评估过程的局限性和微生物群落在厌氧消化脂肪,油和润滑脂(雾)

文摘

有机废物,如脂肪、油和润滑脂(雾),是很好的基质沼气生产,因为他们的高甲烷产量潜力。雾水解甘油和长链脂肪酸(LCFA),并通过β-oxidation LCFA发生的降解途径已报道的病原反应步骤整个厌氧消化过程。文献综述了scient雷竞技苹果下载ii¬c LCFA雾厌氧消化,抑制因素,微生物群落,将强调未来的研究需要提高甲烷产量与其他废弃物生物质厌氧co-digestion的雾。

文摘

有机废物,如脂肪、油和润滑脂(雾),是很好的基质沼气生产,因为他们的高甲烷产量潜力。雾水解甘油和长链脂肪酸(LCFA),并通过β-oxidation LCFA发生的降解途径已报道的病原反应步骤整个厌氧消化过程。综述了科学文献LCFA雷竞技苹果下载和雾厌氧消化,抑制因素,微生物群落,将强调未来的研究需要提高甲烷产量与其他废弃物生物质厌氧co-digestion的雾。

关键字

脂肪,油,油脂(雾)、厌氧消化、长链脂肪酸(LCFA),微生物群落。

介绍

食用油脂的年消费量为2.1×10⁷吨,因此浪费了石油生产在中国6×106吨。厌氧消化(广告)是广泛应用在城市垃圾处理厂(WWTPs)和农业废弃物沼气发电厂。厌氧消化几十年来一直用于治疗油性/脂肪废物,例如,乳品废水(1),冰淇淋废物(2],鱼浪费[3),蔬菜废弃物(4和屠宰场废水5]。

脂质被认为是一个好的原料为可再生能源的生产,因为甲烷产量潜力高(表1)[6]。从理论上讲,1 g甘油trioleate (C₅₇H_104年O₆)相当于1.08 L (CH₄,1 g的葡萄糖(C₆H₁₂O₆)仅相当于0.37 L在标准温度和压力。在实际广告反应堆,60% ~ 74%的雾是转化为甲烷。

表1:潜在沼气生产不同类型的基质(6]。

厌氧消化由一系列微生物的过程,将有机物转化为甲烷和二氧化碳,并且可以发生在不同的温度条件下,如嗜冷、嗜常温或高温。嗜中温条件下生物降解是最常见的。一般来说,厌氧消化可以分为三个主要微生物的步骤,即水解、acidogenesis / acetogenesis和甲烷生成所示图1(7]。脂质水解甘油和长链脂肪酸(LCFA),然后通过β-oxidation LCFA发生途径的退化已报道的病原反应步骤整个厌氧消化过程。在水解过程中,一个财团的细菌分解复杂的有机物如脂质等影响到溶性单体脂肪酸。水解的复杂聚合物是由细胞外酶的催化。Acidogenesis包括发酵和厌氧氧化(β-oxidation),这是由发酵引起酸化的乙酸细菌,分别为(8]。

LCFA抑制和机制

LCFA毒性:治疗雾的厌氧消化往往是阻碍因为LCFAs的抑制作用。早期的研究表明,革兰氏阳性微生物是抑制在低浓度LCFA比革兰氏阴性微生物(9]。革兰氏阳性可以抑制产甲烷细菌LCFAs由于其细胞壁(10]。在UASB反应器,吸附一层光LCFAs生物质导致污泥和污泥冲刷的浮选11]。Koster和克莱默发现油酸几乎相同的抑制月桂酸,表现出I50 4.3毫米,和辛酸只有轻微的抑制12]。

LCFA毒性随厌氧污泥的类型和更相关的烂泥'physical特征(比表面积和粒度分布)比他们的生物学特性。暂停和絮状污泥,具有更高的比表面积,遭受更大的抑制比颗粒污泥(13]。嗜热微生物已报告比嗜温菌LCFAs更敏感,可能是由于不同的细胞膜的组成(14]。

生物降解LCFAs已经报道的嗜常温和高温环境(15,16]。有人建议,LCFAs对产甲烷菌的杀菌效果和不适应发生(15,16]。然而,研究基于厌氧固定床反应器的降解油酸表明,适应环境改善的电阻油酸生物膜的存在,提高了生物降解能力相比,没有形成的生物膜脂质(17,18]。添加钙可以减少LCFA抑制,可能是因为形成不溶性盐(15,19]。然而,除了钙不能解决污泥问题的浮选。

长链脂肪酸抑制:脂质既不轻易接受常规治疗手段,也不分解生物,由于不溶性聚合物的形成和漂浮在表面的废水(20.]。虽然脂质丰富的废水有较高的甲烷潜力,它的一个中间产品,LCFAs,会导致抑制(21,22]。Hanaki发现添加LCFAs造成的外观滞后期的甲烷生产醋酸,而在厌氧消化过程。根据热力学第二定律,能量必须从更高的流到一个较低的潜力。热力学acido-acetogenesis(发酵)是吸热和非自发(ΔG > 0和ΔH > 0),这意味着LCFA发酵不能自发进行,LCFAs形成不溶性疏水聚合物在水相(23]。然而,acidogenesis一起acetogenesis分解乙酸的长链饱和脂肪酸通过短链脂肪酸(β-oxidation)和电化学耦合甲烷生成。强自发过程与消极向左反应驱动力(ΔG < 0和ΔH < 0) (23,24]发生,发酵是发酵热转向了一种自发过程(ΔG < 0和ΔH < 0) (25]。

