（环境工程专业论文）有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究.pdf

摘要 摘要 作为传统的厌氧消化利用途经。该发酵产物可以作为原料进一步为产乙酸菌 的和产甲烷菌利用，生成甲烷而在目前多元化梯度利用系统中，该发酵产物还 可作为化工原料生产生物可降解塑料。为提高有机废物发酵产物多元化梯度利用 的效率和产品的附加值，本文主要研究了外界环境因素调控对于有机废物发酵产 乳酸和甲烷的影响，其主要内容包括p h 、温度和发酵时间对非灭菌有机废物厌 氧发酵产乳酸光学纯度提高的影响及反应系统中的微生物种群结构；在水解组 合式厌氧消化工艺中，难生物降解及易生物降解生物质在厌氧水解过程中的协同 及抑制作用，并通过剖析胞外水解酶的活性深入研究了甲烷化出水循环和水解液 回流对于水解效率的影响，主要得出了如下结论： l 、在非灭菌的厨余垃圾发酵产乳酸过程中u + ) 乳酸是主要的光学异构体 形式p h 、温度和发酵时间和它们的相互作用对乳酸的光学异构体形式有明显 影响。 1 ) p h 、温度和发酵时间的交化对乳酸的光学异构体纯度有明显影响。未调 节p h 、调节p h 到5 和8 条件下的乳酸光学异构体纯度高于p h 6 和p h 7 下的乳酸光学异构体纯度随着温度由3 5 。c 到4 5 。c ，乳酸的光学异 构体纯度增加。在不同p h 和温度条件下，有一个最优的发酵时间。 2 ) 乳酸菌和c l o s t r i d i u m 叩菌属是非灭菌厨余垃圾发酵产乳酸过程中的优 势菌种微生物种群结构的更替是在不同p h 、温度和发酵时间条件下 乳酸光学异构体纯度变化的原因。 2 、增加易生物降解的蔬菜废物能够改善难生物降解的花卉废物水解，在蔬 菜废物与花卉废物以定比例混合进行厌氧水解时，提高循环液的稀释率能够改善 水解过程的效率 1 ) 厌氧水解过程能够有效地使蔬菜花卉减量化蔬菜废物流加入到干花卉 中后，v f a 的形成和营养的补充对于提高整个过程的水解效率有重要影 响。水解率、产物分配、和c m c a s e 活性与进料基质的物理和化学特性 有明显的相关性这些物理化学特性包括t s ( ) ，碳( v s ) ，氦( v s ) ， 木质纤维素( v s ) ，半纤维素( v s ) 和总糖( t ，s ) 。 摘要 2 ) 提高稀释率能够提高有机废物的水解率，增加总的胞外酶活性，有机废 物的水解主要归功于c e l l f l e e 的酶活性，然后是b i o f i l m a s s o c i a t e d 的酶 活性，提高稀释率布景有利于c e l l - f r e e 的酶到达有机废物的表面，而且 同时促迸7b i o f i l m - a s s o c i a t e d 酶活性的富集。 关键词：有机废物；厌氧；发酵；乳酸：甲烷 i i a b s t r a c t t h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o np r o d u c t sc o u l db e f l l r t h 矗 p r o c e s s e di n t ob o t h m e t h a n ea n db i o d e g r a d a b l e p l a s t i c s t o r , o v c ta n dr e c y c l et h ea n a e r o b i c f e r m e n t a t i o np r o d u c t s , t h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h el a c t i ca c i da n d m e t h a n ep r o d u c t i o nw a se n v a l u a t e di nt h i ss t u d y i ti n c l u d e dt h a tt h ei n f l u e n c eo f p h , t e m p e r a t u r ea n df e r m e n t a t i o nt i m eo rt h ei s o m e rp u r i t yo fl a c t i ca c i da n dm i c r o b i a c o m m u n i t ys t r u c t u r ea n dt h ee f f e c to f d i l u t i o nr a t eo f r e c y c l i n gm e t h a n o g e n i ce f f l u e n t o nt h eh y d r o l y s i sr a t eo f o r g a n i cw a s t e s s o m ec o n c l u s i o n sms h o w na sf o l l o w s ： 1 d u r i n gt h en o n - s t e r i l ef e r m e n t a t i o no f k i t c h e nw a s t e s ，t h el ( + ) - l a c t i ca c i dw a s t h ep r e d o