投加颗粒活性炭强化餐厨垃圾的厌氧处理

通过投加颗粒活性炭（GAC）强化直接种间电子传递（DIET）进而提升餐厨垃圾的厌氧产甲烷处理效能,并研究了GAC投加导致的微生物群落变化.研究发现,投加了GAC的实验组反应器能够在更高的有机负荷下（10.4kgCOD/（m³·d））稳定运行并维持较高的甲烷产率,不投加GAC的对照组在有机负荷7.8kgCOD/（m³·d）时甲烷产率及pH值均明显降低,挥发酸大量积累,反应器酸化崩溃.微生物群落结构分析发现,GAC表面富集了大量可以胞外电子传递的细菌（占细菌丰度的34%）和可以参与DIET的产甲烷菌（占古菌丰度的88%）,表明GAC的加入可以有效富集这两类微生物的生长,并可能通过GAC强化DIET促进了餐厨垃圾的厌氧消化.     

零价铁与磁铁矿促进半干式猪粪厌氧产甲烷的效能与机理研究

本实验探究了相同剂量（5 g·L^-1）的零价铁、磁铁矿和两者的混合物对半干式猪粪厌氧消化过程的影响,重点揭示了零价铁和磁铁矿对甲烷生产的协同促进效能与机理.结果表明,与无添加剂的对照组相比,零价铁、磁铁矿和混合添加剂分别使系统的甲烷产量提高了32.8%、21.8%和35.1%.与单独添加零价铁或磁铁矿相比,混合添加剂对产甲烷的提升效果更佳.零价铁与磁铁矿对厌氧消化的协同促进效应体现在以下4个方面：①能更好地维持低氢气分压环境,推动产甲烷种间电子传递;②可使反应器的总碱度维持在相对较高的水平,提高系统缓冲 能力;③能增加厌氧体系中溶解性铁离子浓度,进一步提高厌氧微生物的活性;④同时富集能够介导种间氢传递和种间直接电子传递的细菌和古菌,提高有机底物转化为甲烷的效率.     

投加颗粒活性炭和二氧化锰对剩余污泥厌氧消化的影响

厌氧系统添加碳和金属纳米材料是强化厌氧消化的有效策略.为考察投加GAC和MnO₂对剩余污泥厌氧消化过程的影响,设置了空白组（R0）、GAC组（R1）、MnO₂组（R2）以及GAC/MnO₂组（R3）4组间歇实验,研究GAC和MnO₂的投加对剩余污泥厌氧消化效率、微生物活性和微生物群落结构的影响.结果表明,反应器运行28 d后,与R0相比,R1和R3的产CH₄速率分别提高了68.18%和51.35%,R2的产CH₄量降低了21.25%.GAC和MnO₂的单独或者混合投加,对厌氧发酵过程均有促进作用.Mn²⁺与剩余污泥释放的磷酸盐生成磷酸盐沉淀对厌氧代谢通道的阻塞作用,造成R2产CH₄效率变低.GAC优良导电性、吸附能力和MnO₂/Mn²⁺的催化作用是R3产CH₄效率增强的主要原因.正常代谢条件下,投加GAC、MnO₂和GAC/MnO₂均可以提高污泥厌氧消化系统微生物活性.微生物群落分析表明,GAC和MnO₂促进了产甲烷菌Methanobacterium和Methanosaeta的富集,强化了发酵细菌和产甲烷菌的种间电子传递,促进了剩余污泥厌氧发酵过程和CH₄的产生.     

导电材料促进餐厨垃圾厌氧消化的研究进展

厌氧消化技术是实现餐厨垃圾减量化、无害化、资源化的有效手段,但餐厨垃圾厌氧消化（KWAD）易酸化的特性,容易导致反应失败。添加导电材料可以缓解KWAD过程中的氢抑制、酸抑制和氨抑制,提高甲烷产量。文章对导电材料促进KWAD产甲烷的效果进行了综述。导电材料可以提高KWAD的甲烷产量,缓解厌氧消化系统的酸抑制、氨抑制,富集功能性微生物,并代替导电菌毛和c型细胞色素进行直接种间电子传递。通过宏基因组学发现导电材料可以增强微生物代谢过程中功能基因的表达,提高产甲烷过程中关键酶的活性。最后,对使用宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白组学共同探索KWAD的机理提出了建议,并对未来工程应用中降低处理成本和无害化处理等方面进行了展望。     

