利用复合纤维降解菌系预处理的尾菜厌氧消化工艺研究

来源 :中国农业科学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lan2009908
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蔬菜从采收到最终被食用这个过程中会产生大量尾菜,尾菜含水率高和有机质含量高的特性适宜用厌氧消化进行处理。但尾菜中含有部分难降解木质纤维素,在厌氧消化过程中会造成原料利用不彻底、出料难及易形成浮渣等问题,因此对其进行预处理极为重要。但物理化学方式均存在耗能高、易产生抑制物质及预处理过度等问题,而生物预处理则有效避免了这个问题。本研究首先对未预处理尾菜厌氧消化的基本工艺参数进行了研究,将含固率设置为4%和8%,每个含固率下设置0.8、1.0、1.2三个接种比进行批次厌氧消化。结果表明,累积甲烷产量随含固率的提高而增加,随接种比的提高而降低,在含固率为8%,接种比为0.8时,累积甲烷产量最大,达到253.81 mL·g-1VS。同时发现,含固率一定时,接种比越高,越有利于缩短厌氧消化周期,但会降低累积甲烷产量;接种比一定时,含固率越高,产甲烷延滞期越长,累积甲烷产量越高;含固率越低,接种比越高,丙酸降解速度越快。确定尾菜厌氧消化基本工艺参数后,为进一步提高原料的能源转化率,选用复合纤维降解菌系对其进行预处理,同时添加生物炭和微量元素,通过正交实验研究预处理时间(24 h、48 h、72 h)、生物炭添加比例(5%、15%、20%)及微量元素添加量(10 mL·L-1、20 mL·L-1、40 mL·L-1)对产甲烷的影响,得出预处理最佳时间为24 h,生物炭最佳添加比例为总体系TS的20%,微量元素溶液最佳添加比例为40 mL·L-1(FeCl2·4H2O:20 mg·L-1、CoCl6·6H2O:2 mg·L-1、NiCl6·6H2O:2 mg·L-1)。沼气产量随生物炭添加比例的增加而增大,随微量元素添加量增加而增加,但随预处理时间的增加,沼气产量反而下降。最后为了明确适合尾菜连续厌氧消化的有机负荷,并使系统在此负荷下能高效稳定的运行,针对添加生物炭及微量元素对预处理尾菜连续厌氧消化的影响进行了研究,并对尾菜连续厌氧消化过程中的微生物群落结构进行了分析。结果表明在OLR 1.5~3.0a g·VS·L-1·d-1和3.0b~3.25g·VS·L-1·d-1运行条件下,结合VMPR和VS产甲烷率,预处理和添加生物炭均对产甲烷有明显促进作用。当OLR为3.0 g·VS·L-1·d-1时,最适宜尾菜连续厌氧消化的运行。生物炭的加入降低了挥发性脂肪酸的积累速度,提高了厌氧消化系统的缓冲能力。挥发性脂肪酸浓度在4000 mg·L-1以下时,微量元素的添加能明显促进挥发性脂肪酸的转化,但挥发性脂肪酸浓度超过7000 mg·L-1后微量元素调控短时间内无明显作用。结合细菌和古菌的Shannon指数,得出厌氧消化系统中细菌群落结构多样性高于古菌群落结构多样性。预处理提高了古菌群落结构多样性,生物炭对细菌和古菌群群落结构多样性均有明显提高作用。Bacteroidetes和Firmicutes是整个厌氧消化过程细菌群落中的优势菌群,Methanosaeta始终在古菌群落中占主导地位,相对丰度一直保持在50%以上。在OLR 3.0a g·VS·L-1·d-1时,预处理和生物炭的添加均对Candidatus Methanofastidiosum的产生有促进作用。在OLR 4.0g·VS·L-1·d-1下,生物炭能诱导Methanosarcina的产生。
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