喬 瑋,尹冬敏,劉月玲,畢少杰,王 菁,董仁杰 (中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,生物質(zhì)工程中心,國家能源生物燃?xì)飧咝е苽浼熬C合利用技術(shù)研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心,北京 100083)

對(duì)于全混式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器而言,水力停留時(shí)間(HRT)和容積負(fù)荷直接影響著厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的容積甲烷產(chǎn)率.如果 HRT過長(zhǎng),就會(huì)在一定程度上使得厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)行成本增加;但是如果水力停留時(shí)間過短,單位時(shí)間內(nèi)流出反應(yīng)器的菌體增加,進(jìn)而造成反應(yīng)器微生物含量降低,有機(jī)物還沒有被降解完全就流出反應(yīng)器.Lgoni[1]指出,不同類型的微生物菌群代謝最短至 30min;各種產(chǎn)乙酸菌的最短世代更替周期1.5～ 4.0d;然而兩類主要的產(chǎn)甲烷菌世代周期差異較大,嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的最短世代周期為2～3d,而嗜氫產(chǎn)甲烷菌的繁衍速度很快,世代周期最短僅需 6h.同時(shí),過高的有機(jī)負(fù)荷可能會(huì)使得系統(tǒng)不穩(wěn)定,造成揮發(fā)性有機(jī)酸的累積,影響系統(tǒng)的酸堿平衡,進(jìn)而影響微生物的代謝能力.有機(jī)負(fù)荷過低,發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物則處于低效運(yùn)行狀態(tài),使得運(yùn)行成本增加,綜合經(jīng)濟(jì)效益較差[2-3].因此,選取合適的 HRT和有機(jī)負(fù)荷對(duì)于甲烷發(fā)酵過程至關(guān)重要.

餐廚垃圾是一種非常典型的有機(jī)廢物,我國每年產(chǎn)生餐廚垃圾約6000萬t[4].將餐廚垃圾和秸稈混合發(fā)酵能夠在原料特性上調(diào)節(jié)C/N比,在發(fā)酵動(dòng)力學(xué)上調(diào)節(jié)產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷速率的匹配,使發(fā)酵過程更穩(wěn)定.因此,本文以餐廚垃圾和秸稈為共混原料,逐級(jí)稀釋進(jìn)料濃度并梯度縮短HRT,分析產(chǎn)氣量,降解率,pH值和揮發(fā)性有機(jī)酸等指標(biāo)的變化規(guī)律,獲得高溫發(fā)酵微生物洗出的極限HRT;進(jìn)一步分析隨著HRT的縮短,產(chǎn)甲烷古菌和酸化細(xì)菌的組成與變化規(guī)律,探索混合原料高溫發(fā)酵的產(chǎn)甲烷路徑,為厭氧發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理方法

表1 混合原料和接種污泥的基本性質(zhì)Table 1 Characteristics of materials and inoculums for CSTR

餐廚垃圾取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生餐廳的午餐剩余物,去除大塊雜質(zhì)(如骨頭,果核,紙巾,塑料袋和一次性餐具等),用豆?jié){機(jī)(Joyoung-JYLC012)進(jìn)行 5min的高速破碎,粉碎至漿狀后儲(chǔ)存在 4℃冰箱中備用.玉米秸稈取自北京郊區(qū)密云縣石匣村秸稈沼氣站,為曬干后初步粉碎的玉米秸稈.先用小型粉碎機(jī)(HC-1000Y2)粉碎,過40目篩,備用.

