餐厨垃圾厌氧消化过程中氨氮耐受响应机制研究

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1、分类号密级博士学位论文题目：餐厨垃圾厌氧消化过程中氨氮耐受响应机制研究英文并列题目：Studyonammoniatoleranceresponsemechanismduringanaerobicdigestionofkitchenwaste研究生：高树梅专业：环境工程研究方向：清洁生产和废物资源化工程导师：阮文权教授指导小组成员：赵明星副教授学位授予日期：二〇一五年十二月三十一日答辩委员会主席：沈耀良教授江南大学地址：无锡市蠡湖大道1800号二○一五年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导拜指导下进巧的

2、研究工作及取巧的研究成果。尽我所知，除了文中特别加ｋＸ标注和致谢的地方外论文，中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机拘的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡化均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名期：心、，１。、聲；关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留：、使用学位论文的规定江南大学有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁益允，许论文被査阅和借阅，可Ｗ将学位论文的全部或部分内容编

3、入有关数据库进行检索，可Ｗ采用影印、缩印或柱描等复制手段保存、汇编学位论文，一致并互本人电子文档的内容和纸质论文的内容相。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。签名；导师签名：如＾曰期：‘ｃ＞ｉｒＸ５摘要摘要餐厨垃圾是典型的城市有机废弃物，餐厨垃圾固渣富含碳水化合物和蛋白质，采用厌氧消化技术对其进行处理是实现餐厨垃圾资源化、减量化和无害化处理的有效途径。然而厌氧消化过程易发生氨氮抑制而导致过程失稳。氨氮对厌氧消化体系的抑制主要表现为强烈抑制产甲烷菌活性，因自由氨具有细胞膜自由渗透性，可通

4、过被动扩散的方式进入细胞，引起细胞质酸化、质子不平衡及K+流失等；产甲烷菌活性的抑制使得挥发性脂肪酸（VFAs）大量积累，进一步造成pH剧烈下降。氨氮和VFAs的双重抑制及pH的变化往往导致厌氧消化系统处于“抑制型假稳态”。因此，充分掌握餐厨垃圾固渣的厌氧消化特性、有效减缓氨氮抑制的措施及系统氨氮耐受响应机制等问题，是实现餐厨垃圾固渣大规模处理处置的基础和前提。本论文以餐厨垃圾固渣为厌氧消化底物，利用批式厌氧发酵方式确定了餐厨垃圾固渣厌氧消化的特性及潜力；采取了相关措施提高了连续厌氧消化系统的氨氮耐受性，减缓了氨氮抑制

5、效应；借助高通量测序技术及选择性抑制手段阐明了微生物群落及产甲烷代谢途径的氨氮耐受响应机制，回答了嗜乙酸产甲烷途径受抑制情况下乙酸如何转化为甲烷等问题，为餐厨垃圾固渣的大规模处理处置奠定了理论基础。主要的研究结果如下：中温条件下，餐厨垃圾固渣批式厌氧消化随着物料比（接种物：底物，固体含量比）的不同，面临不同程度的酸抑制效应，甚至完全抑制甲烷的形成，投加NaHCO3可以一定程度地防止系统过度酸化、提高处理能力。物料比为1:0.5时，单位质量餐厨垃圾固渣的甲烷产量最高，达604.32mL/gTS，同时TS去除率达90.40

6、%。Logistic方程、ModifiedGompertz模型和Transference方程均可较好地拟合餐厨垃圾固渣产甲烷过程；其中Transference方程的拟合度更高。餐厨垃圾固渣连续厌氧消化过程中，蛋白质分解产生的氨氮是造成反应器失稳的首要因素：氨氮抑制效应影响了产甲烷菌的活性，进而引起挥发VFAs积累，产生了酸抑制效应，并造成pH剧烈下降。为此，论文提出了“基于梯度氨氮压力”的厌氧系统氨氮耐受性驯化策略，在餐厨垃圾固渣连续厌氧消化过程中，通过梯度提高氨氮压力的方式对厌氧系统进行耐受性驯化，逐步提高了系统的氨

7、氮耐受性。在氨氮浓度由2000mg/L提高至4500mg/L过程中，反应器运行良好，沼气日产量、甲烷含量、上清液中化学需氧量（SCOD）和VFAs等指标保持稳定，平均值分别为58.93L/d、62.31%、7238mg/L和578mg/L；同时反应器的缓冲性能随着氨氮浓度的增加而逐渐提高。驯化过程中，淀粉酶活和蛋白酶活性保持相对稳定，而CoF420的活性却随着氨氮浓度的增加呈上升趋势。经过耐受性驯化后，氨氮对厌氧污泥产沼气活性的半数抑制浓度由3709mg/L提高至10072mg/L，提高了171.56%；对产甲烷活性的

8、半数抑制浓度由3111mg/L提高至9180mg/L，提高了195.08%，氨氮耐受性有了较大提高。梯度提高氨氮浓度的驯化过程中，厌氧污泥中微生物群落相对丰度发生明显变化：嗜乙酸产甲烷菌（主要是Methanosaetaceae和Methanosarcinaceae）的相对丰富下降，而嗜氢产甲烷菌（主要是Methanobacteri