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厭氧發(fā)酵是沼氣工程中的關(guān)鍵過(guò)程，今天為大家分享一篇關(guān)于些過(guò)程的行業(yè)論文
本文轉(zhuǎn)自《中國(guó)沼氣》2018第1期，作者吳娟娟 徐恒 Nasir Ali 苑泉 黃博 于彩虹 王凱軍
果蔬和餐廚垃圾是我國(guó)城市生活垃圾的重要組 成部分,其有效處理處置仍面臨巨大挑戰(zhàn)。由于它們的含水率高、有機(jī)質(zhì)含量高且易降解,相比于衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥等技術(shù),沼氣工程厭氧消化技術(shù)因具有更加顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和能源效益而得到廣泛應(yīng) 用-。在沼氣工程應(yīng)用中,一般采用單相全混流 反應(yīng)器(CSTR)處理這類易降解固體物料。此外,考慮到物料水解酸化過(guò)程非常迅速,通常設(shè)計(jì)采用較 長(zhǎng)的停留時(shí)間(30d左右)和較低的有機(jī)負(fù)荷(低于 3gs·Ld-1),以避免沼氣工程厭氧反應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)酸化和 持穩(wěn)定的污泥產(chǎn)甲烷活性。為提高厭氧處理過(guò)程 的效率和穩(wěn)定性,目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多關(guān)注兩相厭 氧消化技術(shù)工藝的研發(fā)3°。根據(jù)水解酸化和產(chǎn)甲 烷微生物的生理生態(tài)特性差異,在空間上將傳統(tǒng)單 厭氧反應(yīng)器分為產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相兩個(gè)反應(yīng)器, 以維持各自最佳性能2=8。然而,通過(guò)分析現(xiàn)有文 獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果可知,單相和兩相厭氧工藝效果的優(yōu)劣 尚存在較大爭(zhēng)議12。這可能主要由于在不同物 料組分、接種物等條件下產(chǎn)酸相的酸化產(chǎn)物類型存 波動(dòng),從面影響兩相工藝整體效果。因此,有必要 對(duì)酸化產(chǎn)物分布特征進(jìn)行考察,以便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的 定向調(diào)控和產(chǎn)酸相過(guò)程優(yōu)化 前期研究表明,在諸多環(huán)境因子中,pH 值
對(duì)酸化產(chǎn)物分布和產(chǎn)量具有重要影響,且容易在實(shí) 際操作中進(jìn)行調(diào)控。同時(shí),考慮到碳水化合物是果 蔬和餐廚垃圾的重要組分之一,因此,筆者研究擬以 純物質(zhì)葡萄糖為原料,在pH值分別控制為4.0,5.0 和6.0條件下,考察酸化產(chǎn)物分布情況,并與不控制 pH值的對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比。此外,與其他短周期的間
歇式產(chǎn)酸沼氣工程實(shí)驗(yàn)研究方法不同3,筆者擬在半連續(xù)
長(zhǎng)期運(yùn)行條件下開展沼氣工程酸化產(chǎn)物分布特征研究,同時(shí)
輔以污泥沉淀操作,以期獲得穩(wěn)定的產(chǎn)酸微生物群
落,最后對(duì)不同酸化產(chǎn)物分布下的優(yōu)勢(shì)菌群特征進(jìn)
行分析與比較。筆者研究結(jié)果有望為后續(xù)果蔬和餐
廚垃圾產(chǎn)酸調(diào)控和沼氣工程兩相厭氧消化工藝高效穩(wěn)定運(yùn)行
提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1接種污泥
原污泥取自北京市某污水處理廠的污泥厭氧消化池,其VSS為16.74g·L1,Vs/TS為0.538,接種污泥VSs為8g·L
1.2實(shí)驗(yàn)裝置與方法
如圖1所示,沼氣工程實(shí)驗(yàn)采用的反應(yīng)器有效容積為1 L,HRT設(shè)為4d,并借助pH值控制系統(tǒng)對(duì)其ph值 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控。實(shí)驗(yàn)設(shè)置4套反應(yīng)裝置(分 別命名為R0,R1,R2和R3),其中R0為對(duì)照組,其 pH值不作控制,R1,R2和R3的pH值分別控制在 4.0,5.0和6.0左右。所有反應(yīng)器放置在35℃恒
