厭氧堆肥產(chǎn)甲烷基本特征的研究

厭氧堆肥產(chǎn)甲烷基本特征的研究

目前，中國(guó)城市垃圾年產(chǎn)量約為1.9萬(wàn)噸，年平均約9%。本研究采用厭氧堆肥法處理城市生活垃圾，垃圾在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，會(huì)發(fā)生水解、酸化和甲烷化等一系列復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，并最終被分解成以甲烷和二氧化碳為主的氣體-沼氣。Chugh等研究認(rèn)為，1t含水率為45%、有機(jī)物含量為55%的垃圾可產(chǎn)甲烷57.5m3，相當(dāng)于甲烷含量60%的沼氣95.8m3。因此，厭氧堆肥的產(chǎn)CH4較高而且容易回收利用；所以厭氧堆肥不僅較好地回收了能源，還可以獲取有機(jī)肥。本研究著重對(duì)生活垃圾厭氧堆肥過(guò)程中產(chǎn)氣變化進(jìn)行了分析。在介紹模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)厭氧堆肥工藝產(chǎn)甲烷特征進(jìn)行了研究。同時(shí)，通過(guò)提取厭氧垃圾堆肥滲出液的總DNA中選擇性地PCR擴(kuò)增古細(xì)菌群落的16SrDNA片斷,在此基礎(chǔ)上建立古細(xì)菌16SrDNA克隆文庫(kù),并利用RFLP法對(duì)其進(jìn)行分析,從而獲得有關(guān)產(chǎn)甲烷時(shí)期垃圾堆肥內(nèi)部古細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)及其多樣性的初步信息。1材料和方法1.1堆肥原料生活垃圾來(lái)自武漢市華中科技大學(xué)生活區(qū)垃圾點(diǎn)，其基本組成見(jiàn)表1。1.2棉、培養(yǎng)器溫度反應(yīng)器為圓柱型，直徑600mm，高1200mm，外包保溫棉用于保溫。反應(yīng)器底部設(shè)滲濾液收集口；頂部?jī)蓚€(gè)開(kāi)口，一個(gè)連真空泵抽真空，另一個(gè)用于測(cè)產(chǎn)氣率；側(cè)壁設(shè)左右兩個(gè)開(kāi)口，一個(gè)插溫度計(jì)測(cè)溫度，另一個(gè)用于取樣。反應(yīng)裝置如圖1所示。1.3入?yún)捬醵逊恃b置首先對(duì)收集來(lái)的生活垃圾進(jìn)行人工分選，將其中的塑料、玻璃、金屬等不能降解的物質(zhì)剔除；然后用四分法采樣，將500kg垃圾裝入?yún)捬醵逊恃b置；由于測(cè)定混合垃圾含水率為30%，所以人工加水至含水率為45%后，加蓋密封；在第2～9天用空氣壓縮機(jī)抽真空，每天1～2次，每次15～30min。試驗(yàn)期間，對(duì)滲濾液的COD及所產(chǎn)氣體的甲烷產(chǎn)率、二氧化碳產(chǎn)率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中COD用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測(cè)定，甲烷及二氧化碳產(chǎn)率用北京市華云分析儀器研究所生產(chǎn)的9000D型便攜式4組分紅外線分析系統(tǒng)測(cè)定。1.4文獻(xiàn)報(bào)道的提取當(dāng)堆肥3個(gè)月產(chǎn)甲烷穩(wěn)定時(shí),取堆體滲出液1L.滲濾液樣品總DNA的提取參照文獻(xiàn)報(bào)道的方法。采用玻璃珠純化試劑盒純化,核酸濃度用分光光度計(jì)(EppendorfBiophotometer)測(cè)定,用1%瓊脂糖凝膠(含0.5μL/mL的EB)電泳評(píng)估制備效果。1.5古細(xì)菌段的生長(zhǎng)1.6pcr擴(kuò)增電泳條帶類(lèi)型的篩選將PCR產(chǎn)物（約900bp）克隆到pGEM-T載體中，通過(guò)藍(lán)白篩選，挑取白色克隆子，用通用引物M13+/-進(jìn)行菌落PCR，對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行酶切（限制性內(nèi)切酶RSAI），經(jīng)1.5%瓊脂糖電泳后分析電泳條帶類(lèi)型。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1發(fā)酵溫度對(duì)堆肥產(chǎn)率的影響試驗(yàn)垃圾裝入?yún)捬醵逊恃b置時(shí)，初期屬好氧環(huán)境，隨著分子氧、SO42-和NO3-的消耗及人工抽真空，裝置內(nèi)開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)所必需的厭氧狀態(tài)，開(kāi)始產(chǎn)生甲烷及二氧化碳。第15天開(kāi)始用紅外線分析系統(tǒng)測(cè)定裝置內(nèi)的甲烷及二氧化碳產(chǎn)率，此后每隔15d測(cè)一次，得到數(shù)據(jù)如圖2所示。從圖2可以看出，在試驗(yàn)開(kāi)始階段，甲烷產(chǎn)率只有7%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于33%的二氧化碳產(chǎn)率；隨著時(shí)間的推移，甲烷產(chǎn)率逐漸升高，二氧化碳產(chǎn)率逐漸降低，直到反應(yīng)進(jìn)行到70天左右時(shí)，甲烷產(chǎn)率才逐漸高于二氧化碳產(chǎn)率，并于第90天左右時(shí)達(dá)到最高值42%；此后二氧化碳及甲烷產(chǎn)率都逐漸降低，但甲烷產(chǎn)率始終高于二氧化碳產(chǎn)率。這是由于厭氧消化過(guò)程先經(jīng)過(guò)水解酸化階段，而后才能進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。