m i n a n ti s o m e rf o r m t h ep a , t e m p e r a t u r e , f e r m e n t a t i o nt i m ea n dt h e i r i n t e r a c t i o n sh a das i g n i f i c a n te f f e c to nt h ei s o m e rp u r i t y i tc a nb ec o n c l u d e da s 白i l o w s 1 ) p h ，t e m p e r a t u r ea n df e r m e n t a t i o nt i m eh a d 缸o b v i o u si n f l u e n c eo nt h e v a r i a t i o n so f t h ei s o m e rp u r i t y t h ei s o m e rp 面t ya tn o n - c o n t r o l l e dp h ，p h5 a n dp h8w a sm u c hh i g h e rt h a nt h a ta tp h6a n dp h7 。i ti n c r e a s e d 喇t h t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gf r o m3 5 0 ct o4 5 。c ，a n dt h e r ew a sa no p t i m a l f e r m e n t a t i o nt i m e 砒d i f f e r e n tp ha n d t e m p e r a t u r e 。 2 ) l a c t i ca c i db a c t e r i aa n dc l o s t r i d i u ms p d o m i n a t e dt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s s o fn o n - s t e r i l ek i t c h e nw a s t e s t h es u b s t i t u t i o no fm i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r u c t u r ee x p l a i n e dw h yt h ei s o m e rp u r i t yv a r i e dw i t hp h t e m p e r a t u r ea n d f e r m e n t a t i o nt i m ec h a n g e 2 t h ea n a e r o b i ch y d r o l y s i s o fh a r d l yb i o d e g r a d a b l eo r g a n i cw a s t e sc o u l db e i m p r o v e db yc o - h y d r o l y z i n gw i t ht h er e a d i l yb i o d e g r a d a b l eo r g a n i cw a s t e s a n d i n c r e a s i n gd i l u t i o nr a t eo f r e c y c l i n gm e t h a n o g e n i ce f f l u e n tc o u l dg r e a t l ye 1 1 h a n c et h e h y d r o l y s i sr a t eo f o r g a n i cw a s t e s 1 ) t h e i n a s sa n dv o l u m eo f v e g e t a b l ew a s t 髓a n df l o w e rs t e m sc o u l db er e d u c e d b yt h ea n a e r o b i ch y d r o l y s i s t h ei n t r o d u c t i o no f v e g e t a b l ew a s t e ss t r e a mi n t o t h ef l o w e rs t e r n sc o u l di n c r e a s et h eo v e r a l lh y d r o l y s i sr a t eo ft h em i x e d o r g a n i cw a s t e s ，r e s u l t i n gf r o mt h ev f af o r m a t i o na n dn u t r i e n ts u p p l e m e n t f r o mt h ev e g e t a b l ew a s t e s t h eh y d r o l y s i sr a t e ，p r o d u c t ss t r e a m sa n d c m c a s e a e t i v i t y h a da s i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o