高含固污泥厌氧消化中蛋白质转化规律

采用剩余污泥在含固率(total solid,TS)为12%条件下进行中温(37℃)厌氧消化,通过分析厌氧消化前后污泥蛋白质组分的变化情况,研究了高含固污泥厌氧消化中蛋白质的转化规律,探讨了高含固条件下污泥蛋白质转化效率较低的原因.结果表明,经过45 d的厌氧消化处理,污泥蛋白质的转化率为34.26%.污泥蛋白质转化效率较低的原因主要表现在:(1)高含固条件下污泥的传质较差;同时,污泥蛋白质经水解过程形成大量的氨氮,反应结束后污泥总氨氮(total ammonia nitrogen,TAN)质量浓度达到1 201 mg·L~(-1),导致对厌氧消化过程,尤其对蛋白质的分解表现出一定的抑制作用;(2)三维荧光光谱(three-dimensional fluorescence spectroscopy,3D-EEM)分析表明,部分蛋白质向腐殖质类、富里酸类物质转化,从而更难分解;(3)通过二维电泳(two-dimensional electrophoresis,2-DE)-质谱(mass spectrometry,MS)分析发现,厌氧消化后污泥蛋白质的相对分子质量和等电点(isoelectric point,p I)降低;最终,污泥中残留的大部分蛋白质来源于微生物体内.由于微生物代谢能力随着厌氧消化过程的进行而减弱,难以继续利用这些蛋白质,或消化体系中不具备分解这些蛋白质的酶,从而限制了污泥中蛋白质的分解效率.     

瘤胃微生物强化醋糟厌氧消化及其机制

针对醋糟中木质纤维素利用效率低的问题,通过接种瘤胃微生物可强化木质纤维素水解.采用逐步提升体系有机负荷的方式,考察瘤胃微生物生物强化对醋糟厌氧消化性能的提升效果,并运用绝对定量实时聚合酶链锁反应（Q-PCR）技术探究其微生物学强化机制.结果表明:长期连续运行成功塑造了高效的木质纤维素瘤胃强化体系.该体系的最高有机负荷达8.90 g/（L·d）（以VS计）,是强化前的1.53倍,该有机负荷下半纤维素和纤维素降解率分别达73.9%和40.1%,单位质量底物沼气和甲烷产量相应地分别达到451和261 mL/g（以VS计）,半纤维素和纤维素较高的降解率是该体系维持高产气性能的主要原因.生物相机制研究表明,瘤胃微生物强化体系中与木质纤维素水解密切相关的GH5（糖苷水解酶家族5）水解菌逐步富集,其基因拷贝数从初始的964×1010 copies/g升至最高有机负荷下的6.83×1011 copies/g,这是底物在高有机负荷下仍能被高效生物转化的根本原因.研究显示,瘤胃微生物的介入可有效强化体系底物的降解能力,促进醋糟产甲烷性能的提升.      

醋糟高效厌氧消化体系构建

运用高固态厌氧消化模式,通过提高反应体系均质程度和沼液回流等手段,逐步提升物料负荷,对未经预处理的醋糟进行厌氧消化处理,成功构建了醋糟高效厌氧消化体系.结果表明,在反应体系物料负荷达到6.15 g·(L·d)~(-1)时表现出最佳的厌氧消化性能,单位干物料产沼气量为396 m L·g~(-1),单位干物料产甲烷量为211 m L·g~(-1).该物料负荷下半纤维素降解率达到63.66%,是醋糟厌氧消化性能提高的主要原因.纤维素、木质素的降解率分别为21.46%、24.43%,较低的降解效率主要是由于木质素中的苯环结构难以降解,并阻碍纤维素酶的水解作用,对纤维素降解产生屏蔽效应.     

共接种瘤胃微生物和厌氧污泥的水稻秸秆中试厌氧消化系统性能评估

针对富含木质纤维素底物利用效率低的问题,通过在中试厌氧消化系统中共接种瘤胃微生物和厌氧污泥来改善水稻秸秆中木质纤维素的水解,采用逐步提升底物有机负荷(OLR)的方式,评估了接种后水稻秸秆的厌氧消化效率。结果表明,在反应体系底物有机负荷达到4.26 g·(L·d)-1(以VS计)时,系统表现出最佳的厌氧消化性能,此时沼气产率为528 mL·g-1 (以VS计),甲烷产率为287 mL·g-1,容积沼气生产强度达到2.20 L·(L·d)-1。在反应器有机负荷从1.05 g·(L·d)-1提升到4.26 g·(L·d)-1的运行过程中,系统的纤维素降解率稳定在(71±2)%,半纤维素降解率稳定在(92±4)%,木质素降解率稳定在(15±3)%。这种稳定性表明反应器的连续运行成功地形成了高效的木质纤维素降解体系,结果可为实际规模化应用提供参考。     

餐厨垃圾固渣厌氧发酵产甲烷潜力及Logistic动力学研究

为考察餐厨垃圾经提炼生物柴油处理后的固渣厌氧生物处理的可行性,在中温条件下,研究固渣批式厌氧发酵的产气特性和物质转化过程,并结合Logistic方程分析该固渣厌氧消化产甲烷的动力学过程.结果表明,该固渣具有较高的厌氧发酵产甲烷潜力,在2:1的物料比条件下,单位质量固渣产气效率最高,甲烷产量达633 NmL/gVS.稳定状态下,Logistic方程可以较好地分析餐厨垃圾固渣厌氧发酵产甲烷过程(决定系数R2＞ 0.99),经过拟合,产甲烷潜力为661.33NmL/g VS,最大产甲烷速率为106.78 NmL/(g VS-d),无滞后期,与试验结果基本一致.随底物负荷提高,总挥发性脂肪酸和氨氨的质量浓度分别达到14 800 mg/L、2 500 mg/L,pH值降至5.0左右,产甲烷菌活性受到总挥发性脂肪酸(VFAs)、高浓度氨氮(NH4+-N)及低pH值的严重抑制.