焦油基产甲烷抑制剂调控有机物厌氧发酵产酸研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sycloverock
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生物质废弃物厌氧产酸发酵过程中,需要施加产甲烷抑制手段来抑制终产物甲烷的生成,避免甲烷的产生消耗过程中产生的脂肪酸。传统的产甲烷抑制手段有添加化学产甲烷抑制剂、进行酸碱处理、改变操作条件等。其中最常见的方法是添加化学抑制剂,效果稳定但价格高昂,增加了应用的成本;其他抑制手段也存在一定局限,且效果不稳定还有待进一步考察,例如高pH下微生物代谢困难、热处理需要能源供给。因此需要探究新的价廉易得产甲烷抑制效果显著的产甲烷抑制手段。在本研究中,将气化和热解的副产物生物质焦油作为产甲烷抑制剂添加到厌氧发酵中,考察生物质焦油的添加对产甲烷的抑制作用,探究添加焦油后对产酸以及产氢的影响,分析研究了添加焦油后厌氧体系内微生物群落结构的变化。设置了7.0 g/L(T7)、15 g/L(T15)、30 g/L(T30)三组浓度的焦油和化学产甲烷抑制剂BES(RBES)添加到厌氧发酵体系内,以及未添加任何产甲烷抑制手段的空白对照组(Rco)。(1)为探究生物质焦油的添加对厌氧发酵过程中对产甲烷的抑制作用,分析对比了不同条件下甲烷的产生情况。实验结果表明,添加焦油浓度15 g/L和30 g/L的条件下可以完全抑制产甲烷,整个实验过程中没有甲烷产生。而在对照组Rco中甲烷的最高产率为570.59 mL/g VS,在添加化学产甲烷抑制剂的RBES中为19.56 mL/g VS,添加较高的焦油浓度作为产甲烷抑制剂可以达到添加专性产甲烷抑制剂的抑制效果。(2)为了探究添加焦油对氢气产生的影响,考察了各个条件下氢气的变化。试验结果表明,焦油的添加会提高氢气的产率。氢气产率随着焦油浓度的增大而增加,T30中的最高氢气产率121.00 mL/g VS,是Rco中的8.94倍,RBES中的9.30倍。在添加焦油的条件下,氢气产率快速增长的时间延后,增长时间延长。(3)当厌氧发酵过程中产甲烷活动受到抑制时,产甲烷微生物的底物脂肪酸就会累积,通过实验检测分析了各组分脂肪酸的累积和变化。结果表明,添加焦油在厌氧发酵中会提高总挥发性脂肪酸(tVFAs)的浓度,T7、T15、T30中相较于Rco中分别提高44.3%、68.1%以及62.4%。添加焦油的条件下,产生的脂肪酸还原性更强、碳链更长、附加值更高。正丁酸浓度在T7、T15、T30中分别是在Rco中的3.2、6.1以及6.7倍。此外,添加焦油促进中长链脂肪酸己酸的产生,在没有添加电子供体的情况下,在T15(1093.6mg/L)和T30(1302.1 mg/L)中观察到了高浓度己酸。(4)为了探究焦油的添加对厌氧发酵中的微生物群落结构的影响,通过高通量测序分析了细菌和古菌的群落结构与多样性。绿弯菌门Chloroflexi在Rco中从最初的8.31%上升至17.01%。厚壁菌门Firmicutes在RBES、T7、T15、T30中相对于原始接种泥中分别提升了17.46%、12.5%、26.16%以及12.91%。厚壁菌门中的Clostridia纲在RBES、T7、T15、T30中相对于原始接种泥中分别提高了16.44%、5.41%、16.68%以及14.05%。放线菌门Actinobacteria的丰度在RBES(3.52%)、T7(4.43%)、T15(2.17%)以及T30(2.05%)中也高于在Rco(1.01%)中。既可参与乙酸型产甲烷活动也可参与氢营养型产甲烷的甲烷八叠球菌属Methanosarcina,其活性在添加焦油的条件下受到了抑制,其丰度在T7、T15以及T30中分别仅为0.91%、0.06%和0.09%,而在Rco中高达14.50%。而对于添加化学抑制剂BES的条件下,专性乙酸型产甲烷微生物甲烷丝菌属Methanothrix的活性受到了抑制,其丰度为33.53%,这一值在Rco中为56.50%。
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