nt ot h eb i o c h e m i c a l i i i c o m p o s i t i o n so ff e e d i n gs u b s t r a t es u c h 觞t s ，c ( v s ) ，n ，h g n o c e l l u l o s e ， h e m i c e l l u l o s ea n dt o t a ls u g a r 2 ) t h em i c r o b i a lh y d r o l y s i so fo r g a n i cs o l i dw s s t e ac o u l db ei m p r o v e db y e n h a n c e dd i l u t i o nr a t e ，r e s u l t i n gf r o mt h ei n c r e a s i n go ft h et o t a le x t r a e e l l u l a r e n z y m ea c t i v i t y t h eh y d r o l y s i so f o r g a n i cw a s t e sw a sm a i n l ya t t r i b u t a b l et o c e l l - f r e ee n z y m e ，f o l l o w e db yb i o f i l m a s s o c i a t e de n z y m e i n c r e a s i n gt h e d i l u t i o nr a t e , n o to n l yf a v o r e dt h ec e l l f r e ee x t r a e e l l u l a re n z y m e sg e t t i n gt o t h es u r f a c eo fo r g a n i cw a s t e s ，b u ta l s o p r o m o t e dt h ei n c r e m e n to f b i o f i l m a s s o c i a t e de n z y m ec o n c o m i t a n t l y k e y w o r d s ：o r g a x u cw a s t e s ；a n a e r o b i c ；f e r m e n t a t i o n ；l a c t i ca c i d ；m e t h a n e i v 第1 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 1 1 前言 第1 章有机废物厌氧发酵产物多元化 梯度利用研究概述 1 1 1 有机废物的产生及其处理 随着我国经济的快速发展，城市化水平和人们生活水平的不断提高，城市生 活垃圾的产量与日俱增据报道【i 】，2 0 0 3 年我国城市生活垃圾的清运量达1 5 亿 吨如图1 - 1 所示，全国城市生活垃圾年清运量在1 9 8 0 - - 2 0 0 3 年的平均增长速率 达6 8 ，上海市城市生活垃圾年清运量在1 9 7 8 - 2 0 0 5 年的平均增长速率达7 9 城市周围历年堆存的未能处理的生活垃圾量达6 0 多亿吨，占地多达5 亿平方米， 全国有2 0 0 多座城市( 占全国城市总数3 q 仍处于垃圾的包围中急剧膨胀产生 的城市生活垃圾，已超出自然环境和现有处置体系的消纳能力，成为一个困扰城 市发展、污染市容环境、影响市民生活的重大社会问题。 城市生活垃圾产生量日益增加的同时，生活垃圾组分也随消费结构的改变相 应变化，但生物易降解的有机废物，如表1 1 所示，厨余、果皮和餐厨垃圾等仍 是城市生活垃圾中最主要的组成部分【2 埘与其它国家相比，上海市和杭州市生 物易降解的有机废物在城市生活垃圾中的比例最高，占6 0 - - 7 0 ：此类垃圾的 含水率高( 7 0 r 8 0 绚、低位热值较低( 3 3 0 0 - - 4 6 0 0 k j k g ) ，结构强度较低【3 5 1 因此， 从原料的生物可降解性、能源可转化性和结构强度特征( 含水率、堆积密度、颗 粒度、可压缩性、压实渗透性) 等角度出发，生化处理技术更适合于我国城市生 活垃圾的处理与利用，而厌氧消化更适合于低结构强度的厨余果皮类有机废物的 处理 6 - 1 0 1 第l 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 冒 l s 蛔 赛 廿 聪 莛 圳 年份 年份 数据来源：依据参考文献f l l ，1 2 j 计算 全国城市生活垃圾清运量仅统计城市范围人口包括城市和农村 图1 1 全国和上海市城市生活垃圾年清运量及年人均清运量- ” f i g u r e1 - iw a s t eg e n e r a t i o no f m u n i c i p a ls o l i dm s t ei nc h i n aa n ds h a n g t l a i 2 第l 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 表1 - 1 我国部分城市生活垃圾的组成( ) t a b l et - 