挥发性脂肪酸(VFAs)是干式厌氧发酵产甲烷过程的中间产物,是发酵能否顺利进行的关键因素。本文研究了添加不同浓度乙酸、丙酸、丁酸和不同比例厨余垃圾的干式厌氧发酵过程,探讨了不同挥发酸积累对各类群微生物丰度及甲烷产率的影响,分析VFA和相应菌群间的关系,并建立了不同挥发酸积累发酵过程的微生物生长和甲烷生成动力学模型等。确定了牛粪干式厌氧发酵过程的起始条件和操作条件:固含量20%,接种率10%,搅拌频率为两天搅拌一次;利用响应曲面法优化了微量元素Fe、Co、Ni的添加浓度分别为15.0 mg/L,1.0 mg/L和1.2 mg/L。牛粪干式厌氧发酵过程中,每次添加乙酸21 g、每两天加一次、共添加6次的反应器(R2ace)中,沼气和甲烷累积量最大,分别为157.97 L和73.46 L,其甲烷产率为5.27 m L CH4/g VS/d。R2ace的产甲烷微生物丰度和活性、甲烷产率远高于对照和其它乙酸添加量的反应器。每次添加丙酸4 g和8 g、每两天加一次、共添加6次的反应器(R2pro和R3pro)的甲烷产率相似,且远高于对照和其它丙酸添加量的反应器。R3pro的甲烷产率最大为4.17 m L CH4/g VS/d,以日产甲烷量和古细菌丰度比值表示的产甲烷活性,R3 pro的活性最高,以日产甲烷量和总挥发性固体比值表示的产甲烷活性,R2 pro最大。每次添加丁酸7.2 g、每两天加一次、共加6次的反应器(R6but)微生物丰度最高,沼气和甲烷产率均为最高,分别为10.62 m L/g VS/d和5.11 m L CH4/g VS/d。丁酸添加量为4.8(R5but)和2.4(R4but)的产甲烷活性相差不大,较其它反应器高。每次添加丁酸量在2.4~7.2之间的三个反应器的微生物丰度、沼气和甲烷产率均远高于对照和其它丁酸添加量的反应器。启动阶段氢营养型产甲烷菌随着乙酸浓度的增加而减少,相关系数R2为0.8658;乙酸营养型产甲烷菌则随着乙酸浓度的增加而增加,相关系数R2为0.8578,当乙酸浓度超过100000 mg/L时,二者呈负相关,相关系数R2为0.8984。古细菌和乙酸营养型产甲烷菌与甲烷产率呈正相关。食丙酸产氢产乙酸菌与低浓度丙酸呈正相关,当丙酸浓度高于40 g/L时,二者呈负相关。降解丁酸产氢产乙酸菌与乙酸和丁酸浓度均呈正相关。干式厌氧发酵过程中,硫酸盐还原菌(SRB)对挥发酸的利用顺序依次为丙酸、丁酸、乙酸,挥发酸的少量积累利于SRB和产甲烷菌在厌氧发酵中的协同作用。牛粪干式厌氧发酵过程,当厨余垃圾添加量为20%(以添加厨余垃圾的干物质量相对于牛粪的干物质量计,即牛粪比厨余垃圾为5:1)时,挥发酸中主要是乙酸和丁酸,总挥发酸低于100 g/L,沼气产率最高为9.64 m L/g VS/d。添加量为14%(牛粪比厨余垃圾为7:1)的发酵过程甲烷产率最高为5.09 m L CH4/g VS/d,产甲烷活性也是最高。厨余垃圾添加量在9%20%(牛粪比厨余垃圾为11:1~5:1)范围内的沼气和甲烷产率远高于对照和其它处于垃圾添加量的反应器。利用厌氧发酵产甲烷动力学公式ln(Vm)/(Vm-V)=kt分别分析了各发酵过程的启动阶段和稳定阶段,对启动阶段k值最大的发酵过程,利用Logistic模型模拟了乙酸营养型产甲烷菌对乙酸的动力学,从动力学常数k值可知乙酸和丁酸积累对乙酸营养型产甲烷菌的活性提高有利,丙酸积累则不利,而且添加适量厨余垃圾对乙酸营养型产甲烷菌的活性提高比添加乙酸更有效。利用修正的Gompertz模型模拟了发酵过程产甲烷微生物生长和甲烷生成动力学,获得动力学参数;比较分析各发酵过程参数表明适量乙酸积累利于产甲烷微生物生长和甲烷的生成,丙酸则不利。添加9%厨余垃圾发酵获得的参数与添加乙酸发酵过程的相似。
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