这意味着LCFA抑制甲烷生成的失败可能导致LCFA发酵,整个厌氧消化生物过程。严重LCFA抑制在厌氧膜生物反应器用于治疗脂质丰富corn-to-ethanol薄台,和Dereli建议广泛的反应堆解散LCFAs汤可能引起抑制甲烷生成的26]。抑制产甲烷菌的报道LCFAs从来自限制利用沼气生产废水(27]。期间,LCFAs抑制厌氧过程取决于LCFA的类型,微生物种群和温度。例如,油酸,其次是软脂酸和硬脂酸,被描述为对嗜热微生物的抑制作用最大的LCFA [28]。

LCFA抑制的机制:尽管LCFA退化建议作为甲烷生成的“限制一步”由于其感知的局限性(29日),通过结合水解,发酵,syntrophic乙酸(SAB)和产甲烷微生物厌氧消化LCFAs已经实现的30.]。建议限制步骤是LCFAs初始浓度密切相关,因此,高浓度的LCFAs导致厌氧消化器的失败(31日,32]。相信抑制厌氧代谢的LCFAs归因于LCFAs到细胞壁的吸附和膜代谢影响运输(33,34]。

这吸附甲烷生产延误,但可以预防通过提供一个竞争合成吸附剂(如膨润土)(35),和生物物理学LCFA抑制厌氧消化的数学建模(36]。此外,胡证明模型的毒性LCFA(油酸)acetoclastic产甲烷菌在厌氧污泥并不依赖于三个生物因素(污泥来源、特定acetoclastic产甲烷活性和污泥适应脂质),但密切相关的物理因素比表面积的污泥37]。除了产甲烷细菌的抑制,佩雷拉和内维斯提出LCFA吸附和积累在生物质可以创建一个物理屏障,阻碍底物和产品的转移,诱导一个初始延迟甲烷生产,甚至造成污泥浮选和洗掉35,37]。添加钙可以缓解LCFA抑制,可能由于不溶性盐的形成38]。用剂稀释反应堆的内容,从而增加生物量/ LCFA比率,或添加吸附剂,被发现是最好的策略恢复高温堆肥反应堆受到LCFA抑制(39]。

厌氧Co-digestion的雾

Co-digestion雾:正如前面所讨论的那样,LCFA抑制厌氧反应器中存在,不能完全解决。Co-digest雾与其他底物成为一个有效的和有效的方法来解决这个问题。许多市政当局在美国、加拿大和欧洲全面实现厌氧co-digestion雾和市政污水污泥在污水处理厂40]。雾或其他高脂质废物也被成功co-digested牛粪、猪粪、和食物浪费41- - - - - -44]。

实验室规模、中试规模和全面的研究co-digestion雾的城市污水污泥进行在欧洲,美国,和加拿大(45- - - - - -54]。从上述研究结果表明,添加雾导致增加的天然气生产潜力蒸煮器原料(55- - - - - -57]。然而,这种气体生产依赖于雾加载速率增加,反应堆配置、混合强度、甚至其他变量。Kabouris报道几乎消化池天然气产量增加200% (51,52]虽然帕里和Davidsson蒸煮器最大增加天然气产量的13%和27%,分别为(43,48]。

在雾中厌氧微生物co-digestion:雾在厌氧生物反应器降解是通过syntrophic社区乙酸细菌和产甲烷古菌。Shigematsu和他的同事们(58)使用了16 s rRNA基因的方法研究微生物群落在化学家美联储与油酸和棕榈酸的混合物。成员属于Syntrophomonadaceae发现在恒化器,虽然最主要微生物属于拟杆菌门和螺旋体属门。生物质在反应堆的多样性和动态治疗饱和和不饱和LCFA研究了16 s rrna genetargeted分子技术(59- - - - - -61年]。这些研究表明,污泥的细菌社区相当复杂。然而,检索的一个重要组成部分细菌16 s rRNA基因序列(53%)最相似的无教养的微生物,大部分分配给门厚壁菌门。也有变形菌门和成员拟杆菌门也被发现。最近研究发现syntrophicβ-oxidizing属Syntrophomonas增加到codigester ~ 15%的细菌社区,和Methanosaeta和Methanospirillum是主要的产甲烷属(62年]。

结论和未来的角度来看

在未来很长一段时间,由于抑制LCFA,雾的厌氧co-digestion仍将在中国和全球的流行。适当的加载速率和微生物适应是关键控制LCFA抑制。关键是理解的基础和机制抑制LCFA,和设计更合适的策略来避免在雾LCFA抑制厌氧消化。

确认

这项工作得到了国家高技术研究发展计划(2013 aa102805 - 02)和四川省应用基础研究项目(2015 jy0054)。

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