1 c o m p o n e n t so f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e si ns o r t i ec i t i e s ( ) 注：空格为数据缺少，一为致据己归入其他类 1 1 2 厌氧消化技术处理有机废物 有机废物的厌氧消化过程是有机物质在特定的厌氧条件下，微生物将有机物 进行分解，其中的碳、氢、氧转化为甲烷和二氧化碳，而氮、磷、钾等元素则存 留于残留物中，并转化为易被动植物吸收利用的形式在这个过程中有机碳化物 的能量大部分被储存在甲烷中，仅有- - + 部分有机碳化物质氧化成二氧化碳，释 放的能量作为微生物存活的能量【”1 厌氧消化处理技术具有很多优点：( 1 ) 厌氧 消化后产生的沼气是清洁能源；( 2 ) 固体物质被消化以后可以得到高质量的有机 肥料和土壤改良剂；( 3 ) 在有机物质转变成甲烷的过程中实现了垃圾的减量化； ( 4 ) 与好氧过程相比，厌氧消化过程不需要氧气，降低动力消耗，因而使用成 本降低；( 5 ) 厌氧消化减少了温室效应气体c 0 2 的排放量。厌氧消化技术被认 为是一种具有可持续发展意义的技术【1 4 - 2 0 。在废水处理中，厌氧消化技术具有悠 久的历史，而在有机废物处理中，厌氧消化技术的发展是从2 0 世纪7 0 年代能源 危机开始的。中国农村的沼气发酵是典型利用厌氧消化技术处理废物获得能源的 第1 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 代表。农村废物的厌氧发酵多是在自发条件下进行，发酵的时间长，而且产气量 小。在欧洲，根据d eb r c 【1 9 1 的资料，在过去1 0 年中，固体垃圾总的厌氧处理 量由1 9 9 0 的1 2 2 ，0 0 0 吨年1 发展到2 0 0 0 年的1 , 0 3 7 ，0 0 0 吨- 年。以上，增长了 7 5 0 。欧洲的有机废物量已有四分之一是经厌氧处理的，而且增长速度逐年增 大，1 9 9 0 1 9 9 5 年的增长速度为3 0 ，0 0 0 吨年“，1 9 9 6 - - 2 0 0 0 年为1 5 0 ，0 0 0 吨年。 1 2 厌氧发酵产物的梯度利用 1 2 1 厌氧代谢过程及产物 厌氧消化是指在缺氧或无氧的环境下，微生物分解代谢有机物，形成各种代 谢产物，获得能量和合成代谢前体，实现自身生长和繁殖的代谢过程；具体可以 描述成4 个阶段：水解、酸化、产乙酸化和产甲烷化阶段【2 1 1 ，也可简化成厌氧发 酵和甲烷化两个阶段( 1 1 f l1 - 2 ) 。生物质的主要成分有蛋白质、脂肪和碳水化合物。 这些不可溶的大分子物质，首先被某些兼性厌氧和专性厌氧微生物所分泌的胞外 水解酶，分解成可溶的小分子物质，可溶物质被分泌水解酶的产酸微生物吸收和 利用，形成一系列代谢产物。生物质水解后的碳水化合物酸化成各种挥发性脂肪 酸( v v a ) 、醇类( a l c o h 0 1 ) 和乳酸( l a c u a e ) ：脂肪转化成长链脂肪酸( l c f a ) 和甘油 ( 甘油进一步降解成v f a 和醇) ，而l c f a 在没有产甲烷茵存在的情况下不能进 一步被降解 2 2 , 2 3 】；蛋白质水解成氨基酸并进一步脱氨形成v f a 等。由这些代谢 产物和未被进一步代谢的可溶性营养基质所组成的混合液体合称为发酵产物，主 要包括各种挥发性脂肪酸( v f a ) 、醇类( a l c o h 0 1 ) 和乳酸( l a c t a t e ) 。 4 第1 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 图1 - 2 厌氧消化的代谢过程 f i g 1 - 2d i f f e r e n tp h a s e so f a a a e r o b i cd i g e s t i o n 1 2 2 厌氧发酵产物梯度利用方式 发 酵 阶 段 牟 甲 烷 阶 段 作为传统的厌氧消化利用途经，该发酵产物可以作为原料进一步为产乙酸菌 和产甲烷菌利用，生成甲烷而在目前多元化梯度利用系统中，该发酵产物还可 作为化工原料生产生物可降解塑料；或生成道路融雪剂乙酸镁钙和丙酸镁钙f 2 2 2 3 l ；或合成高分子水溶性微生物产品【2 3 l ；也可以直接作为污水脱氮除磷生物处理 的碳源。特别地，采用有机废物如香蕉皮、麦秆、蚌类、污泥和厨余等废物作为 厌氧发酵产乳酸的原料，已引起越来越多研究者的关注【2 4 - 2 a 。成为有机废物资源 化处理的重要途径之一不同的后续利用途径对发酵产物的组成要求不尽相同， 需要对发酵产物的组成进行选择性地调控( 图1 - 3 ) 。 因此，对于有机废物厌氧消化的梯度利用，调控厌氧发酵产物的组成是技术 关键。这将有利于提高有机废物的厌氧生物转化率，提高可资源化产品的产量， 第l 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 调节可资源化产品的品质，从而有利于有机废物的减量化和资源化利用。 图1 3 发酵产物利用途经 f i g 1 - 3u t i l i z a t i o no f f e r m a n t a t i o np r o d u c t si nd i f f e r e n tw a y s i 3 有机废物厌氧发酵产乳酸 1 3 1 乳酸及其光学纯度 乳酸是有机废物厌氧发酵的主要产物之一，是具有多种功能的化学物质，广 泛应用于食品、医药、纺织和化工等行业。