垃圾堆肥罐開(kāi)始產(chǎn)甲烷后，甲烷菌隨時(shí)間推移迅速繁衍，甲烷產(chǎn)率逐漸增加。當(dāng)產(chǎn)甲烷速率上升到一定水平后，垃圾中可降解部分因發(fā)生水解、產(chǎn)甲烷反應(yīng)而逐漸減少，水解產(chǎn)物越來(lái)越少，因而甲烷產(chǎn)率也隨時(shí)間逐漸減少。到180天時(shí)，垃圾堆肥罐的產(chǎn)甲烷率僅為其最大值的30%。堆肥發(fā)酵罐氣體產(chǎn)率受環(huán)境溫度的影響很大，總體上，在同一變化周期內(nèi)，CH4產(chǎn)率隨實(shí)驗(yàn)室的升降而增減。同時(shí)可以看出，CO2產(chǎn)率與環(huán)境溫度的關(guān)系不明顯，而環(huán)境溫度對(duì)CH4產(chǎn)率的影響更大，更直接。在反應(yīng)初期約20d時(shí)，室溫在20℃左右，此時(shí)發(fā)酵罐甲烷產(chǎn)率為8%；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行第60d時(shí)，室溫上升到30℃左右，測(cè)得發(fā)酵罐甲烷產(chǎn)率為20.2%；第90d時(shí)，室溫達(dá)到最大值38℃，發(fā)酵罐達(dá)到最大產(chǎn)量42.0%，同時(shí)測(cè)得罐內(nèi)溫度為40℃，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到最后，室溫又降到10℃左右，此時(shí)發(fā)酵罐甲烷產(chǎn)率僅為13.4%。同時(shí)根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)，罐內(nèi)40℃溫度能持續(xù)約22d，罐內(nèi)垃圾能夠達(dá)到基本無(wú)害化，堆肥產(chǎn)品完全腐熟。2.2滲濾液cod濃度的變化規(guī)律通過(guò)半年時(shí)間的運(yùn)行，垃圾堆肥罐的滲濾液水質(zhì)發(fā)生了很大的變化。試驗(yàn)初期，由于垃圾堆肥罐尚未進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，垃圾水解產(chǎn)物不能通過(guò)產(chǎn)甲烷反應(yīng)得到有效的去除，不斷產(chǎn)生的水解產(chǎn)物的積累造成了滲濾液COD濃度持續(xù)上升。在試驗(yàn)進(jìn)行了60多天后，隨著滲濾液中SO42-和NO3-被還原，部分基質(zhì)同時(shí)被硫酸鹽還原菌和硝酸鹽還原菌利用，滲濾液COD開(kāi)始逐步下降。當(dāng)堆肥罐進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段后，滲濾液COD濃度就開(kāi)始呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)。隨著垃圾和滲濾液中的有機(jī)物因甲烷化反應(yīng)而去除，滲濾液COD濃度的下降趨勢(shì)變緩，直至相對(duì)穩(wěn)定在4000mg/L左右。2.3堆肥罐內(nèi)垃圾處理試驗(yàn)周期從4月底至11月初，實(shí)驗(yàn)室最高溫度為約38℃，最低溫度約11℃。試驗(yàn)初期，由于堆肥罐內(nèi)垃圾處于水解階段，甲烷產(chǎn)率上升緩慢；隨著時(shí)間的推移，一方面垃圾堆肥罐進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，另一方面受氣溫快速升高并持續(xù)高溫的影響，甲烷產(chǎn)率上升迅速；在達(dá)到最大產(chǎn)甲烷量后，由于受垃圾中可生物降解有機(jī)物數(shù)量減少的影響，并且氣溫開(kāi)始下降，產(chǎn)甲烷量開(kāi)始迅速下降。2.4總dna提取獲得的DNA的OD260/OD280值在1.85～2.00之間，經(jīng)1%的瓊脂糖凝膠電泳后呈現(xiàn)單一區(qū)帶，在純度上符合PCR的要求。2.5rflp分析的譜型經(jīng)過(guò)藍(lán)白斑挑選，共得到60個(gè)陽(yáng)性克隆子，經(jīng)RFLP分析后約得到15個(gè)不同的譜型，其中一些主要的譜型如圖3所示。對(duì)主要譜型的克隆子還要進(jìn)一步測(cè)序，確定種類(lèi)。3厭氧堆肥的影響因素及pcr-rflp分析(1）試驗(yàn)表明，在厭氧堆肥開(kāi)始階段，所產(chǎn)生的氣體中甲烷含量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于二氧化碳含量的；而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，二氧化碳產(chǎn)率呈下降趨勢(shì)，甲烷產(chǎn)率逐漸升高，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到約2個(gè)月左右時(shí)，甲烷產(chǎn)率才逐漸高于二氧化碳產(chǎn)率，并始終高于二氧化碳產(chǎn)率。(2）通過(guò)半年多的運(yùn)行，厭氧堆肥罐產(chǎn)生的滲濾液COD濃度先升高后降低，并在經(jīng)歷了快速下降階段后，下降速度逐漸趨于平緩。(3）厭氧堆肥的甲烷產(chǎn)率除了隨時(shí)間的推移而變化外，對(duì)其影響最大的因素就是環(huán)境溫度，在反應(yīng)的同一個(gè)階段，溫度越高，甲烷產(chǎn)率越大。(4）對(duì)甲烷產(chǎn)率最高時(shí)期，對(duì)垃圾堆肥滲出液取樣，提取總DNA，進(jìn)行了PCR-RFLP分析，在60個(gè)隨機(jī)選出的古細(xì)菌rDNA克隆子中，