（环境工程专业论文）秸秆与城市污水处理厂厌氧消化污泥的混合厌氧实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本实验将秸秆与厌氧污泥进行混合处理，其优点在于秸秆的含碳量高，含 氮量低，而污泥刚好相反，+ 两者混合处理的过程中碳氮刚好可以进行调节，这 样可以在加入较少或不加其它辅助材料的情况达到较好的处理效果，而且处理 后的产物在一定条件下可以当作肥料还田；污泥中含有丰富的微生物，其中含 有大量的纤维素降解菌和产甲烷菌，所谓降解秸秆主要是降解其中的纤维素， 加入污泥，就不用另外加入其它微生物催腐剂，而且产生一定量的气体用作能 源，这样可以大大降低成本。 针对秸秆和污泥的具体特性，通过调控消化原料的合理配比来调节固含率， 通过实验研究原料配比及其性质来调控对消化过程的影响。固含率的变化对产 气量和气体成分有较大的影响，随着固含率的增加，产气量增加，甲烷含量也 有提高，产气持续时间增长，所以在其他条件不变的情况下，固含率是消化反 应的一个重要影响因素。在4 到7 的固含率中，高甲烷量的时间滞后于产气 高峰时间，这严重地影响到对反应生物气的利用，因此，固含率的变化对两个 时间的重叠无太大的影响。 本实验还通过改善实验条件，如p h 值，c y ，清水预处理等，研究对生物 产气量和纤维素降解的影响。实验结果表明，p h 值的调节对生物产气量和纤维 素降解影响不大；清水预处理可以使t s 迅速降低，降解率达到了4 6 7 1 ；c n 比调节下产气高峰时间提前，而且比其他条件下的都要高得多，达到5 2 9 m l d ， 累积产气量也达到了6 3 5 9 m l ，纤维素降解率达到了6 8 3 5 ，且甲烷产气高峰与 产气高峰几乎重叠，有较高的经济利用价值。 同时，实验利用驯化效果好的料液再次对秸秆进行处理，由于驯化料液比 起消化污泥中含有更为丰富的微生物，尤其是纤维素降解菌和产甲烷菌，使得 在反应初期可以迅速进入产甲烷阶段，缩短了反应周期，由原来的3 0 多天缩短 到了1 5 天左右，达到了缩短周期，加快秸秆资源化处理的目的。添加驯化后的 反应纤维素降解率明显好于未添加反应，所以在处理秸秆时可以考虑添加已驯 化后的料液，同时可以考虑多种料液混合，会达到更好的效果。c o d 的变化曲 线再次说明了驯化料液虽然含有较多的纤维素降解菌和产甲烷菌，但是并未增 加针对难降解物质的微生物，如木质素降解菌。 关键词：秸秆；消化污泥；产气量；纤维素降解率；固含率；驯化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ea d v a n t a g eo ft h ea n a e r o b i cc o - d i g e s t i o no fw h e a ts t a l ka n ds l u d g ei st h e a d j u s to fc n ( t h ep r o p o r t i o no fc a r b o na n dn i t r o g e n ) i ti st h er e a s o nt h a tt h e p r o p o r t i o no f c a r b o na n dn i t r o g e ni sh i g hi nw h e a ts t a l k ，a n di sl o wi ns l u d g e ：i tm a y r e d u c et h eq u a n t i t yo fo t h e ra d d i t i o ns u b s t r a t ew h i c hi sm i x e di nt h ed i s p o s a lo f w h e a ts t a l k s y n c h r o n o u s l y , t h e r ea r ean u m b e ro fm i c r o o r g a n i s m si ns l u d g e t h e y d i g e s tt h ec e l l u l o s ea n dp r o d u c em e t h a n ei nt h er e a c t i o n t h e r ei sah i g hv a l u ei n r e c y c l i n g o n ep a r to ft h ee x p e r i m e n t a t i o ni sas t u d yo nt h ei n f l u e n c ef o rt h ea n a e r o b i c d i g e s t i o nb yt sw h i c hi sa d j u s t e db yt h eq u a n t i t yo fm a t e r i a l t h e r ei sm u c he f f e c t o nt h eg a sp r o d u c t i o na n dg a sc o m p o n e n tt h r o u g ht h e c h a n g eo ft s t h eg a s p r o d u c t i o ni si n c r e a s