溫室內(nèi)磁力攪拌器上(轉(zhuǎn)速280mm)。實(shí)驗(yàn)基質(zhì)為 葡萄糖溶液(由厭氧培養(yǎng)液配制而成,葡萄糖濃 度為20g·1)。為富集穩(wěn)定的產(chǎn)酸微生物群落,2 出料前反應(yīng)器靜置30min。實(shí)驗(yàn)期間定期取樣 反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)氣和酸化產(chǎn)物特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)產(chǎn)2微生物的群落進(jìn)行分析
和總量化4
圖1沼氣工程實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
1.3分析與計(jì)算方法 沼氣工程產(chǎn)氣特性分析:氣體產(chǎn)量(mL)由氣袋法測(cè)量 采用安捷倫A7890氣相色譜儀對(duì)氣體組分(H CH4等)進(jìn)行測(cè)定,采用的氣相色譜儀配備有4.6m 3.2mm不銹鋼 Carboxen-100060/80目)填充 柱。缸氣作為截氣其流速為30m,m像 min。其他運(yùn)行參數(shù)包括:沼氣工程進(jìn)樣口溫度(150℃),TCD 檢測(cè)器溫度(250℃),柱溫(150℃)。 酸化產(chǎn)物種類和濃度(mmol·L):采用安捷 倫A7890氣相色譜儀對(duì)酸化產(chǎn)物中的揮發(fā)性有機(jī) 酸(乙醇、乙酸等)的進(jìn)行測(cè)定,毛細(xì)管柱為DB FFAP(30m,0.53mm,L.D×1.0μm);使用FID檢 測(cè)器,進(jìn)樣器和檢測(cè)器溫度分別為230℃,230℃;柱 溫箱溫度為180℃;載氣為氮?dú)?柱流量恒定在 L·minl。采用島津高效液相色譜儀(LC-201 測(cè)定樣品中的乳酸,色譜柱為 Aminex HPX87H,300 7,8m,檢測(cè)器為UY檢測(cè)器(20m),采用的 流動(dòng)相為0.005mol·L稀硫酸。 微生物群落分析:采用 OMEGA土壤提取試劑 盒提取污泥基因組DNA,具體方法參照試劑盒說(shuō)明 書;PCR擴(kuò)增采用341f(5′ CCTACGGGNGGCWG CAG-3)和805r(5′ GACTACHVGGGTATCTAATCC 3)引物;PCR結(jié)束后,PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖電泳 對(duì)DNA進(jìn)行回收;利用 Qubit2.0DNA檢測(cè)試劑盒 對(duì)回收的DNA精確定量,以方便按照1:1的等量混 合后測(cè)序;最后使用 Illumina MiSeq高通量測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行基因測(cè)。 沼氣工程酸化率計(jì)算方法:總酸化產(chǎn)物(以COD計(jì))占進(jìn)料TCO的百分比。
2結(jié)果與分析 2.1不同pH值對(duì)酸化產(chǎn)物組成的影響 8如不同pH值條件下的沼氣工程酸化產(chǎn)物分布與酸化率變 況如圖2-圖5所示。RO的酸化產(chǎn)物總量在 46-71.79mmol·L之間波動(dòng),明顯低于R1、R2 R3,說(shuō)明控制pH值能顯著提高反應(yīng)器酸化產(chǎn)物 量,這與張玉靜等人的研究結(jié)果一致。對(duì)比 R1、R2、R3的酸化產(chǎn)物情況可知,R2的酸化產(chǎn)物總 量最高,基本穩(wěn)定在204.47mmol·L左右,其酸 化率高達(dá)97.4%,明顯高于R1(最高酸化率為
和R3(最高酸化率79.35%),這說(shuō)明,相比于pH值為4.0和6.0,pH值控制為5.0時(shí)有助于提高反應(yīng)器酸化效率和酸化產(chǎn)物總量。從圖5還可以看出,pH值為6.0時(shí)酸化產(chǎn)物波動(dòng)較大,反應(yīng)器穩(wěn)定性較差。
就酸化產(chǎn)物分布情況而言(見圖2),不控制pH值的R0以乙醇為主,其含量高達(dá)91.23%;當(dāng)pH值為4.0(見圖3)時(shí),反應(yīng)器酸化產(chǎn)物以乙醇和乳酸
為主,其中,乙醇占比在12.41-75.86%之間,乳 占比高達(dá)75.3%。這與前期沼氣工程研究中的pH值為4.0 時(shí)果蔬垃圾酸化產(chǎn)物分布情況比較類似。pH值 為5.0(見圖4)時(shí),反應(yīng)器主要以乙醇、乳酸和乙酸 為主,3者占比之和高達(dá)93.83%,且較pH值為6.0(見圖5)時(shí)酸化產(chǎn)物組分占比更平穩(wěn),乙醇和乳酸的占比波動(dòng)較大,分別為2.04-46.0%和1.5836.67%,可能是由于乙醇和乳酸容易轉(zhuǎn)化成乙酸的緣故。pH值為6.0(見圖5)時(shí),酸化產(chǎn)物分布波動(dòng)較大,在反應(yīng)器運(yùn)行前期有丙酸和正丁酸出現(xiàn);之后正丁酸的占比逐漸降低,而丙酸占比隨之增加;且此時(shí)的酸化產(chǎn)物種類最豐富。前期文獻(xiàn)研究表明3,21-2),相比于乙醇和乳酸,丙酸在熱力學(xué)上具有難降解性,容易造成厭氧反應(yīng)器內(nèi)酸積累,對(duì)微生 物活性產(chǎn)生抑制,進(jìn)而對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行效率產(chǎn)生不利 影響。因此,上述研究結(jié)果表明,當(dāng)pH值為5.0(見 圖4)時(shí),不僅反應(yīng)器酸化率最高,而且酸化產(chǎn)物以 相對(duì)易降解的乙醇、乳酸和乙酸為主,有望作為沼氣工程兩相 厭氧消化工藝中酸化相的優(yōu)選條件。
