發(fā)布時間：2020-11-14 05:12

　　 厭氧消化作為一種成熟的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)可以有效地將纖維素類固體廢棄物轉(zhuǎn)化為生物甲烷。然而厭氧消化資源化效率及揮發(fā)性脂肪酸的累積一直是研究人員的研究熱點。在此背景下,本研究首先采用批次實驗以廢棄紙箱為基質(zhì)通過優(yōu)化溫度、粒徑、碳氮比(C/N)、食微比(F/M)及總固體含量(TS)等消化過程相關(guān)影響因素,及投加生物炭的方式以提高紙箱厭氧消化效率。然后采用完全混合式反應(yīng)器(CSTR)進行長周期高負荷運轉(zhuǎn)實驗,投加Fe、Co、Ni微量元素,探究其對揮發(fā)性脂肪酸(VFA)生成轉(zhuǎn)化及厭氧消化性能的具體影響,并分析有機酸積累對微生物產(chǎn)生的抑制效應(yīng)。同時運用高通量測序及宏基因組技術(shù)對酸抑制前后微生物樣品進行基因組信息檢測,對水解、酸化、乙酸化和產(chǎn)甲烷化的關(guān)鍵酶活相關(guān)編碼基因進行全面分析,判斷酸抑制前后厭氧消化代謝路徑變化情況。最在給定的酸抑制環(huán)境下,考察不同抑制條件下厭氧污泥胞外聚合物(EPS)組分及各類ATP酶活的變化情況。本研究主要結(jié)論如下:1.在溫度為35℃、紙箱粒徑為2-5 mm、F/M在0.5-2范圍時取得紙箱最佳消化效果。當TS為30%,C/N比為60時由于氨抑制而引起產(chǎn)甲烷下降;當TS為10%,C/N為400時會由于氮元素不足而導(dǎo)致微生物活性降低。適量生物炭的添加有利于促進微生物的協(xié)同活動,富集可能參與種間電子傳遞的菌種(Syntrophomonas,Bacteroidetes,Methanosaeta)S,顯著提高了紙箱消化中的最大產(chǎn)甲烷速率(Kmax),與未添加生物炭的實驗組相比,Kmax提高了 1.41倍,從而達到了紙箱高效消化的目的。2.在纖維素長期單獨厭氧消化過程中,有機進料負荷提升至7.36 gCOD/L/d時導(dǎo)致微生物水解效率較低,單位基質(zhì)產(chǎn)甲烷量僅為48mL/gCOD/d。在添加鐵、鈷、鎳微量元素短期內(nèi)緩解了高有機負荷引起的甲烷產(chǎn)量下降的趨勢。但隨著消化的持續(xù)運行,微量元素的添加提高了水解酸化菌活性,導(dǎo)致水解酸化速率遠大于產(chǎn)甲烷速率,造成VFA的累積消化酸敗。在酸抑制前后微生物群落均以Methanosaeta為優(yōu)勢微生物分別占比為31.4%和32.1%。受酸抑制的影響在門水平上耐受性微生物Firmicutes、Acinobacteria和Thermotogae得到富集成為優(yōu)勢菌種。在屬水平上Clostridioides表現(xiàn)出了極強的耐酸性,其相對豐度從抑制前1.3%增加到抑制后的16.5%。3.基于KEGG數(shù)據(jù)庫分析酸抑制前后代謝路徑的變化情況。受酸抑制的影響2-磷酸丙酰、磷酸丁酰酯和乙酰磷酸酯作為前體物向丙酸、丁酸、乙酸轉(zhuǎn)化過程中的編碼基因含量分別下降了 60.8%、79.4%和35.0%。在抑制前后樣品中均以乙酸營養(yǎng)型和氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌代謝路徑為主。在反應(yīng)器穩(wěn)定運行樣品中產(chǎn)甲烷菌代謝路徑相關(guān)編碼基因含量遠高于抑制后樣品的含量。4.在高濃度VFA環(huán)境下厭氧微生物會分泌更多的EPS來抵御VFA所造成的抑制,特別是蛋白質(zhì)含量的增加。而H+-K+、Ca2+-Mg2、、Na+-K+ATP酶活性隨pH的變化而呈不同的變化趨勢,由此引發(fā)胞內(nèi)K+和Ca2+的富集以維持胞內(nèi)外滲透壓平衡。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：X705
【部分圖文】：

