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厭氧發(fā)酵是沼氣工程中的關鍵過程，今天為大家分享一篇關于些過程的行業(yè)論文
本文轉自《中國沼氣》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、有機質含量高且易降解,相比于衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥等技術,沼氣工程厭氧消化技術因具有更加顯著的經濟、環(huán)保和能源效益而得到廣泛應 用-。在沼氣工程應用中,一般采用單相全混流 反應器(CSTR)處理這類易降解固體物料。此外,考慮到物料水解酸化過程非常迅速,通常設計采用較 長的停留時間(30d左右)和較低的有機負荷(低于 3gs·Ld-1),以避免沼氣工程厭氧反應系統出現酸化和 持穩(wěn)定的污泥產甲烷活性。為提高厭氧處理過程 的效率和穩(wěn)定性,目前,國內外學者大多關注兩相厭 氧消化技術工藝的研發(fā)3°。根據水解酸化和產甲 烷微生物的生理生態(tài)特性差異,在空間上將傳統單 厭氧反應器分為產酸相和產甲烷相兩個反應器, 以維持各自最佳性能2=8。然而,通過分析現有文 獻報道結果可知,單相和兩相厭氧工藝效果的優(yōu)劣 尚存在較大爭議12。這可能主要由于在不同物 料組分、接種物等條件下產酸相的酸化產物類型存 波動,從面影響兩相工藝整體效果。因此,有必要 對酸化產物分布特征進行考察,以便于實現產物的 定向調控和產酸相過程優(yōu)化 前期研究表明,在諸多環(huán)境因子中,pH 值
對酸化產物分布和產量具有重要影響,且容易在實 際操作中進行調控。同時,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,考察酸化產物分布情況,并與不控制 pH值的對照組進行對比。此外,與其他短周期的間
歇式產酸沼氣工程實驗研究方法不同3,筆者擬在半連續(xù)
長期運行條件下開展沼氣工程酸化產物分布特征研究,同時
輔以污泥沉淀操作,以期獲得穩(wěn)定的產酸微生物群
落,最后對不同酸化產物分布下的優(yōu)勢菌群特征進
行分析與比較。筆者研究結果有望為后續(xù)果蔬和餐
廚垃圾產酸調控和沼氣工程兩相厭氧消化工藝高效穩(wěn)定運行
提供理論依據。
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實驗裝置與方法
如圖1所示,沼氣工程實驗采用的反應器有效容積為1 L,HRT設為4d,并借助pH值控制系統對其ph值 進行實時監(jiān)測與調控。實驗設置4套反應裝置(分 別命名為R0,R1,R2和R3),其中R0為對照組,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。所有反應器放置在35℃恒
溫室內磁力攪拌器上(轉速280mm)。實驗基質為 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)定的產酸微生物群落,2 出料前反應器靜置30min。實驗期間定期取樣 反應器內產氣和酸化產物特性,實驗結束后對產2微生物的群落進行分析
和總量化4
圖1沼氣工程實驗裝置示意圖
1.3分析與計算方法 沼氣工程產氣特性分析:氣體產量(mL)由氣袋法測量 采用安捷倫A7890氣相色譜儀對氣體組分(H CH4等)進行測定,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。其他運行參數包括:沼氣工程進樣口溫度(150℃),TCD 檢測器溫度(250℃),柱溫(150℃)。 酸化產物種類和濃度(mmol·L):采用安捷 倫A7890氣相色譜儀對酸化產物中的揮發(fā)性有機 酸(乙醇、乙酸等)的進行測定,毛細管柱為DB FFAP(30m,0.53mm,L.D×1.0μm);使用FID檢 測器,進樣器和檢測器溫度分別為230℃,230℃;柱 溫箱溫度為180℃;載氣為氮氣,柱流量恒定在 L·minl。采用島津高效液相色譜儀(LC-201 測定樣品中的乳酸,色譜柱為 Aminex HPX87H,300 7,8m,檢測器為UY檢測器(20m),采用的 流動相為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明 書;PCR擴增采用341f(5′ CCTACGGGNGGCWG CAG-3)和805r(5′ GACTACHVGGGTATCTAATCC 3)引物;PCR結束后,PCR產物進行瓊脂糖電泳 對DNA進行回收;利用 Qubit2.0DNA檢測試劑盒 對回收的DNA精確定量,以方便按照1:1的等量混 合后測序;最后使用 Illumina MiSeq高通量測序平臺進行基因測。 沼氣工程酸化率計算方法:總酸化產物(以COD計)占進料TCO的百分比。
