｃａ２＋、Ｍｇ２＇?Ｋ＋的含量使用南京??建成试剂盒测定；Ｃａｈ－Ｍｇ２＇?Ｎａ＋－Ｋ＋ＡＴＰ酶活力使用索莱宝试剂盒测定。胞外多??糖采用ＤＮＳ法进行测定，胞外聚合物（ＥＰＳ）中的胞外蛋白使用ＢＣＡ试剂盒测得。??Ｆ－４６００分光光度计（ＨｉｔａｃｈＵａｐａｎ?）用来获取消化液中溶解态有机质（ＤＯＭ?）??的荧光强度随激发波长（Ｅｘ）和发射波长（Ｅｍ）变化的关系谱图。发射波长从２００??到５５０ｎｍ，激发波长从２００到５００ｎｍ，其中间隔为５?ｎｍ。使用超纯水作来消除基??底效应。依据Ｗ?Ｃｈｅｎ?ｅｔ?ａｌ．?［２４］和Ｆ?Ｄｏｎｇ?ｅｔ?ａｌ．［２５］将ＥＥＭ划分为六个区域如图２．１??所示，包括Ｃ１：酪氨酸类物质；Ｃ２：色氨酸类物质；Ｃ３：?ＳＭＰ类物质，Ｃ４：类富??里酸物质；Ｃ５：类腐殖质物质；Ｃ６：可反映氢营养型产甲烷菌类Ｆ４２Ｃ物质。??２００?３００??２００?２５０?３００?３５０?４００?４５０?５００?５５０??Ｅｍ?（ｎｍ）??图２．１溶解型有机质三维荧光光谱??Ｆｉｇ．?２．１?３Ｄ－ＥＥＭ?ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ?ｓｐｅｃｔｒａ?ｏｆ?ＤＯＭ??１０??
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【参考文献】
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本文编号：2883122
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