硫酸盐还原过程中乙酸型代谢方式的形成及其稳定性

通过产酸脱硫反应器处理高浓度硫酸盐废水的连续流试验,考察了不同试验阶段硫酸盐去除率和产气量稳定期,液相末端产物中挥发酸组成的变化、乙酸的分布特征、微生物种群组成和种群间关系.试验结果表明,各试验阶段液相末端产物中乙酸的分布比例高达50%～82%,微生物群体呈现特定的乙酸型代谢方式.乙酸型代谢方式本质上是产酸相反应器处理硫酸盐废水过程中,硫酸盐还原菌(SRB)与产酸菌(AB)建立起生物链式协同代谢关系,并通过非完全氧化型方式分解有机物,从而在末端产物中积累大量乙酸.乙酸型代谢方式的形成取决于利用乙酸的硫酸盐还原菌(ASRB)的竞争能力和它对乙酸的利用能力.乙酸型代谢方式可以为后续产甲烷相反应器提供适宜的底物,对提高硫酸盐废水处理系统的效率和运行稳定性具有重要意义.     

甲烷为唯一电子供体驱动硝酸盐/亚硝酸生物还原及微生物群落结构分析

反硝化厌氧甲烷微生物生长缓慢、倍增时间长,难以在短时间内成功富集.为快速大量富集以甲烷为唯一电子供体的硝酸盐/亚硝酸盐还原微生物,选择甲烷通量适宜的中空纤维膜材料并设计高效无泡曝气膜生物膜反应器（MBfR）.在反应器运行初期,两个反应器分别手动添加200 mg·L^-1的硝酸盐和亚硝酸盐,两个反应器进行闭合自循环的76 d内,均可在10 d内将200 mg·L^-1的硝酸盐和亚硝酸盐完全去除.稳定后,200 mg·L^-1硝酸盐可在2 d之内全部还原,还原速率略快于亚硝酸盐.在MBfR运行第77~124 d,改为序批式生物反应器方式运行,两个反应器内反硝化速率均可达到50 mg·L^-1·d^-1,表明以甲烷为唯一电子供体驱动的反硝化微生物成功富集并挂膜.在微生物富集过程MBfR出水中均检出挥发性脂肪酸（VFAs）,以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的反应器最高VFAs含量分别可达948 mg·L^-1和997 mg·L^-1.高通量测序结果发现,以硝酸盐为电子受体的反应器内产酸菌Propionispora和Proteiniphilum的丰度可以达到39.1%和3.1%,而在以亚硝酸盐作为电子受体时,产酸菌Propionispora和Proteiniphilum丰度分别为80.9%和2.4%,是反应器内部的优势菌属.而异养反硝化菌Pseudomonas在两组微生物富集阶段均具有较高丰度.由此推测在本研究中甲烷为唯一电子供体驱动的硝酸盐/亚硝酸盐生物还原过程由VFAs作为中间产物介导完成.本研究结果可为推进污水脱氮技术的发展提供参考.     

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.     

两相一体式污泥浓缩消化反应器运行效能及其微生物特性

为考察两相一体式污泥浓缩消化反应器(TISTD)的处理效能和影响因素,试验研究了反应器在不同污泥投配率下的运行效能,并通过显微镜、扫描电镜观察污泥中微生物的形态和种类,同时通过厌氧培养和分离,以或然计数法(MPN)确定优势菌株,用16S rDNA测序分析及系统发育分析研究优势菌株.结果表明,在中温条件35℃±2℃下,TISTD反应器最佳污泥投配率为30%,在此投配率下,排泥含水率达到92.1% ,VS/TS0.2~0.25,产气量为40.35L/d;污泥显微镜观察结果显示,有各种形态的变形虫、豆形虫、鞭毛虫和纤毛虫等原生动物,内反应器污泥电镜扫描照片显示包括各种丝状菌、杆状菌、球状菌以及体积较大的菌胶团,污泥中的微生物种群表现出高度的多样性;16S rDNA序列分析及系统发育树分析结果显示,外反应室的优势菌分属芽孢杆菌属,证明外反应室的反应处于产氢产乙酸阶段,是污泥水解酸化的主要场所;内反应室的优势菌分属于甲烷螺菌属,证明内反应室是适合产甲烷菌生长并产气的主要场所,从而实现了污泥同时浓缩消化的生物相分离.     

