污泥超高温(65℃)厌氧消化系统启动方案

以高温(55℃)厌氧消化反应器的污泥为接种泥,以不同比例的牛粪和脱水污泥为基质,通过产甲烷潜力测试实验,对污泥超高温(65℃)厌氧消化系统的启动策略进行了初步的探讨.实验结果表明:污泥超高温(65℃)厌氧消化系统具有其可行性;65℃条件下,由于水解酸化过程加快,易发生VFAs(尤其是乙酸和丙酸)的累积.同时,与中温(37℃)和高温(55℃)污泥厌氧消化系统相比,超高温(65℃)系统的产气量虽然较低,但所产沼气中CH4含量明显升高,可以达到79.0%.对系统细菌和古菌进行的多样性分析结果表明:超高温(65℃)条件下,反应器中的细菌以Coprothermobacter、Caldicoprobacter、Ruminiclostridium等极端嗜热的蛋白质水解菌和木质纤维素水解菌为主,不同反应器之间细菌种群多样性的差异是由所投加物料的不同造成的;所有反应器的古菌中,嗜热的氢营养型产甲烷菌Methanothermabactor成为绝对优势菌群,占古菌的比例均超过96%.在超高温反应器(65℃)的启动初期,可适当提高投加基质中牛粪的比例,加快对嗜热产甲烷菌(氢利用型产甲烷菌)的富集,同时避免系统中的VFAs的积累,保证反应器顺利启动.     

厌氧消化过程稳定性与微生物群落的相关性

为探析厌氧消化过程稳定性与微生物群落的相关性,在餐厨垃圾厌氧消化反应器中引入负荷扰动以诱导不同的运行状态,理化分析和高通量测序相结合用于研究各个状态下的状态参数响应及微生物群落动态.结果表明,均衡的群落结构保证了反应器的稳定运行,稳定状态下反应器的甲烷产率和挥发性固体（VS）去除率分别高达（0.50±0.01）LCH₄/gVS和（89.58±0.08）%.高负荷下产酸细菌（柔膜菌门、放线菌门）大量增殖,诱导互养脂肪酸降解菌（梭菌纲）的相对丰度剧增,然而与之互营的氢型产甲烷菌的丰度和活性却下降了.产甲烷菌与互养脂肪酸降解菌的失衡导致它们不能有效的互养合作,从而引起挥发性脂肪酸（VFA）积累和过程失稳.积累的VFA和氨使比乙酸产甲烷活性（SAMA）和比产甲烷活性（SMA）分别下降60.12%和72.51%,进一步加剧了过程失稳.扰动停止后,尽管反应器恢复了原有运行条件和性能,但微生物群落达到了新的平衡.     

FISH法作为厌氧消化系统运行管理指标的可行性

以高浓度厌氧消化污泥为对象,进行FISH、MPN和产甲烷活性的测定实验.FISH分析得到,厌氧消化污泥中古细菌、嗜乙酸产甲烷菌和嗜氢产甲烷菌占全菌数的比例分别为30%～70%,18%～28%和15%～43%,菌数测定结果FISH法高于MPN法.研究表明,FISH法可用于高浓度厌氧消化污泥的菌相解析,作为处理系统运行管理指标使用.     

NZVI对低有机质污泥厌氧消化系统及微生物群落的影响

采用投加不同剂量纳米零价铁（NZVI）（0,0.1,0.3,0.5 g/g VS）的低有机质污泥进行半连续中温厌氧消化试验,研究了反应器在不同NZVI投加量下的产甲烷特性及微生物群落变化。研究表明:NZVI的投加前期对产甲烷具有促进作用,随着反应器中NZVI累积逐渐对产甲烷产生抑制,且投加量越高抑制效果产生越早,抑制作用也越强。投加NZVI反应器未造成酸化或氨抑制,厌氧消化系统稳定性较好,系统上清液中磷酸盐去除率最高达到97.78%。NZVI的投加可以促进Firmicutes、Proteobacteria等水解产酸菌和Methanosarcina等多数氢营养型产甲烷菌的生长,而对严格的乙酸型产甲烷菌Methanosaeta生长有一定抑制作用。     