基于针铁矿强化乙酸产甲烷过程的ADM1模型修正与模拟研究

为探究针铁矿对乙酸产甲烷途径的调控作用,利用ADM1模型（厌氧消化1号模型）对添加针铁矿的产甲烷过程进行模拟研究.首先引入氧化还原介质作为新变量,模拟SAO（syntrophic acetate oxidation,互营乙酸氧化）过程中的种间电子转移,进而建立包含DIET（direct interspecies electron transfer,直接种间电子传递）产甲烷过程的ADM1修正模型,最后利用该模型对各产甲烷途径的贡献进行评价.结果表明:①c（乙酸）分别为12和20 mmol/L时,添加40~2 000 mg/L针铁矿明显提高了乙酸体系的产甲烷速率.②修正的ADM1模型能够有效地模拟针铁矿强化乙酸产甲烷过程.③12、20 mmol/L乙酸体系的敏感性参数km_Xst（最大比乙酸氧化速率）校准值分别从1.02、1.46升至1.76、2.03,km_DIET（最大比电子消耗速率）校准值分别从0.78、1.48升至2.44、3.99,表明添加针铁矿提高了互营体系的种间电子传递速率.修正的ADM1模型对各产甲烷途径贡献的计算结果显示,针铁矿对DIET过程的强化作用与其添加量呈正相关,添加2 000 mg/L针铁矿试验组[c（乙酸）为12 mmol/L]中DIET和SAO产甲烷的贡献率相比对照组分别提升了117.99%和130.73%.研究显示,修正的ADM1模型能够有效地模拟针铁矿对乙酸产甲烷过程的强化作用,并且能用于评价各产甲烷途径的贡献.      

一组中温厌氧消化菌群高温启动过程中的菌群多样性变化研究

该研究利用37℃培养的中温厌氧消化菌群为菌源,直接提温至50℃驯化培养,获得连续处理高浓度糖蜜废水的厌氧消化产甲烷菌群,并考察高温驯化过程中菌群结构及多样性的变化特征.结果表明,中温厌氧消化菌群直接转入高温培养后,在高浓度有机废水连续进料的条件下,厌氧消化过程能够快速启动生成甲烷,并在22 d后形成稳定的高温厌氧消化产甲烷菌群,平均甲烷生成效率为162.3 m L CH_4/g COD.乙酸和丙酸是厌氧发酵液内的2类主要有机酸,产气稳定期间的质量浓度分别为25.3和145.3 mg·L~(-1).转入高温培养后,菌群结构产生巨大变化,细菌变异程度强于古菌,并逐渐稳定成为以代谢糖、多种有机酸的细菌和产甲烷古菌为主要优势菌群的高温厌氧消化菌群.克隆结果显示细菌菌群以Thermacetogenium和Acetomicrobium faecal为主要优势菌群,分别占细菌克隆文库的33.44%和20.99%;古菌菌群以Methanosaeta和Methanoculleus为主要优势菌群,占古菌克隆文库的56.40%和39.75%.转入高温培养后,产甲烷古菌的总生物量下降,含量约为7.6×106拷贝/g活性污泥.研究结果对阐明温度选择压力对厌氧消化菌群结构与功能影响,改进高温厌氧消化菌群富集方法具有重要意义.     

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.     

改性生物炭强化土霉素菌渣厌氧消化研究

为探讨生物炭对厌氧消化的强化作用影响,该研究以土霉素菌渣为底物进行厌氧消化,采用外源添加生物炭解决传统厌氧消化效率低、稳定性弱等问题,通过系统产气量、稳定性及微生物群落变化来说明生物炭和零价铁改性生物炭的强化效果。结果表明：单独加入生物炭与纳米零价铁改性生物炭均可降低体系内的氨氮浓度,促进VFAs的转化与消耗,提高系统的稳定性;产气效率分别提高20.74%和15.49%,达到115.20 mL/g以上。此外生物炭对残留土霉素的去除也有一定的强化作用,与对照组相比其去除效率分别提高2.37%和4.82%,最终体系残留土霉素含量降到10 mg/L以下;加入生物炭零价铁后,产酸菌和产甲烷古菌在门水平丰度有不同程度的增加,从而加强厌氧消化产甲烷的过程。     