引起低效率的沼氣生產(chǎn)提供理論依據(jù)，通過提高厭氧處理有??機廢物的效率對纖維素類固體廢棄物在實際厭氧消化應(yīng)用中高效穩(wěn)定運行具有重??要意義。??１．３．２研究內(nèi)容及技術(shù)路線圖??ＶＦＡ抑制機理探宄??１????！?—?＼?￣１???紙箱最佳消化效果?ｉ長周期高負荷下ＶＦＡ的累積｜厭氧微生物對ＶＦＡ抵御機制??Ｉ??１?１??優(yōu)化消化環(huán)境因素?投加生物炭?代謝路徑變化?ＡＴＰ薅活變化???１???１??１?１??高效資源化技術(shù)??圖１．１技術(shù)路線圖??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?Ｒｏａｄｍａｐ??本研宄以紙箱纖維素類廢棄物作為反應(yīng)基質(zhì)，優(yōu)化厭氧消化過程中各項影響??因素，并開展長期實驗探宄厭氧消化過程中出現(xiàn)的酸抑制具體作用機制，主要包括：??１．紙箱單獨消化條件的優(yōu)化??１）以快遞紙箱作為基質(zhì)探討了粒徑、Ｆ／Ｍ、ＴＳ、Ｃ／Ｎ和溫度因素對紙箱厭氧??消化效能的影響；２）生物炭對紙箱單獨消化的促進效應(yīng)。??２．以完全混合式反應(yīng)器［２２］為反應(yīng)體系探宄在高有機進料負荷運轉(zhuǎn)情況下，??Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ微量元素對ＶＦＡ生成轉(zhuǎn)化及消化性能的具體影響。??３．?ＶＦＡ抑制后微生物代謝路徑的變化。選取長周期運轉(zhuǎn)實驗中ＶＦＡ抑制前??后樣品進行宏基因組學(xué)分析，探明ＶＦＡ抑制后代謝途徑的差異。??４．模擬ＶＦＡ抑制環(huán)境，探究ＶＦＡ產(chǎn)生抑制的閾值，測定質(zhì)子泵相關(guān)跨膜蛋??白酶的活性。在一定程度上揭示厭氧微生物對ＶＦＡ抵御機制。??７??

?山東大學(xué)碩士學(xué)位論文???２．２實驗方法??２．２．１指標的測定??ＴＳ、ＶＳ、ＣＯＤ、氨氮等指標根據(jù)標準方法測定［氣ｐＨ使用ｐＨ計測定。ＶＦＡ??通過配備有ＵＶ檢測器的高效液相色譜Ｓｈｉｍａｄｚｕ?ＬＣ－２０３０檢測分析。沼氣總產(chǎn)量??通過玻璃注射器測得，并轉(zhuǎn)化為標準情況下氣體含量。甲烷和二氧化碳組分通過飽??和的ＮａＯＨ溶液吸收測得。Ｈ＋－Ｋ＋ＡＴＰ酶活力及Ｃａ２＋、Ｍｇ２＇?Ｋ＋的含量使用南京??建成試劑盒測定；Ｃａｈ－Ｍｇ２＇?Ｎａ＋－Ｋ＋ＡＴＰ酶活力使用索萊寶試劑盒測定。胞外多??糖采用ＤＮＳ法進行測定，胞外聚合物（ＥＰＳ）中的胞外蛋白使用ＢＣＡ試劑盒測得。??Ｆ－４６００分光光度計（ＨｉｔａｃｈＵａｐａｎ?）用來獲取消化液中溶解態(tài)有機質(zhì)（ＤＯＭ?）??的熒光強度隨激發(fā)波長（Ｅｘ）和發(fā)射波長（Ｅｍ）變化的關(guān)系譜圖。發(fā)射波長從２００??到５５０ｎｍ，激發(fā)波長從２００到５００ｎｍ，其中間隔為５?ｎｍ。使用超純水作來消除基??底效應(yīng)。依據(jù)Ｗ?Ｃｈｅｎ?ｅｔ?ａｌ．?［２４］和Ｆ?Ｄｏｎｇ?ｅｔ?ａｌ．［２５］將ＥＥＭ劃分為六個區(qū)域如圖２．１??所示，包括Ｃ１：酪氨酸類物質(zhì)；Ｃ２：色氨酸類物質(zhì)；Ｃ３：?ＳＭＰ類物質(zhì)，Ｃ４：類富??里酸物質(zhì)；Ｃ５：類腐殖質(zhì)物質(zhì)；Ｃ６：可反映氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌類Ｆ４２Ｃ物質(zhì)。??２００?３００??２００?２５０?３００?３５０?４００?４５０?５００?５５０??Ｅｍ?（ｎｍ）??圖２．１溶解型有機質(zhì)三維熒光光譜??Ｆｉｇ．?２．１?３Ｄ－ＥＥＭ?ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ?ｓｐｅｃｔｒａ?ｏｆ?ＤＯＭ??１０??

