基于料液回流的产醇产甲烷两相厌氧系统微生态机制及抑制因子累积影响的研究

Two-phase anaerobic digestion process has been widely studied and applicated in the field of wastewater treatment, but research of food waste two-phase anaerobic digestion is scarce. Easy to acidification and unmanageable biogas slurry become the bottleneck problems of its engineering application. This application puts forward a kind of biological method for two phase separation, building a new two-phase anaerobic digestion process (the target product is methane) with an ethanol-producing phase and a methane-producing phase. The main fermentation characteristic of ethanol –producing phase is to produce ethanol. This research aims to study the mechanisms of synergism between ethanol-producing yeast and indigenous bacteria in ethanol- producing phase to promote hydrolysis and acidification; adopting PCR - DGGE, high-throughput sequencing and other molecular biology technology to study micro-ecological mechanism of two-phase anaerobic digestion, including the change of the microbial community, the mutual dependence and restriction relations between various functional bacterias (ethanol- producing yeast, acid-forming bacteria, methanogens, etc.); to clarify the correlation of key enzyme activities and metabolic products; to study effects of biogas slurry reflux methods (biogas slurry reflux directly, biogas slurry reflux with micro bubble aeration, biogas slurry reflux mixed with partial ejection of ethanol-producing phase) on two-phase micro-ecology , accumulation of inhibiting factors (ammonia nitrogen, salt and organic acid) and the substrates’ metabolic pathway type of methane-producing phase. Therefore, the theory of two-phase anaerobic digestion can be riched, and it will provide reliable control strategies and scientific basis to the quick start, high efficiency and stable operation of food waste ethanol-methane two-phase anaerobic digestion system.

两相厌氧消化工艺在废水处理领域已被广泛研究和应用，但餐厨垃圾两相厌氧工艺研究较少，易酸化和沼液处理难成为其工程应用的颈瓶问题。本申请提出一种生物方法来进行两相分离，构建一个以产乙醇为主要发酵特征的产醇相和产甲烷相的新型两相厌氧消化系统（以甲烷为目标产物），研究产醇相中产乙醇菌和土著菌协同促进水解酸化的机理； PCR-DGGE、高通量测序等分子生物学技术研究两相中的微生态机制，包括微生物群落变化、各功能菌群（产乙醇菌、产酸菌、产甲烷菌等）的相互依赖和制约关系；阐明关键酶活与代谢产物之间的相关性；特别是研究料液回流方式（沼液直接回流、沼液微气泡曝气后回流、沼液与部分产醇相出料混合回流）对两相微生态和抑制因子（氨氮、盐分和有机酸）的累积影响，以及对产甲烷相底物代谢途径类型的影响。由此丰富两相厌氧消化理论，为餐厨垃圾产醇产甲烷两相厌氧系统快速启动、高效稳定运行提供可靠的调控策略和科学依据。

餐厨垃圾厌氧消化过程易酸化和沼液处理难成为其工程应用的颈瓶问题。本研究构建了一个以产乙醇为主要发酵特征的“产醇相”和以乙醇型发酵为主要代谢途径的“产甲烷相”的新型两相厌氧消化系统（简称新型两相系统），并与传统的产酸产甲烷两相消化系统（简称对照组）进行了对比。发现半连续发酵、且沼液不回流的情况下，新型两相系统的有机负荷率（OLR）为5.5 g-VS·L-1·d-1，比对照组提高10%；而沼液回流的半连续发酵150d (10L反应容积) 情况下，新型两相系统的有机负荷率（OLR）为6.0 g-VS·L-1·d-1，比沼液回流的对照组提高20%。餐厨垃圾新型两相系统进行沼液回流后，增加了系统的碱度和对酸的缓冲能力，提高了系统稳定性，且可使系统的有效容积减少21.4 %，平均容积产甲烷率提高33.5%。还发现TVFA/总碱度（TA）比值可以作为半连续厌氧系统运行预警指标，当TVFA/TA值＜0.4时系统稳定运行，TVFA/TA值在0.4~0.6时系统有失稳的趋势，TVFA/TA值＞0.6时系统将完全酸化失稳。. 采用高通量测序等分子生物学技术分析了新型两相系统半连续发酵过程微生物群落变化，结果表明：醇化相在稳定运行时，约64.5%的细菌种类来自于回流的沼液，并增加了乙酸等VFA生成菌的相对丰度，丰富了新型两相系统的水解酸化相中细菌微生物群落的种类和多样性，且产醇相中产乙醇菌和土著菌具有协同促进水解酸化的作用，从而提高了水解酸化效率。. 采用同位素示踪的方法进一步定量解析了新型两相系统缓解酸化的机理，发现在醇化相中，43.7%的碳流量（13 C6-葡萄糖）转为13C2-乙醇，20.0%的碳流量转化为其他有机酸，而对照组对应的酸化相中，转化为13C2-乙醇的碳流量仅占5.83%，转化为其他有机酸的碳流量为64.5%。新型两相系统的甲烷相中乙酸产甲烷途径占59.4%，H2还原CO2产甲烷途径占35.4%；而对照组的乙酸途径为66.1%，H2还原CO2途径为30.7%。.本项目研究丰富了两相厌氧消化理论，可在一定程度上减少沼液的排放量，同时缓解酸化，使产醇产甲烷两相厌氧系统快速启动、高效稳定运行，为实现餐厨垃圾资源化利用的产业化推进提供科学依据。