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近年來,隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)民生活水平的  提高,農(nóng)村生活垃圾的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了每年3億  噸。根據(jù)調(diào)查,中國農(nóng)村生活垃圾主要組分包括  廚余類、灰土類、橡塑類和紙類。而在廚余類主要包  括剩菜葉、剩果皮、蛋殼、骨頭以及剩飯等。根據(jù)文  獻(xiàn)研究所得,除東北地區(qū)外,我國大部分農(nóng)村生活垃  圾中,廚余類垃圾占超過40%2)。該部分垃圾有機(jī)質(zhì)含量高,尤其是糖類物質(zhì)含量高,并且含有氮、磷、鉀、鈣及微量元素。以往,該類生活垃圾通常是用來當(dāng)做家庭飼養(yǎng)家禽及牲畜的飼料或者用于田間堆肥4。隨著農(nóng)村生產(chǎn)生活方式的轉(zhuǎn)變,失去了就地消納該類垃圾的能力。該部分垃圾隨其他生活垃圾被農(nóng)戶丟棄于戶外。在一些經(jīng)濟(jì)農(nóng)村條件較好的農(nóng)村,設(shè)有生活垃圾集中收集點(diǎn),村民集中堆放后由

村里轉(zhuǎn)運(yùn)至垃圾處理廠或填埋,在其他地方,更多的是隨意丟棄。對農(nóng)村的土壤、河流、空氣造成了污染。尤其是其中的有機(jī)質(zhì)部分,極易腐爛變質(zhì),易攜帶滋生病菌的 Colibacillus、. Salmonella等,對人們的健康造成了很大的威脅6。對這部分垃圾需要進(jìn)行妥善處理。

厭氧消化是一種處理有機(jī)廢棄物行之有效的方法。它可以生產(chǎn)出清潔能源一沼氣,并且沼渣沼液是一種肥料,可以還田利用,實(shí)現(xiàn)了該類垃圾的減量  化與資源化(。也有研究證明,厭氧消化同時(shí)可以去除一些病原菌減少垃圾隨意丟棄所帶來的病菌  感染8-9。目前,針對農(nóng)村有機(jī)生活垃圾中致病菌  及厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵的研究較少,本研究利用農(nóng)村有機(jī)生活  垃圾開展連續(xù)厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵實(shí)驗(yàn),研究厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵過程中

細(xì)菌菌群的變化。沼渣沼液中病原菌攜帶情況會(huì)影響其還田利用,因此本研究有重要的意義。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)前期對農(nóng)村有機(jī)生活垃圾成分的調(diào)研結(jié)果(農(nóng)村有機(jī)生活垃圾中菜葉比例50%,果皮25%,剩飯20%,廢舊紙張5%)收集研究所附近菜市場以及餐館的有機(jī)垃圾按比例配置成農(nóng)村有機(jī)生活垃圾。收集到的垃圾挑選出塑料袋、筷子、等不可紅泥膜沼氣池發(fā)酵物質(zhì),分別做切碎處理(粒徑1cm)和粉碎處理(粒徑1mm)。接種物取自農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)基地。原料及接種物性質(zhì)見表1。

1、2實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,為CSTR反應(yīng)器。罐體容積為22L,有效容積為20L。設(shè)有自動(dòng)溫控及攪拌系統(tǒng)。進(jìn)料口位于反應(yīng)器下部,出料口位于反應(yīng)器上部,中部設(shè)有取樣口。進(jìn)料方式為一日一進(jìn)采用連續(xù)厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵,原料TS濃度控制在8%,原料

粒徑為1cm和1mm,溫度為35℃,攪拌條件為轉(zhuǎn)速  為60r·min-,每10min攪拌一次。采用LMA  型濕式氣體流量計(jì)記錄沼氣產(chǎn)量,使用氣袋收集忍  氣以用來測量沼氣成分。

紅泥膜沼氣池發(fā)酵罐內(nèi)原料與接種物按照TS比為1:1投入待紅泥膜沼氣池發(fā)酵罐內(nèi)產(chǎn)氣穩(wěn)定后開始進(jìn)料,逐步提高進(jìn)料負(fù)荷,直至水力停留時(shí)間(HRT)縮短至12天。本次實(shí)驗(yàn)選取HRT=15d,20d兩個(gè)階段進(jìn)行細(xì)菌菌群分析。每次進(jìn)料前將原料Ts濃度用沼液控制到8%。微量元素添加量如下:Fe4g·L,C0.3嗎·L,N2mml.L。實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置如表2所示