e d ，t h ep e r c e n t a g eo fm e t h a n ei nt h eg a si sa d v a n c e d ，a n dt h e t i m eo fg a sp r o d u c t i o ni sp r o l o n g e db yi n c r e a s i n gt s t h e r e f o r e ，t si st h ei m p o r t a n t f a c t o ri nt h ec o - d i g e s t i o np r o c e s s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec o m i n gf o rt h em a x i m u m o fm e t h a n ep r o d u c t i o nd e l a y st h ec o m i n gf o rt h em a x i m u mo f g a sp r o d u c t i o ni nt h e p r o c e s sw i t hh a v i n gn o t h i n gt od ow i t hc h a n g eo ft h ec o n t e n to ft sf r o m4 t o7 t h es t u d yp r e s e n t si n f l u e n c eo f g a s p r o d u c t i o na n dc e l l u l o s ed i g e s t i o no fw h e a t s t a l kt h r o u g ht h er e g u l a t i o no fp h ，c na n dr e t t i n gi na n a e r o b i cd i g e s t i o n t h e r ei sa l i t t l ee f f e c to nt h eg a s p r o d u c t i o na n dc e l l u l o s ed e g r a d a t i o nt h r o u g ht h er e g u l a t i o no f p h ；r e t t i n gw i t hw a t e ra r r i v e da tad i g e s t i o no fe f f i c i e n c yo ft sa b o u t4 6 71 t h e r e g u l a t i o no fc ns h i f t st oae a r l i e rt i m eo fp e a ro fg a s p r o d u c t i o nw i t ht h eh i 曲e s t g a sp r o d u c t i o na b o u to f5 2 9 m l d ，ac u m u l a t i v eg a s p r o d u c t i o na b o u to f6 3 5 9 m l ，a n d a b o u t6 8 3 5 o fc e l l u l o s ed i g e s t i o ne f f i c i e n c y a n dt h ec o m i n gf o rt h em a x i m u mo f m e t h a n ep r o d u c t i o ni so v e r l a yw i t ht h ec o m i n gf o rt h em a x i m u mo fg a sp r o d u c t i o n t h r o u g hm o d i f y i n gt e s tc o n d i t i o n t h e r e f o r e ，t h e r ei ss o m ee c o n o m i c a lv a l u ei n p r a c t i c e m e a n w h i l et h ed i g g s t i o np r o c e s sw a ss h o r t e df r o m3 0d a y st 015d a y sb y u s i n gd o m e s t i cl i q u o rw h i hc o n t a i n e dr i c hm i c r o o r g a n i s m s b yt h ew a y , c e l l u l o s e d i g e s t i o ne f f i c i e n c yi sm u c ha d v a n c e d t h ec u r v eo fc o ds h o w st h a tt h e r ei s u s e l e s sf o rt h ed i g e s t i o no fs o m em a t t e r , s u c ha sl i g n i na n de t c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k e y w o r d s ：s t a l k ；s l u d g e ；g a sp r o d u c t i o n ；t h ed i g e s t i o nr a t i oo fc e l l u l o s e ；c n ； d o m e s t i c a t i o n 西南交通大学曲南爻遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密面，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 差竺论文尊亨签名：刮廿他 日期：妒妒 。 