温度相厌氧消化强化长链脂肪酸转化的效能与机理研究

Lipid-rich waste is of enormous potential in energy yield by anaerobic digestion. The β-oxidation of long chain fatty acids (LCFAs), hydrolysis product from lipid-rich waste, limits the anaerobic process. It is generally accepted that the obstacle of β-oxidation is from the LCFA inhibition on biomass. Nevertheless, the previous study indicates that bioavailability of LCFAs is another key factor besides inhibition, and digestion at elevated temperatures can increase bioavailability. Temperature-phased anaerobic digestion (TPAD), adding hyperthermophilic or thermophilic pre-fermentation prior to the conventional mesophilic digestion, is paid more attention due to higher degradation efficiency and stability. Unfortunately, the efficiency and mechanism of LCFA conversion in TPAD, especially in the pre-fermentation stage, are still unknown. First of all, the significance of saturated LCFA bioavailability to β-oxidation will be demonstrated, on the premise of clarifying specific rate-limiting step by investigating the LCFA conversion process. Secondly, at elevated digestion temperatures, the study on the increased efficiency of bioavailability and the influence mechanism of bioavailability on biomass viability, as well as the inhibition level and tolerant loading, will be conducted. Lastly, a continuous experiment will be carried out to investigate the efficiency of LCFA conversion enhanced by TPAD, and to uncover the relevant operation mechanisms in practice. This study favors further understanding for the anaerobic β-oxidation of LCFAs, and also make the efficient and stable waste-to-energy application of lipid-rich waste possible.

富脂废物厌氧产能潜力巨大，水解产物长链脂肪酸(LCFAs)的β氧化是代谢瓶颈。一般认为：LCFAs抑制微生物阻碍了β氧化，但前期研究表明：生物可利用性是除抑制外的另一关键因素；提升消化温度可以提高生物可利用性。在传统中温消化前增设超高温或高温预消化的温度相厌氧消化(TPAD)因具有较高代谢效率和稳定性而逐渐受到重视，但LCFAs在TPAD工艺，特别是在预消化条件下的转化效能和机理尚不清楚。本项目首先在调查LCFAs转化路径以明确具体限速步骤的基础上，论证饱和LCFAs生物可利用性对β氧化的重要性；采用提升温度的方法，研究生物可利用性的提高效能和对微生物活性的影响机制，并考察生物可利用性提高后的抑制水平和耐受负荷；最后通过开展连续试验，探明TPAD对LCFAs转化的强化效能，并揭示实际运行的相关机理。本项目的实施有助于深入理解LCFAs的β氧化过程，将为富脂废物高效稳定的能源化利用提供可能。

富脂废物厌氧产能潜力巨大，一般认为脂肪水解产物长链脂肪酸(LCFAs)对厌氧微生物菌群的强抑制，阻碍其β氧化是最主要障碍。本研究以LCFAs的生物可利用性是除抑制外的另一重要因素为切入点，通过提升消化温度的方式构建温度相厌氧消化(TPAD)工艺提高LCFAs的生物可利用性，最终使富脂废物得以高效稳定的能源转化。首先分别以剩余污泥和中温消化污泥作为底料通过自降解方式和一步升温法，制备出高温和超高温厌氧种污泥，并解析获得优势微生物菌群。延伸考察了超高温污泥随着负荷逐步提高的厌氧代谢特征，进一步明确了超高温菌群的消化表现和相关代谢机制。比较了4种典型LCFAs间的代谢差异化特征，明确了饱和的和非饱和的LCFAs代谢速率存在不同，提出饱和LCFAs，特别是棕榈酸的β氧化是限制富脂废物代谢的重要环节。各消化温度下连续试验结果表明，中温菌对LCFAs具有较高的耐受性；相对于隔油井废物，成分更为复合的食品废物可缓解LCFAs对菌群的抑制，提高系统稳定性。长期运行实践发现，pH和进料浓度对含油食品废物厌氧消化运行调控的重要性。通过逐步提高运行负荷，探明了各消化温度下菌群的耐受负荷阈和对碱度补充的依赖性。在优化的控制条件下，构建了高温/超高温-中温的TPAD工艺。因中温消化对LCFAs的生物可利用性较低导致抑制被减弱，油分浮于消化液上层被缓慢降解，在较长水力停留时间下单独中温消化即可获得较好的高效稳定代谢；TPAD工艺在消化系统的稳定性保障方面较单独中温消化具有优势，将高温/超高温作为中温消化的预处理相，即使在提高的脂肪负荷条件下，仍可获得稳定高效的甲烷生成。高温消化段虽被部分抑制，但仍具有一定的生物代谢活性，而超高温对于TPAD的贡献主要体现在对后续中温段生物可利用性的提高方面。在有高温和超高温作为前相的温度相系统中，中温段的古菌菌群被改变，Methanosarcina成为主要的优势菌群，占比均超过80%；相比较单段中温系统中以Methanospirillum和Methanothrix为主。本研究的开展，为富脂废物高效稳定的能源化实施提供一定的科学依据，推动其实际应用。