零价铁对厌氧消化过程中氨氮抑制解除的影响

氨氮抑制是影响高含固有机固体废弃物厌氧消化产甲烷效率的重要因素.本研究通过实验室批量实验,考察了微米级零价铁对剩余污泥、热水解污泥厌氧消化的影响以及对高氨氮抑制解除的影响.结果表明,投加4 g·L~(-1)和10 g·L~(-1)零价铁对剩余污泥、热水解污泥厌氧消化过程中的产甲烷速率、迟滞时间和产甲烷潜势等动力学特征均未有影响.但是,在高氨氮抑制的厌氧消化过程中, 4 g·L~(-1)和10 g·L~(-1)的零价铁投加可使厌氧消化受氨氮抑制的产甲烷迟滞时间由对照组的18.61 d分别缩短为17.22 d和16.18 d,最大产甲烷速率(以VS计)由对照组的6.34 mL·(d·g)~(-1)提升为7.84 mL·(d·g)~(-1)和7.39 mL·(d·g)~(-1).零价铁并未通过化学反应对厌氧消化的pH缓冲体系产生直接影响,而是使氨氮抑制后的产甲烷优势古菌Methanosarcina的相对丰度(27 d)由对照组的30.71%提升到53.50%和60.30%.本研究证明了零价铁并不能提升污泥产甲烷潜势,而只是在受抑制影响的厌氧消化过程中,刺激产甲烷微生物的代谢活性,强化如氨氮抑制影响的快速解除.     

基于CSTR反应器鸡粪秸秆共消化产甲烷特性及菌群变化研究

基于实际工程通过控制有机负荷对不同配比鸡粪和玉米秸秆 （VS比分别为1：0、5：2、1：1）进行联合厌氧消化,分析了不同VS比变化对水解酶活性及微生物动态群落变化的影响,并确定了鸡粪秸秆联合厌氧消化的最优配比.结果表明,当VS比为1：1时,碳氮比 （C/N）为17,此时甲烷日产量峰值为31.46 L,累计产甲烷量为940.96 L,产甲烷效果最好,为最优配比;对比3组实验秸秆表面结构降解情况,C3 （VS比=1：1）组各水解酶活性均高于C1 （VS比=1：0）和C2 （VS比=5：2）组,且Megasphaera和Bacteroides作为纤维素酶主要分泌菌属相对丰度较高,纤维素酶活性峰值达到258.94 U·mL^-1,使秸秆中的纤维素和木质素得到有效降解;秸秆含量增加提高了水解细菌多样性,降低了古菌多样性,Lactobacillus属于Bacteroidetes门,由于其具有较好的抗逆性在C2和C3组丰度较高,能够作为水解产酸阶段的优势菌属;C3组产甲烷古菌丰度变化较为稳定,在实验中期以食氢产甲烷菌为主,优势菌属主要有Methanosphaera和Methanobrevibacter,实验后期以食乙酸产甲烷菌为主,优势菌属主要为Methanosaeta、Methanospirillum和Methanoregula.     

氨氮对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响

为探析氨氮（TAN）对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响,在串联批次实验中引入氨氮胁迫,结合Miseq高通量测序分析,研究了不同TAN浓度下厌氧消化系统的过程参数响应以及微生物群落动态.结果显示,随TAN增加,甲烷回收率从（96.53±2.66）%下降至（63.13±0.73）%,消化时间从435h延长至915h,连续驯化下,TAN为3000mg/L的实验组产气性能完全恢复,而高氨氮实验组（TAN³6000mg/L）仍处于抑制状态.相较于乙酸代谢而言,长链挥发性脂肪酸（LCVFAs）代谢对TAN的耐受度更高（6000mg/L）,但一旦被抑制,其功能难以通过驯化恢复.从微生物层面上看,高丰度且功能冗余的水解酸化细菌保证了各TAN梯度下的水解酸化作用;氨氮敏感的Methanosaeta和Methanospirillum也能通过驯化被耐氨的Methanosarcina和Methanoculleus取代,从而维持系统产甲烷功能;相比之下,产氢产乙酸菌功能高度专一,仅C₄~C₁₈降解菌Syntrophomonas和丙酸降解菌Pelotomaculum被检测到,在连续的高氨氮暴露下,前者的丰度虽有一定程度的恢复,但后者未能被驯化,最终系统出现以丙酸为主的LCVFAs积累,产气性能恶化.可见, LCVFAs的互营降解才是氨抑制失稳的关键环节.     