乳酸具有两种同分异构体，即l 乳 酸和d - 乳酸。d 乳酸对人体有害，只有l 乳酸能被应用于食品工业。高异构 体纯度的乳酸是获得高纯度聚乳酸所必需的。可使聚合体具有高的抗压，抗化学 变化和抗热的性能 3 0 l 。化学合成法只能生成乳酸的消旋体，而微生物发酵法则可 以通过调控接种菌种、基质和生长条件得到l 乳酸、d 乳酸或两者的混合物【3 “。 1 3 2 有机废物厌氧发酵乳酸的生产方式 微生物发酵法中原材料占总运行成本的4 0 1 2 4 1 。有机废物如香蕉皮，麦秆， 蚌类、污泥和厨余等有机废物都已作为微生物发酵产乳酸的原料 2 4 2 8 】。为了提高 第1 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 乳酸的异构体纯度，通常在废物灭菌后添加多种纯种乳酸细菌如l a c t o b a c i l l u s p l a n t a r u m 。b a c i l l u sc o a g u l a n s s t r e p t o c o c c u ss a l 加以凇静e n t e r o c o c c u x 扣8 矗s 脚删。但由于有机废物很难完全灭菌，而且灭菌需要消耗能量，因此灭菌 去除土著微生物而接种别的纯种乳酸细菌并不经济此外，单一的乳酸细菌难以 完全代谢复杂的碳水化合物阱1 。因此，非灭菌发酵体系日益引起关注。然而，非 灭菌体系中存在复杂的微生物组成，难于产生高异构体纯度的乳酸f 2 8 】。如何提高 非灭菌有机废物发酵体系中乳酸的异构体纯度十分具有挑战性 据报道厨余类有机废物的混合菌发酵比接种单一菌种能产生更多的乳酸 2 8 1 。目前，对于非灭菌的有机废物发酵产乳酸，主要关注如何提高乳酸的产量【2 新， 而对乳酸的异构体纯度却鲜有研究报道 1 3 3 非灭菌有机废物厌氧发酵产乳酸的光学纯度改善 乳酸的异构体纯度会随着p h 的不同而变化”3 3 n 。t a n a k a 等利用接种微生物 与土著微生物产乳酸的最适p h 不同，通过控制p h 抑制土著微生物的生长，从 而提高了脱脂麦麸的d 乳酸纯度1 3 6 】s a k a i 等研究了p h 在厨余垃圾发酵产乳酸 过程中的影响，认为持续调节p h 与问歇调节p h 相比，会降低乳酸产量的选择 性，因为大肠菌和梭菌会增加1 0 倍左右【堋w a n g 等得出了与s a k a i 等相同的结 论，认为在p h 调节对获得高光学纯度的乳酸具有特殊重要性【3 7 】 微生物种类主要决定了乳酸的异构体形式在所有产乳酸过程中，乳酸细菌 占有重要的地位，是乳酸的主要生产者，因此对发酵过程乳酸细菌的研究一直是 关注的重点【翔乳酸细菌包括l a c t o b a c i l l u s ( l b ) 、l a c t o c o c c u s ( l c ) 、e n t e r o c o c c u s 、 c a r n o b a c t e r i u m 、l e u c o n o s t o c 、o e n o c o c e u s 、p e d i o c o c c u s 、t e t r a g e n o c o c c u s 、 v a g o c o c c u s 和w e i s s e l a 以碳水化合物为底物时，会通过不同的代谢途径，形成 同型发酵、异型发酵和混合发酵同型发酵只生成乳酸，而异型发酵或混合发酵 则除乙酸外，亦会生成甲酸和乙酸。大部分乳酸细菌只产生单一异构体形式的乳 酸。而一些乳酸细菌却能同时生产l 乳酸和d 乳酸，且生成的异构体纯度随着 环境条件、营养和底物的不同而变化【3 i 】 然而以有机废物作为发酵底物时，由于存在许多大分子物质不能直接被乳酸 细菌代谢，因此研究乳酸发酵过程中的微生物多样性十分重要。e r m a h a r 等认为 7 第1 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 环境条件以及物料的变化可能导致微生物组成的不同，进而指示了最终乳酸异构 体纯度的变化口9 】。s a k a i 等认为非灭菌厨余垃圾敞开发酵体系中，控制p h 摆动 区间会形成乳酸细菌的主导地位；在发酵后期，乳酸产量较高但纯度较低的 l a c t o b a c i l l u s p l a n t a r u m 成为主导微生物【2 8 1 。 1 4 有机废物厌氧发酵产甲烷 1 4 1 厌氧消化工艺发展 目前，全世界每年大约有1 0 0 万吨的固体废物( 湿重) 经过厌氧消化处理， 实现废物的减量、能源化和资源化。尤其在欧洲，固体废物的厌氧消化技术是一 项逐渐趋于成熟的技术，已有二十余年的运行积累【”1 。 厌氧消化工艺根据废物中有机固体浓度的高低可以分为干法消化工艺和湿 法厌氧消化工艺。干法厌氧消化，即保持固体废物的原始状态进行厌氧消化，反 应器内的消化物料的总固体( t s ) 浓度在2 0 - - 4 0 之间。湿法厌氧消化工艺中 有机固体废物t s 通常低于1 5 ，进料要用水作稀浆化处理。