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过h u n g a t e 厌氧装置培养和分离消化污泥中的主要微生物，获取主要微生 物的最大可能数量，并通过分离产甲烷菌种，观察了部分产甲烷菌的形态， 为进一步研究厌氧消化反应的微观环境打下基础； 2 固含率、p h 值、c n 比、预处理等对消化反应中产气量和纤维素降解等的影 响。 学位论文作者签名：训一予故t 2 0 0g 年多月 驴日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 秸秆的产生和利用现状 1 1 1 秸秆的产生与分布 作物秸秆是籽实收获后剩留下的含纤维成分很高的作物残留物，包括禾谷 类、豆类、薯类、油料类、麻类、以及棉花、甘蔗、烟草、瓜果等多种作物的 秸秆。我国的秸秆资源非常丰富，目前仅重要的作物秸秆就有近2 0 种，且产 量巨大。秸秆是一种生物质资源，是当今世界上仅次于石油、煤炭、天然气的 第四大能源。在1 9 5 0 1 9 7 2 年期间，全世界的农业生产以每年2 8 5 的速度增 长，其后的十年( 1 9 7 2 年一1 9 8 1 年) 中，世界农业增长的速度却降为每年的 2 5 。而全世界人口仍迅速增长，2 0 0 0 年达6 l 亿，人口的增长要求有更多农 作物供给，加大了对自然环境的压力。据估计，每年地球上由光合作用生产的 生物质约1 5 0 0 亿吨，其中1 1 ( 约1 6 0 亿吨) 是由耕地或草原产生的，可作 为人类食物或动物的饲料部分约占其中的1 4 ( 约为4 0 亿吨) ，也就是说7 5 为废弃物。另据联合国环境规划署( u n e p ) 报道【l l ，世界上种植的各种谷物每 年可提供秸秆1 7 亿吨，其中大部分未加工利用。 我国植物秸秆资源十分丰富，拥有量居世界首位。稻谷、小麦、玉米、豆 类、薯类、油料作物、棉花和甘蔗，每年可产各类秸秆5 亿吨左右，再加上毛 草等可达7 亿吨左右。在2 0 0 0 年到2 0 1 0 年期间，我国每年秸秆资源的可获得 量为3 5 亿3 7 亿吨，相当于约1 7 亿吨标准煤。 四川省作为一个粮食产粮大省，粮食总产量占全国粮食总产量的7 左右。 2 0 0 5 年，四川全年粮食总产量3 4 0 9 2 万吨，列全国第3 位，西部第1 位，占全 国的6 6 ，西部的2 3 9 。所以，四川的秸秆产量也是相当惊人的。 1 1 2 秸秆的成分 一般情况下，作物秸秆中碳占绝大部分，主要粮食作物水稻、小麦、玉米 等秸秆的含碳量约占4 0 ，其次为钾、硅、氮、钙、镁、磷、硫等元素，它由 大量的有机物和少量的无机物及水所构成，其有机物的主要成分是纤维素类的 碳水化合物，此外还有少量的粗蛋白和粗脂肪。碳水化合物包括纤维类物质和 可溶性糖类。纤维素类物质是植物细胞壁的主要成分，它包括纤维素、半纤维 素和木质素等，其中纤维素占4 0 以上，半纤维素占1 5 - - - 3 0 ，木质素占7 1 5 t z l ，但植物的种类、部位、收割时期等，影响着纤维素类物质的构成。如 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 表1 1 所示，表中列举了六种不同作物秸秆含有的主要物质。 由于秸秆中含有大量的纤维素类物质，很少将其直接还田用作肥料，这主 要是因为纤维素属木质化天然纤维，其结晶度和聚合度很高，是植物细胞壁的 主要构成成分，也是自然界最大的有机物质，是以纤维二糖的形式经1 3 1 ，4 糖苷键联结而成的葡萄糖单元的聚合体1 3 ，分子量约为2 4x1 0 6 ，不可溶，对于 各种酶的作用具有较大的抵抗力。植物细胞壁中纤维素的结晶程度是影响秸秆 消化的一个重要因素1 5 1 。c o w l i n g t 6 1 认为瘤胃中的纤维素酶能降解无定型纤维素， 对结晶型却难以降解。而较多地专家则认为，草本植物中纤维素与木质素的嵌 合是造成的阻碍微生物消化的主要因素。 表1 1 几种作物秸秆的营养成分【4 】( 干重，) 1 1 3 秸秆的利用途径 秸秆资源化研究是目前秸秆处理的一个重要研究方向。国外对秸秆的处理 利用有较长的历史，很多国家已达到技术成熟，机械设备配套齐备、完善的现 代化水平【7 】。比如加工粗饲料，通过改进燃烧装置提高秸秆直接燃烧的热效率， 利用秸秆制取酒精或轻质燃油，制取气化物，加工秸秆成颗粒燃料，以及将秸 秆还田等等。 我国现阶段秸秆的利用途径主要有4 个方向【明： ( 1 ) 作为工业原料，主要用于造纸工业和手工业的原料； ( 2 ) 作为草食家畜的粗饲料； ( 3 ) 还田利用。