基于PCR-TGGE技术的餐厨垃圾厌氧消化微生物群落结构解析

为了解不同负荷下单相餐厨垃圾厌氧消化反应器内微生物群落结构演替特征,在单相厌氧消化反应器负荷为2.0～8.5kg·m-·3d-1(以VS计)的不同负荷条件下取样,运用16SrDNA的PCR-TGGE技术对反应器内微生物进行动态追踪.同时,运用Dice系统和NMDS软件对PCR-TGGE图谱进行分析.结果表明,负荷为4.0～6.0kg·m-·3d-1时,微生物群落结构变化不大;负荷为6.0～7.0kg·m-·3d-1时,微生物群落结构变化较为明显;负荷分别为7.0～8.0kg·m-·3d-1及8.5kg·m-·3d-1时,微生物群落结构变化最为明显.纵观整个过程,在餐厨垃圾厌氧消化反应器有机负荷在2.0～8.5kg·m-·3d-1下厌氧反应器内的微生物群落结构存在明显的阶段性演替;负荷为7.0kg·m-·3d-1时微生物群落结构的丰富度最好.     

氨氮对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响

为探析氨氮（TAN）对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响,在串联批次实验中引入氨氮胁迫,结合Miseq高通量测序分析,研究了不同TAN浓度下厌氧消化系统的过程参数响应以及微生物群落动态.结果显示,随TAN增加,甲烷回收率从（96.53±2.66）%下降至（63.13±0.73）%,消化时间从435h延长至915h,连续驯化下,TAN为3000mg/L的实验组产气性能完全恢复,而高氨氮实验组（TAN³6000mg/L）仍处于抑制状态.相较于乙酸代谢而言,长链挥发性脂肪酸（LCVFAs）代谢对TAN的耐受度更高（6000mg/L）,但一旦被抑制,其功能难以通过驯化恢复.从微生物层面上看,高丰度且功能冗余的水解酸化细菌保证了各TAN梯度下的水解酸化作用;氨氮敏感的Methanosaeta和Methanospirillum也能通过驯化被耐氨的Methanosarcina和Methanoculleus取代,从而维持系统产甲烷功能;相比之下,产氢产乙酸菌功能高度专一,仅C₄~C₁₈降解菌Syntrophomonas和丙酸降解菌Pelotomaculum被检测到,在连续的高氨氮暴露下,前者的丰度虽有一定程度的恢复,但后者未能被驯化,最终系统出现以丙酸为主的LCVFAs积累,产气性能恶化.可见, LCVFAs的互营降解才是氨抑制失稳的关键环节.     

餐厨垃圾厌氧消化运行试验研究

采用猪粪厌氧消化的消化污泥为接种物,在中温(37℃)条件下,以连续进料的方式对餐厨垃圾的湿式厌氧消化进行了启动以及运行试验,监测整个实验过程中产气量、pH、VFA、碱度等能够反映厌氧消化的系统指标。结果表明:本实验中系统最佳有机负荷为2.8 kg/(m~3·d)(以VS计),超过此负荷后,依靠系统自身恢复和人工调节,pH很难恢复正常运行状态。正常运行过程中,pH稳定在7.5~8.0,VFA稳定在2 000 mg/L左右,碱度在6 000~9 000 mg/L,氨氮在1 500~2 000 mg/L,底物含水率为96%~98%。系统超负荷运行后,产气量和pH下降,VFA浓度上升,碱度、氨氮、含水率基本保持稳定。     

餐厨垃圾厌氧消化工艺的影响与优化

从厌氧消化工艺选择、产甲烷性能优化和联合消化等3个方面,概述了近年来国内外餐厨垃圾厌氧消化产甲烷工艺的研究进展,比较了国内外的研究差异,提出我国餐厨垃圾厌氧消化处理产甲烷性能优化及工业化应用的研究方向。     

预处理对餐厨垃圾厌氧消化的影响研究进展

对餐厨垃圾进行厌氧消化处理可以有效规避填埋和焚烧等传统方式带来的环境污染风险,实现餐厨垃圾的资源化和无害化,但餐厨垃圾厌氧消化的水解步骤通常被认为是整个厌氧消化的限速步骤。一些物理、化学、生物和复合的预处理手段,可以达到减小餐厨垃圾颗粒粒径和增强可溶性的目的,进而促进餐厨垃圾的厌氧消化。通过阐述各种餐厨垃圾预处理原理,总结其对厌氧消化的影响,并提出了未来餐厨垃圾厌氧消化预处理的发展方向。     