显然，对于原始 含固率大于1 5 的废物，干法工艺可减小发酵器容积，减少投资；且比湿法处理 具有更高的有机负荷率和产气效率。但干法工艺中，物料缺乏流动性，为了满足 消化过程环境条件均匀性和避免消化中间产物积累的需求，必须采用特殊的搅拌 设备，至今还只有v a l o r g a 公司一家拥有此专利技术，采用干法工艺的设备成本 远高于湿法。 根据消化过程是否分相( 段) ，厌氧消化工艺可以分为单相厌氧消化工艺和 两相厌氧消化工艺。两相厌氧工艺将厌氧消化的水解和甲烷化过程分别放置在两 个单独的反应器中进行，为水解菌和产甲烷菌提供了各自的生存环境，能够降低 在有机负荷过高的情况下挥发有机酸积累对于后续甲烷化产气的抑制，降低反应 器中不稳定因素的影响，提高反应器的负荷和产气的效率【4 l 】。在两相厌氧消化工 艺中，可以根据实际需要在产酸相和产甲烷相应用高效的厌氧反应器 4 2 , 4 3 。 根据运行的连续性，厌氧消化可以分为连续厌氧消化工艺和间歇的厌氧消化 工艺哗】 第1 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 目前已成功运行的几种大规模厌氧消化工艺( 每年的处理量为 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 吨) 分别是v a l o r g a 1 - 艺、d r a n e o 工艺、k o m p o g a s 工艺、和b i o c e l l 工程【6 】其中前2 个工艺属于干法单相连续厌氧消化过程( d r a n o a 工艺采用液相 循环方式进行搅拌) ，后2 个工艺分别为连续和间歇的湿式厌氧消化过程( 4 3 1 根据厌氧消化过程中甲烷菌的最适温度范围，厌氧消化还可以分为中湿消化 过程( 3 2 3 8 ) 和高温消化过程( 5 0 - - 5 5 ) 【4 5 】目前，废物的厌氧消化大多 是在中温下进行的。具有工艺稳定和经济性的优势。高温厌氧消化在病原菌的杀 灭方面更为有效，对于将厌氧消化剩余物直接用于土地利用的时候，高温处理更 有必要性f l o 】。然而在高温消化的实践中，有机物转化率往往比中温消化更低，这 主要是由于高温条件下，游离n h 3 的浓度比中温条件下高，毒性抑制更为显著； 同时，高温厌氧茵群生态稳定性较差也是一个重要的原因，导致高温厌氧工艺运 行的不稳定。 1 4 2 生物质有机废物的厌氧降解及协同性 厌氧消化用于处理有机废物时希望达到两个目标：减少有机废物的废物量和 提高厌氧消化后可资源化，能源化的生物质能( 即减量化和资源化) ，尽可能提高厌 氧生物转化率4 6 。 近年来，越来越多的研究表明，对于非均相非均质高含固率有机废物的降解， 颗粒态物料的水解成为控制步骤，微生物酶与颗粒态物料之间的传质过程以及 复杂物质的水解是颗粒态有机废物厌氧消化的控制步骤【2 i ，4 7 4 9 l ；产甲烷菌对水解 酸化产物的降解能力不同，乙酸和丁酸容易被利用，而丙酸被认为是厌氧产甲烷 过程的瓶颈问题，其利用易受氢分压影响【捌：支链有机酸的降解速率低于其直链 形态；戊酸和己酸需通过b 氧化降解形成乙酸、丁酸和丙酸，因而降解速率要小 于异丁酸和正丁酸f 5 ”。因此加速水解过程和优化水解酸化产物分配是提高有机废 物甲烷化转化潜力和速率的关键。 生物质基质的生物可降解性直接决定水解速率和液化产物分布。若将生物质 基质具体划分为易生物降解碳水化合物( 如单耱、双糖和淀粉等) 、难生物降解碳 水化合物( 如纤维素、半纤维索和木质素等) 、蛋白质和脂肪，不同生物质基质的 水解动力学常数存在显著差异【4 9 】不同类别生物质厌氧降解的也不尽相同。h a r t 第1 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 等的研究表明，纤维素生物质降解的主要v f a 组分是乙酸，而蛋白质代谢的主 要中间产物是丙酸、戊酸和乙酸i s 2 1 。 不同类别生物质基质的降解依照不同的代谢途径进行，但其降解过程中产生 的相同中间代谢产物，如丙酮酸和乙酰辅酶“瑚，使得不同生物质基质降解的代 谢途径之间通过相同的中间代谢产物形成交叉节点，即不同生物质基质降解至形 成最终产物的代谢流动构成了复杂的代谢网络，导致不同生物质基质之间的共代 谢、竞争代谢或协同代谢i s 4 ，从而影响不同类别生物质基质的厌氧液化速率、液 化产物组成分布和甲烷化潜力。 首先不同类别生物质的代谢途径相互关联脚】。糖酵解途径中形成的许多中问 产物，可作为合成其他物质的原料，如磷酸二羟丙酮可转变为甘油，丙酮酸可转 变为丙氨酸或乙酰c o a ，后者是脂肪酸合成的原料。其次，不同生物质代谢过 程之间存在竞争抑制与协同作用如易降解碳水化合物和蛋白质联合厌氧代谢过 程中，蛋白质的降解速率慢于易降解碳水化合物，易降解碳水化合物的代谢产物 葡萄糖对蛋白质的降解会产生抑制作用1 5 6 1 而蛋白质降解产物氨对厌氧系统中 p h 具有缓冲作用，又能为整个系统提供氮源，可以促进碳水化合物的降解代谢。 m u r t o 等的研究就是利用水果蔬菜类废物与牲畜粪便联合厌氧消化过程中，挥发 性脂肪酸和氨氮的平衡作用来缓解反应系统p h 的剧烈变化，即利用了两种有机 废物厌氧代谢在微生物营养需求方面的协同性来提高有机废物的降解率【期。