每天記錄甲烷產(chǎn)量,每天取樣測pH值和界發(fā)  酸

1.3分析方法  日產(chǎn)氣量由流量計(jì)讀數(shù)所得。  氣體成分由便攜式氣體成分分析儀測量所得  儀器型號為: BIOGAS5000。

pH值測定,便攜式pH計(jì)型號為p100

細(xì)菌菌群變化由上海美吉生物科技有限公司  行測序分析,測序方法采用16sDNA分析技術(shù)2結(jié)果與討論

2.1日沼氣產(chǎn)量與水力停留時(shí)間的關(guān)系

如圖2所示,為兩個(gè)反應(yīng)器在HRT為20d和15d階段的日產(chǎn)沼氣量,每個(gè)階段為期10d。日產(chǎn)沼氣量隨水利停留時(shí)間縮短而提高。水利停留時(shí)間為20d時(shí),1#反應(yīng)器中的日產(chǎn)沼氣量高于2#反應(yīng)器中的日產(chǎn)沼氣量,表明在該水利停留時(shí)間條件下,反應(yīng)溫度為35℃時(shí),原料粒徑為1cm時(shí)的日產(chǎn)氣量高于原料粒徑為1mm。水利停留時(shí)間為15時(shí),2#反應(yīng)器中的日產(chǎn)沼氣量高于1#反應(yīng)器中的產(chǎn)沼氣量,表明在該水利停留時(shí)間條件下,反應(yīng)  為35℃時(shí),原料粒徑為1mm時(shí)的日產(chǎn)沼氣量離  原料粒徑為1cm。1#反應(yīng)器中的容積產(chǎn)氣率由6  L·Ld-1提高到2.69L·Ld-,2#反應(yīng)器內(nèi)的  積產(chǎn)氣率由2.14L·Ld-1提高到29L·L  表明原料粒徑越小,水利停留時(shí)間縮短對沼的提升程度越大。

2.2甲烷含量變化

如圖3所示為甲烷含量變化,可以看到,1#反應(yīng)  器中沼氣的甲烷含量要高于2#反應(yīng)器中沼氣甲烷  含量。表明,原料粒徑小,紅泥膜沼氣池發(fā)酵體系中原料水解酸化速率高,體系中揮發(fā)酸濃度較高,抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性,使得沼氣中甲烷含量低。兩個(gè)反應(yīng)器沼氣中甲烷含量均在50%以上。

2.3pH值變化

圖4所示為兩個(gè)反應(yīng)器中pH值的變化。水利  停留時(shí)間為20d時(shí),pH值均偏高,當(dāng)水利停留時(shí)間  為15d時(shí),pH值下降,表明隨著水利停留時(shí)間縮  短,紅泥膜沼氣池發(fā)酵體系中揮發(fā)酸積累量提高,使得pH值下降。兩個(gè)反應(yīng)器中的pH值均處于紅泥膜沼氣池發(fā)酵正常范圍內(nèi)

2.4細(xì)菌菌群變化

圖5~圖6為原料和沼渣中細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)圖。圖5為原料細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)圖,在4個(gè)批次的原料中,存在的病原菌為 Enterobacter和Eno其中,  Enterobacter所占比例分別為為21%,6%,13.1%,

11.4%。 Enterococcus在第3批次的原料中所占比例為2.91%,在其他批次的原料中比例很小。其余優(yōu)勢菌主要有 Lactobacillus, Leuconostoc, Weissella,Acetobacter, Streptococcus等。未檢測到 salmonellaShigella Castellani及 Staphylococcus Aureus。圖6為兩個(gè)反應(yīng)器中7個(gè)不同時(shí)間段沼渣中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)圖,其主要細(xì)菌菌群為 Eikenella,, Rumin, Lachnospira, clostridium等,未檢測到 Enterobacter, Enterococcus, Salmonella, Shigella Castellani K StaphylococcusAureus

