环境扰动对有机垃圾厌氧消化反应器起泡的影响机制研究

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厌氧消化(Anaerobic digestion,AD)反应器起泡是影响其高效稳定运行的重要问题之一,揭示AD起泡机理对保障AD反应器的高效稳定运行具有重要的科学意义和理论价值。鉴于此,本研究以实验室规模的餐厨垃圾AD反应器为研究对象,引入实际沼气厂中常见的负荷波动、氨抑制和高油脂等三种扰动因素,开展泡沫诱导实验。观察起泡前后反应器性能、表面张力、粘度和EPS等理化指标及微生物形貌、群落结构等生化指标的响应,采用生物信息学分析、多元统计分析等手段揭示餐厨垃圾AD系统起泡机理。结果表明:(1)在三种扰动因素下均成功诱导出泡沫,并且S-EPS和粘度均与泡沫体积呈显著的正相关关系(p<0.05)。氨抑制诱导起泡实验组中,FAN也与泡沫体积呈显著的正相关关系(p<0.05)以及与表面张力呈显著的负相关关系(p<0.05),说明FAN和表面张力也对泡沫的形成产生了贡献作用。因此,S-EPS、粘度和表面张力等3个指标均与泡沫体积有显著的相关关系,且S-EPS与泡沫体积的相关性最大。(2)三个反应器在成功诱导出泡沫后,FE-SEM图显示出微生物与微生物之间的孔隙明显增大,这种现象有助于提高底物与微生物、微生物与微生物之间的传质能力,这可能是系统遇到外部环境破坏产生的一种自我防卫的机制。FE-SEM图还呈现出泡沫层明显比消化污泥层有更多的团聚体结构,表明泡沫层可能存在更多的EPS,其对微生物的包裹作用改变了微生物表面的特征结构。另一方面,也再次证实EPS含量可能与起泡存在直接关系。(3)负荷波动诱导组的泡沫特征菌属是CAG-352、Streptococcus、NK4A214_group、Succinivibrio、AUTHM297和Petrimonas;氨抑制组的泡沫特征菌属是Petrimonas、Anaerovorax和Dethiosulfovibrio;高油脂诱导组的泡沫特征菌属是Christensenellaceae_R-7_group、AUTHM297、NK4A214_group、Endomicrobium和Desulfomicrobium。这些菌属在起泡后相对丰度明显增加,可能降低了AD系统的表面张力,提高了起泡趋势,促进了泡沫的形成。通过Spearman相关性分析可以发现,对VFAs浓度提升促进作用最大的特征微生物是Dethiosulfovibrio,对系统FAN贡献度最大的是Desulfomicrobium,对AD反应器内粘度的作用的是最大Succinivibrio,对S-EPS的贡献度最大的是NK4A214_group,对表面张力的贡献度最大的是K4A214_group。
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