混合發(fā)酵原料為餐廚垃圾和秸稈按照總干物質(zhì)(TS)比為1：1配比混合,水稀釋至 TS為 8%左右;高溫接種污泥取自北京密云石匣村秸稈沼氣站的高溫厭氧消化污泥,該沼氣站常年運(yùn)行,實(shí)際溫度控制在 50～60℃.混合原料和接種污泥的理化性質(zhì)如表1所示：

1.2 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行條件

圖1 厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Scheme of experimental device

表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行方案Table 2 The summary of experimental digester operation

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示,主要包括基質(zhì)貯藏裝置和發(fā)酵裝置兩部分,總?cè)莘e均為2.5L,工作容積為 2.0L.循環(huán)水浴鍋(HH-60)控制溫度,分別維持在(4±1)℃和(55±3)℃.攪拌器與自動(dòng)計(jì)時(shí)器相連,每 2h攪拌 10min,轉(zhuǎn)速約為 50～90r/min.濕式流量計(jì)(LML-1)記錄發(fā)酵罐的日產(chǎn)氣量.

在探究得到高溫混合發(fā)酵系統(tǒng)所能承受的最大有機(jī)負(fù)荷(OLR)[10gVS/(L?d)]基礎(chǔ)上,逐級(jí)縮短 HRT,并不斷降低進(jìn)料濃度,以保證體系負(fù)荷不能超過最大承載負(fù)荷.具體實(shí)驗(yàn)運(yùn)行方案見表2.

1.3 常規(guī)指標(biāo)測(cè)試方法

TS,VS,SS和 VSS采用美國水和廢水監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[5];pH值采用玻璃電極(Orion 5-Star pH)測(cè)定;COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定[6];氨氮濃度采用水楊酸-次氯酸鹽分光光度法測(cè)定[7];總堿度和碳酸氫鹽堿度用滴定法測(cè)定(以碳酸鈣計(jì)),采用0.1mol/L的稀鹽酸滴定發(fā)酵液上清液pH值至5.4和4.8,分別用以計(jì)算碳酸氫鹽堿度和總堿度[8];發(fā)酵液中的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)用GC-2010Plus氣相色譜法測(cè)定,測(cè)試條件為：載氣(氮?dú)?分壓 0.4MPa,氫空一體機(jī)氣流速度 20～30mL/min,進(jìn)樣口,柱溫,檢測(cè)器(FID)溫度分別為 230,60,250℃,進(jìn)樣體積 10μL;沼氣成分(CH4和CO2)采用GC SP2100氣相色譜儀測(cè)定,色譜柱為Ф10m×2mm不銹鋼色譜柱,測(cè)試條件為：載氣(氫氣)分壓 0.4MPa,流速 60mL/min,進(jìn)樣口,色譜柱,檢測(cè)器(TCD)的溫度分別為130,130,116℃;沼氣體積通過濕式流量計(jì)(LML-1)測(cè)定.

1.4 細(xì)菌與古菌分析方法

分別取反應(yīng)器不同HRT穩(wěn)定期的料液進(jìn)行高通量測(cè)試.CTAB標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)樣本的基因組DNA 進(jìn)行提取,然后利用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA 的純度和濃度,無菌水稀釋至1ng/mL,即為PCR擴(kuò)增模板.16S V4 區(qū)引物為515F-806R,18S V4 區(qū)引物為 528F-706R,18S V9 區(qū)引物為1380F-1510R,ITS1 區(qū)引物為 ITS5-1737F,ITS2-2043R,ITS2區(qū)引物為 ITS3-2024F,ITS4-2409R.酶和緩沖溶液采用 New England Biolabs公司 Phusion? High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer.采用 PCR 儀(Bio-rad T100 梯度PCR 儀)進(jìn)行擴(kuò)增,擴(kuò)增程序包括一個(gè)預(yù)變性步驟(98 ℃,1min),30個(gè)循環(huán)(每個(gè)循環(huán)包括 98℃,10s;50 ℃, 30s;72 ℃ , 30s),72 ℃ , 5min.產(chǎn)物用2%濃度的瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè).等濃度混樣,充分混勻后用 1×TAE 2%的瓊脂糖膠電泳純化 PCR產(chǎn)物,選擇主帶大小400～450bp之間的序列,割膠回收目標(biāo)條帶.產(chǎn)物純化試劑盒為 Thermo Scientific 公司 GeneJET 膠回收試劑盒.使用New England Biolabs 公 司 的 NEB Next?Ultra? DNA Library Prep Kit for Illumina建庫試劑盒進(jìn)行文庫構(gòu)建,構(gòu)建好的文庫經(jīng)過 Qubit 定量和文庫檢測(cè),合格后,使用HiSeq上機(jī)測(cè)序.基于有效數(shù)據(jù)進(jìn)行 OTUs聚類和物種分類分析.為避免偏差,所有樣品進(jìn)行3個(gè)重復(fù).