2.2不同pH值對(duì)沼氣工程產(chǎn)氣特性的影響 在沼氣工程實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定期間,4個(gè)反應(yīng)器產(chǎn)氣速率差別不 大,平均值分別為224.7mL·d-,218.4mL·d-1, 262.2mL·d-1和227.7mL·d-1,其中,R2產(chǎn)氣速 率最高,與此條件下最高的酸化率基本吻合。圖6 和圖7給出了氣體中氫氣和甲烷組分的變化情況。 反應(yīng)器運(yùn)行初期,4個(gè)反應(yīng)器均有少量氫氣產(chǎn)生。 然而,僅R2一直有極少量氫氣的產(chǎn)生,其含量約為0.84(±0.19)%,關(guān)于氫氣產(chǎn)生的具體原因,有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析和研究。值得注意的是,在R3中能檢測(cè)到較高含量的甲烷(0~30%),這說(shuō)明在pH值為6的條件下,產(chǎn)甲烷古菌的活性很難得到完全抑制。
2.3微生物群落分析
圖8給出了沼氣工程實(shí)驗(yàn)結(jié)束后各反應(yīng)器污泥樣品屬水平細(xì)菌的相對(duì)豐度分布情況。接種原泥中屬水平微生物種類豐富,相對(duì)豐度<5%的細(xì)菌一共占58.09%,相對(duì)豐度較大的僅有 Levitina(13.83%)和 Ornatilinea(6.5%)。與接種污泥相比,RO(pH值在3.21~3.62之間波動(dòng))和R1(pH值4.0)的屬水平微生物優(yōu)勢(shì)菌群較為單一, Lactobacillus為優(yōu)勢(shì)菌屬,相對(duì)豐度分別為86.4%和93.48%。原泥中
Lactobacillus的相對(duì)豐度僅為0.03%,這說(shuō)明在不 制pH值和pH值控制為4.0的條件下形成了穩(wěn)? 的以產(chǎn)乳酸菌群為主的菌群結(jié)構(gòu)(2-2x。
圖8屬水平細(xì)菌相對(duì)豐度分布
從圖8還可以看出,pH值為5.0(R2)和6.0 (R3)時(shí)沼氣工程反應(yīng)器污泥中優(yōu)勢(shì)菌群種類明顯增多,主24 Lactobacillus, Prevotella, Bifidobacterium, Clostridium sensu stricto, Clostridium /V, Sporolactobacillus. JI中, Pseudomonas Fll Bifidobacterium為常見的碳水化合物水解酸化細(xì)菌23; Clostridium sensu stricto和Clostridium /1等梭狀芽孢桿菌屬,同樣具有水解產(chǎn) 酸代謝功能,但同時(shí)還具有產(chǎn)芽孢和耐酸的特性(23); Sporolactobacillus是除 lactobacillus外具有乳酸特性2-2的菌屬,在R2和R3中的相對(duì)豐分別為1141%和2.03%,與這兩種pH值條件下產(chǎn)乳酸的情況相符。此外,在R3(pH值為6.0)中還檢測(cè)到大量的 Petrimonas菌屬,它主要存在于弱性條件下2。上述研究結(jié)果表明,不同pH值對(duì)酸 化細(xì)菌具有明顯的選擇調(diào)控作用,且優(yōu)勢(shì)菌群分布情況與酸化產(chǎn)物特征基本一致。
3結(jié)論
通過(guò)考察并比較了不同pH值條件下有機(jī)(葡萄糖)厭氧酸化特性和作用微生物群落結(jié)構(gòu),得到以下主要沼氣工程結(jié)論
(1)pH值為5.0時(shí),反應(yīng)器酸化率最高,且酸化產(chǎn)物以相對(duì)容易降解的乙醇、乳酸和乙酸為主,有利于兩相厭氧消化工藝的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,可作為酸化相的優(yōu)選條件。
2)在不同pH值條件下,接種污泥的細(xì)菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化隨著pH值的升高,優(yōu)勢(shì)菌 種類增多;pH值為5.0時(shí)形成了以 lactobacill (8.9%), Prevotella( 32. 0%1), Bifidobacterium( 22.49).Cm2.3%)和Somi.14%)為 的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)主要參與葡萄糖的水解和產(chǎn)乳酸 醇等過(guò)程。
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