【摘 要】
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近年来随着居民生活水平的提高,我国餐厨垃圾年产量也随之增加。厌氧发酵技术目前被认为是处理餐厨垃圾的最佳方式,但是餐厨垃圾中含油率较高,厌氧发酵过程产生的长链脂肪酸(Long chain fatty acids,LCFAs)对厌氧微生物具有一定的抑制作用,但其积累特性及对厌氧发酵过程的影响仍有待进一步探究。基于此,本研究考察了不同有机负荷(Organic loading rate,OLR)下餐厨垃圾
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近年来随着居民生活水平的提高,我国餐厨垃圾年产量也随之增加。厌氧发酵技术目前被认为是处理餐厨垃圾的最佳方式,但是餐厨垃圾中含油率较高,厌氧发酵过程产生的长链脂肪酸(Long chain fatty acids,LCFAs)对厌氧微生物具有一定的抑制作用,但其积累特性及对厌氧发酵过程的影响仍有待进一步探究。基于此,本研究考察了不同有机负荷(Organic loading rate,OLR)下餐厨垃圾厌氧发酵过程中LCFAs的产生及降解特性,并从微生物增长动力学特性的角度揭示了典型LCFAs的积累成因;系统性的解析了LCFAs对厌氧发酵各个阶段(水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段)的影响,阐明了LCFAs对厌氧发酵各个阶段的抑制作用。主要得到以下结论:(1)设定餐厨垃圾F/M分别为0、0.37、0.63、1.19和1.58,随着F/M的升高,LCFAs的积累浓度逐渐增加。随着F/M从0增加至0.63,LCFAs的积累急剧增加,当F/M大于0.63时,总LCFAs的增加趋势逐渐平缓,说明在F/M在0-0.63范围内,对LCFAs积累的影响更为显著。此外,相对于空白组(LCFAs积累量35.41mg/L),各F/M条件下的LCFAs浓度分别增加了45.8%、94.1%、102.2%以及106.2%,且各负荷条件下的主要LCFAs的积累类型主要为棕榈酸、硬脂酸和油酸,其中硬脂酸的占比最高,在各个浓度下(空白组除外)分别达到了43.02%、59.2%、61.2%和63.3%;(2)考察了不同浓度条件(1000 g COD/L、3000 g COD/L、5000 g COD/L、8000 g COD/L以及10000 g COD/L)下典型的LCFAs(棕榈酸、硬脂酸和油酸)的产甲烷特性,结果表明:随着浓度的增加,LCFAs对产甲烷菌的抑制愈加明显。各浓度条件下的典型LCFAs的降解速率均呈现相同趋势,即棕榈酸>硬脂酸>油酸。此外,虽然油酸的延滞期较长,但微生物的最大生长速率(1.28d-1)较大于硬脂酸(0.35d-1),该结果主要是因为在油酸降解低于抑制浓度后,微生物能快速恢复活性,即表明这种抑制是可逆的;(3)微生物群落解析结果表明:Clostridium_sensu_stricto菌是各LCFAs组中的优势菌属,该菌在厌氧发酵过程中将不饱和LCFAs转化成饱和LCFAs,这也是在油酸中该菌的相对丰度(10.3%)远高于棕榈酸(3.2%)和硬脂酸(3.4%)的原因。从古菌层面分析,在棕榈酸和硬脂酸中,嗜乙酸产甲烷菌Methanothrix菌是主要古菌属,而油酸中的主要古菌属为氢营养型产甲烷菌Methanosarcina菌、Methanobacterium菌以及Methanomassiliicoccus菌,表明棕榈酸和硬脂酸的降解主要是通过乙酸型产甲烷菌完成甲烷化的过程,而油酸的降解是通过传统的氢营养型产甲烷菌完成甲烷化的过程;(4)通过LCFAs对餐厨垃圾厌氧发酵过程中各个阶段的影响研究中发现:在水解阶段中,各浓度条件下油酸对该阶段的抑制程度均大于棕榈酸和硬脂酸,并且在油酸组中蛋白质和多糖的降解率随浓度的增加分别降低了76.7%和48.3%,而在棕榈酸组和硬脂酸组中,蛋白质、多糖的降解率随浓度的增加分别只降低了7.9%和14.6%、3.3%和11.5%;产酸阶段中发现LCFAs的添加能够加快TVFAs的产生,且发现TVFAs与棕榈酸(r=0.981,p<0.003)、硬脂酸(r=0.998,p<0.000)和油酸(r=0.988,p<0.002)的浓度呈显著的正相关关系;在产甲烷阶段中,LCFAs的添加对该阶段均具有抑制作用,且IC50棕榈酸(7666.64mg COD/L)>IC50硬脂酸(6037.82mg COD/L)>IC50油酸(4276.23mg COD/L),即表明了LCFAs随碳链和不饱和双键的增加对产甲烷过程的抑制愈加强烈的原因。
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