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)均為 3組平行測(cè)試,表中所列數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.采用單向方差分析(one-way analysis of variance (ANOVA))對(duì)同組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,置信度水平為 0.95.數(shù)據(jù)分析軟件為Excel2016和Origin8.0.

2 結(jié)果與討論

2.1 HRT對(duì)反應(yīng)器性能的影響

甲烷產(chǎn)量是評(píng)價(jià)一個(gè)厭氧消化體系運(yùn)行性能好壞最關(guān)鍵和最直觀的指標(biāo),物料單位 VS產(chǎn)氣率越高,說明物料的降解效果越好;反應(yīng)器容積產(chǎn)甲烷率與整個(gè)厭氧消化工程的經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān),反應(yīng)器容積產(chǎn)甲烷率越高,說明在相同運(yùn)行成本下,綜合經(jīng)濟(jì)效益越高.圖2(a)顯示,CSTR系統(tǒng)在55d的高溫連續(xù)發(fā)酵過程中,HRT依次遞減為 5,3,1.5,1,0.5d,對(duì)應(yīng) OLR依次為 8.0,6.66,6.66(3.33),5.0,5.0gVS/(L?d).隨著 HRT 逐級(jí)遞減,沼氣容積產(chǎn)氣率和甲烷濃度都呈逐漸降低的趨勢(shì)[圖2(b)].當(dāng) HRT 為 5d,OLR 為 8.0gVS/(L?d)時(shí),甲烷濃度穩(wěn)定在 65.5%左右,此時(shí)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行.在本階段的實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)運(yùn)行了4個(gè)HRT,反應(yīng)器的沼氣產(chǎn)量在10～20d期間是平穩(wěn)的,約為4.5L/(L?d).當(dāng)HRT縮短為3d時(shí),甲烷濃度略有下降,從 69.2%下降到 63.2%,容積產(chǎn)氣率出現(xiàn)明顯下降,從 4.31L/(L?d)下降到 1.23L/(L?d);當(dāng) HRT 繼續(xù)縮短為1.5d,有機(jī)負(fù)荷降為3.33gVS/(L?d)時(shí),容積產(chǎn)氣率僅為0.41L/(L?d),pH值,TS和VS的去除率都維持在正常的水平,該階段反應(yīng)器仍能平穩(wěn)運(yùn)行.直到 HRT縮短為 0.5d,OLR為 5.0gVS/(L?d)時(shí),反應(yīng)體系容積產(chǎn)氣率幾乎為0,甲烷濃度急劇下降,但反應(yīng)器的 pH值卻沒有明顯下降,說明反應(yīng)器產(chǎn)氣的下降不是酸積累造成的.此階段現(xiàn)象表明HRT太短,厭氧微生物已經(jīng)隨著出料流失,使得甲烷發(fā)酵終止.