秸秆还田利用的方法分为整株还田技术，粉碎还田技术， 焚烧制草木灰还田技术和传统堆沤还田技术； ( 4 ) 农村生活能源。制取沼气等。 在四个方向中，目前以还田利用为主。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 4 秸秆利用过程中存在的问题 ( 1 ) 由于过多地施用化肥，造成了土壤结板，肥力下降，并导致作物病虫害 增多，作物品质下降等，而我国大量秸秆被焚烧，未能归还土壤或进行开发利 用； ( 2 ) 秸秆资源利用率低，只有少部分秸秆用于编织、造纸、沤肥或还田，相 当大的部分未被利用。据不完全统计，我国目前的秸秆利用率为3 3 左右，经 技术处理利用的仅占2 6 ，综合利用的潜力较大；【9 】 ( 3 ) 秸秆还田技术推广阻力较大。主要有两个原因：一是因为秸秆含有难降 解的纤维素、半纤维素和木质素，所以秸秆在土壤中的分解周期较长；二是因 为秸秆本身含氮量偏低，c n 比一般在6 0 1 - - - 1 0 0 1 ，而土壤中的微生物在分解 秸秆时需要吸收一定的碳元素，所以在直接还田时需要添加一定的n 、p 、k 肥料，加速分解和避免发生于作物争氮影响生长的问题； ( 4 ) 利用作物秸秆作为沼气发酵原料，是比起直接作为薪柴燃烧更高效更清 洁的方法，使利用秸秆中储存的丰富生物质能的简便途径，但是我国目前是将 秸秆直接进入沼气池，存在产气效率低，运行不稳定不便于管理等缺点； ( 5 ) 大量秸秆露天燃烧，引起了严重的环境与社会问题，露天燃烧秸秆导致 大量c 0 2 温室气体的排放，加重了气候变暖，影响了民航、铁路、高速公路的 正常运营，并可能导致火灾的发生。 1 2 厌氧消化技术概述 有机物的生物转化，可以在有氧的条件下进行，亦可以在无氧的条件下进 行。在有氧条件下的生物处理法，如活性污泥法和生物膜法，称之为好氧生物 处理法。而在无氧条件下，有机物( 如秸秆和有机生活垃圾) 的生物处理法， 则称之为厌氧生物处理法。在厌氧生物处理法中，参与反应过程的是兼性厌氧 菌和专性厌氧菌( 甲烷菌) 【m “h1 2 1 。 1 2 1 厌氧消化处理的反应过程和反应原理 厌氧消化过程经历了两个阶段：产酸阶段和产甲烷阶段。 在产酸阶段，主要由好氧菌和兼性厌氧菌共同进行作用。高分子有机物首 先在胞外酶的作用下，水解、液化，变为小分子物质。这一过程把多糖水解成 单糖，蛋白质水解成肽和氨基酸，脂肪水解成丙三醇、脂肪酸。然后渗入细胞 体内，在胞内酶的作用下转化为醋酸等挥发性有机酸和硫化物【1 0 1 2 ，5 】。在这种 场合下，常有大量的氢和少量的甲烷游离出来。氢的产生，是消化第一阶段的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 特征，所以第一阶段也称作“氢发酵 。中间产物的数量和种类均随污泥成分和 消化池运行方式的不同而不同，兼性厌氧菌的分解产物或代谢产物，几乎都具 酸性，因而p h 值迅速下降，使污泥成酸性。所以，消化第一阶段的分解作用 又称为“酸性发酵”或“酸性消化”。兼性厌氧菌在分解有机物的过程中产生的 能量几乎全部消耗作为有机物发酵所需的能源，只有少部分合成新细胞。因此 在酸性消化的过程中，细胞的增殖很少。产酸菌在低p h 值时也能生存，具有 适应温度、p h 值迅速变化的能力，在有氧或无氧的状态下都能生长。 在产甲烷阶段，主要是专性厌氧菌的作用。专性厌氧菌将消化过程第一阶 段由兼性厌氧菌产生的中间产物和代谢产物分解成二氧化碳、甲烷和氨。由于 消化过程第二阶段的特征是产生大量的甲烷气体，所以第二阶段称为“甲烷发 酵”。在这一阶段起作用的细菌称为“甲烷菌 。大部分的二氧化碳气体和甲烷 气体都挥发了，而氨则以强碱性亚硝酸铵的形式留在污泥中，亚硝酸铵中和了 第一阶段产生的酸性，创造了甲烷菌生长的弱碱性环境。因此，将甲烷菌进行 的分解作用又称作“碱性消化”【1 3 t1 4 1 。甲烷化过程产生的能量主要用于维持细 菌的生存，只有少量能量用于合成新细胞，所以细胞的增殖也很少。甲烷菌生 长的条件比较苛刻，只要有空气和光的存在就会立即停止活动，所以必须保持 绝对厌氧环境。甲烷菌生长的最适p h 值是7 0 7 6 ，超过这个范围，其活性 将会受到很大阻碍，而且一般情况下把甲烷菌的生长p h 值控制在6 8 7 2 范 围。对中温菌最适宜的温度是3 0 3 7 ，高温菌是5 0 5 5 。它们对温度的变 化和毒性物质非常敏感，生存条件非常苛刻。专性厌氧菌能从其他物质的分子 中摄取它生存所需的氧，而不依赖空气中的氧。这种细菌的酶能够溶解并能分 解细胞外的不溶性有机物，或完全分解进入细胞内的溶解物，所以它可以使兼 性厌氧菌的中间产物( 乙醇、有机酸、有机盐) 和代谢产物( - - 氧化碳气体) 溶解，用来作为其本身生长和繁殖所需的能量。甲烷菌还具有在没有太阳能和 叶绿素的情况下分解二氧化碳的能力。二氧化碳的还原作用是在消化第一阶段 产生的氢存在的情况下进行的。因此，好的沼气通常不含游离氢。 c 0 2 + 2 h 2 一c h4 + 0 2 实践证明，甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇和大量生成的乙酸、丙酸、 丁酸、蚁酸、硬脂酸等，最终均被甲烷菌利用。 