新型两相一体厌氧消化反应器处理餐厨垃圾中试研究

针对餐厨垃圾厌氧消化过程易发生挥发性脂肪酸（VFAs）的积累,系统难以稳定高效运行等问题,本研究设计制造了一套中试规模的新型双环嵌套式两相一体厌氧反应器,采用双环嵌套式结构,在反应器内部将内环的产酸阶段与外环的产甲烷阶段分离.反应器共运行184d,初始负荷为60kg/d,运行阶段阶梯式提高负荷,最高达到180kg/d.结果表明,该新型反应器产气与有机固体去除效率高,稳定性好.在稳定运行阶段,有机负荷为3.0kgVS/（m³·d）,容积产气率平均达到1.69m³/（m³·d）,最高为2.72m³/（m³·d）,平均负荷产气率为0.57m³/（kgVS·d）,有机固体去除率达77.2%;由于内外环相分离作用,外环pH值相比内环高约0.3~0.4,外环挥发性脂肪酸（VFAs）和溶解性化学需氧量（sCOD）平均浓度相比内环分别降低25%和23%.双环嵌套式反应器实现了产酸和产甲烷阶段分离的作用,内环产酸相很好地完成了水解和酸化步骤,同时减轻产甲烷相受到酸积累的冲击,对反应器稳定运行起到关键作用.     

ABR反应器处理低浓度污水启动试验研究

为了探讨了四室ABR反应器启动规律,以低浓度污水为研究对象,通过控制酸化菌INT比脱氢酶活性、酸化率、OLR和H RT来实现反应器内部微生物相分离。结果表明:在水力停留时间3h,有机负荷2.4kgCOD/(m 3.d)条件下,酸化菌INT比脱氢酶活性与酸化率有关,且随流向逐渐降低,同一格室内中部比INT脱氢酶活性高于底部;一室、二室的酸化率占总酸化率的70%,确定一、二室为产酸反应器,三、四室为产甲烷反应器,实现了微生物相分离;反应器的启动时间为18d,稳定运行时,COD去除率可以达到35%￣40%。     

餐厨垃圾与污水污泥共消化产酸试验研究

研究了餐厨垃圾与污水污泥在不同混合比例、不同污泥停留时间条件下的共消化产酸效果。试验结果表明:当餐厨垃圾与污水污泥TS比为1∶3时,SRT=1 d的反应器酸化效率最高,且乙酸含量占优,产酸效果较佳;当TS之比为1∶1时,各反应器产酸量普遍高于1∶3时,其中SRT=5 d产酸反应器,最高酸化效率达5.94,产酸量最大,且乙酸含量占优,运行效果最佳。     

出水回流对ABR反应器启动过程中污染物去除效果和微生物种群的影响

出水回流对厌氧折流板反应器(ABR)抗酸化性能及机制的影响研究是提升高负荷ABR稳定运行研究的热点.因此,本文采用ABR处理模拟废水,采用常温、高负荷启动方式,研究回流对ABR启动过程中运行效果、挥发性脂肪酸(VFA)及微生物种群分布的影响.结果显示,回流对ABR的COD去除率影响不大,但可使反应器的pH值更稳定;回流反应器中的VFA累积速率降低了1/3,有利于减少VFA的积累;回流反应器中的微生物主要有短杆菌、球菌、链球菌及拟杆菌等,回流提高了反应器中的微生物多样性,从而提高了微生物种群的稳定性.回流反应器中真细菌、古细菌、产氢产乙酸菌和耗氢产乙酸菌的相对丰度均高于不回流反应器,真细菌平均高出8.5%,古细菌平均高出4.5%,产氢产乙酸菌和耗氢产乙酸菌分别高出3.5%和3.0%.通过回流能够调控pH值、VFA浓度、微生物种群结构及分布,进而提升ABR反应器的抗酸化性.     

微生物电解池构型和电极材料研究综述

微生物电解池(microbial electrolysis cell,MEC)是一种新兴的生物电化学技术,利用产电菌降解废水中的有机物,实现同步处理废水和回收能源。目前,在生活污水、发酵废液、养殖废水、富酸废水、金属离子废水处理等方面,积累了有关MEC产气行为(氢气或甲烷)、底物降解、化学物质回收等研究成果。但是,MEC原理尤其是电子传递机理和微生物群落与功能尚不清晰,在技术实践应用方面又面临着装置放大所带来的处理效率的下降问题,反应器设计有待改进。本文综述了近年的文献报道,针对反应器设计中构型和电极材料两个关键因素,进行了研究总结与讨论分析,并指出了存在的问题和未来的发展趋势。     

