【摘 要】
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厌氧发酵技术是近年来公认有效的有机废弃物资源化处理技术,生产的高附加值产品挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFAs),可为聚羟基烷酸脂(polyhydroxyalkanoate,PHA)的合成提供原料。花生粕是营养物质丰富的有机固体废弃物之一,可通过厌氧发酵生产偶数碳VFAs,然而,发酵产物中乙酸的占比不足、COD利用率低等问题影响着后续合成PHB单体的效率,所以实现花生粕
【基金项目】
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广东省自然科学基金资助项目(NO.2017A030313273); 广州市科技计划项目(NO.201510010111);
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厌氧发酵技术是近年来公认有效的有机废弃物资源化处理技术,生产的高附加值产品挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFAs),可为聚羟基烷酸脂(polyhydroxyalkanoate,PHA)的合成提供原料。花生粕是营养物质丰富的有机固体废弃物之一,可通过厌氧发酵生产偶数碳VFAs,然而,发酵产物中乙酸的占比不足、COD利用率低等问题影响着后续合成PHB单体的效率,所以实现花生粕厌氧发酵定向产乙酸化显得格外重要。针对上述问题,本文采用接种以市政污泥驯化的同型产乙酸菌、外加廉价物化材料纳米零价铁(nZVI)这两种方法,来提高花生粕在发酵过程中产乙酸菌的富集量和有机物的水解酸化效率,并应用至CSTR连续流产酸,为实现花生粕定向产乙酸的可持续化提供依据。在CSTR反应器中,采用分阶段连续进水的方式驯化市政污泥富集同型产乙酸菌,探究了污泥浓度、进水COD对驯化污泥稳定产乙酸的影响;并结合序批次厌氧反应器,研究不同的驯化污泥接种比、不同的nZVI投加配比对花生粕厌氧发酵产乙酸效能的影响;从两者中筛选出综合效益最佳的优化方式,并应用至CSTR连续产酸模式,考察了各厌氧体系中乙酸、VFAs、SCOD、多糖、蛋白质和其他重要指标的变化以及微生物群落的演替。结果表明,驯化后的污泥对氨氮具有一定的耐受性。当污泥的MLSS稳定在4300~4900mg·L-1,进水COD为8000 mg·L-1,在驯化周期的C阶段末尾时,污泥的产乙酸效能稳定,乙酸占偶数VFAs比例接近100%;驯化污泥接种比为10%(相对干重)时,序批次厌氧反应器中产乙酸效果最佳,峰值为4646.75±634 mg·L-1,乙酸/TVFAs高达64.56%,蛋白质和NH4+之间非线性拟合度较高。另外,nZVI投加配比为10000 mg·L-1时,花生粕产乙酸积累浓度较高,乙酸/TVFAs为62.41%,提升了COD的利用率,但NH4+积累量开始抑制了产氢产乙酸菌群和同型产乙酸菌群活动,而且蛋白质和NH4+之间非线性拟合度较低。接种10%驯化污泥应用CSTR连续流发酵实验时,启动阶段TVFAs最高可积累至19529.45±789.85 mg·L-1,主要以产乙酸为主要的产酸形式,乙酸/ECFA稳定在76.8%,连续流阶段稳定在89.07%,定向产乙酸的效果较好,运行过程中NH4+的浓度积累没有达到产氢产乙酸菌群和同型产乙酸菌群受到抑制的浓度阈值。通过16SrRNA高通量测序对驯化和接种实验在门、属两个层次上的微生物多样性进行分析得出,在CSTR驯化污泥过程中,水解酸化菌群多样性会有很大增加,在驯化稳定期,厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度高达76.82%,污泥中同型产乙酸菌群为优势菌群,最大优势菌属为梭状芽孢杆菌属(Clostridium);在接种驯化污泥后,批次厌氧反应器中的产酸菌的多样性会增加,优势菌门开始向拟杆菌门(Bacteroidetes)进行演替,同样CSTR启动阶段到连续流过程中,拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度会增加,拟杆菌属(Bacteroidales)的相对丰度有一个巨大的提升。
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