热力学诱导和动力学促进生物质废物乙醇途径甲烷发酵机制研究

Aiming to solve the problems such as acidification, fluctuation of service and low biogas production during the anaerobic digestion process, an innovative theory of ethanol-way methane production is put forward. In this theory, by controlling pH, organic loading rate, hydrogen partial pressure etc., ethanol and acetic acid are induced as the main acidification intermediates, so that it is easy to create and maintain the ideal environment for the microorganisms and eventually the biogas production is increased. The cellulosic feedstock is pretreated under the solid state to improve hydrolysis rate. By the batch and continuous experiments, the optimal pH, organic loading rate and other parameters for ethanol-way fermentation will be obtained. During this process, the ethanol-production microorganism will be enrichment cultured and identified. On this basis, a process route of "solid state pretreatment and ethanol production+high solid content of liquid state methane production" will be proposed. Finally by theoretic calculation and system dynamics modeling method, the systematic controlled strategy of the whole process of ethanol-way methane production will be built up to provide scientific basis for the stable and high efficient anaerobic digestion of large-scale anaerobic digestion project.

本研究拟针对沼气发酵因缺乏科学合理调控而导致的酸化、运行不稳定、产气率低等问题，创新性地提出通过热力学诱导和动力学促进进行乙醇途径发酵产甲烷，即通过对pH、有机负荷、氢分压等关键影响因素的调控，达到反应器内部混合微生物菌群的最佳生态环境，实现酸化产物以乙醇和乙酸为主，减少丙酸等不利中间产物的产生，从而提高发酵过程的稳定性和甲烷产率。针对秸秆和果蔬垃圾中的纤维素物质进行固相预处理，通过间歇稳态试验和小试连续动态试验研究乙醇途径发酵产甲烷的最佳调控因素和方法，并对产乙醇细菌进行培养驯化，对发酵优势菌群辨识及特性研究。在以上工作基础上进行乙醇途径发酵产甲烷全过程最佳工艺参数的研究，形成"固相预处理乙醇发酵＋液相高浓度甲烷发酵的两段多级乙醇途径甲烷化工艺路线"。最终通过厌氧生物处理的系统动力学建模手段，建立乙醇途径产甲烷的系统控制策略，为解决规模化沼气发酵的稳定和高效运行提供可靠的科学理论依据。

果蔬垃圾、餐厨垃圾、秸秆等生物质废物厌氧消化通常面临有机负荷低、易酸化、停留时间长等问题。鉴于此，本研究提出通过环境因子调控使得酸化产物以乙醇、乳酸和乙酸等在热力学上更易降解的物质为主，从而改善酸化产物甲烷化效果。.首先，以秸秆为研究对象，研究固相条件下不同含水率对预处理效果的影响。结果表明，经SSF法厌氧发酵的玉米秸秆，在30%TS时乙醇乙酸总产率取得最大值86.9mg/g；经生物菌剂成功固态预处理后（F/M为1:2），单位TS秸秆产气量达442mL/g。.其次，研究不同pH和有机负荷对果蔬垃圾混合菌群厌氧产酸发酵产物分布的影响。结果表明，在一定有机负荷范围内，pH值是决定厌氧产酸发酵产物的关键因素，有机负荷影响不大；pH为4.0为最优化运行条件，乙醇、乳酸和乙酸是最主要发酵产物，定义该发酵类型为乙醇-乳酸型发酵。.在此基础上，提出了基于乙醇-乳酸型发酵的新型两相厌氧消化工艺。通过研究实现产酸相负荷11 gVS/(L·d)，产甲烷相UASB反应器负荷27.8 gCOD/(L·d)，两相工艺总HRT为3.56 d，取得良好效果，并在示范工程得到应用和验证。同时，分别对产酸相及产甲烷相微生物进行了PCR-DGGE以及高通量测序研究，并从产酸相分离筛选了一株产乙醇的乳酸菌。.最后，对乙醇型发酵过程动力学及系统控制策略开展了研究。结果表明，通过乙醇途径产甲烷将优于传统丙酸丁酸产甲烷，能有效避免丙酸抑制的出现，还能使产甲烷系统运行更稳定；同时，通过应用pH动态调控策略，顺利实现了乙醇型发酵过程的动态调控。.本研究揭示了有机废弃物厌氧发酵机制，创新性实现了以乙醇和乳酸为主要发酵产物的定向调控，并研发出了1套基于乙醇-乳酸型发酵调控的两相厌氧消化工艺，得到成功应用，为生物质废物的高效厌氧消化提供了重要借鉴作用。