?山東大學(xué)碩士學(xué)位論文???３．３結(jié)果分析??３．３．１不同Ｆ／Ｍ下紙箱的產(chǎn)氣效能??｜４〇〇．?１１：?Ｉ?■?§３〇〇：?Ｉ?ｉ：?ｊ?＇??ｔ３００＇?＾?３：?ｆ２００－?＾?３：?■??Ｓ２００－?■?？１５０－?＇??°〇?１００?２００?３００?４００?Ｓ?°０?１００?２００?３００?４００??Ｔｉｍｅ（ｈ）?Ｔｉｍｅ（ｈ）??圖３．１不同Ｆ／Ｍ下紙箱的產(chǎn)氣性能??Ｆｉｇ．?３．１?Ｂｉｏｇａｓ?ａｎｄ?ｂｉｏｍｅｔｈａｎｅ?ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?ｏｆ?ｃａｒｄｂｏａｒｄ?ａｔ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?Ｆ／Ｍ??實驗設(shè)置Ｆ／Ｍ為１：１、１：２、２：１、２３、３：２五個比例，累積產(chǎn)沼氣和甲烷含量隨??著Ｆ／Ｍ的增加均呈梯度下降。如圖３．１所示，最佳產(chǎn)氣條件在Ｆ／Ｍ為０．５時取得??最大甲烷產(chǎn)量３３７．２ｍＬ／ｇＶＳ。而高Ｆ／Ｍ致使產(chǎn)氣量急劇下降。特別是在Ｆ／Ｍ大于??１時，累積產(chǎn)甲烷含量甚至少于２００?ｍＬ／ｇＶＳ。例如在Ｆ／Ｍ為１．５和２時所獲得甲??燒產(chǎn)量分別為１０１．２和１０４．４?ｍＬ／ｇＶＳ，僅占Ｆ／Ｍ為０．５時產(chǎn)氣量的三分之一。高??Ｆ／Ｍ意味著單位微生物承受更高的有機負荷，遠超于微生物自身的處理能力，從而??導(dǎo)致消化失敗。通過對不同Ｆ／Ｍ條件下產(chǎn)氣數(shù)據(jù)進行動力學(xué)擬合后發(fā)現(xiàn)Ｆ／Ｍ對最??快產(chǎn)甲烷速率也有著顯著影響。實驗中最大Ｋｍａｘ為２．１３?ｍＬＣＨ４／ｇＶＳ／ｈ在Ｆ／Ｍ為??０．５時取得，隨著污泥單位有機負荷的增高，Ｋｍａｘ明顯下降。當Ｆ／Ｍ為１．５和２時，??Ｋｍａｘ分別為０．７８和０．８６?ｍＬＣＨ４／ｇＶＳ／ｈ。該實驗結(jié)果與之前研究［３１］—致，即高Ｆ?／??Ｍ
【參考文獻】

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本文編號：2883122