由于甲烷菌只能在弱碱性环境中生存，如果没有外部的帮柱，就不能克服 第一阶段的酸性环境，即使克服，也很缓慢，而且需要很长的时间。很多实践 证明，如果出现酸化现象，很难使p h 值恢复，甲烷菌活动抑制，消化过程缓 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 慢甚至停滞，这种现象称之为酸抑制。所以厌氧消化从一开始就p h 值调节到 甲烷菌能大量繁殖的弱碱性，从而使酸性的中间产物和代谢产物及时而且不断 的分解。 消化过程中污泥分解为气体是产酸菌和产甲烷菌共同作用的结果。但由于 甲烷菌的生长条件特别严格，即使在合适的条件下其增殖速度也非常小，因此 甲烷化过程控制整个消化进程。在污泥的厌氧消化过程中，有机物的分解主要 为：碳水化合物、脂肪和蛋白质。碳水化合物主要指纤维素、淀粉、葡萄糖等 糖类。在消化的第一阶段，碳水化合物( 多糖) 首先在胞外酶的作用下分解成 单糖，然后渗透细胞在胞内酶的作用下转化为乙醇等醇类和醋酸等酸类。这些 醇类和酸类物质在第二阶段进一步被分解成甲烷和二氧化碳；脂肪在其分解的 第一阶段通过解脂菌或脂酶的作用，使脂肪水解，成为脂肪酸和甘油。脂肪酸 和甘油在酸化细菌的作用下，进一步转化为醇类和酸类。在第二阶段二者进而 分解成甲烷和二氧化碳；蛋白质在第一阶段由解朊菌水解成简单的组分。这时 将形成各种氨基酸、二氧化碳、尿素、氨、硫化氢、硫醇等。尿素则在尿素酶 的作用下迅速的全部分解成二氧化碳和氨。第二阶段氨基酸进一步分解成甲烷、 二氧化碳和氨。【1 5 l 1 2 2 厌氧消化微生物的国内外研究现状 从厌氧消化作用原理中可以看出，在厌氧消化过程中起主要作用的微生物 包括产氢产酸菌、产甲烷菌、硫酸盐还原菌等，所以对这些微生物，国内外都 进行了大量研究。国外研究者分离了大量的产氢发酵细菌，分离的产氢发酵菌 株多数集中在梭菌属和肠杆菌属，k u m a r 0 6 】等从树叶榨出物中分离到阴沟肠杆菌 ( e n t e r o b a c t e rc l o a c a e ) i i t - b t 0 8 ，该菌株在3 6 。c 培养液p h 值6 0 条件下最大产氢 速率为2 9 6 3 m m o l h 2 ( gd r yc e l l h ) ，是目前报道的产氢能力最高的细菌。 r a c h m a n t n 等从厌氧污泥中分离到产气肠杆菌( e n t e r o b a c t e ra e r o g e n e s ) h u l 0 1 和其突变体a y 2 ，在3 7 培养液p h 值7 0 的条件下最大产氢速率分别为 3l m r n o l h 2 ( l 培养液h ) 和5 8 m m o l h 2 ( l 培养液h ) 。刑德峰f 】3 】等人从生物制氢反 应器c s t r 中分离一株产氢细菌x 1 ，鉴定为新属e t h a n o l o g e n b a c t e r i u ms p ，该株 细菌为专性厌氧杆菌，代谢特征为乙醇发酵，葡萄糖发酵产物主要为乙醇、乙 酸、h 2 和c 0 2 ，在p h 4 0 和3 6 * c 条件下最大产氢速率是2 8 3 m m o l h 2 ( gd 巧c e l l h ) ， 经鉴定和产氢效能分析表明该菌株是一新属的高效产氢细菌。吴薛明t t g 等人采 用厌氧培养技术，从厌氧活性污泥中分离得到一株产氢发酵细菌，利用b i o l o g 自动菌种鉴定仪对该产氢发酵细菌作了鉴定分析，确定了其在细菌学上的分类 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 地位，新分离菌桃韶细6 卯硼淞h i l g a r d i i ( 希氏乳杆菌) 为生物制氢分离鉴定纯产 氢菌种提供了指导，该株细菌为专性厌氧杆菌，蔗糖发酵液体末端主要产物为 乙醇、乙酸，气相产物为h 2 和c 0 2 ，代谢特征为乙醇型发酵，在p h 值为6 0 和3 6 条件下最大产氢量为5 8 n 儿h 2 g o 蔗糖。s c h o e l l e n 第一个从消化污泥中分离纯 化得到甲酸甲烷杆菌( m e t h a n o b a c t e r i u mf o r m i c i u m ) 和巴氏甲烷八叠球菌 ( m e t h a n o s a r c i n ab a r k e r i ) ，19 7 4 年b r y a n t 首次提出了产甲烷菌( m e t h a n o g e n ) 一词，将其与以甲烷为能量来源的嗜甲烷菌( m e t h a n o t r o p h s ) 区分开来。杨小 红1 2 0 等人以首都师范大学生物系实验室富集的甲烷八叠球菌浓缩物作为接种 物，用i o l 反应器对其进行扩大培养，得到了含甲烷八叠球菌为2 3 1 0 1 0 - m e 扩大培养浓缩物。设计正交试验，以固定化甲烷八叠球菌菌球的成球性、菌球 在产气高峰时的沉降性、产甲烷活性、寿命为指标，选择出聚乙烯醇( p ) 、海藻 酸钠( a ) 和充填物( f ) 混合包埋载体的最佳配i ： ：p 8 a 1 f 4 0 ，p 8 a 1 f 4 0 法制备的固 定化甲烷八叠球菌成球容易、具有高的产甲烷活性、良好的脱气性和沉降性， 较高的机械强度( 发酵过程中不胀、不黏) 和较长的寿命。