不同含固率下零价铁提升厨余垃圾高温厌氧消化产沼体系运行稳定性研究

相比中温（35 ℃）厌氧消化,高温（55 ℃）厌氧消化中微生物代谢活性强,处理效率高,且无害化水平高,适合厨余垃圾的资源化处理及 利用.但由于厨余垃圾易降解,有机质含量高,水解速率快,极易在厌氧消化前期出现酸积累现象,这种现象在高温厌氧消化中更为显著,从而严重制约着高温厌氧消化的应用.本研究探究了零价铁（ZVI）对高温厌氧消化过程酸化现象的消除和控制,并对投加ZVI后不同含固率下 厌氧反应器严重酸化现象缓和效果进行评价.结果表明,高温条件下含固率为4%、6%的反应器在ZVI的促进作用下很快恢复产沼,甲烷产率相较低负荷反应器分别提高了52.05%、10.51%.含固率为8%的投加ZVI反应器在经历一个月的延滞期后也消除了“过酸化”,甲烷含量稳定在60%以上, 甲烷产率达到270.40 mL·g^-1.以加ZVI反应器沼液作为接种物的H-ICS反应器能够降低氢分压,但未能消除“过酸化”.含固率为10%的反应器在反应结束后仍处于酸化状态.高通量测序结果表明,所有外加ZVI的反应器中嗜氢产甲烷菌是绝对的优势菌.在恢复产沼的H-ZVI反应器以细菌Defluviitoga产生的乙酸盐、CO₂、H₂和丁酸转化来的乙酸为底物,嗜氢产甲烷菌Methanothermobacter作为唯一优势产甲烷古菌,与互营乙酸氧化菌Syntrophaceticus相互作用,实现互营乙酸氧化产甲烷（SAO-HM）途径,恢复产甲烷代谢.     

厌氧氨氧化菌富集培养过程微生物群落结构及多样性

为深入理解厌氧氨氧化菌富集培养过程微生物群落变化特征,采用ASBR反应器进行厌氧氨氧化菌富集培养,考察了不同培养时间微生物群落组成、多样性及物种网络关系.结果表明,通过逐步提高基质浓度,实现了厌氧氨氧化菌富集,NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率分别为97.6%和95.4%,总氮去除率为84.9%.高通量测序发现,整个培养过程优势菌门（相对丰度>5%）为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、浮霉菌门（Planctomycetes）、装甲菌门（Armatimonadetes）和放线菌门（Actinobacteria）;富集培养获得的主要厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia,相对丰度从1.42%增长到24.66%;培养过程,微生物群落优势菌群组成未发生变化,但相对丰度呈现显著差异（P<0.05）.富集培养过程不同时间,微生物群落α多样性呈现先升高后降低的趋势,且存在显著差异（P<0.05）;微生物群落β多样性在富集培养过程发生明显空间分异特征,且存在显著差异（R=0.5672,P<0.01）.培养过程不同时间,物种网络密度分别为0.188、0.068、0.059、0.18和0.0735;虽然富集培养过程导致微生物间的关联作用变弱,但浮霉菌门相关类群的物种成为网络中的主要节点.     