生物 质生物可降解性除与本身性质有关外，还会随着降解过程而变化【5 们，y u 等在研 究纤维素和葡萄糖共酸化过程中发现，葡萄糖的厌氧液化产物v f a 和乙醇可以 通过疏松纤维素结构、降低其结晶度，从而提高基质的生物可降解性弘9 1 。 在实际应用的厌氧反应过程中，如生态填埋反应器和有机废物厌氧消化过 程，生物质基质包括易降解碳水化合物( 如单禧、双糖和淀粉等) 、难降解碳水化 合物( 如纤维素、半纤维素和木质素等) 、蛋白质和脂肪。提高其中难生物降解生 物质的厌氧降解代谢速率是加速混合物料甲烷稳定化的关键。目前对于易生物降 解生物质与难生物降解生物质混合消化过程，通常是根据已有易生物降解生物质 厌氧代谢过程的抑制作用和协同性对厌氧代谢过程进行调控，如生态反应器填埋 过程对于酸碱度的控制和废物的预处理【觚6 1 】、厌氧消化反应器的分级和环境因子 的调控等【4 3 ，6 2 l 。对于这些难生物降解生物质，需要经过预处理【6 3 1 或后处理【叫改 1 0 第1 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 交反应环境的酸碱度和温度以提高其甲烷化速率和稳定化程度。而通过原料调控 生物质组成，依据不同类别生物质在共代谢过程中的协同性提高生物质厌氧转化 速率的研究尚不多见 在厌氧降解代谢过程中，纤维素、半纤维素和木质素这类难生物降解碳水化 合物与易生物降解碳水化合物、蛋白质和脂肪类生物质在联会代谢过程中的降解 特征及资源化潜力未有研究报道。但目前，对于这类生物质的降解已逐渐为人们 所重视i 五等的研究【6 5 】已将纤维素酶活性作为新老生态填埋反应器交替作用的 表征指标。在对含有难生物降解碳水化合物( 纤维素、半纤维素和木质素) 的预 处理过程中，稀酸6 叼和氨6 7 1 可以疏松纤维素、半纤维素和木质素结构、降低结 晶度，提高其可生物降解能力。在不同类别生物质的共代谢过程中，易生物降解 碳水化和物和蛋白质在厌氧降解代谢过程中产生的v f a 和氨通过怎样的环境调 控可以提高纤维素、半纤维素和木质素的可生物降解能力? 这也是本项目研究的 重点问题。 p h 和温度是影响厌氧代谢过程的重要环境因素改变p h 可以引起微生物 种群和代谢途径的剧烈变化，从而影响厌氧液化产物分配，在厌氧液化过程中起 着重要作用。何品晶等在进行厌氧液化蔬菜类有机物的间歇实验时发现p h5 矽 范围，液化产物的组成分布发生了显著的变化特征i 醴】。其他研究者也均实验验证 了p h 调节对厌氧液化速率和厌氧液化产物组成的作用9 6 ”3 1 不同生物质在不 同温度条件下的降解率明显不同碳水化合物和脂肪在中温3 5 ( 2 的降解率要高 于高温5 0 ( 2 时的降解率，但对于蛋白质的降解，中温更为有利r 7 4 1 1 4 3 生物质有机废物的厌氧消化过程 易生物降解有机废物的可生物降解有机物含量高，单相厌氧消化工艺在提高 有机负荷过程中容易出现产酸和产甲烷过程不平衡的发酵现象，挥发酸( v f a ) 积 累，p h 剧烈下降，产甲烷菌受到抑制，处理的有机负荷难以提高：难生物降解 有机废物，例如植物的茎、秆、叶中含有的纤维素、半纤维素及木质纤维素成分， 利用单相厌氧消化工艺处理时间长，效率低。而若采用两相厌氧消化可以实现生 物相的分离，通过调控两个单元的运行参数，形成产酸发酵微生物和产甲烷发酵 微生物各自的最佳生态条件，从而形成串联的高效发酵过程，可以大幅度提高废 第l 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 物的处理能力和工艺运行的稳定性n 5 硼。对于易生物降解有机废物，采用两相工 艺将水解和甲烷化过程分开在两个反应器中进行，可以避免易生物降解有机废物 快速酸化引起的甲烷化过程的抑制；而难生物降解有机废物降解速率慢，利用两 相厌氧消化工艺可以在水解酸化阶段采取微生态和环境条件的调控手段加速水 解过程，从而提高整个厌氧消化过程的速率。 同时，易降解和难降解有机废物的混合还可能取得一定的互补效应，有研究 【7 n 2 1 认为，易降解废物快速水解产生的v f a 通过调控可在反应器中保持微酸性 环境，有利于难降解有机废物的水解。 水解一甲烷化二段式厌氧消化工艺的关键技术问题为：1 ) 无论是水解反应 器还是甲烷化反应器，水解酸化过程和甲烷化过程不易实现完全的分离，水解反 应器中一旦建立了甲烷化过程，优势微生物对环境条件的自发性调控，将会使设 计的控制条件难以维持，影响水解效率。2 ) 由于产甲烷菌对外界环境条件要求 苛刻，水解反应器排出的高浓度有机酸液易对其微生态形成冲击，导致整体工艺 过程的不稳定，降低了整个厌氧消化过程的甲烷化效率。 避免水解阶段产生甲烷的调控手段研究，目前集中在使水解过程保持微酸性 环境抑制甲烷化、和水解过程微量通气提高o r p 抑制甲烷化2 个方面，均具有 理论的可行性，实际应用的关键是必须使调控的实施与水解效率的提高相一致。 为提高甲烷化反应器的抗冲击能力，关键是在反应器内维持高浓度且微生态 平衡的甲烷化菌群，可行的方法是在反应器内形成甲烷化菌群聚团，已探索的技 术有；升流式厌氧污泥床( u a s b ) 、厌氧滤池( a f ) 、厌氧附着膜膨胀床( a a f e b ) 及内循环反应器( t o 等。这些新型高效的厌氧反应器的开发目的是能从结构和运 行方式上保证反应器内保持较高生物量，较长固体停留时间。