强化乙醇型发酵的餐厨垃圾干式两相厌氧消化中挥发酸抑制的调控及机理研究

During the process of kitchen waste dry anaerobic fermentation, the rapid hydrolysis of easily degradable components could result in the accumulation of volatile fatty acids, which may inhibit the digestion process. With high efficiency and stability of methane producing process as the objective，this application project intends to build a new two-phase anaerobic digestion model of enhanced ethanol-type acid fermentation and methane fermentation by screening adapted ethanol bacteria, controling ethanol/acid ratio of the acid fermentation phase end products to alleviate volatile acids suppression and provide a favorable environment for subsequent methane fermentation, analying the traffic distribution of glucose metabolism pathway based on Isotope tracer method and key enzymes activities determination of metabolic pathways to obtain the controlling countermeasures through which carbon source can easily covert into the target products, using a PCR-DGGE analysis to study the dynamic changes of microbial species in the methane fermentation phase and establish the dynamics mode of microbial population under the optimum methane production. It's also essential to study the influence of propionate/acetate and VFA/alkalinity ratio to methane fermentation and clarify microscopic mechanism of the enhanced ethanol-type fermentation about how to ease VFA inhibition. This research enriches methane fermentation theory to provide a reliable means of regulation and scientific basis for dry anaerobic fermentation of kitchen waste.

餐厨垃圾厌氧干式发酵时，其易降解组分快速水解会造成挥发性脂肪酸积累，从而对发酵过程产生抑制作用。本申请项目以餐厨垃圾厌氧干式发酵产甲烷的高效、稳定化为目标，构建强化乙醇途径的酸发酵和甲烷发酵的新型两相厌氧消化模式，筛选能适应该模式的乙醇菌，控制乙醇途径的酸发酵末端产物中乙醇和酸的适宜比例，缓解挥发酸的抑制作用，为后续甲烷发酵提供良好的基质；探讨丙酸/乙酸、VFA/碱等比值的变化对甲烷发酵过程的影响，阐明强化乙醇型发酵体系缓解VFA抑制的微观机理；采用同位素示踪法和测定代谢途径的关键酶活性，分析糖代谢各个途径流量分布，提出有利于生成目标产物的碳源流向调控对策；利用PCR-DGGE法研究甲烷发酵阶段中主要微生物种类的演替规律，探索建立最佳甲烷产量下的微生物种群动态变化模式，丰富甲烷发酵理论，为餐厨垃圾厌氧干式发酵的启动和运行提供可靠的调控手段和科学依据。

本项目针对餐厨垃圾干式甲烷发酵时，其易降解组分会快速水解酸化造成挥发性脂肪酸积累从而对发酵过程产生抑制的问题,开展了强化乙醇型发酵的产甲烷新模式研究, 以丰富甲烷发酵理论，并为餐厨垃圾厌氧干式发酵的高效稳定运行提供可靠的调控手段和科学依据。现已取得以下创新性成果: 1) 构建了强化乙醇型发酵的餐厨垃圾干式两相厌氧消化新模式，得到了合理可行的技术路线，其中较适宜的餐厨垃圾乙醇预发酵条件为：酵母粉添加比例5‰，预发酵温度35~38℃，预发酵时间24 h；与传统产甲烷的对照模式相比，新模式在乙醇预发酵阶段，可促进发酵底物转化为中性分子乙醇，大大减少了挥发性有机酸, 特别是丙酸的产生, 并且在后续甲烷发酵过程中也能维持一定的乙醇浓度，而丙酸/乙酸比值始终处在较低的范围，并使T80（发酵物料减量80%所需要的甲烷发酵时间）显著缩短。2) 建立了检测乙醇预发酵及甲烷发酵全过程碳源流向的同位素示踪分析法,并通过测定其主要的中间产物，明确了底物中糖代谢各途径的碳源流量分布。结果表明：强化乙醇型发酵的产甲烷新模式和对照模式中，底物转化为甲烷的碳源流量分别为92.96% 和84.32%，其中新模式的乙醇预发酵阶段，碳源的33.5%转变成乙醇，只有3.2%转变为丙酸，而对照模式转变为乙醇和丙酸的碳源流量分别为2.2% 和19.2%；另外，新模式的丙酸浓度在整个甲烷发酵阶段也显著低于对照模式。上述结果进一步定量证明了新模式可控制酸抑制，使甲烷发酵系统能高效稳定地运行。3) 明确了强化乙醇型发酵新模式的产甲烷过程中主要微生物群落变化规律。高通量测序结果表明：新模式的甲烷发酵系统中，产甲烷细菌相对丰度有明显提高，其中乙酸营养型产甲烷菌Methanobacterium 相对丰度在甲烷发酵末期达到了57%，成为了优势菌种。这与新模式预发酵阶段产生的乙醇中，有40% 乙醇在甲烷发酵初期就迅速转变成了乙酸的同位素示踪结果相符合,说明乙醇能及时为甲烷菌提供基质并促其增殖。同时氢营养型产甲烷菌Methanosarcina和Methanoculleus的相对丰度也有一定提高。