凹凸棒土提升猪粪厌氧发酵产甲烷效率及机理的研究

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规模化养殖场产生的大量畜禽粪便和养殖废水引起严重的环境污染,且日趋严重,厌氧发酵是解决污染的有效措施之一。猪粪废水包含高浓度的COD(化学需氧量)和总氮,厌氧发酵过程中高浓度氨氮和发酵初期VFAs(挥发性有机酸)累积都会降低产甲烷效率。已有研究表明在厌氧发酵体系中加入沸石、蒙脱石和膨润土等黏土矿物材料能够提高猪粪厌氧发酵产甲烷速率与效率。凹凸棒土也是一种天然非金属黏土矿物,拥有优良的吸附和离子交换性能,但是凹凸棒土对猪粪厌氧发酵产甲烷效率的影响及其作用机理尚缺乏研究。本实验以猪粪为发酵底物通过批式厌氧发酵实验(中温条件)研究凹凸棒土对厌氧发酵产甲烷效率、产甲烷动力学、工艺稳定性、微生物活性以及厌氧发酵关键酶的影响,探明凹凸棒土对猪粪厌氧发酵产甲烷效率的影响及其作用机理,具体结论如下:(1)凹凸棒土改变猪粪厌氧发酵产甲烷效率和产甲烷速率。低浓度(<10g/L)凹凸棒土增加猪粪发酵产甲烷量和产甲烷速率,高浓度(30g/L)抑制猪粪产甲烷;猪粪厌氧发酵最佳的凹凸棒土投加量为10g/L。凹凸棒土缩短了猪粪厌氧发酵延迟期,但30g/L凹凸棒土组存在着抑制;(2)凹凸棒土提高猪粪厌氧发酵工艺稳定性。在发酵前期,凹凸棒土对p H有缓冲性,随着投加剂量的增大缓冲能力越大,30g/L凹凸棒土有最大的缓冲能力;当凹凸棒土浓度为10g/L时提高了有机物降解,加快水解阶段和产甲烷阶段;在整个发酵周期内,投加凹凸棒土组氨氮浓度低于空白组,30g/L实验组FA(游离性氨)浓度高于其它组,尤其在发酵初期高浓度FA抑制系统产甲烷;(3)凹凸棒土提高猪粪厌氧发酵关键酶活性。投加凹凸棒土可以显著提高蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、脱氢酶和辅酶F420活性,但30g/L的投加量在发酵前期对蛋白酶和辅酶F420有抑制作用;(4)凹凸棒土改变猪粪厌氧发酵厌氧微生物菌群。产甲烷菌Methanomicrobia纲和Methanosarcinales目具有较高的氨氮耐受性,凹凸棒土可以提高Methanomicrobia纲和Methanosarcinales目的相对丰度,有利于高氨氮环境微生物的生长。凹凸棒土提高Clostridiales,Lactobacillales和Desulfobacterales的相对含量,加快水解和产乙酸阶段的反应速率,促进微生物代谢,进而提高厌氧发酵产甲烷的速率和效率。
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