圖2 餐廚垃圾與秸稈混合連續(xù)發(fā)酵的系統(tǒng)性能Fig.2 Performance of co-fermentation of kitchen waste and straw

在厭氧發(fā)酵連續(xù)實(shí)驗(yàn)過程中,有機(jī)酸的累積表明產(chǎn)酸速率和有機(jī)酸分解速率之間的不平衡,反映了產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群的解偶聯(lián)作用[9],揮發(fā)性有機(jī)酸代謝平衡是厭氧發(fā)酵反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵.如圖2(c)所示,pH 值一直穩(wěn)定在 7.2左右,表明發(fā)酵系統(tǒng)酸堿平衡處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)HRT為5d(OLR為8.0gVS/(L?d))和3d(OLR為6.66gVS/(L?d))時(shí),總酸(TVFA)濃度分別由 570 和1060mg/L升高到1380和2230mg/L,其中HRT 5d時(shí)乙酸濃度變化不大,穩(wěn)定在 310mg/L左右,而丙酸濃度則從190mg/L累積達(dá)到1062mg/L,所以丙酸累積是該段有機(jī)酸濃度升高的主要原因.此階段有機(jī)負(fù)荷較高,系統(tǒng)對(duì)酸的緩沖能力下降,間接影響了產(chǎn)酸菌的代謝活性,增加了高分子量 VFA的生成;而 HRT 3d時(shí)丙酸濃度較前一階段降低,濃度穩(wěn)定在 300mg/L左右,但是這一階段乙酸濃度由530mg/L逐漸累積達(dá)到1870mg/L,所以此階段有機(jī)酸濃度的升高主要是由乙酸累積導(dǎo)致的.可見隨著進(jìn)料濃度的降低,丙酸濃度下降,而乙酸濃度升高,說明進(jìn)料濃度降低時(shí),丙酸在高溫條件下可被產(chǎn)酸菌分解利用產(chǎn)生乙酸.HRT為1.5,1.0d時(shí),乙酸濃度仍保持較高水平,平均值最高達(dá)到2200mg/L,而丙酸濃度較低,在100～250mg/L之間浮動(dòng),由此階段揮發(fā)性有機(jī)酸的分布情況可以看出多種酸的存在,表明反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行的是混合型發(fā)酵.總之HRT從5.0d逐級(jí)遞減為1.0d的各階段,發(fā)酵系統(tǒng)都能夠平穩(wěn)運(yùn)行至少 4個(gè) HRT,表明高溫條件下的混合發(fā)酵系統(tǒng)能耐受更高濃度的有機(jī)酸.但是當(dāng)HRT縮短到0.5d時(shí),由于HRT過短,反應(yīng)體系已經(jīng)不再產(chǎn)氣,表明此階段的微生物停留時(shí)間(同HRT)不足以維持微生物的生長(zhǎng)代謝平衡,微生物被洗出反應(yīng)器.李蕾等[10]研究表明,高負(fù)荷[6gVS/(L?d)]條件下,產(chǎn)酸細(xì)菌(柔膜菌門、放線菌門)大量增殖,誘導(dǎo)互養(yǎng)脂肪酸降解菌(梭菌綱)豐度劇增,而與之互營的氫型產(chǎn)甲烷菌的豐度和活性卻下降了.產(chǎn)甲烷菌與互養(yǎng)脂肪酸降解菌的失衡導(dǎo)致它們不能有效的互養(yǎng)合作,從而引起揮發(fā)性脂肪酸(VFA)積累和過程失穩(wěn).

2.2 HRT對(duì)丙酸/乙酸的影響

丙酸/乙酸值的大小是反應(yīng)發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo).有研究報(bào)道,當(dāng)丙酸/乙酸值超過 1.4,且乙酸濃度高于 800mg/L時(shí),厭氧發(fā)酵系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生酸敗[11-14].

從圖3可以看出,HRT為5d時(shí),丙酸/乙酸值較高,最高可達(dá) 4.6左右,但是此階段乙酸濃度較低,低于800mg/L,而HRT從3d遞減為0.5d的過程中,乙酸和 TVFA濃度最高達(dá) 3000和3500mg/L,但是丙酸/乙酸值均低于 0.8,也從另一個(gè)角度說明整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)是相對(duì)穩(wěn)定的,未發(fā)生酸敗現(xiàn)象.因此,當(dāng)HRT為0.5d時(shí),系統(tǒng)產(chǎn)氣停止不是系統(tǒng)酸敗引起的,而是由于微生物被洗出引起的發(fā)酵失敗,所以 HRT 0.5d為混合原料(餐廚垃圾和玉米秸稈)高溫連續(xù)發(fā)酵微生物洗出的極限HRT.