乙酸驯化对厌氧污泥微生物群落结构及发酵特性的影响

采用乙酸对厌氧污泥进行逐步驯化,以富集乙酸营养型产甲烷菌群,解决厌氧发酵过程中的酸抑制问题.对驯化前后污泥中的微生物群落结构及其在高酸浓度和低p H值条件下的发酵特性进行了研究.结果表明:驯化后污泥中乙酸营养型产甲烷菌中的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)得到了明显富集,其相对丰度由原始的4.2%提高到58.1%,成为耐酸污泥中的主导优势古菌群;氢营养型产甲烷菌属的丰度则都有不同程度的下降.污泥中产甲烷菌群由氢营养型为主导转为乙酸营养型和氢营养型共同主导.驯化前后污泥中细菌的优势菌门均为主要降解纤维素和半纤维素的厚壁菌门(Firmicutes)和降解蛋白质的拟杆菌门(Bacteroidetes),其中驯化后Firmicutes的丰度由48.8%提高到61.7%,而Bacteroidetes的丰度则由30.1%降低至16.9%.驯化后的污泥对高VFA浓度和低pH值的耐受性均有较大程度的提高,其在VFA浓度为7500 mg·L~(-1)及pH 6.0条件下仍可以快速产气.     

不同污泥在微波预处理-厌氧消化过程中抗性基因分布及菌群结构演替

城市污水厂剩余污泥是抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARG）的重要储存库,污泥处理过程中ARG的转归趋势及其与菌群结构变化的关系仍需人们深入研究.本研究考察了A²O和A²O-MBR工艺的城市污水厂剩余污泥的ARG与细菌群落结构在微波预处理-厌氧消化处理过程中的演变规律,结果表明,两种原污泥的菌群结构及携带的ARG丰度分布区别较大;虽然微波预处理不会显著改变菌群结构,但预处理-厌氧处理后的消化污泥菌群结构有显著差异;无论有/无预处理,厌氧消化过程对污泥中ARG和MGE的分布有趋同性的作用;ermF、qnrS和bla_NDM-1是厌氧消化过程中易于增殖传播的抗性基因;污泥特性中,生物量、氨氮和正磷对ARG和MGE分布的影响力最大;污泥性质对细菌群落结构、尤其是部分功能菌属变化有重要影响.本研究结果可为人们进一步了解污泥厌氧消化过程中ARG的传播与控制提供科学参考.     

基于厌氧膜生物反应器的剩余污泥-餐厨垃圾厌氧共消化性能

采用厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor,AnMBR)进行剩余污泥与餐厨垃圾的共消化,研究其有机物的去除特性、产气性能和微生物群落组成等运行性能.结果表明,反应器运行过程中有机负荷(organic loading rate,OLR,以VS计)稳定在0.59～0.64 kg·(m~3·d)~(-1),挥发性固体(volatile solids,VS)降解率由单消化17.5%上升至共消化40%,COD截留率为95.3%.消化液含固率提高了3.9倍,最终CH_4体积分数稳定在60%,CH_4产量(以COD_(added)计)为78.7 mL·g~(-1).跨膜压差(transmembrane pressure,TMP)和平均Flux分别维持在-3.1～-2.7 kPa和0.106 L·(m~2·h)~(-1),膜污染较轻.16S rRNA微生物多样性分析表明,AnMBR内部厌氧消化细菌主要是Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)和Cloacimonetes(阴沟单胞菌门),产甲烷菌中的优势菌科为Methanobacterium(甲烷杆菌科),优势菌属为Methanosaeta(甲烷鬃毛菌属)和Methanolinea(甲烷绳菌属).这将为AnMBR处理污泥及其它高含固率废物流的稳定性和运行性能研究提供有力的理论参考依据,进而为生物质资源化和能源危机提供有效解决途径.     

