pH調(diào)控強化豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效能及從發(fā)酵液同步回收氮磷的研究.pdf

1、隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進，農(nóng)村環(huán)境污染問題日益顯現(xiàn)，農(nóng)業(yè)面源污染形勢嚴峻，突出表現(xiàn)為畜禽養(yǎng)殖污染物排放量巨大。采用厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸技術(shù)對畜禽糞便進行資源化利用，不僅可緩解農(nóng)村面源污染，而且能“變廢為寶”，從糞便中獲取有用資源，具有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟價值。我國作為世界生豬養(yǎng)殖第一大國，每年排放數(shù)億噸豬糞，其中所含的有機物可作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的底物。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，以厭氧發(fā)酵生產(chǎn)揮發(fā)酸為出發(fā)點，通過不同的pH調(diào)控手段來強化豬糞的水解酸化

2、效果，同時探討其中的作用機理;并在豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸后，采用天然沸石吸附工藝回收發(fā)酵液中的無機氮磷，考察該方法同步回收氮磷的效果、適宜條件和機理，以期實現(xiàn)豬糞中碳、氮、磷資源利用的最大化。
　　首先采用序批式實驗的方式，將發(fā)酵豬糞底物的初始pH值分別調(diào)節(jié)至3，5，7，9，10，11，12，進行20天的厭氧發(fā)酵，探討了初始pH調(diào)控手段對厭氧水解酸化的強化效果。結(jié)果表明:初始pH10條件最有利于發(fā)酵液中揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的積累，在

3、發(fā)酵第20天達到最高濃度(13634mg-COD/L)，其中乙酸和丙酸兩者比例之和達71.2％;初始pH5條件有利于丁酸的積累，最高濃度為2530mg-COD/L，占VFAs總量的24.6％;另外，隨著發(fā)酵過程的進行，氨氮(NH4-N)濃度顯著上升，且VFAs濃度越高，氨氮釋放量越多。采用變性梯度凝膠電泳技術(shù)(PCR-DGGE)對發(fā)酵前后底物中微生物種群組成進行分析，結(jié)果顯示初始pH值調(diào)控對微生物種群有明顯的影響:初始pH10條件下C.

4、alkalicellum和Chumireducens兩種耐鹽嗜堿的酸化細菌成為優(yōu)勢種群;而初始pH為5時，能發(fā)酵生產(chǎn)丁酸的Butyricimonas sp是優(yōu)勢種群。
　　鑒于初始pH10條件能有效促進VFAs積累，在后續(xù)研究中通過定期添加NaOH，將發(fā)酵液的pH值進行全程持續(xù)控制(pH10)并測試其產(chǎn)酸效能。結(jié)果表明:與采用初始pH調(diào)控(pH10)相比，全程pH調(diào)控手段可以進一步提高2.55倍和2.08倍的蛋白質(zhì)和多糖溶出量，但

5、兩者的VFAs最高濃度無顯著差異(11950mg-COD/L)。對發(fā)酵過程進行動力學模擬結(jié)果顯示，兩種pH調(diào)控下VFAs的積累均符合一級動力學特征，但全程調(diào)控下的VFAs生產(chǎn)速率常數(shù)KVFAs(0.027)小于初始調(diào)控組(0.033)，這說明全程pH調(diào)控在一定程度上抑制了酸化細菌的代謝活動。通過高通量16S rRNA基因的焦磷酸測序分析可知，與初始豬糞樣品相比，經(jīng)過堿性厭氧發(fā)酵(pH10)后發(fā)酵液中的微生物多樣性均有所下降，其中全程pH

6、調(diào)控反應器中主要的產(chǎn)酸菌Clostridium sensu stricto和ClostridiumⅪ比例有所減少，而一些能夠耐強堿環(huán)境的Bacilli和Amphibacillus則變?yōu)閮?yōu)勢菌種。
　　本研究最后運用天然沸石吸附工藝對豬糞厭氧發(fā)酵液中的無機氮磷進行同步回收，以實現(xiàn)對豬糞資源的進一步資源化利用。采用靜態(tài)和動態(tài)兩種實驗方式，考察了天然沸石對NH4+和PO43-的去除效果和作用機理。靜態(tài)實驗結(jié)果表明:(1)Ca2+是天然沸

7、石中參與NH4+交換的主要陽離子，比例約為50％;(2)同步高效去除氮磷的最佳溶液pH值在9.0～10.0，溶液pH值升高不利于氨氮的吸附，但有利于磷酸根的去除，且磷的去除率也隨著溶液中氨氮濃度的升高而提高;(3)本研究用天然沸石去除氮磷的機理主要包括陽離子交換(除NH4+)和化學沉淀(除PO43-)作用。采用天然沸石吸附柱的動態(tài)處理實驗，結(jié)果表明:雖然沸石對人工配水和實際豬糞發(fā)酵液中氮磷的去除能力呈現(xiàn)一定程度的下降趨勢，但該工藝對發(fā)酵