圖3 停留時(shí)間對(duì)乙酸和丙酸濃度的影響Fig.3 Effect of HRT on the acetic and propionic

2.3 HRT對(duì)TS和VS去除率的影響

TS體現(xiàn)的是總有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)的總和,VS是產(chǎn)甲烷的主要來源.TS和VS去除率反映的是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中混合物料的利用率情況,TS和VS去除率的大小也間接反映了厭氧消化系統(tǒng)中水解產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的代謝能力和系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性.圖4為停留時(shí)間對(duì)TS和VS去除率的影響,從圖2(d)和2(c)及圖4可以看出,當(dāng)HRT由5d逐漸縮短到1.5d[OLR為6.66gVS/(L?d)]時(shí),TS和VS去除率都逐漸降低,表明HRT太短時(shí),微生物沖刷流失,微生物數(shù)量的減少直接影響發(fā)酵底物的利用率;當(dāng) HRT仍為 1.5d,但是將進(jìn)料濃度減半后發(fā)現(xiàn),TS和VS去除率有所提高,比降低進(jìn)料濃度前分別提高80%和20%,這是因?yàn)樵谖⑸飻?shù)量差別不大的前提下,負(fù)荷越低,原料降解越充分.同時(shí),從圖中發(fā)現(xiàn),當(dāng) HRT降到0.5d時(shí),TS和 VS去除率急劇下降為 5.17%和5.77%,此時(shí)反應(yīng)體系已經(jīng)不再產(chǎn)氣,表明微生物已經(jīng)被大量洗出,此時(shí)的 HRT(0.5d)就是微生物洗出的界限HRT.

Harrison等[15]論證了處理初沉池中污泥停留時(shí)間,在標(biāo)準(zhǔn)中溫消化 35℃條件下,不發(fā)生沖刷流失的HRT界限為4.2d,而本研究結(jié)果為55℃高溫條件下的界限HRT,在設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮HRT的安全率,McCarty[16]推薦最小安全率為2.5,因此,計(jì)算得到35℃條件下最小設(shè)計(jì)HRT為10d,和多數(shù)研究者是一致的.本研究結(jié)果表明55℃高溫條件下最小設(shè)計(jì)HRT為1.25d.所以中溫甲烷發(fā)酵HRT多設(shè)計(jì)為 20～30d,而高溫甲烷發(fā)酵多為10～15d[17].

圖4 停留時(shí)間對(duì)TS和VS去除率的影響Fig.4 Effect of HRT on the TS and VS removal

2.4 HRT對(duì)菌落結(jié)構(gòu)的影響

2.4.1 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征的變化 圖5高通量測(cè)序結(jié)果顯示,餐廚垃圾和秸稈高溫沼氣發(fā)酵液中目水平(Order)的優(yōu)勢(shì)菌群均屬于Firmicutes門和Thermotogae門.Firmicutes門是厭氧反應(yīng)器中主要的水解酸化菌,參與多種復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的降解,在高溫沼氣發(fā)酵中占主導(dǎo)地位[18].報(bào)道稱,以玉米秸稈等纖維素原料沼氣發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)水解細(xì)菌屬于 Firmicutes門(Clostridia綱)[19-20],Clostridiales能夠降解糖類,脂肪和蛋白質(zhì)產(chǎn)酸[21],并與嗜氫產(chǎn)甲烷菌共生(主要為 Clostridium屬),可促進(jìn)甲烷產(chǎn)生[22].OPB54能夠發(fā)酵糖類產(chǎn)乙醇和氫氣[23]. Thermoanaerobacterales能夠水解木質(zhì)纖維素產(chǎn)乙醇[24].Thermotogae門(超過 98%為S1屬)為反應(yīng)器中的次主導(dǎo)菌群,是厭氧反應(yīng)器中主要的水解淀粉,蛋白質(zhì)產(chǎn)酸菌[25],同時(shí)是餐廚垃圾,蔬菜廢棄物等易水解原料沼氣發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)水解酸化細(xì)菌[26].