电解电压对电化学厌氧消化的影响

该文采用批量发酵实验,以厌氧活性污泥为接种物,乙酸为碳源,研究了不同电解电压对电化学厌氧消化(EAD)产甲烷性能的影响。结果表明,在电解电压为1.0 V时,CH_4含量可达85.3%,相比对照组提高了14.4%,而CO_2含量可低至10%,相比对照组降低了7%。与对照组相比,实验组(0.2～1.6 V)的理论甲烷转化率和比产甲烷速率均有不同程度的提高,且在0.4～1.4 V电压区间的提高程度较大。通过电化学特性和微生物分析发现,当电解电压超过0.4 V时,EAD回路中才会有电流形成,这可能是EAD阳极表面电活性微生物附着生长且与电极进行电子传递的结果。此外,EAD阳极膜生物量越高,其电化学活性也越强,回路中的电流也就越大,相应的产甲烷转化率和比产甲烷速率也越高。     

生物炭介导鸡粪厌氧消化性能研究

为探究生物炭介导的鸡粪厌氧消化产甲烷的较优添加比例,在发酵温度[（35±1）℃]、接种率30%的条件下,进行了以鸡粪为底物,生物炭为外源添加剂的厌氧消化试验,研究生物炭不同添加量（20%、15%、10%、5%和不添加）对鸡粪厌氧消化产气特性的影响,确定了生物炭介导的鸡粪厌氧消化的较优添加比例;同时,用扫描电子显微镜对厌氧消化前后生物炭颗粒和附着在生物炭颗粒上的微生物进行了观察.结果表明：生物炭的添加提高了鸡粪单位VS产甲烷量,添加20%、15%、10%和5%生物炭的处理鸡粪VS产甲烷量分别为223mL/g、228mL/g、230mL/g和281mL/g,均高于对照组的202mL/g;添加生物炭提高了产气中的甲烷含量,降低了二氧化碳和硫化氢含量,提高了沼气品质;电镜扫描结果表明,厌氧消化后生物炭表面及内部附着了大量厌氧微生物,主要为杆菌、微粒菌和球菌;本研究中,生物炭介导鸡粪厌氧消化最优的添加比例约为5%.     

低温热解油厌氧消化产甲烷条件研究

对低温热解油的厌氧消化条件进行研究,包括新鲜接种污泥的驯化,热解油厌氧消化条件的影响因素和生物质热解参数对最终厌氧消化的影响.通过控制不同热解参数及厌氧发酵参数的方法对耦合过程进行研究.结果表明,新鲜接种污泥经过驯化可以显著提升其对热解油中抑制物的耐受性,进而大幅提升热解油厌氧消化的甲烷产量.中温的培养条件更适合浓度为4%的热解油厌氧消化甲烷化,而高温的培养条件更适合浓度为10%的高浓度热解油.此外,0.85mm生物质粒径、300℃热解温度在下游的消化阶段有更高的甲烷产量.     

城市初级污泥的嗜热厌氧消化研究

实验通过运行连续搅拌反应器(CSTR),对城市初级污泥的两步嗜热厌氧消化进行了研究。研究结果表明,同一步嗜热厌氧工艺相比,两步嗜热厌氧工艺运行稳定,具有更高的有机物降解率、病原体的杀灭率,多产出的甲烷气体不仅可以弥补由于预处理而额外消耗的能量,而且还有净能量剩余。     

高温好氧消化污泥对生物除磷的强化作用初探

由于高温好氧消化(TAD)后的污泥中常含有一定浓度的挥发性脂肪酸(VFA),为考察其对生物除磷系统的影响,通过将TAD污泥上清液与乙酸钠进行磷去除作用的对比试验。表明在厌氧条件下,加入TAD污泥的上清液,会使大量的P释放,磷释放规律及其释放速度均与乙酸钠造成的磷释放相当,因此,可以考虑将高温好氧消化污泥或上清液回流作为一种补充碳源,以强化生物除磷系统的除磷效果。但实际应用中,还要考虑到VFA降解以及回流污泥中的氮磷负荷,而且长期回流还需要进一步的试验验证。     

