厌氧条件下的生物储存、氢分压与微生物类群研究

论文摘要

本论文采用厌氧序批式反应器(ASBR)和连续进水反应器,以葡萄糖为基质,研究不同操作条件下,由生物储存引起的一系列反应器中污泥特性的变化。ASBR反应器中的基质代谢存在着糖原的储存。F/M越高,储存的糖原量越多,相应地基质直接降解为VFA的份额越少,单糖直接发酵过程的产氢速率则较为缓慢,从而导致反应器中的氢分压较低。进水结束时,F/M为0.10和0.14的ASBR反应器中氢分压分别为20.5Pa和15.4Pa。连续流反应器中的基质代谢不存在糖原的储存,而是直接降解为VFA,单糖发酵产酸过程的产氢速率较快,反应器中氢分压较高(平均值为57.3Pa)。污泥培养历史对储存的影响实验表明,培养历史与进水条件都是生物储存的必要条件。生物储存是长期适应一定环境条件(ASBR)的发酵产酸菌(称之为储糖菌)所具有的能力,并且只有在适宜储存的条件下(高负荷瞬时进水)才表现明显。F/M为0.14的ASBR与连续流反应器中,单位质量污泥最大氢利用速率分别为24.65ml/g.h、60.81ml/g.h,后者约为前者的2.5倍;单位质量污泥最大产甲烷速率分别为6.134ml/g.h、15.62ml/g.h,后者约为前者的2.5倍。根据反应器中污泥利用氢和利用乙酸的比产甲烷活性,估算F/M为0.14的ASBR和连续流反应器中利用氢和利用乙酸的产甲烷菌所占份额。结果为:在F/M为0.14的ASBR与连续流反应器中,利用氢的产甲烷菌占总污泥量的份额分别为1.9%和4.8%;利用乙酸的产甲烷菌占总污泥量的份额分别为3.4%(以甲烷八叠球菌计)和21.5%(以产甲烷丝状菌计)。ASBR和连续流反应器中利用氢的产甲烷菌和利用乙酸的产甲烷菌所占份额之比分别为4:7和1.6:7,由这两种产甲烷菌份额之比的变化及产耗氢平衡角度来解释不同反应器中不同的氢分压。从VFA组成、氢气产量、污泥活性等角度推断不同反应器中的发酵类型,分析结果为:ASBR反应器为典型的丙酸型发酵,连续流反应器中则发生丁酸型发酵。根据镜检结果,推测甲烷八叠球菌(Methanosarcina)和产甲烷丝状菌(Methanosaeta)分别在ASBR和连续流反应器中优势生长。观察到ASBR中单个细菌储存糖原可被染色,连续流反应器中丝状菌则未见此现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 厌氧生物处理基本原理及厌氧微生物
• 1.1.1 厌氧生物处理基本原理
• 1.1.2 厌氧微生物的功能与特性
• 1.1.3 厌氧生物处理技术与反应器
• 1.1.4 ASBR工艺特性
• 1.1.5 影响ASBR的因素
• 1.1.6 ASBR国内外研究现状
• 1.2 非平衡增长理论与胞内储存
• 1.2.1 非平衡增长理论与胞内储存
• 1.2.2 序批式操作条件下的胞内储存
• 1.2.3 影响胞内储存的因素
• 1.2.4 聚糖菌研究现状
• 1.3 氢分压调控理论
• 1.3.1 厌氧系统中的氢分压及其作用
• 1.3.2 氢分压调控的研究现状
• 1.3.3 发酵类型与产氢
• 1.4 研究目的、内容、意义
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究目的及意义
• 2 材料与方法
• 2.1 实验装置
• 2.2 反应器运行条件
• 2.3 主要仪器与设备
• 2.4 分析项目与方法
• 2.4.1 常规分析项目和方法
• 2.4.2 气体组分的分析方法
• 2.4.3 VFA的分析方法
• 2.4.4 糖原的测定方法
• 2.4.5 最大比产甲烷活性（SMA）的测定
• 2.4.6 培养历史对储存影响的实验方法
• 2.4.7 氢分压和氢利用速率
• 2.4.8 本文涉及的主要参数及计算
• 3 结果与讨论
• 3.1 不同操作条件下各反应器基本运行情况
• 3.1.1 ASBR反应器运行情况
• 3.1.2 连续流反应器运行状况
• 3.1.3 培养历史对储存的影响
• 3.1.4 小结
• 3.2 氢分压与氢利用速率
• 3.2.1 氢分压
• 3.2.2 氢利用速率
• 3.2.3 小结
• 3.3 微生物类群的推断
• 3.3.1 最大比产甲烷活性
• 3.3.2 发酵细菌类群的推断
• 3.3.3 产甲烷菌类群的推断
• 3.3.4 污泥性状镜检结果
• 3.3.5 小结
• 4 结论
• 致谢
• 参考文献