田沈【2 t 】等人为了克服以 p v a 为包埋介质对甲烷八叠球菌进行固定化存在的缺点，采用吸附和包埋结合 法对甲烷八叠球菌进行固定化，并用固定化甲烷八叠球菌处理人工废水和豆制 品废水，对其特性进行研究，用人工废水运行的结果表明，最高容积负荷为 1 4 7 k g c o d m 3 d ，最高c o d 去除率为9 4 3 ，最低水滞留期为1 6 4 h ，甲烷含量 为6 5 7 3 ，用豆制品废水运行的结果表明，最高c o d 负荷1 7 6 k g c o d m 3 - d ， 平均容积负荷8 2 k g c o d m 3 d ，最短水滞留期1 3 7 h ，最高产气率7 l d l ，平 均产气率固定化为非固定化的1 5 2 倍，最高c o d 去除率达到了8 7 o ，运行期间 固定化介质不上浮、不膨胀，具有很好的传质和脱气性能，较好的解决了包埋 法固定化中存在的问题。贾晓珊c 毙2 3 等人研究了在厌氧条件下混合培养中产甲烷 菌和硫酸盐还原菌的动力学竞争。 近些年来，对纤维素降解菌和木质素降解菌的研究也越来越多。新西兰 f a r a i n e y 2 4 1 等人从温泉中分离到解糖纤维素菌( c a m i c e l l u l o s i r u p t o r s a c c h a r o l y t i c u s ) 。杨礼富【2 5 1 等人从海南省乐东、三亚等市省采集的2 3 份土样中粗 筛获得1 8 6 株具有纤维素降解能力的菌株，1 1 株具有木质素降解能力的菌株，经 进一步筛选获得纤维素酶高产菌和木质素酶高产菌各2 株，编号分别为1 2 _ 4 、3 5 、6 1 和3 3 。在以香蕉茎叶粉为主要基质的培养基中3 0 。c 、1 2 0 r m i n 振荡 培养5 d ，1 2 _ 4 和3 5 分解羧甲基纤维素钠( c m c ) 的酶活分别达到9 7 9 u 和2 2 6 u ， 分解滤纸( f p ) 的酶活分别为4 6 4 u 和1 5 1 u ，6 1 和3 1 的木质素酶分别为3 2 8 u 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 和1 6 4 u 。经初步鉴定，这些菌株分别属于t r i c h o d e r m as p ，p e n i c i l l u ms p ， s t r e p t o m y c e s l l a v u s 和c h o a n e p h o r ac u r r e ys p ，可用于发酵香蕉茎叶生产饲料的 进一步研究。中国科学院微生物研究所的赵大鹏t 2 6 等人从内蒙古盐碱湖分离到 一株产木质素酶的嗜盐碱菌f 1 0 。其形态为杆状或短杆状，革兰氏染色阳性，最 适生长p h 为9 5 ，最适生长温度为3 7 c 通过生理生化特征，胞壁氨基酸成分，基 于1 6 s r d n a 序列的系统发育学分析和d n a d n a 杂交同源性比较发现菌株f 1 0 是双芽孢杆菌( a m p h i b a c i l l u s ) 属中一个与其它成员不同的新种，命名为好纪双芽 孢杆菌a m p h i b a c i l l u sh a o j i e n s i ss p n o v 。席北斗1 2 7 等人研究发现，对纤维素和木 质索有降解能力的微生物主要是高温放线菌和高温真菌，其中有独特降解机制 的白腐菌在木质素降解中起着重要作用。西北大学生命科学学院的郭爱莲 2 8 ，等 人用h e - n e 激光对一株木质素降解活性较高的白腐真菌l l 进行选育。将该菌的菌 丝体和原生质体多次照射诱变，结果得出：在波长6 3 2 5 r i m ，用功率为6 m w 和 7 r o w 照射该菌的菌丝体选育出的菌株l 6 和l 7 木质素降解率可达3 8 1 和 3 9 8 8 ，比出发菌株l l 提高了3 3 和3 9 。用功率9 m w 的h e - n e 激光辐照原 生质体照射2 0 m i n 时，原生质体致死率已达1 0 0 。在照射时间为1 0 m i n 时，选 育出一株木质素降解率达4 3 0 3 的菌株k ，比出发菌株l l 提高了5 0 。喻国策 等人眇，的实验，测定黄孢原毛平革菌在多种氨氮浓度条件下木质素降解酶的产 生情况，表明木质素降解酶表达调控机制的复杂，可能不是固定不变的，而会 在一定程度上受到某些培养因素的影响。 1 2 3 厌氧消化处理的影响因素 ( 1 ) 温度 厌氧消化微生物可以在一定的温度范围进行代谢活动，8 - 6 5 可以产生沼 气，温度高低不同产气速度不同。概括地讲，产气的一个高峰在3 5 左右，另 一个更高的高峰在5 5 左右。这是因为在这两个最适宜的消化温度中，由两个 不同的微生物群参与作用的结果。3 0 一3 7 左右嗜中温菌活跃，5 0 5 8 时嗜高 温菌活跃，产沼气的速率很快。4 0 5 0 是沼气微生物高温菌和中温菌活动的 过度区间，它们在这个温度范围内都不太适应，因而此时产气速率会下降。