发酵生物制氢反应器的产氢菌生物强化作用研究

将发酵产氢菌Ethanoligenens sp. B49投加到连续流搅拌槽式反应器（CSTR）的活性污泥中,以糖蜜废水为底物,进行强化活性污泥产氢效能的研究.对生物强化前和生物强化后反应系统的产氢能力、发酵产物组成和pH值进行了对比分析.结果表明,在COD容积负荷为12 kg/(m³·d)条件下,投加产氢菌可显著提高反应系统的产氢能力并改善发酵产物组成.反应系统的比产氢速率从强化前的3.6 mmol/(kg·d)提高到强化后的5.7 mmol/(kg·d),是生物强化前的1.5倍.生物强化前,反应系统液相发酵产物乙醇、乙酸和丙酸的平均浓度分别为6.8、 5.3和4.8　mmol/L,生物强化后乙醇、乙酸和丙酸的平均浓度分别为10.5、 7.5和1.7 mmol/L,其中乙醇型发酵目的产物乙醇和乙酸在总发酵产物中的比例从生物强化前的72.0%提高为强化后的86.8%.生物强化作用使出水pH值从4.5～4.7下降为4.3.产氢菌的生物强化作用有助于反应器在低负荷运行期迅速形成产氢能力较高的乙醇型发酵.     

生物载体强化的连续流生物制氢反应器的运行特性

在连续流搅拌槽式反应器(CSTR)中填加比重为1.54 g/cm³,粒径小于2mm的多孔物质,以糖蜜废水为底物利用活性污泥制取氢气.考察了填加生物载体后生物制氢反应器连续流稳定运行的系统特性.研究表明,投加生物载体能够扩大产氢细菌的活性范围,提高系统的抗冲击负荷能力和耐低pH值的能力,增加系统稳定性,并且可使系统在低HRT下保持较高的生物量.此连续流生物制氢反应系统的最佳发酵类型为乙醇型发酵,适宜的pH值范围为3.8～4.4,气相中的氢气含量约为40%～57%,最大产氢速率为0.37L/(g·d).降低pH值可抑制厌氧发酵过程中出现的产甲烷菌群,加速产氢反应器的启动.     

凤眼莲发酵产氢特性的研究

采用加热预处理的厌氧活性污泥为接种物,对凤眼莲进行发酵产氢研究.结果表明,凤眼莲茎叶的发酵产氢能力优于整株凤眼莲,讨论了不同预处理方法和温度对凤眼莲茎叶发酵产氢的影响规律.在凤眼莲茎叶酶水解前采用强碱(NaOH)的预处理方式优于低酸(稀H2SO4),发酵反应温度35℃比55℃更有利于代谢产氢.将凤眼莲茎叶经NaOH预处理和酶解后,控制发酵液pH值为6和温度为35℃时,得到单位产氢量为49.7mL/g,最大产氢速率为0.48mL/(h·g).     

混合菌种在发酵法生物产氢中的协同作用

为探讨产氢发酵细菌混合培养时菌种间的协同作用,本研究在间歇试验条件下,分别考察以葡萄糖和复杂有机物(淀粉、牛肉膏、聚乙二醇乙二酸酯和胰蛋白胨)为底物时,5株HPB(B49、H1、LM12、LM11和B51)混合培养,高效HPB(B49)与3株非产氢发酵细菌(L10、拟3-2和芽孢1)分别混合培养,以及B49与活性污泥混合培养对产氢能力的影响.试验结果表明,混合菌种间协同作用发挥是有条件的.当利用葡萄糖发酵产氢时,菌种间对共同底物的竞争使其协同作用无法发挥,从而制约了高效产氢细菌(HPB)的产氢能力;而利用复杂有机物发酵产氯时,菌种间的协同作用得以发挥,并促进了高效HPB产氢能力的提高.同时提出,针对不同底物可以采用不同的培养方式.     

产氢反应器内两种发酵类型细菌的种群结构与发酵特征

通过改变CSTR系统内pH值,启动发酵类型由乙醇型向丁酸型转化,研究了转化前后系统内产氢动态和细菌群落变迁.结果表明,在有机负荷不变的情况下,启动发酵类型转化15d后,系统内种群由乙醇型转化为丁酸型,消耗碱度量由350mg.L-1增至1720mg.L-1,平均比产氢速率由21.2mol.kg-.1d-1降低至11.1mol.kg-.1d-1.荧光原位杂交技术(FISH)对反应系统内3类微生物群的监测结果表明,未启动转化时,肠杆菌、梭菌Ⅰ、Ⅱ和梭菌Ⅺ的相对丰度分别为22%、48%和30%,转化结束后,3类细菌的相对丰度为19%、24%和55%.     

固定化微生物制氢预处理方法研究

研究热处理、酸处理和碱处理三种预处理方法对固定化微生物制氢的影响。由试验得知,热处理可有效杀死产甲烷菌,使固定化微生物具有较高的累积产氢量和产氢速率。     

CSTR系统发酵产氢细菌群落动态与产氢能力关系解析

将CSTR系统内pH由4.2一次性提高至6.0左右,启动发酵类型的转化,研究了转化过程系统内的产氢动态和细菌群落.结果表明,在有机负荷维持在（33±1）kg/(m³·d)的情况下,发酵类型10 d内未发生改变,产氢量8 d内未降低,15 d后系统内种群由乙醇型转化为丁酸型,进水碱度由250 mg/L增至2 450　mg/L.研究中利用荧光原位杂交技术（FISH）对反应系统内3类微生物群进行监测发现,在转化过程中Clostridium cluster XI数量增加,Clostridium cluster Ⅰ 和Ⅱ数量减少,而Enterobacteriaceae始终存在,变化不明显.种群的消长同反应系统产氢能力的高低存在密切关联,以Clostridium cluster Ⅰ和Ⅱ占优势的乙醇型发酵具有更佳的产氢能力,平均比产氢速率为23.6 mol/(kg·d).     