u a s b 反应器由于 高效、低耗而在废水处理工艺中得到了广泛应用。但在工程实践中，仍然遇到了 一些问题，如颗粒污泥的快速形成及其活性保持。投加无机絮凝剂或高聚物，如 f e s 0 4 膨润土和聚丙烯酰胺，利用吸附与架桥作用促进絮凝体丝状菌网络内菌 体的生长，对提高反应器效率和减少污泥流失，具有一定的实用价值。投加细微 颗粒物，如粘土、陶粒、活性炭、沸石、聚亚安酯泡沫等，利用这些惰性填料为 微生物提供生长的晶核和生物载体，加速颗粒化的形成。投加惰性颗粒，应选择 比表面积高，密度接近厌氧污泥，好的憎水性，球状等性质。但是惰性颗粒若投 1 2 第1 章有机废物厌氧发酵产物多元化梯度利用研究概述 加过量，会在水力冲刷和沼气搅拌下相互撞击、磨擦，造成强烈的剪切作用，阻 碍初成体的聚集和粘结，对于颗粒污泥的成长有害8 3 1 因此，在厌氧甲烷化反应 器内形成甲烷化菌群聚团的技术仍有发展的要求 1 5 研究目的、内容及意义 为提高有机废物发酵产物多元化梯度利用的效率和产品的附加值，本文主要 研究了p h ，温度和发酵对间对非灭菌有机废物厌氧发酵产乳酸光学纯度提高的 影响及反应系统中的微生物种群结构；在水解组合式厌氧消化工艺中，探讨了 难生物降解及易生物降解生物质在厌氧水解过程中的协同及抑制作用，并通过剖 析胞外水解酶的活性深入研究了甲烷化出水循环和水解液回流对于水解效率的 影响，为有机废物厌氧发酵过程工艺条件的选择和优化提供依据。 第2 章分析测试方法 第2 章分析测试方法 2 1 固相化学指标测试 1 t s 减重法，7 0 0 c 灼烧4 8 h 2 v s 减重法，5 5 0 0 c 灼烧6 h 。 3 c 烈溺j o i s c n h s 元素采用c h n s 一9 3 2d e t e r m i n a t o r ( l e c ol t d ，u s a ) 仪器法分析o 元素根据v s 减量计算。 4 蛋白质 微量凯氏法，蛋白质= ( 凯氏氮一氨氮) 6 2 5 u i 5 脂肪 索氏提取法f 州 6 碳水化合物 碳水化合物根据v s 减量计算确定。碳水化合物= v s - - 蛋白质一脂肪 z 纤维素木质素 采用中性洗涤纤维( n e u t r a ld e t e r g e n tf i b e r , n d f ) 法测试，即在中性洗涤剂的 消化作用下，样品中的糖、淀粉、蛋自质、果胶等物质被溶解除去，不能消化的 残渣即为中性洗涤纤维，主要包括纤维素，半纤维素、木质素、角质和二氧化硅 等【b 5 1 。 2 2 液相物理化学指标测试 1 p h p h o r p p c 测试计( o a k t o n ，u s a ) ，或p h 控制器( p h l 0 1 型，h o t e c ，台湾) 。 1 4 第2 章分析测试方法 2 氧化还原电位( o r p ) p h o r p p c 测试计( o a k t o n , u s a ) 。 3 总碳( t c ) 总有机碳( t o c ) 无机碳a c ) t n t cm u l t in c3 0 0 0 a n a l y z e r ( a n a l y t i kj e n aa g ， 样品量为0 6 m l 。 4 总氮口n ) t n t cm u l t in c3 0 0 0a n a l y z e r ( a n a l y t i kj e n aa g ， 样品量为0 6 m l 。 g e r m a n y ) 。炉温8 5 0 。c ， g e r m a n y ) 。炉温8 5 0 0 c ， s 有机酸( v f a 和乳酸) 采用高效液相色谱法，可检测的v f a 类别包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、 异丁酸、戊酸、异戊酸和己酸。水相有机酸专用h p l c 分析系统( l c 2 0 a d p r o r u i n c n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p ho r g a n i ca c i da n a l y s i ss y s t e m , s h i m a d z uc o l t d ，j a p a n ) ，采用排斥色谱法分离，采用柱后p h 缓冲电导法检测。配备以下组 件：l c 2 0 a d 流动相输液泵，l c 2 0 a d 缓冲相输液泵，c d d 1 0 a v p 电导检测器， c t o 1 0 a s v p 柱温箱，s c l - 1 0 a v p 系统控制器，s h i m - p a c ks p r - h 分析柱、 s h i m - p a c ks p r - h ( g ) 保护柱和l c m l u t i o nv c r 1 。ls i n g l e 工作站。流动相为4m m o l r 1 对甲苯磺酸( p - t o h c m u l f o n i ca c i d ，t s a ) 溶液；缓冲相为含1 6 m m o l1 1b i s t r i s 、 4 r e t o o lr 1t s a 和1 0 0 p m o lr 1e d t a 的水溶液。流动相和缓冲相的流速均为 0 8 r e t o o l1