论文部分内容阅读
厌氧消化制取沼气技术是畜禽粪便等高氮原料资源化、能源化利用的重要途径,但高氮原料厌氧消化中常见的氨抑制问题大大降低了其整体性能。本文针对典型的高氮原料畜禽粪便和餐厨垃圾厌氧消化过程中的氨抑制问题,结合高氮原料的理化特性,主要研究了调节C/N比、添加微量元素和氨吹脱等氨抑制调控方法对高氮原料厌氧消化特性的影响,并对厌氧消化体系中微生物群落结构,特别是产甲烷菌群的迁移进行分析,探究了氨抑制发生及调控过程中产甲烷菌群的变化情况,以期解决氨抑制问题。本研究的主要成果如下:（1）底物浓度为8 g VS L-1时,猪粪、牛粪、鸡粪、兔粪的比甲烷产量最高,分别为409.6、269.8、377.1和323.2 mL CH4 g-1VSadded。升高底物浓度导致甲烷产量、生物降解率以及甲烷产量占沼气总产气量的百分比下降。此外,高底物浓度降解产生大量氨氮等可溶性抑制物,抑制产甲烷菌活性,且因降低接种比,导致产气延滞期增长。（2）添加微量元素Se、Co可使餐厨垃圾厌氧消化体系的有机负荷承载能力提高到3.0 g VS L-1d-1,比甲烷产率为0.486 L g-1 VSadded,对照为0.45 L g-1VSadded。添加Se、Co的厌氧反应器在5.0 g VS L-1d-1条件下运行133天后出现失稳现象,补加Mo、Ni无改善,补加Fe后产气和消化稳定性均恢复正常,表明Se、Co、Fe是餐厨垃圾高负荷率厌氧消化稳定运行所必须的微量元素。菌群分析结果表明,乙酸裂解菌是适宜条件下厌氧发酵体系中的优势菌。随着氨氮和挥发性脂肪酸浓度的升高,嗜氢产甲烷菌在餐厨垃圾中温厌氧发酵中的数量逐渐提高,说明嗜氢产甲烷菌对抑制物的耐受性高于乙酸裂解产甲烷菌。（3）添加烂苹果使鸡粪中温厌氧消化体系的有机负荷承载能力由2.4 g VS L-1d-1提高到4.8 g VS L-1d-1。鸡粪、猪粪单独厌氧发酵的最高有机负荷率为2.4 g VS L-1d-1,比甲烷产率分别为0.279和0.299 L g-1 VSadded。添加烂苹果后,在相同有机负荷率下,比甲烷产率分别为0.365和0.322 L g-1 VSadded。添加玉米秸秆后,比甲烷产率分别为0.251和0.301 L g-1 VSadded。有机负荷率升高到4.8 g VS L-1d-1后,以鸡粪、猪粪、鸡粪/烂苹果、猪粪/烂苹果为原料的反应器的比甲烷产率最高,分别为0.237、0.253、0.329和0.268 L g-1 VSadded。鸡粪/烂苹果反应器中甲烷八叠球菌科为古细菌菌群的优势菌,同时,嗜氢产甲烷菌的甲烷杆菌科呈现数量增加趋势。（4）鸡粪发酵液氨吹脱条件研究结果表明,氨去除率随吹脱温度和pH值的升高而升高。70℃和pH 11的氨吹脱条件下获得的氨去除率最高,经氨吹脱处理86.5 h后发酵液氨去除率达98.4%。一级动力学模型拟合结果表明,特征时长τ随吹脱的温度或pH值的降低而升高。脱氮效率E值随氨吹脱的温度或pH值的升高而升高。（5）在3 g VS L-1 d-1条件下,鸡粪单独连续厌氧发酵的比甲烷产率为0.163L g-11 VSadded。采用35℃、55℃及pH 10的发酵液氨吹脱处理没有提高鸡粪连续厌氧发酵的甲烷产量;采用70℃、pH 10的氨吹脱处理可使鸡粪厌氧消化体系的有机负荷承载能力由3 g VS L-1 d-1提高至9 g VS L-1 d-1,且获得较高的比甲烷产量(0.199 L g-1 VSadded)。该反应器的优势菌在厌氧消化过程中由甲烷八叠球菌科向耐受抑制作用更强的甲烷微菌目迁移,而其余反应器菌群中的优势菌因活性受到抑制而大量减少。本研究将批次试验和半连续厌氧消化试验相结合,采用多种氨抑制调控方法对高氮原料或发酵液进行处理,结果表明调节C/N比、添加微量元素、发酵液氨吹脱三种方法均有效提高了畜禽粪便厌氧发酵的甲烷产量及运行稳定性,是较理想的缓解氨抑制的有效途径。