不同麦秆生物炭强化餐厨垃圾厌氧消化

为明确生物炭制备条件对生物炭性质及厌氧消化效果的影响,本研究以小麦秸秆(WS)为原料,在不同热解温度和不同KOH改性浓度条件下制备出不同类型的麦秆生物炭(WBC).研究发现,较低的热解温度能够保护WBC表面的官能团,而较高的热解温度则能够提高WBC的比表面积,孔容及平均孔径.KOH改性能够向WBC表面引入─OH,且一定程度上会影响WBC的比表面积,孔容及平均孔径.将制得的WBC分别添加到餐厨垃圾厌氧消化(KWAD)系统中,发现所有WBC均能够提高KWAD的总产气量.其中WS650与WS450-2的促进作用最显著,较CK分别提高了32.82%和30.01%的总产气量.在关键酶活性的研究中,发现WS450-2的辅酶F420与脱氢酶活性大大提升,这可能与其表面丰富的官能团有关.在微生物群落结构的研究中,WS450-2在富集厚壁菌门(Firmicutes),抑制非相关细菌方面展现了较大优势;WS650在富集甲烷八叠球菌属(Methanosarcina),抑制非相关古菌方面展现了较大优势.最后通过冗余分析明确了WBC制备工艺和表征指标与KWAD产气动力学参数,过程参数,酶活性和微生物丰度之间的相...     

餐厨垃圾市政污泥联合厌氧消化处理技术

餐厨垃圾有机质浓度高,在厌氧消化处理过程中容易致系统酸化而导致消化系统中止。采用餐厨垃圾与市政污泥联合厌氧消化技术解决餐厨垃圾消化条件难控制的问题。结果表明,系统稳定运行时,在进料总固体（TS）浓度为10%左右,水力停留时间(HRT)为20 d,碱度控制在6 000~8 000 mg/L时,餐厨垃圾与市政污泥联合厌氧消化能稳定运行,且有机负荷达到5.29 g/(L•d),沼气产量达1.03 L/g〔以挥发性固体（VS）计〕,沼气中的甲烷浓度在59%以上。     

矿物材料对餐厨垃圾厌氧消化的影响研究

在试验的基础上研究了3种矿物材料膨润土、斜发沸石、粉煤灰对富含钠离子的餐厨垃圾厌氧消化过程的影响.结果表明,在发酵温度为35℃、底物固含量(TS)为10%、添加物用量为1%(质量分数,以消化底物计)时,膨润土、沸石粉、粉煤灰对含盐餐厨垃圾的厌氧发酵消化液中的钠离子具有良好的吸附性能,吸附率分别为13.75%、10.11%、7.99%.在未使用无机矿物的情况下,当钠离子浓度为3000～4000mg·L-1时,含盐餐厨垃圾的的厌氧消化过程受到Na 离子的明显抑制.从产气量分析,3种矿物材料均能明显促进餐厨垃圾的厌氧消化过程,与空白对照试组相比,膨润土、斜发沸石、粉煤灰分别使产气量提高了131%、82%和45%.三者对甲烷气产量的促进影响强弱顺序是,膨润土＞斜发沸石＞粉煤灰.初步讨论了这3种矿物材料提高餐厨垃圾厌氧消化甲烷产量的作用机理.     

餐厨垃圾两相厌氧消化特性试验研究

研究了餐厨垃圾两相厌氧消化特性。以北京化工大学餐厨垃圾为原料,分别以不同有机负荷(10、30、50和70 gVS/L)、接种量(5、10、15和20 gVS/L)、酸化时间(3、5、7和9 d)考察其对酸化效果的影响,并对酸化出料进行甲烷化产气实验。结果表明,餐厨垃圾最优酸化条件为有机负荷30 gVS/L,酸化时间5 d,接种量15 gVS/L。在此条件下,单位负荷产酸率为561.0 mg乙酸/gVS,酸化末端产物主要为乙酸和丁酸,单位负荷累积产气量达到826.7 mL/gVS,比乙醇型最佳条件单位负荷累积产气量763.8 mL/gVS高8.2%,比丁酸型最低单位负荷累积产气量70.6 mL/gVS高1 070.3%。有机负荷、酸化时间、接种量依次对餐厨垃圾酸化有重要的影响,并且餐厨垃圾酸化效果和产气性能具有一致性。研究结果可为城市生活垃圾厌氧消化提供设计和运行依据。     

厌氧消化在餐厨垃圾处理中的应用

结合多篇参考文献,从原理和工艺的角度,综述了餐厨垃圾现有的一些处理方法,通过比较各种不同的处理方法,指出厌氧消化法处理的优势;重点论述了厌氧消化处理的方法和具体应用,并且展望其厌氧消化的研究前景.     

