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生物质能是最有前景的可再生能源之一,其开发和利用在全球范围内受到了极大关注。有机废弃物作为常见的生物质,可通过厌氧消化技术转化为清洁能源-甲烷。我国每年产生大量高油脂废弃物,由于其产甲烷潜力远高于碳水化合物和蛋白质,所以是一类很有潜力的厌氧消化原料。但油脂废弃物的厌氧消化特性和降解规律尚不明确,且其存在碳氮比过高、易引起长链脂肪酸(Long-chain fatty acids,LCFAs)抑制的问题,限制了其进一步开发和利用。针对以上问题,本文首先对常见动植物油、LCFAs及屠宰场废弃猪脂肪(Swine fatty waste,SFW)的厌氧消化过程进行了系统深入的研究,揭示了油脂和SFW的消化特性和降解规律。其次,利用混合消化具有使消化物料C/N 比更合理、增加反应器缓冲能力的优点,采用动物粪便与SFW进行半连续混合消化,实现了反应系统稳定高效产甲烷。研究内容和主要结论如下:(1)系统地探究了常见油脂的LCFAs组成、油脂与LCFAs的降解特性及LCFAs组成与油脂降解特性之间的关联。结果表明,常见油脂产甲烷潜力均超过800 mL gvs-1,但降解时间存在较大差别。在10-20 gvs L-1的负荷条件下,富含不饱和LCFAs的鸡脂肪和植物油降解时间明显短于富含饱和LCFAs的牛、羊和猪脂肪。而在30-50 gvs L-1的负荷条件下,鸡脂肪和植物油降解时间明显比牛、羊和猪脂肪要长。不饱和LCFAs含量是导致油脂产甲烷过程存在差异主要原因。油脂不饱和LCFAs含量较高时,最大产甲烷速率也较高,在低负荷条件下降解时间较短;但在高负荷条件下造成停滞期过长,导致降解时间也过长。LCFAs降解过程的动力学参数表明,不饱和LCFAs的停滞期比饱和LCFAs要长,最大产甲烷速率比饱和LCFAs要高。这与牛、羊、猪脂肪和鸡脂肪、植物油两类油脂之间的动力学差别一致,更加说明不饱和LCFAs的含量是不同油脂产甲烷过程存在差别的主要原因。(2)对SFW的厌氧消化性能、LCFAs积累变化过程,及功能菌进行了研究。结果表明,SFW非常适合作为厌氧消化的原料,在S/I比(substrate to inoculum ratio)为 0.7 和 1,负荷为 20-40 gvs L-1 的条件下具有较好的降解性能,最终累计甲烷产量在920.9-999.2 mL gvs-1之间。SFW降解初期出现了较高浓度的LCFAs积累,说明在初期水解速率比LCFAs降解速率快。但随着消化的进行,LCFAs积累浓度逐渐下降,同时甲烷产量快速上升,可见LCFAs降解速率超过了 SFW水解速率。当LCFAs的浓度降低至较低水平时,日甲烷产量进入高峰期,说明各反应速率之间达到了平衡状态。微生物群落结构表明,Clostridium、Syntrophomonas相Methanospirillum是SFW降解过程中的优势菌。(3)探究了预处理后的SFW在消化中的产甲烷性能及LCFAs积累过程的变化规律。研究表明,对SFW进行0.2%和0.4%脂肪酶预处理之后,SFW厌氧降解停滞期缩短约5 d,T80(达到80%产气所需时间)减少约6 d。对SFW进行加热熔化预处理后,SFW的厌氧消化停滞期缩短了约4.5 d,T80缩短了约9 d。这两种预处理方法促进了 SFW降解过程中LCFAs的产生与降解。然而,SFW经过加热熔化与脂肪酶水解耦合预处理后,降解过程出现了 LCFAs的过度积累,产甲烷过程变慢,停滞期和T80均大幅延长。可见,脂肪酶水解预处理或加热熔化预处理能促进SFW的降解,是有效的预处理方法。(4)将SFW分别与三种动物粪便以多种混合比例进行半连续混合消化,分析了产甲烷性能、稳定性参数及微生物群落结构。结果表明,当SFW占比不超过一定值时,反应器能够连续稳定运行(否则酸化),稳定运行的混合消化反应器中甲烷产量、甲烷含量和VS去除率均远高于粪便单消化。其中,SFW与猪粪混合消化的产甲烷性能高于与牛粪、羊粪混合消化。此外,猪粪比牛粪、羊粪具有更高的碱度和氨氮,其抗酸化能力更强,SFW与猪粪混合消化时60%的SFW占比仍可以稳定运行,而与牛粪或羊粪混合消化时,相同SFW占比已不能稳定运行。粪便与SFW混合消化时微生物主要有 Firmicute、Bacteroidetes、Proteobacteria、Chloroflexi、Methanothrix 和 Methanospirillum。(5)采用逐步提升有机负荷率(OLR)的方式,分别探索了反应器以SFW与猪粪的混合物、预处理后的SFW与猪粪的混合物为原料时,半连续消化系统的运行特征。结果表明,SFW与猪粪混合消化在OLR为在4 gvsL-1 d-1条件下得到最高VS甲烷产量,为534.3 mL g-1 d-1,在5g vs L-1 d-1条件下得到最高容积甲烷产量,为2.52 L L-1d-1。加热熔化预处理后的SFW与猪粪半连续混合消化是在OLR为3 gvs L-1 d-1条件下得到最高VS甲烷产量,为628.7 mL gvs-1 d-1,在Sgvs L-1 d-1条件下得到最高容积甲烷产量,为2.79 L L-1d-1,此预处理方法使SFW与猪粪半连续混合消化的产甲烷性能得到较大提高。在脂肪酶水解预处理后的SFW与猪粪混合消化时,甲烷产量无明显提升,说明此预处理方法对SFW与粪便半连续混合消化产甲烷性能没有明显促进作用。本研究揭示了常见动植物油、LCFAs和屠宰场SFW在厌氧消化中降解规律,以及SFW与动物粪便进行半连续混合消化的性能,还通过预处理对SFW产甲烷性能进行了优化和改进。研究结果为实现油脂废弃物,尤其是SFW在沼气工程中的高效应用提供了丰富的理论依据和参考。