Enterobacter是一種不治病或條件致病菌,在機(jī)體免疫能力低下時(shí),容易發(fā)生感染。 Enterococcus是一種革蘭氏陽性菌,其致病能力強(qiáng)。因此,對這兩種菌的去除顯得很重要。通過本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),厭氧作用對這兩種菌具有100%的去除能力,消除了這兩種菌伴隨有機(jī)生活垃圾而對人、畜的健康威脅。Leena等人通過研究發(fā)現(xiàn)厭氧消化可以去除豬糞  中 Salmonella和 Colibacillus等病原菌。原料中大量存在著 Weissella,它是一種以葡萄糖為底物產(chǎn)生乳  酸的細(xì)菌,能夠參與食品的腐爛變質(zhì)。張嚴(yán)化發(fā)現(xiàn),  在餐廚廢棄物早期儲(chǔ)運(yùn)過程中, Weissella, Lactobacil  lus, Streptococcus為主要優(yōu)勢菌,在米面型餐廚廢棄  物和肉菜型餐廚廢棄物中有差別12。 salmonella,  Shigella Castellani及 Staphylococcus Aureus是人畜共

患菌,在食品和飼料中污染比較嚴(yán)重,在本4批原料中未測得這些菌,表明在實(shí)驗(yàn)室條件下對農(nóng)村有機(jī)生活垃圾進(jìn)行收集,雖然是在一個(gè)開放的、非嚴(yán)格控菌的條件下,農(nóng)村有機(jī)生活垃圾不會(huì)被 salmonella,Shigella Castellani及 Staphylococcus Aureus感染。張嚴(yán)化2在研究餐廚廢棄物早期儲(chǔ)運(yùn)過程中細(xì)菌菌群變化中同樣也未發(fā)現(xiàn)這些菌。

對沼渣中細(xì)菌菌群進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),主要以紅泥膜沼氣池發(fā)酵性細(xì)菌為主, Eikenella, Rumin, Lachnospira,Clostridium等均屬于 Bacteroidetes和 Firmicutes3),這些細(xì)菌可以分一系列解大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、碳水化合物等,將這些有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜帷⒈帷⒍∷岬葥]發(fā)性有機(jī)酸141。這與前人所得結(jié)果類似  15-17

通過細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),原料中主要以Lactobacillus和 Weissella等為主,這些菌為兼性厭氧細(xì)菌,他們主要以原料中有機(jī)物為底物,分解產(chǎn)生乳酸;原料進(jìn)入紅泥膜沼氣池發(fā)酵罐后,紅泥膜沼氣池發(fā)酵體系為嚴(yán)格厭氧環(huán)境,原料本身攜帶的細(xì)菌不適應(yīng)紅泥膜沼氣池發(fā)酵罐中環(huán)境,紅泥膜沼氣池發(fā)酵體系中紅泥膜沼氣池發(fā)酵性細(xì)菌逐漸取代原料中原有細(xì)菌,直至完全取代。隨著沼氣紅泥膜沼氣池發(fā)酵過程的進(jìn)行,原料中原有的細(xì)菌菌群已經(jīng)發(fā)生的變化。

3結(jié)論

(1)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾在TS為8%的時(shí)候進(jìn)行連續(xù)厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵,原料粒徑為1mm時(shí),紅泥膜沼氣池發(fā)酵效果優(yōu)于原料粒徑為1cm。HRT=20d時(shí),最佳容積產(chǎn)氣率為2.14L·Ld-1,HRT=15d時(shí),最佳容積產(chǎn)氣率為2.96L·Ld1。

(2)厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵對農(nóng)村有機(jī)有機(jī)生活垃圾中的Enterobacter和 Enterococcus有良好的滅殺效果,證明厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵可以去除農(nóng)村有機(jī)生活垃圾中此類病原菌對環(huán)境的影響。

(3)隨著沼氣紅泥膜沼氣池發(fā)酵的進(jìn)行,原料中原有的細(xì)菌菌群發(fā)生變化,由原先的 Lactobacillus及 Weissella轉(zhuǎn)變?yōu)榧t泥膜沼氣池發(fā)酵性細(xì)菌。

摘自《中國沼氣》2018第4期 魏珞宇 羅臣乾 張敏 施國中 張國治

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