厌 氧消化中的微生物对温度的变化非常敏感，温度的突然变化，对沼气产量有明 显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。因此要严格控制料液的消 化温度，允许温度变动范围为1 5 2 0 * c ，当有3 c 的变化时，就会抑制消化 速率，有5 的急剧变化时，就会突然停止产气，使有机酸大量积累而破坏厌 氧消化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 根据采用消化温度的高低，可以分为常温消化、中温消化( 3 5 c 左右) 和高 温消化( 5 4 c 左右) 。常温消化的温度为1 0 3 0 ，其优点是消化池不需升温设 备和外加能源，建设费用低，原料用量少。但常温消化原料分解缓慢，产气少， 特别在寒冷的冬季，由于温度过低，往往不能正常产气。中温消化的产气量比 常温消化高出许多倍。高温消化温度的特点是原料分解快，产气量高，高温消 化可以比中温消化有更小的固体停留时间和更小的反应器容积，但沼气中的甲 烷含量略低于中温和常温消化，并需消耗大量热能。目前，利用太阳能来提高 沼气池温度，增加产气率是新能源综合利用的方向之一。o o 3 l 】 目前，在成本和处理效果综合比较下，废物的厌氧消化大多是在中温下进 行的，虽然在中温条件下经过较长时间也能达到较高的病虫卵的杀灭率【3 2 】，但 是随着废物处理排放卫生指标的提高，高温厌氧消化越来越引起关注。高温条 件对于有机废物的降解和病原菌的杀灭是更有效的，尤其对于厌氧消化残余物 须用于土地处理的情况，高温处理更是必要的。 ( 2 ) 秸秆的尺寸大小 颗粒尺寸减小引起比表面积增大，一方面可以提高纤维素的可生化性，加 大产气量，使秸秆的减量化程度提高；另一方面可以减少有机废物消化的时间， 证明了颗粒尺寸在秸秆的厌氧消化过程中是一个重要的影响因素。因此，秸秆 在进入厌氧消化系统之前，通常需要经过破碎等预处理以减小秸秆的尺寸。通 过破碎可使原料水分一定程度的均匀化，同时破碎使原料比表面积增大，微生 物侵蚀的速度就加快，可提高消化速度，从理论上讲，粒径越小越容易分解。 一般适宜的粒径范围是1 0 2 0 r n m 。p a l m o w s k il m 】等研究表明如果发酵底物含 有较高的纤维量，那么粉碎能提高产气量，同时其粒径能带来更快的降解率。 e n g e l h a r tm 1 3 4 等研究过机械粉碎下水污泥对其提高厌氧生物降解率的作用，粉 碎后挥发性物质( v s ) 的去除率有了2 5 的提高。a n g e l i d a k il 和a h r i n g b 【3 5 】 发现当把粪便中含有的纤维进行机械粉碎后能提高1 7 的产气量。决定秸秆大 小时，还应从经济方面考虑，因为破碎的越细小，动力消耗就越大，处理秸秆 的费用就会增加。 ( 3 )固含率( t s ) 固含率是进行厌氧消化处理的又一重要因素。t s 主要是由反应系统是干式 还是湿式决定，一般湿式反应t s 为5 一- - 1 5 ，干式的t s 为1 5 - - , 4 0 。如 果料液太稀，固体颗粒沉降在反应器底部使得反应不完全，但太稠，又会阻碍 传质过程，不利于甲烷气的释放。张碧波1 3 6 等人采用正交试验，以产气量为观 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 察值，分析固含率、消化温度和碳氮比对厌氧消化过程的影响，并分析比较了 高产气区与低产气区的挥发性脂肪酸以及比产气速率的变化情况，试验结果表 明，温度对厌氧消化过程影响最大，固含率次之，c n 比影响最小。 计算公式： 已知小麦秸秆的t s 为a ，污泥的t s 为b ，设小麦秸秆的质量为x l g ，污 泥的质量为x 2 9 ，? 为混合后的t s ，根据题意得 坐! 些2 ：? x i 七x2 x f ! 一b 子- - - i ( 1 - 1 ) x 彳一? 、。 ( 4 ) 有机负荷 负荷是厌氧消化处理中废弃物进行厌氧消化速率高低的综合指标，是厌氧 消化的重要控制参数。发酵器的负荷直接影响发酵器的效率和稳定性。如果发 酵器的负荷太低，由于营养物质不足，则使产甲烷菌处于饥饿状态，相应使发 酵器的效率降低。如果发酵器的负荷太高，使其中的微生物处于超负荷状态， 往往会出现酸化速度大于甲烷化速度，使发酵器中的挥发性脂肪酸的浓度大幅 度上升，造成发酵液的p h 值下降，所产生的气体二氧化碳含量上升，甲烷含 量下降，并且可能会引起丙酸、丁酸在发酵器中积累，使发酵液出现恶臭。 厌氧生物处理反应器的负荷率一般采用如下表达方式： 容积负荷率：以反应器的每单位容积在单位时间内承受的有机物量来表示， 单位为g v s l d 。f l o 】 有机负荷= 害鬈翥雾勰= g v s ，l d c 1 2 ) ( 5 ) 碳氮比 反应基质中的c n 上匕对消化过程有较大影响。碳氮比过高，组成细菌的氮 量不足，消化液的缓冲能力较低，p h 值较易下降，容易引起酸抑制，同时引起 p h 下降，超出甲烷菌的适宜范围，不利于甲烷气体的产生；碳氮比太低，则氮 量过高，p h 值可能上升到8 0 以上，脂肪酸的铵盐累积，对甲烷菌产生毒害作 用，也会对产气量带来影响。一般碳氮比为2 0 3 0 ：1 时，消化效果较好。