餐厨垃圾厌氧消化过酸化系统微生态特征的宏基因组学分析

过酸化失稳是困扰有机废物厌氧消化（AD）过程高效稳定运行的一大难题.为探析不同诱导方式造成过酸化的AD系统微生态特征差异,在餐厨垃圾中温AD反应器中分别引入负荷扰动（R2）、温度及搅拌扰动（R3）以诱发系统过酸化,利用宏基因组学测序技术,对比考察稳定与酸化系统微生物群落结构及主要产甲烷功能路径差异.结果表明,两种方式均成功诱发系统过酸化失稳,过酸化系统中挥发性脂肪酸（VFA）过量富集（R2、R3系统中分别高达（12.53±1.96） g·L^-1和（8.00±0.81） g·L^-1）的同时,丙酸等多碳VFA组分比例大幅升高.R2、R3系统酸化后其产甲烷菌及相关酶受到高浓度VFA的显著抑制,酸积累程度更高的R2受抑制更为明显.且经相关性分析发现,多碳酸尤其是丙酸是抑制产甲烷作用的关键因素.与R2相比,R3具有更高的耗氢能力,耗氢微生物如可耗H₂产酸的Treponema属和氢营养型产甲烷菌Methanoculleus属、Methanospirillum属等相对丰度显著高于R2.酸化系统均以乙酸营养型产甲烷为主要的产甲烷途径,并以Methanosaeta属为主要的乙酸型产甲烷菌.酸化系统中更高含量的乙酸产甲烷途径的AK-PTA酶有利于促进对乙酸的利用,增强厌氧消化微生物菌群对高浓度乙酸的耐受 能力.本研究中的相关结果可为提高有机废物AD微生态抗酸化能力提供理论依据和数据支撑.     

厌氧消化过程稳定性与微生物群落的相关性

为探析厌氧消化过程稳定性与微生物群落的相关性,在餐厨垃圾厌氧消化反应器中引入负荷扰动以诱导不同的运行状态,理化分析和高通量测序相结合用于研究各个状态下的状态参数响应及微生物群落动态.结果表明,均衡的群落结构保证了反应器的稳定运行,稳定状态下反应器的甲烷产率和挥发性固体（VS）去除率分别高达（0.50±0.01）LCH₄/gVS和（89.58±0.08）%.高负荷下产酸细菌（柔膜菌门、放线菌门）大量增殖,诱导互养脂肪酸降解菌（梭菌纲）的相对丰度剧增,然而与之互营的氢型产甲烷菌的丰度和活性却下降了.产甲烷菌与互养脂肪酸降解菌的失衡导致它们不能有效的互养合作,从而引起挥发性脂肪酸（VFA）积累和过程失稳.积累的VFA和氨使比乙酸产甲烷活性（SAMA）和比产甲烷活性（SMA）分别下降60.12%和72.51%,进一步加剧了过程失稳.扰动停止后,尽管反应器恢复了原有运行条件和性能,但微生物群落达到了新的平衡.     

驯化对餐厨垃圾厌氧消化系统微生物群落结构的影响

为研究驯化对餐厨垃圾厌氧消化系统微生物群落结构的影响,在单相完全搅拌式(CSTR)反应器内,以农村户用沼气池污泥为接种污泥,进行了餐厨垃圾中温厌氧消化.反应器在3 g·L-1·d-1(以VS计)的负荷下成功启动,并连续45 d维持性能稳定,表明驯化成功.期间采用454焦磷酸测序技术分析了驯化前后系统内的微生物群落结构.结果表明,微生物群落结构与底物密切相关,驯化后细菌及古菌群落都发生明显变化.从细菌群落看,与复杂有机物降解相关的菌类显著下降(如梭菌纲(Clostridia)和(vadin HA17),而易降解碳水化合物发酵菌(如Petrimonas)和脂肪降解菌(如Erysipelotrichia)显著增加.这与餐厨垃圾易降解有机物含量高,且富含淀粉和脂肪相关.丰富的易降解有机物还使得反应器内总挥发性脂肪酸(VFA)浓度((2203±174)mg·L-1)远高于种泥水平((222.0±0.3)mg·L-1),这导致了产甲烷菌由乙酸型的甲烷鬃菌属(Methanosaeta,占85.01%)绝对主导转向氢营养型的甲烷螺菌属(Methanospirillum,占35.35%)、甲烷囊菌属(Methanoculleus,占9.89%)与之(46.97%)共同主导的局面.然而,驯化后Methanosaeta在非最优条件下依然保持主导地位,可见接种污泥的群落组成对厌氧消化系统群落结构的塑造也具有重大影响.     