接种物浓度和负荷对餐厨垃圾消化性能及产气动力学的影响

为探析接种物浓度(Biomass concentration,BC)和负荷(Organic loading rate,OLR)对餐厨垃圾厌氧消化性能及产气动力学的影响,在中温批次厌氧消化反应器中进行BC和OLR梯度试验,采用理化分析探析各反应器的性能参数,并采用一阶模型和modified Gompertze模型评价各反应器的产气动力学特征.试验结果表明,超负荷会降低反应器运行效率,影响过程稳定性,而提高BC可以减少单位细胞承受的有机负荷,有利于优化厌氧消化过程.产甲烷阶段是餐厨垃圾厌氧消化的限速步骤,各实验条件下水解速率常数(k)始终大于产甲烷速率常数(R_m').OLR和BC对k和R_m'的影响是波动的,从两个参数的数值上无法判断反应器的稳定性.相比之下,高效运行的反应器k/R_m'保持在(2.54±0.62),k/R_m'随OLR的增加及BC的下降单调递增,而随着k/R_m'增加,反应器运行效率下降.这从反应动力学上证实了增加OLR会加剧产酸和耗酸过程的不匹配,引起反应器失稳;而提高的BC浓度有利于缓解这种失衡,对保证反应器的过程稳定具有重要意义.     

基于仿生学的一体式两相厌氧反应器的运行研究

反刍动物瘤胃对纤维素类物质具有强大的消化能力,在厌氧发酵领域备受关注.为了增加秸秆等物质的资源化利用途径,本文基于仿生学的原理,设计了一体式两相新型厌氧反应器,并以秸秆、猪粪和河道底泥为底物进行干式共发酵,研究了该反应器的水解酸化和产甲烷性能.结果表明：反应器在1～6 d的产气速率较快,单位体积累积产气量的增长速率为366.87 mL/d,最快产气速率为22.3 mL/(g·d)(以每g挥发性固体每天产生的沼气体积计);发酵过程挥发性固体的产气量为0.13 L/g;发酵过程中pH在7.3～8.2之间变化,p H与挥发性脂肪酸(VFAs)浓度整体上呈现相反的变化趋势,说明反应器内未发生氨抑制现象;第1～21天,主反应室产生的溶解性化学需氧量(SCOD)在次反应室中被充分利用,实现了水解过程和水解产物利用过程的分离;厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)是反应器中最丰富的两个菌门,均具有水解和产酸能力.基于瘤胃设计的反应器既具有不同水解程度底物分层和持续吸收VFAs的效果,又有上部水解和产酸、下部产甲烷的一体式两相厌氧发酵效果.研究显示,该反应器可有效延长...     

厌氧折流板反应器酸化及其对微生物种群分布的影响

研究了厌氧折流板反应器(ABR)酸化过程中pH、COD、挥发性脂肪酸(VFA)和微生物表观形态的变化,并基于荧光原位杂交(FISH)定量解析了酸化中厌氧微生物的种群演替过程.结果表明,酸化过程由ABR反应器前端向后端逐渐推进;完全酸化后,各隔室运行效率明显降低,COD去除率仅为30.9%,pH值下降1.0～2.2,出水VFA增长5.1倍.酸化显著影响微生物形态,导致颗粒污泥表层和内部微生物出现畸变甚至死亡,造成颗粒内外传质困难.基于FISH技术的定量研究表明,酸化促进了真细菌的繁殖,抑制了古细菌的生长,导致厌氧消化过程中3种关键菌群的大量减少,其中食丁酸盐产氢产乙酸菌Syntrophomonas spp.减少了30.9%,食丙酸盐产氢产乙酸菌Syntrophobacter wolinii减少了85.5%,耗氢产乙酸菌E.limosum减少了60.0%,产甲烷菌Methanomicrobiales减少了54.3%,微生物种群间物质供需平衡被破坏.     

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.     

RSI-MO工艺对沼气脱硫的影响及微生物种群分析

为实现剩余污泥厌氧消化沼气原位深度脱硫，采用向反应器中嵌入最佳剂量（20g/L）废铁屑并引入微氧条件，构建废铁屑-微氧（RSI-MO）消化工艺，探索其对原位脱硫的影响.研究分7阶段，P1阶段对照组，P2阶段加入RSI，P3~P7阶段逐步提高O₂剂量.结果表明，MO效应激发硫氧化菌（SOB）生物脱硫，促发RSI化学腐蚀而生成铁硫沉淀物.P1~P7阶段，RSI与MO交互作用可促进水解酸化，但O₂剂量过高会抑制产甲烷微生物活性，造成VFAs积累.为研究RSI与MO交互作用对微生物群落多样性和丰度的影响，取P1、P2和P6阶段污泥样品进行高通量测序发现，RSI投加有益于产氢型微生物（Syntrophobacter fumaroxidans）、产乙酸型微生物（Roseomonas lacus、Sporomusa silvacetica）、产甲烷微生物（Methanoculleus palmolei、Methanolinea tarda、Methanosarcina mazei、Methanosaeta concilii、Methanococcus aeolicus）的生长.MO效应可激活SOB的活性，强化生物脱硫作用.     