零价铁在有机固废厌氧消化过程中的应用研究进展

厌氧消化是一种可实现有机固废资源化的生物处理技术,目前主要存在产酸、产甲烷效率低下等问题。研究表明:零价铁（Fe0）的添加可有效提升有机固废厌氧消化性能。从Fe0对有机固废产酸、产甲烷效率的影响,以及Fe0与其他添加剂联合运用的效果等方面,综述Fe0在有机固废厌氧消化过程中的应用。Fe0对有机固废厌氧消化性能影响的作用机制主要包括降低系统氧化还原电位,腐蚀析氢作用,影响微生物群落,影响关键酶活性。此外,以硫化物、抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARGs）为例,阐述了Fe0对有机固废厌氧消化过程中污染物的去除作用。指出Fe0在有机固废厌氧消化应用过程中存在的问题及挑战,并对未来Fe0在有机固废厌氧消化过程中的深入研究问题做出了展望。     

生物炭理化特性及其对厌氧消化效率提升的研究进展

厌氧消化被广泛应用于餐厨垃圾、有机废弃物和高浓度废水等的资源化处理,但实际应用中,厌氧消化常由于易酸化、氨氮抑制和产甲烷菌对环境因素敏感等原因,造成消化过程不稳定、产甲烷率低等问题。生物炭具备制备简单、原料来源广泛和成本低廉等优点,将其添加至厌氧消化系统中,可维持体系稳定运行和提升厌氧消化产甲烷效率。介绍了生物炭的制备方法和理化特征,并从生物炭提升厌氧消化系统缓冲能力、吸附抑制剂从而缓解氨氮抑制及其作为微生物载体等方面,对生物炭促进厌氧消化的效果和机理进行了综述。     

城市有机垃圾间歇厌氧消化pH控制动力学研究

对厌氧消化系统的物料及电离平衡进行分析,利用底物降解和微生物生长动力学建立城市有机垃圾间歇厌氧消化pH值控制模型,并研制开发了间歇厌氧消化过程pH值与产气量最优化计算机软件.运用该模型可预测不同厌氧消化过程的最佳pH值,从而通过控制厌氧系统的pH值使系统产气量达到最大,通过2组对比实验验证模型的有效性.结果表明,在相同的实验条件下厌氧系统的pH控制在最佳值时系统产气较未对pH值控制时稳定,且总产气量平均提高20%左右.     

市政污泥与玉米秸秆混合高温厌氧发酵产甲烷研究

以实验室自主驯化的二沉池污水为接种物,对我国天津、昭通、太原3个城市的市政污泥和玉米秸秆混合物进行了高温(55℃)厌氧发酵,考察了不同发酵体系下发酵液pH、单日产气量、累积产气量、甲烷产率等指标随发酵时间的变化情况。结果表明:污泥单独发酵几乎不存在酸化现象,稳定后的发酵液pH值高于混合发酵试验组;污泥单独发酵系统的最大单日产气量出现在第1,2天,发酵系统加入玉米秸秆后最大单日产气量出现的时间有所延迟;天津污泥单独发酵(20 g-TS)的累积产气量达到2004 mL,高于其他2组;所有发酵系统的VS去除率均达到40%以上;随着发酵过程稳定,甲烷含量维持在70~85 vol.%,天津污泥单独发酵的甲烷产率达到141.01 mL/g-VS;Modified Gompertz拟合表明污泥单独发酵不符合"S"曲线,该系统下发酵停滞期较短,污泥与玉米秸秆质量比为3:1或2:1时甲烷产率、产甲烷速率和发酵停滞期具有一定优势。     

Structure and activity of thermophilic methanogenic microbial communities exposed to quaternary ammonium sanitizer

Food processing facilities often use antimicrobial quaternary ammonium compound (QAC) sanitizers to maintain cleanliness. These QACs can end up in wastewaters used as feedstock for anaerobic digestion. The aim of this study was to measure the effect of QAC contamination on biogas production and structure of microbial communities in thermophilic digester sludge. Methane production and biogas quality data were analyzed in batch anaerobic digesters containing QAC at 0, 15, 50, 100 and 150 mg/L. Increasing sanitizer concentration in the bioreactors negatively impacted methane production rate and biogas quality. Microbial community composition data was obtained through 16S rRNA gene sequencing from the QAC-contaminated sludges. Sequencing data showed no significant restructuring of the bacterial communities. However, significant restructuring was observed within the archaeal communities as QAC concentration increased. Further studies to confirm these effects on a larger scale and with a longer retention time are necessary.