周 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 孟津1 3 7 1 等人在研究指出，当以秸秆原料为主进行厌氧发酵启动时，根据接种物 用量的多少适当加入粪便来调节碳氮比，接种量在3 0 或3 0 以上时，可以不 加入粪便；接种量在2 0 左右时，鲜粪与风干秸秆的比例应该为1 ：1 左右； 接种量为1 0 左右时，鲜粪与风干秸秆的比例在2 ：1 左右。由此可见，秸秆 自身的碳氮比较高，单独进行消化时效果不好，宜在消化时投加低碳氮比的原 料，比如消化污泥、粪便等。如果加入消化污泥后仍需进行c n 比的调节，若 是要降低碳氮比，可添加尿素等高氮含量的化学物质，若要提高碳氮比，可添 加草木灰等高碳含量的物质。以下以添加尿素为例的计算公式： 已知小麦秸秆的总氮为a 1 ( 单位：) ，总碳为b i ( 单位：) ，质量为 w l ( 单位：g ) 消化污泥的总氮为a 2 ( 单位：) ，总碳为b 2 ( 单位：) ，质 量为w 2 ，设需要尿素( c o ( n h ) 2 ) 的含量为x ( 单位：g ) ，根据题意得 b l + b 2 + 2 6 7 x c = 一 a 1 + a 2 + 4 6 7 x n ( 1 - 3 ) ( 6 ) p h 值 在整个厌氧消化过程中，秸秆的降解要依次经历水解酸化、产氢产酸和产 甲烷三个阶段。在产酸阶段，由于产生中间产物挥发性有机酸，主要是甲 酸、乙酸、丙酸等小分子酸，使得p h 值有一定的降低，但进入产甲烷阶段后， 由于甲烷菌将挥发性有机酸代谢并转化为甲烷和二氧化碳，p h 值有所上升，在 加上重碳酸盐能对p h 的变化有所缓冲，防止了因p h 值上升速度过快而达到毒 害甲烷菌生存的程度，从而保障了甲烷菌的增殖。进入稳定产甲烷阶段，即产 酸与产甲烷阶段互为平衡，有机酸含量达到一定的低含量。尽管秸秆的水解成 为整个过程的限速步骤，但产甲烷反应的顺利进行是保障秸秆顺利降解的前提 条件。一般都认为秸秆厌氧降解的最优p h 值范围为6 8 7 2 。 p h 是厌氧消化体系的一个重要控制指标，消化体系中的产甲烷菌对p h 的 变化非常敏感。p h 低于6 2 时，产甲烷菌的生长则明显被抑制，而产酸菌的活 性仍很旺盛，常导致p h 降至4 5 - 5 0 ，这种酸性状态对甲烷菌是有毒害作用的 【1 4 】；较高的p h 对甲烷菌的生长、代谢也有抑制作用，但毒性不如p h 低时大， 如果在一段时间内p h 很低，将会导致甲烷菌的大量死亡，即使p h 恢复到正常 范围，厌氧消化的处理能力也不易恢复，而经碱性抑制后恢复中性，甲烷菌很 快即可恢复活力。张波嗍等人通过间歇实验探讨了p h 调节方法( 利用n a o h 溶液调节初始进料p h 到7 ，利用n a o h 和c a ( o h ) 2 混合碱度每1 2 h 调节p h 到 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 7 和利用调节c n 比调节p h 到7 ) 对厨余垃圾两相厌氧消化中水解酸化过程的 影响，实验结果表明，三种调节方法都能够有效地降低水解酸化出料液中的n a + 浓度，但利用调节c n 比来调节p h 能够取得更高的水解酸化效率。v l y s s i d e s a g t 3 9 1 等做过对下水污泥采用热碱处理方法进行预处理后厌氧发酵，发酵效率 得到明显提高。p e n a u dv1 4 0 等在采用氢氧化钠对生物质进行热化学预处理后进 行厌氧发酵时发现，热化学预处理可提高声物质的可溶性，但是由于钠离子的 存在也使得生物降解率受到了限制。 ( 7 ) 预处理 预处理在一定程度上可以加快反应处理效果，它包括有酸法预处理、碱法 预处理、清水预处理。酸法预处理的原理：因为木聚糖占木质纤维素原料中碳 水化合物的1 3 ，酸降解使纤维素的平均聚合度下降显著，内部表面积增加， 结晶度下降，木质素保护层被破坏，从而促进纤维素降解。碱法预处理的原理： 连接木聚糖半纤维素和其他组分内部分子之间( 比如木质素和其他半纤维素之 间) 脂键的皂化作用，连接键的脱除增加了木质纤维原料的多孔性，稀氢氧化 钠处理引起木质纤维原料润胀，结果导致内部表面积增加，聚合度降低，结晶 度下降，木质素和碳水化合物之间化学键断裂，木质素结构受到破坏。清水预 处理其实是一种化学预处理，通过改变清水处理时间的长短，改变水解周期的 长短，因为水解是厌氧处理过程的限速步骤，控制水解周期，可以有效控制整 个厌氧反应过程。杨懂艳、李秀金 4 1 j 等人研究了化学预处理( 氢氧化钠预处理、 氨水预处理、尿素预处理) 玉米秸秆对其生物产气量的影响，实验结果表明， 除尿素预处理外，其他预处理都能不同程度的提高玉米秸秆的产气量，其中经 氢氧化钠预处理的秸秆获得了最高产气量。周岭1 4 2 t4 3 1 以污泥为接种物，研究了 不同浸泡预处理时间对秸秆厌氧消化的影响，浸泡1 0 天的秸秆，峰值来得较快， 而浸泡超过2 0 天，产气慢，周期长采用单相厌氧消化系统对浸泡预处理的秸秆 进行消化试验，研究了反应过程中，v f a 、p h 、c o d 及产气量的变化规律。 试验结果表明当t s = 4 1 8 时，浸泡时间不同，产酸峰值来i 临期基本相同，而 浸泡1 5 天秸秆平均产气量为7