氨氮胁迫下餐厨垃圾的强化厌氧处理过程与微生态研究

作     者：赵力剑 

作者单位：广西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宿程远

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：餐厨垃圾 氨氮胁迫 EGSB反应器 生物炭 微生物群落 

摘      要：随着人们生活水平的不断提高,餐厨垃圾的产生量逐年增大,如其处理不当,会滋生大量病菌,造成环境污染与危害人类健康,因此餐厨垃圾的处理显得尤为重要。餐厨垃圾的厌氧消化可带来良好的环境和经济利益,但在厌氧消化中,常会由于餐厨垃圾水解导致反应器中氨浓度升高,从而影响反应体系的稳定性。本研究以餐厨垃圾为研究对象,研究了不同种类生物炭与改性生物炭对厌氧反应器处理餐厨垃圾效能与微生态的影响,并通过采用三种强化措施,即开启循环、投加改性生物炭、循环并投加改性生物炭,探讨了氨氮胁迫下强化颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器处理餐厨垃圾的过程。(1)首先对EGSB厌氧反应器处理餐厨垃圾时进水与出水氮组分进行了系统分析,研究了不同有机负荷下反应器中微生物群落结构及其代谢功能的变化。结果表明,进水COD浓度增加到10000 mg/L左右,EGSB厌氧反应器对COD去除率稳定在95%左右。在三维荧光光谱(EEM)中,进水与出水中均出现了色氨酸类蛋白物质荧光峰,同时出水中出现了紫外区类富里酸荧光峰,且该荧光峰的强度随着进水COD的浓度增大而增强。出水中溶解态氨氮含量最大,约占出水溶解态氮的70-80%。颗粒态有机氮(PON)含量相比于进水下降约25-33%。提高进水有机负荷后,拟杆菌门(Bacteroidetes)与厚壁菌门(Firmicutes)丰度分别从25.50%与24.07%提高到27.52%与25.45%;而绿弯菌门(Chloroflexi)丰度则从13.40%下降至5.14%。同时甲烷丝状菌属(Methanothrix)的丰度从30.82%上升到70.25%,甲烷杆菌属(Methanobacterium)从66.14%下降到14.49%。Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)功能分析表明细菌的膜运输和脂质代谢在高有机负荷(OLR)时出现了下降。(2)探究了剩余污泥(SS)、餐厨垃圾(FW)、玉米芯(CC)、甘蔗渣(BG)4种不同基质生物炭对厌氧生物处理餐厨垃圾效能的影响,同时对厌氧污泥的关键酶活性、微生物群落分布以及代谢途径等微生态进行了分析。结果表明,厌氧反应器分别加入4种生物炭后,COD平均去除率分别提高了29.49%、23.16%、29.42%、40.29%。4个厌氧反应器中厌氧污泥的乙酸激酶活性分别为0.40、0.42、0.96、0.98 mmol/(L·g),表明投加CC与BG生物炭促进了餐厨垃圾的厌氧水解酸化过程。厌氧污泥胞外聚合物(EPS)的EEM谱图显示,添加CC与BG的组中色氨酸类蛋白物质荧光峰的强度要大于其他两组,CC与BG生物炭的添加对厌氧颗粒污泥的形成和结构稳定性具有促进作用;BG组中富里酸类物质荧光峰与腐殖酸类物质荧光峰的强度最弱,表明了BG炭的添加能够有效地减少氨氮抑制所导致的微生物死亡。4个厌氧反应器中拟杆菌门、变形菌门、厚壁菌门为主要菌群,投加BG生物炭促进了变形菌门与厚壁菌门的生长;对于古细菌而言,甲烷杆菌属与甲烷丝菌属为优势种群,SS组的甲烷杆菌属丰度最高(53.48%),而BG组中甲烷丝菌属丰度最高(42.72%)。KEGG功能分析表明古菌及细菌均以碳水化合物代谢、氨基酸代谢为主;而投加BG与SS生物炭后,微生物膜运输水平得到了提高。(3)继而以甘蔗渣炭作为基质,探讨了铁改性(A)、壳聚糖改性(B)、铁-壳聚糖改性(C)、铁镁-壳聚糖改性(D)生物炭对餐厨垃圾厌氧消化过程、污泥特性、微生物群落的影响。结果表明,4个反应器最后5天的COD平均去除率分别为86.95%、85.90%、92.22%、93.29%。表明添加负载铁镁-壳聚糖甘蔗渣炭能提升氨氮胁迫下厌氧反应器对于COD的去除效能。厌氧反应器C与D运行至第10 d时,污泥中辅酶F含量达到最大,分别为0.44与0.57 mmol/g,这说明在实验运行前期负载金属元素的改性炭可促进辅酶F的产生。反应器D中的细菌群落结构最为丰富,4个厌氧反应器中厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)为优势菌群,绿弯菌门在反应器C中丰度最大达到26.24%。对于古细菌而言,甲烷杆菌(Methanobacterium)、甲烷丝菌(Methanothrix)占据主要地位,在A、B、C、D反应器中分别占44.03%、49.88%、31.29%、52.01%与38.34%、34.52%、50.9%、35.72%。KEGG功能分析表明反应器D中细菌与古细菌能量代谢为4个反应器中最大。而反应器D中微生物的碳水化合物代谢与膜运输的基因丰度要大于其他组。通过综合分析,选定负载铁镁-壳聚糖甘蔗炭作为后续反应器投加的生物炭。(4)探究了不