餐廚垃圾厭氧消化過程失穩(wěn)的動力學特征及微生物機理研究.pdf

1、為揭示消化過程失穩(wěn)的源頭和關鍵環(huán)節(jié)；辨析對消化過程穩(wěn)定性具有決定作用的功能微生物；尋找對消化過程失穩(wěn)具有指示特征的微生物預警因子，本研究以超負荷失穩(wěn)和氨抑制失穩(wěn)為研究對象，在實驗室規(guī)模的餐廚垃圾厭氧消化反應器中開展可控的擾動實驗，結合理化分析、微生物活性檢測和高通量測序等技術手段，研究了過程失穩(wěn)的動力學特征和微生物機理。結果表明：
　?、傥勰嘭摵桑唇臃N比，Substrate-Inoculums Ratio，S/I）比容積負荷（O

2、rganic Loading Rate，OLR）更適于作為負荷界定參數，S/I大于2 g VS·gVSS-1時，反應器即面臨超負荷的風險；但氨氮和微生物濃度的比（Total Ammonia-Biomass Concentration Ratio，TAN/BC）不適合用作厭氧消化反應器內的氨抑制界定參數，氨氮濃度本身才是決定抑制程度大小的主要因素；
　?、诔摵上到y(tǒng)中，水解和產甲烷速率常數（k和Rmax′）隨OLR、BC及S/I的增

3、加都呈現非單調變化趨勢，從 k和 Rmax′的數值變化上無法直接判斷厭氧消化反應器的運行狀態(tài)，但k/Rmax′與反應器運行效率呈負相關，高效運行的反應器k/Rmax′應維持在1.69~3.44（p=0.05）；增加負荷對水解階段的削弱作用小于產甲烷階段，因此會增加k/Rmax′，導致產酸和耗酸失衡，反應器失穩(wěn)；反之，提高接種物濃度，可以更加有效的促進產甲烷階段，從而緩解這種失衡，對保證反應器的過程穩(wěn)定具有重要意義；
　　③氨抑制系

4、統(tǒng)中，k、Rmax以及 k/Rmax′都不能很好的指示反應器運行狀態(tài)。中、低TAN下，TAN對k和Rmax的抑制程度相當，k/Rmax′保持恒定，此時反應器內無中間代謝產物積累，但呈現反應時間延長，甲烷產率下降的“抑制型穩(wěn)態(tài)”現象；而高氨氮下 TAN對產甲烷階段的抑制程度比水解階段更重，k/Rmax′急劇上升，產酸和耗酸失衡，因此反應器呈現中間代謝產物急劇積累，運行效率劇下降的氨中毒現象；
　?、艹摵蓪嶒炛校€(wěn)定運行階段反應器具

5、有高的產甲烷活性，且甲烷鬃菌主導，乙酸營養(yǎng)型和氫營養(yǎng)型產甲烷菌共存，水解、酸化和產氫產乙酸菌各類微生物平衡發(fā)展。高負荷下產酸的柔膜菌門和放線菌門微生物急劇繁殖，造成高揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFA）產率，這是系統(tǒng)失穩(wěn)的第一個原因。高VFA產率誘導酸氧化菌大量生長，導致系統(tǒng)H2增加；而相應的氫型產甲烷菌豐度和活性均下降，造成 H2消耗速率下降，這種細菌和古菌之間代謝功能的不匹配是系統(tǒng)失穩(wěn)的第二個原因。此外，抑

6、制物積累直接降低了乙酸產甲烷活性；且引起主導氫型甲烷菌從甲烷螺菌轉為甲烷囊菌，間接降低了氫型產甲烷活性，這是系統(tǒng)失穩(wěn)的第三大誘因；
　　⑤氨抑制實驗中，穩(wěn)定運行狀態(tài)下，反應器中同樣具有均衡的微生物群落結構。TAN增加的過程中，產甲烷鬃菌因高度的TAN敏感性而逐漸消失，導致乙酸代謝成為了反應器內的限速步驟，這是系統(tǒng)失穩(wěn)的最初原因；乙酸積累影響上游脂肪酸的轉化，進而誘發(fā)丙酸積累，這是系統(tǒng)失穩(wěn)的第二階段；高酸濃度引起保護性的放線菌屬豐度

7、下降，從而破壞了微生物聚集體，使反應器的優(yōu)勢微生物僅剩下產酸或耐酸的水解和酸化微生物。保護性微生物豐度下降及產氫產乙酸菌的缺失，打破了串聯有序的厭氧消化過程，是氨抑制厭氧消化反應器失穩(wěn)的根本原因；
　?、薷爬ǖ奈⑸锷鷳B(tài)學參數不適用于指示厭氧消化反應器的過程穩(wěn)定性，健康、平衡、有效的微生物群應具備怎樣的生態(tài)學特征依然存在爭議；但放線菌屬及產氫產乙酸類微生物的豐度與過程穩(wěn)定性相關，且具有理論支撐，可作為反應器內潛在的生物預警因子。<