2結果與分析 2.1不同pH值對酸化產物組成的影響 8如不同pH值條件下的沼氣工程酸化產物分布與酸化率變 況如圖2-圖5所示。RO的酸化產物總量在 46-71.79mmol·L之間波動,明顯低于R1、R2 R3,說明控制pH值能顯著提高反應器酸化產物 量,這與張玉靜等人的研究結果一致。對比 R1、R2、R3的酸化產物情況可知,R2的酸化產物總 量最高,基本穩(wěn)定在204.47mmol·L左右,其酸 化率高達97.4%,明顯高于R1(最高酸化率為
和R3(最高酸化率79.35%),這說明,相比于pH值為4.0和6.0,pH值控制為5.0時有助于提高反應器酸化效率和酸化產物總量。從圖5還可以看出,pH值為6.0時酸化產物波動較大,反應器穩(wěn)定性較差。
就酸化產物分布情況而言(見圖2),不控制pH值的R0以乙醇為主,其含量高達91.23%;當pH值為4.0(見圖3)時,反應器酸化產物以乙醇和乳酸
為主,其中,乙醇占比在12.41-75.86%之間,乳 占比高達75.3%。這與前期沼氣工程研究中的pH值為4.0 時果蔬垃圾酸化產物分布情況比較類似。pH值 為5.0(見圖4)時,反應器主要以乙醇、乳酸和乙酸 為主,3者占比之和高達93.83%,且較pH值為6.0(見圖5)時酸化產物組分占比更平穩(wěn),乙醇和乳酸的占比波動較大,分別為2.04-46.0%和1.5836.67%,可能是由于乙醇和乳酸容易轉化成乙酸的緣故。pH值為6.0(見圖5)時,酸化產物分布波動較大,在反應器運行前期有丙酸和正丁酸出現;之后正丁酸的占比逐漸降低,而丙酸占比隨之增加;且此時的酸化產物種類最豐富。前期文獻研究表明3,21-2),相比于乙醇和乳酸,丙酸在熱力學上具有難降解性,容易造成厭氧反應器內酸積累,對微生 物活性產生抑制,進而對反應器運行效率產生不利 影響。因此,上述研究結果表明,當pH值為5.0(見 圖4)時,不僅反應器酸化率最高,而且酸化產物以 相對易降解的乙醇、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值對沼氣工程產氣特性的影響 在沼氣工程實驗穩(wěn)定期間,4個反應器產氣速率差別不 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。 反應器運行初期,4個反應器均有少量氫氣產生。 然而,僅R2一直有極少量氫氣的產生,其含量約為0.84(±0.19)%,關于氫氣產生的具體原因,有待進一步實驗分析和研究。值得注意的是,在R3中能檢測到較高含量的甲烷(0~30%),這說明在pH值為6的條件下,產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給出了沼氣工程實驗結束后各反應器污泥樣品屬水平細菌的相對豐度分布情況。接種原泥中屬水平微生物種類豐富,相對豐度<5%的細菌一共占58.09%,相對豐度較大的僅有 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)和R1(pH值4.0)的屬水平微生物優(yōu)勢菌群較為單一, Lactobacillus為優(yōu)勢菌屬,相對豐度分別為86.4%和93.48%。原泥中
Lactobacillus的相對豐度僅為0.03%,這說明在不 制pH值和pH值控制為4.0的條件下形成了穩(wěn)? 的以產乳酸菌群為主的菌群結構(2-2x。
圖8屬水平細菌相對豐度分布
從圖8還可以看出,pH值為5.0(R2)和6.0 (R3)時沼氣工程反應器污泥中優(yōu)勢菌群種類明顯增多,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菌23; Clostridium sensu stricto和Clostridium /1等梭狀芽孢桿菌屬,同樣具有水解產 酸代謝功能,但同時還具有產芽孢和耐酸的特性(23); Sporolactobacillus是除 lactobacillus外具有乳酸特性2-2的菌屬,在R2和R3中的相對豐分別為1141%和2.03%,與這兩種pH值條件下產乳酸的情況相符。此外,在R3(pH值為6.0)中還檢測到大量的 Petrimonas菌屬,它主要存在于弱性條件下2。上述研究結果表明,不同pH值對酸 化細菌具有明顯的選擇調控作用,且優(yōu)勢菌群分布情況與酸化產物特征基本一致。
3結論
通過考察并比較了不同pH值條件下有機(葡萄糖)厭氧酸化特性和作用微生物群落結構,得到以下主要沼氣工程結論
(1)pH值為5.0時,反應器酸化率最高,且酸化產物以相對容易降解的乙醇、乳酸和乙酸為主,有利于兩相厭氧消化工藝的長期穩(wěn)定運行,可作為酸化相的優(yōu)選條件。
2)在不同pH值條件下,接種污泥的細菌群結構發(fā)生了明顯變化隨著pH值的升高,優(yōu)勢菌 種類增多;pH值為5.0時形成了以 lactobacill (8.9%), Prevotella( 32. 0%1), Bifidobacterium( 22.49).Cm2.3%)和Somi.14%)為 的細菌群落結構主要參與葡萄糖的水解和產乳酸 醇等過程。
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