碱处理对秸秆厌氧消化的影响

为减少秸秆碱处理的碱用量,提高秸秆的产气量,从产气量、XRD和FTIR等角度对碱预处理与后处理进行了初步比较,并对碱处理前后秸秆浸提液的理化性质以及秸秆的物质结构变化进行了分析.结果表明,秸秆经5%NaOH处理48 h后,细胞中的有机物大量溶出,COD、TN、NO 3--N和NH 4+-N分别从2 311.11、175.40、5.02和117.82 mg/L增至10 488.89、417.84、248.64和141.44 mg/L,表明碱处理不仅破坏木质纤维结构,还破坏核酸、氨基酸等含氮物的结构,将其中的氮以NO 3--N和NH 4+-N的形式释放出来;碱处理破坏了秸秆木质素结构,木质素含量降低,但纤维素的相对结晶度增加,从0.592 3增加到0.662 2.厌氧消化的结果显示,秸秆预处理与后处理的产气能力相当,单位TS产气量分别为382.32 mL/g和375.84 mL/g,较对照分别提高了28.13%和25.96%,但后处理的碱用量仅为预处理的50%;厌氧发酵后对照中的木质素含量增加,而预处理和后处理均降低,后处理对木质素的破坏效果更好;厌氧微生物可破坏纤维素的结晶区,后处理对纤维素结晶区和无定形区的破坏均强于预处理.     

厌氧铁氨氧化处理模拟垃圾渗滤液的影响因素研究

厌氧条件下,微生物将NH~+_4-N氧化和Fe~(3+)还原的反应称为厌氧铁氨氧化(Feammox).试验以处理垃圾渗滤液的厌氧氨氧化污泥(ANAMMOX)为接种污泥驯化Feammox污泥,研究了不同NH~+_4-N及Fe~(3+)浓度对Feammox系统的影响,并采用扫描电镜(SEM)分析了Feammox系统不同运行阶段的污泥形态特征.结果表明:在厌氧序批式反应器中,在常温条件下控制进水NH~+_4-N浓度为50 mg·L~(-1)、pH在7.4～7.6之间,经过88 d厌氧富集培养后NH~+_4-N最大转化率达到52.73%,最大转化量为28.37 mg·L~(-1),出水Fe~(2+)浓度随着运行时间的增加逐渐增加,最高浓度为2.87 mg·L~(-1).高浓度NH~+_4-N(400 mg·L~(-1))和Fe~(3+)(500 mg·L~(-1))条件下,氨氮转化量分别达到了40.69 mg·L~(-1)和29.23 mg·L~(-1),说明高进水基质条件下仍然有Feammox反应发生.低浓度NH~+_4-N(100 mg·L~(-1))和Fe~(3+)(50 mg·L~(-1))条件下,NH~+_4-N转化量与Fe~(2+)生成量的线性关系较强,R~2分别为0.86544和0.86034.通过SEM分析可得,Feammox污泥表面附着有不规则矿物,这些矿物沉积在微生物细胞表面阻碍传质,从而降低微生物代谢效率.     

HN-AD菌生物强化接触氧化工艺处理猪场沼液

针对养猪废水采用传统工艺经厌氧发酵处理后,形成高氨氮低碳氮比沼液,导致脱氮效果差、工艺流程复杂、启动周期较长等问题.本研究以异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)菌为生物强化剂,以PAN活性炭纤维作为填料的生物接触氧化池(BCO)为生物膜反应器,形成生物强化BCO工艺处理猪场沼液.前期污泥驯化阶段发现,NH_4~+-N浓度高于500 mg·L~(-1)时,污染物去除率明显降低,经HN-AD菌剂生物强化后,耐受NH_4~+-N浓度可高于600 mg·L~(-1)且能保持污染物的高效去除.采用HN-AD生物强化的BCO工艺处理真实猪场沼液,对NH4+-N、TN和COD的平均去除率分别为86. 9%、70. 5%和74. 4%,分别高于传统处理工艺的57. 6%、50. 3%和50. 0%,出水浓度均低于相关污染物排放标准.采用高通量测序技术研究了功能菌富集过程中微生物群落结构的变化规律,结果表明,生物膜内属于HN-AD菌的优势菌由Alcaligenes这一种菌属增加为生物强化后的Diaphorobacter、Acinetobacter和Thauera等多种菌属,且Acinetobacter菌属的相对丰度明显高于接种菌剂.扫描电子显微镜结果也进一步证实了生物强化的存在,紧密附着在填料上的生物膜层表面富集了以杆状和球状为主的HN-AD功能菌.     