厨余垃圾厌氧发酵失稳调控及微生物群落分析

针对厨余垃圾厌氧发酵过程中容易积累丙酸和丁酸导致反应体系酸化失稳的问题,驯化了富集耐丙酸和耐丁酸厌氧发酵菌群的接种菌泥,探究利用其对厨余垃圾干式厌氧发酵酸化失稳体系进行调控后对甲烷产量和微生物群落的影响.酸化失稳厌氧体系中添加耐丙酸菌泥调控后,与空白对照组相比反应体系中丙酸浓度削减6900.81mg/L,累积甲烷产量提...     

矿物材料预处理对餐厨垃圾高温厌氧消化过程的影响

选用4种矿物材料对400g餐厨垃圾在35℃下进行4h好氧预处理,比较了预处理前后餐厨垃圾水解率的变化,并且详细研究了预处理对餐厨垃圾高温厌氧消化过程及产沼气效果的影响.结果表明:在同等条件下,添加矿物材料可以有效促进餐厨垃圾的水解,其中添加1.25%(质量分数,以餐厨垃圾湿基计)膨润土和添加2.5%轻烧MgO的处理水解率分别达到了96.79%和96.51%.轻烧MgO有效地缓解了餐厨垃圾由于酸化引起的pH值下降,使产气高峰期较早来到;而在总产气量上添加白云石粉的促进作用显著.膨润土次之,其中添加2.5%白云石粉的总产气量最高,为10925mL.添加矿物材料降低了消化液中钠离子的浓度,可减轻对产甲烷细菌的抑制作用.     

新型两相一体厌氧消化反应器处理餐厨垃圾中试研究

针对餐厨垃圾厌氧消化过程易发生挥发性脂肪酸（VFAs）的积累,系统难以稳定高效运行等问题,本研究设计制造了一套中试规模的新型双环嵌套式两相一体厌氧反应器,采用双环嵌套式结构,在反应器内部将内环的产酸阶段与外环的产甲烷阶段分离.反应器共运行184d,初始负荷为60kg/d,运行阶段阶梯式提高负荷,最高达到180kg/d.结果表明,该新型反应器产气与有机固体去除效率高,稳定性好.在稳定运行阶段,有机负荷为3.0kgVS/（m³·d）,容积产气率平均达到1.69m³/（m³·d）,最高为2.72m³/（m³·d）,平均负荷产气率为0.57m³/（kgVS·d）,有机固体去除率达77.2%;由于内外环相分离作用,外环pH值相比内环高约0.3~0.4,外环挥发性脂肪酸（VFAs）和溶解性化学需氧量（sCOD）平均浓度相比内环分别降低25%和23%.双环嵌套式反应器实现了产酸和产甲烷阶段分离的作用,内环产酸相很好地完成了水解和酸化步骤,同时减轻产甲烷相受到酸积累的冲击,对反应器稳定运行起到关键作用.     

总氨氮在餐厨垃圾厌氧消化系统中的积累及其抑制作用

为研究总氨氮(TAN)在餐厨垃圾中温干式厌氧消化系统内的积累及抑制作用,在单相完全搅拌式(CSTR)反应器内进行餐厨垃圾中温厌氧消化,反应器在3 g·L-1·d-1(以VS计)的负荷下连续运行230余天,期间不断监测TAN及其余物化指标的变化.试验结果表明,TAN在系统内的积累呈现先快后慢的趋势,且不会持续积累,而是积累到一定程度后会保持稳定.游离氨(FAN)是氨抑制中起主导作用的因素,FAN大于150 mg·L-1时就会影响到系统效率;大于200 mg·L-1时会影响系统稳定性;大于300 mg·L-1后会产生强烈抑制,引发稳态型抑制,甚至导致系统出现泡沫.此外,氨抑制会影响系统产气动力学,导致产气速率降低,产气量减少.寻找合理的措施消除氨抑制对保障系统稳定运行具有重要意义.