产酸-硫酸盐还原系统中产酸菌的发酵类型及其与SRB的协同作用

通过间歇实验和连续流试验 ,探讨了利用产酸相处理硫酸盐有机废水时产酸菌 (AB)的主要发酵类型、硫酸盐还原菌(SRB)对底物的利用规律以及系统中这两大菌群间的协同关系 .间歇实验结果表明 ,AB的液相末端产物中乙醇占 3 5 6 %、乙酸占 3 7 7% ,同时有氢气产生 ,属于乙醇型发酵类型 .SRB容易利用的底物为氢气、乙醇和乳酸 ,不易利用乙酸、丙酸和丁酸 .SRB将乙醇转化为乙酸 ,而乙酸极少被继续转化 ,导致反应器内出现乙酸积累现象 .连续流试验结果表明 ,系统中硫酸根还原效果与产酸菌和硫酸盐还原菌的协同作用状态密切相关 :当产酸菌和硫酸盐还原菌处于较好的协同作用状态时 ,系统对硫酸根的转化率较高 ;反之则使硫酸根的转化率降低     

硫酸盐还原过程中SRB的限制性生态因子的BP神经网络建模与仿真

利用BP神经网络对产酸脱硫反应器（专利设备，ZL：98240801.3）处理高浓度硫酸盐废水时硫酸盐还原菌（SRB）的限制性生态因子（COD/SO^2-4比、pH值、ALK、SO^2-4负荷率）进行建模与仿真，从而实现了多变量函数关系的映射与泛化，并从数学生态学角度定量表征了产酸脱硫微生物生态系统中SRB种群的代谢活性与实现生态位。     

白腐真菌降解染料反应器微生物群落结构研究

利用DGGE分子标记技术分析了两种白腐真菌生物反应器处理染料废水过程中生物膜微生物群落结构的动态变化及其差异性,结果表明:运行方式和染料废水浓度对敞开式白腐真菌生物反应器处理染料废水过程中生物膜微生物群落结构及其变化趋势有一定影响。序批式反应器运行的起始阶段其生物膜上黄孢原毛平革菌在数量上占绝对优势,但约1个月后逐渐侵染了热带假丝酵母、白地霉和哈茨木霉等杂菌;连续运行的白腐真菌生物反应器虽然在起始阶段存在哈茨木霉等杂菌的侵染,但约3个月后杂菌被逐渐淘汰,黄孢原毛平革菌在数量上重新占据优势,使其有利于发挥高效的降解功能。     

皮革废水对ABR分区进水微生物相的影响研究

在制革废水ρ(COD)=3 000～3 200 mg/L,HRT=24 h时,采用六格室厌氧折流板反应器(ABR),在1、3、5格室以5∶3∶2的比例进水,通过COD、挥发性脂肪酸(VFA)、辅酶F420等指标的变化研究反应器各格室的微生物相分布情况。结果表明:COD和VFA在3,5格室分别出现下降和升高,整体性能稳定,而格室内微生物种群大致相同但优势菌群有所差异,前端格室以产酸菌为主,后端格室以甲烷菌为主。     

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。     

厌氧氨氧化耦合反硝化工艺的启动及微生物群落变化特征

为了解厌氧氨氧化耦合反硝化启动过程中脱氮除碳性能与微生物群落的关系,通过逐步提高进水COD浓度研究了SAD启动过程中脱氮除碳性能和微生物群落变化.结果表明,随着进水COD浓度增加,出水NH_4~+-N和NO_2--N的浓度保持稳定,平均去除率均在98%以上; TN去除率逐渐升高,第3阶段TN平均去除率为95. 6%,比厌氧氨氧化理论TN去除率高6. 8%;ΔNO_3~--N/ΔNH_4~+-N明显下降,从0. 15～0. 17逐步降至0. 03～0. 07;厌氧氨氧化脱氮贡献率逐渐下降,反硝化脱氮贡献率逐渐上升,COD去除率逐步增加.污泥活性分析表明SAD启动后污泥反硝化活性明显增加,厌氧氨氧化活性略微降低.高通量测序结果表明,反应器内微生物的优势菌门为绿弯菌门、浮霉菌门、厚壁菌门、装甲菌门和变形菌门,微生物群落特征与SAD脱氮除碳性能密切相关,与脱氮除碳有关的功能微生物主要有厌氧氨氧化菌、厌氧消化菌和反硝化菌,SAD启动后反应器内厌氧氨氧化菌丰度减少,厌氧消化菌和反硝化菌丰度明显增加.