接种混合比和油脂对厨余垃圾干式厌氧消化的影响

作     者：秦丞志 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵建伟

授予年度：2023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：厨余垃圾 干式厌氧消化 接种混合比 油脂 微生物群落特征 

摘      要：随着经济的不断发展和人口数量的不断增加,厨余垃圾的产生量呈现不断增长的趋势。由于厨余垃圾具有含水率高、有机质含量高、油脂含量高、易腐败变质的特征,若厨余垃圾处理处置不当,会造成资源浪费及环境的二次污染,甚至危害人类健康。利用微生物作用进行厌氧消化,能够使厨余垃圾内有机质分解转化为甲烷等清洁能源,同步实现厨余垃圾的无害化和资源化处理。因此,厌氧消化成为了厨余垃圾资源化利用的重要处理技术。相较于湿式消化(含固率低于15%),干式消化(含固率在15%～40%)具有占地面积小、沼液产量低、耐冲击等优势,因而厨余垃圾干式消化备受研究者和工程实践人员关注。接种混合比是影响厨余垃圾厌氧消化性能的关键参数,当前虽然已经有关于接种混合比影响厨余垃圾厌氧消化的相关探究,但是对于厨余垃圾厌氧消化混合物接种混合比的探究主要聚焦于湿式消化内接种物与消化底物之间的比例,然而关于接种混合物之间比例对厨余垃圾干式厌氧消化的影响鲜有探究。此外,厨余垃圾内含大量油脂,一方面,油脂厌氧消化具有较高的产气潜能,另一方面高浓度的油脂会抑制厨余垃圾厌氧消化系统微生物的代谢,降低沼气积累量。之前关于油脂对厨余垃圾厌氧消化利用的研究多集中于湿式消化。然而,油脂对厨余垃圾干式厌氧消化的影响及作用机制至今鲜有探究。因此,本工作以厨余垃圾作为消化底物,首先向厨余垃圾中添加不同比例的接种物(污泥和沼渣混合物),考查了接种物混合比对厨余垃圾干式消化性能的影响。然后,通过对比添加不同油脂含量来探究了油脂对厨余垃圾干式厌氧消化性能的影响,并通过分析产气性能、有机质生物转化规律、微生物多样性及群落结构等揭示了油脂对厨余垃圾干式消化的作用机制。本文首先研究了接种混合比对厨余垃圾干式厌氧消化的影响,结果表明,接种混合比能影响厨余垃圾干式消化产气效率。污泥作为唯一接种物的实验组累计产气量为187.65 m L/g VS,对于接种污泥与接种沼渣质量比为2:1、1:1、1:2、0:2的实验组,累计产气量分别为300.41 m L/g VS、281.39 m L/g VS、280.16 m L/g VS、225.50 m L/g VS,相较于只用污泥作为接种物的实验组产气量分别提升了59.22%、48.93%、48.46%和20.98%。与只接种污泥相比,沼渣添加有助于提高厨余垃圾厌氧消化产气效率。接种沼渣添加比例低,厌氧消化过程中容易出现挥发性脂肪酸(VFA)的过度积累,导致p H骤降,导致p H骤至3.48,导致系统过度酸化;在接种污泥与接种沼渣比为0:2的组内,接种沼渣添加比例高,反应系统内氨氮和VFA积累量高,反应系统内氨氮和VFA积累量分别增加至866.86 mg/L和9.40g/L,一定程度上抑制了厌氧过程,相较于添加沼渣比例低的组产气量降低,但相较于只接种污泥的实验组,总体还是促进气体的产生。随后,本工作探究了油脂含量对厨余垃圾干式厌氧消化的影响。结果表明,油脂能够促进厨余垃圾干式厌氧消化的产气量。当油脂的添加量在0%～4%的范围内时,油脂的添加对于厨余垃圾厌氧消化产气量的提升效果逐渐上升,含油率为4%时,厨余垃圾厌氧消化具有最高的累计产气量,为269.81 m L/g VS,较空白组提高177.9%。油脂含量为4%组别内,溶解性糖含量为47.19 g/L,相较于空白组,溶解性糖含量提升了75.2%,VFA浓度为8.02 g/L,明显高于空白组的7.25 g/L,当油脂浓度的添加量由4%逐渐上升到8%时,反应器中的累计产气量逐渐下降,当油脂浓度为8%时,累计产气量为161.53 m L/g VS,相较于空白组,累计产气量仍提升66.4%,且随着油脂含量的增加,虽然添加油脂质量分数越高的实验组VFA含量的更高,但是其系统内含有更多的消化细菌能够更快地将脂肪酸分解,使得反应器中的p H能够更早的趋于稳定,这说明油脂的添加能够分解更多的VFA为消化细菌提供消化基质,促进其产气,此外,当油脂含量由0%到6%时,厨余垃圾的减量率随着油脂含量的增加而提高,油脂含量为6%时,最大的减量率为7.83%,但当油脂含量进一步增加时,减量率逐渐下降。最后,本文利用高通量测序分析了油脂对厨余垃圾干式厌氧消化过程中微生物多样性及结构特征的影响。结果表明,油脂含量能影响厨余垃圾干式消化内微生物群落特征,空白组、油脂含量为4%以及油脂含量为8%的三组样品中群落丰富度存在较大差异。细菌门水平上,油脂浓度的增加会降低Firmicutes的相对丰富度,但会提高Proteobacteria的相对丰富度。细菌属水平上,三组样品中Lactobacillus的相对丰富度均最高,这是因为乳酸菌属适宜在酸性环境中生长。此外,分解溶解性糖的Leuconostoc,主要存在于空白组、油脂含量为8%的两组中,这可能是导致这两组中的溶解性糖在