圖5 不同水力停留時(shí)間各階段細(xì)菌組成變化Fig.5 The percentage changes of different kinds of bacteria at five HRTs

Zhang等[27]研究了HRT對(duì)淀粉沼氣發(fā)酵的影響,HRT由 244h降至 12h,酸化程度無明顯變化.HRT由5d降至3,1.5,1和0.5d,進(jìn)料濃度降低,混合原料中淀粉含量降低,導(dǎo)致淀粉水解菌Thermotogales的比例由41.0%降至6.3%.淀粉等易降解成分的含量降低,消耗速率加快,反應(yīng)器中纖維素成分的含量相對(duì)增加,促使了利用纖維素的Clostridiales和發(fā)酵糖類,甘油的OPB54的比例分別由32.9%和3.4%升至66.9%和10%左右.此外,反應(yīng)器中水解酸化菌還有 Bacteroidales,Synergistales, Rhodocyclales和Xanthomonadales.Bacteridals是纖維素水解菌[28].Synegistales能夠氧化長(zhǎng)鏈脂肪酸[29],與產(chǎn)甲烷菌共生,促進(jìn)甲烷產(chǎn)生.

圖6 不同水力停留時(shí)間各階段古菌的組成變化Fig.6 The percentage changes of different kinds of archaeas at five HRTs

2.4.2 古菌群落結(jié)構(gòu)特征的變化 圖6所示,HRT為 5d,餐廚垃圾和秸稈高溫沼氣發(fā)酵反應(yīng)器中嗜氫產(chǎn)甲烷菌 Methanoculleus屬和Methanothermobacter 屬分別占 57.0%和 24.4%,是優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌,而利用乙酸產(chǎn)甲烷的八疊球菌Methanosarcina占 14.1%,明顯低于嗜氫產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量.Methanoculleus屬能夠利用H2/CO2,甲酸和乙醇,是玉米秸稈,青貯玉米高溫沼氣發(fā)酵中的優(yōu)勢(shì)菌群[19-20],而餐廚垃圾高溫沼氣發(fā)酵中的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌為 Methanothermobacter 屬(95%～97%)[30-31].與嗜氫產(chǎn)甲烷菌相比,嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌對(duì)環(huán)境的改變更加敏感[32].在本試驗(yàn)中,隨著HRT的進(jìn)一步縮短,Methanothermobacter 屬的相對(duì)豐度提高,成為優(yōu)勢(shì)菌群,但Lin等[33]研究溫度提升對(duì)豬糞沼氣發(fā)酵的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),Methanothermobacter 屬相對(duì)豐度的增加不能提高反應(yīng)器的產(chǎn)氣率.嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌Methanosarcina屬的相對(duì)豐度則隨HRT的縮短顯著降低,HRT為3,1.5和1d時(shí)分別為8.2%,5.8%和1.9%,當(dāng)HRT縮短到0.5d時(shí),則進(jìn)一步降低至0.6%.可以推測(cè),隨著 HRT的縮短,系統(tǒng)利用乙酸的能力越來越弱.Ahring等[34]報(bào)告嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌貢獻(xiàn)了反應(yīng)器中 70%的甲烷產(chǎn)量.Niu等[35]研究氨氮累積對(duì)雞糞高溫沼氣發(fā)酵中微生物的影響發(fā)現(xiàn),氨氮抑制前優(yōu)勢(shì)菌群為Methanoculleu屬和Methanosarcina屬,抑制和恢復(fù)后,優(yōu)勢(shì)菌群變?yōu)?Methanothermobacterium 屬.Zhou[18]和 Lin等