不同种泥的厌氧氨氧化反应器的启动及动力学特征

采用2套UBF反应器R1和R~2,R1接种好氧硝化污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,R~2接种厌氧消化絮状污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,采用逐渐提高进水亚硝氮和氨氮浓度的方式富集培养ANAMMOX菌.结果表明,R1启动时间短,仅耗时36 d就成功启动了厌氧氨氧化反应器,而R~2则需要53 d; R1和R~2脱氮效果均较好,但R1脱氮效果优于R~2且稳定.在稳定运行阶段,R1氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为99. 92%、96. 64%和81. 87%左右,R~2氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为97. 54%、94. 91%和80. 98%左右.反应器启动成功后,Candidatus Kuenenia属在所检测出的属中丰度位列前六,在R1和R~2中的相对丰度分别为3. 22%和2. 35%;改进的Stover-Kincannon基质去除模型和二级动力学模型对拟稳态阶段R1和R~2的脱氮性能均能进行较好地拟合,经计算,R1的最大基质去除速率Umax稍大于R~2,说明R1的脱氮潜力较大.     

不同预处理方式对剩余污泥中活菌菌群及ARGs的影响

剩余污泥作为抗生素抗性基因（ARGs）的储库,对其进行预处理有助于后续厌氧消化（AD）,同时控制ARGs进入AD后的传播风险.本文采用叠氮碘化丙锭（PMA）处理手段,来研究不同预处理方式对活菌菌群及携带ARGs的影响.研究结果显示,热碱、热水解和微波预处理对污泥ARGs去除效果较优,分别为3.32log、3.13log和2.95log;超声波预处理对活菌ARGs仅去除0.58log.在热水解预处理时间延长过程中,菌群大量死亡出现在1~2h间,4h后去除率达2.42log.变形菌门是污泥中最主要的优势菌门,厚壁菌门、绿弯菌门在微波、热水解预处理后实现较大提升.相关性结果显示,sulI与tetC高度相似,且同时与多个科属的微生物成显著正相关,推测其宿主范围较广,且sulI与tetC在预处理中较好的去除率说明其宿主菌对预处理耐受性差;ermB、tetA与占比较高的菌群没有正相关.多数ARGs携带菌对热水解、热碱和微波不耐受,污泥预处理能够降低ARGs丰度,适当延长低温热水解预处理时间,才能有效削减污泥中的ARGs.     

稻田微氧层和还原层土壤有机碳矿化对氮素添加的响应

田间条件下,淹水稻田由于上覆水中溶解氧的扩散作用,使其表层土壤存在约1 cm厚的微氧层,这个特殊层次中碳氮转化的特征尚未明晰.以亚热带典型稻田土壤为对象,采用100 d室内模拟培养试验,结合¹³C稳定同位素示踪和磷脂脂肪酸(PLFA)分析技术,研究稻田土壤微氧层(0～1 cm)和还原层(1～5 cm)外源新鲜有机碳(¹³C-水稻秸秆)和原有土壤有机碳矿化对氮肥施用[(NH₄)₂SO₄]的响应规律及其微生物过程.结果表明,氮素添加使土壤总CO₂和¹³C-CO₂累积排放量分别提高11.4%和12.3%;培养结束时,氮素添加下还原层比微氧层土壤总有机碳含量和¹³C回收率分别降低2.4%和9.2%.培养前期(5 d),氮素添加提高还原层微生物总PLFAs,且细菌和真菌PLFAs响应一致,但对微氧层微生物丰度无显著影响;氮素添加对微氧层和还原层总¹³C-PLFAs丰度均无显著影响...