[33]分別在豬糞單獨(dú)沼氣發(fā)酵和豬糞秸稈混合沼氣發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn),高溫反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌為Methanothermobacterium,Methanosarcina屬菌株僅占10%.Zhang等[36]研究發(fā)現(xiàn)在低HRT下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),餐廚垃圾沼氣發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌為嗜氫產(chǎn)甲烷菌.Kobayashi等[37]發(fā)現(xiàn)污泥高溫發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的古菌組成為72%的 Methanosarcina屬和 28%的Methanothermobacterium屬.可見,在高溫發(fā)酵下,嗜氫產(chǎn)甲烷菌發(fā)揮了重要作用,而乙酸產(chǎn)甲烷菌不發(fā)揮主要作用.那么,可以推測(cè),在高溫短停留時(shí)間條件下,甲烷主要來自于二氧化碳和氫,而不是乙酸,乙酸存在通過兩階段式互營途徑產(chǎn)生甲烷的可能,即乙酸首先被互營菌氧化生成二氧化碳和氫,再經(jīng)嗜氫產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化成甲烷.

高溫產(chǎn)甲烷菌的增殖速率遠(yuǎn)高于中溫產(chǎn)甲烷菌.即使在高溫條件下,嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的菌株倍增時(shí)間均在10h以上,增值速率慢;嗜氫產(chǎn)甲烷菌增值速率遠(yuǎn)高于嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌,部分菌株的倍增時(shí)間低于 1h,低 HRT條件下,嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌更容易被洗出[38],導(dǎo)致Methanosarcina屬的相對(duì)豐度逐步降低.不同類型嗜氫產(chǎn)甲烷菌增值速率存在較大差異, Methanobacterium典型菌株M. congolense DSM 7095T的倍增時(shí)間為7.5h,而Methanothermobacterium典型 菌株 M.thermoautotrophicum ATCC 2918T的倍增時(shí)間僅為 1.8h,既可以利用氫又可以利用乙酸產(chǎn)甲烷的Methanosarcina barkeri 典型菌株DSM 804T的倍增時(shí)間則為 25h,而 Methanosaeta的倍增時(shí)間為 24～65h.因此,隨著 HRT 的逐漸縮短,Methanothermobacterium屬菌株更易在反應(yīng)器中富集.

3 結(jié)論

3.1 HRT由5d逐級(jí)縮短至3,1.5和1d,對(duì)應(yīng)OLR依次為 8.0,6.66,3.33,5.0gVS/(L?d),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定.VS去除率逐級(jí)遞減至23.08%,產(chǎn)氣率和容積產(chǎn)氣率不斷減小,pH值穩(wěn)定在 7.2左右,丙酸/乙酸值均低于0.8.當(dāng)HRT降為0.5d時(shí),pH值穩(wěn)定在7.0左右,且未出現(xiàn)VFA累積,但反應(yīng)器幾乎停止產(chǎn)氣,微生物發(fā)生沖刷流失,VS去除率僅為5.77%.

3.2 餐廚垃圾和秸稈混合沼氣發(fā)酵過程中,HRT逐級(jí)遞減至0.5d,嗜氫產(chǎn)甲烷菌(主要為Methanomicrobiales)的比例由 85.9%增至99.1%,而嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌由 14.1%降至 0.6%,嗜氫產(chǎn)甲烷途徑是餐廚垃圾和秸稈高溫共發(fā)酵的主要途徑.

3.3 隨著 HRT減少,嗜乙酸產(chǎn)甲烷途徑受到限制.同時(shí),Clostridiales等能夠與產(chǎn)甲烷菌共生的水解酸化細(xì)菌的比例增加了近 1倍,推測(cè)乙酸氧化菌與嗜氫產(chǎn)甲烷菌共生是乙酸降解的主要途徑.

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