污泥负荷对生物处理系统耐药细菌的影响研究

为了研究污水生物处理工艺中抗药性细菌生长和分布特性及污泥负荷的影响,构建了不同处理负荷的活性污泥工艺,并以磺胺嘧啶抗性异养菌为例,阐述了污泥负荷对活性污泥系统中典型抗药细菌的生长及排放特性的影响.结果表明,污泥负荷增大有利于磺胺嘧啶抗性异养菌的生长繁殖,负荷提高后净比生长速率和细菌产量分别由0.32d-1和2.3×106CFU/d提高至0.33d-1和3.1×106CFU/d,活性污泥、出水和剩余污泥中抗药菌的浓度也均显著提高(P < 0.05),但对抗药细菌的相对丰度无显著改变.低污泥负荷下[0.24kg COD/(kg MLSS?d)]抗药细菌主要通过剩余污泥形式排放,排放量比(泥中排放量/水中排放量)为28.4;负荷提高至0.4kg COD/(kg MLSS?d)后,出水抗药细菌排放量显著提高,排放量比为1.1.处理相同水量,高污泥负荷下排放的抗药细菌总量明显降低,提高污泥负荷有利于活性污泥系统抗药性风险的控制.     

污泥负荷对生物处理系统耐药细菌的影响研究——以活性污泥法中磺胺嘧啶抗性异养菌为例

为了研究污水生物处理工艺中抗药性细菌生长和分布特性及污泥负荷的影响,构建了不同处理负荷的活性污泥工艺,并以磺胺嘧啶抗性异养菌为例,阐述了污泥负荷对活性污泥系统中典型抗药细菌的生长及排放特性的影响.结果表明,污泥负荷增大有利于磺胺嘧啶抗性异养菌的生长繁殖,负荷提高后净比生长速率和细菌产量分别由0.32d-1和2.3×106CFU/d提高至0.33d-1和3.1×106CFU/d,活性污泥、出水和剩余污泥中抗药菌的浓度也均显著提高(P0.05),但对抗药细菌的相对丰度无显著改变.低污泥负荷下[0.24kg COD/(kg MLSS?d)]抗药细菌主要通过剩余污泥形式排放,排放量比(泥中排放量/水中排放量)为28.4;负荷提高至0.4kg COD/(kg MLSS?d)后,出水抗药细菌排放量显著提高,排放量比为1.1.处理相同水量,高污泥负荷下排放的抗药细菌总量明显降低,提高污泥负荷有利于活性污泥系统抗药性风险的控制.     

ABR发酵产氢系统的控制运行及产氢效能

以稀释糖蜜为原料,通过分阶段提高进水COD的方法,考察了四格式、总有效容积为28.75L厌氧折流板反应器(ABR)的发酵产氢效能和运行特性.结果表明,以好氧和厌氧活性污泥的混合物接种,在水力停留时间(HRT)24h、进水pH为5.3～6.8和35℃等条件下,进水COD从500mg.L-1逐渐提高到6000mg.L-1左右,ABR可在63d内培育出具有产甲烷功能的微生物群落体系,并达到稳定运行状态.此时,4个格室中的液相末端产物以乙酸和丁酸为主,均呈现丁酸型发酵特征,系统的COD平均去除率为37.6%,平均产氢量为3.2L.d-1,去除单位COD的比产氢率平均为45.29L.kg-1(以COD计).随着进水COD的提高,ABR及各格室的运行特征也随之发生变化,在进水COD提高到8000mg.L-1并达到运行稳定状态时,后3个格室中仍有产甲烷活性的残留;前3个格室表现为乙醇型发酵,而最后1个格室的丁酸型发酵特征则得到加强;系统对COD的平均去除率降低为15.4%,平均产氢量和去除单位COD的产氢能力分别提高到12.85L.d-1和360.22L.kg-1(以COD计);由于诸如产甲烷菌和同型产乙酸菌的耗氢活性未被有效抑制,ABR的产氢效能受到了严重影响,虽然总产气速率和活性污泥的比产气率分别达到了61.54L.d-1和232L.kg-.1d-1(以MLVSS计),但总产氢速率和活性污泥的比产氢率分别仅为12.85L.d-1和48L.kg-1.d-1(以MLVSS计).     

酸性预处理污泥厌氧发酵产氢

通过批量试验系统研究了酸性预处理污泥厌氧发酵产氢情况.研究结果表明,通过酸性预处理,不仅对耗氢菌起到抑制作用,还能起到一定的融胞作用,使污泥中溶解性的糖和蛋白质的含量增加,促进厌氧发酵产氢;酸性预处理污泥厌氧发酵主要降解的有机物质为蛋白质,糖类次之.最佳的酸性预处理条件为调整原污泥pH=3.0放置24h;经过pH=3.0酸性预处理后调节初始pH=11.0的条件下厌氧发酵产氢,其最大累积产氢量最高,为14.66 mL.     

Pseudomonas sp. GL1利用不同预处理污泥产氢及其底物变化研究

采用厌氧发酵的方法研究Pseudomonas sp.GL1利用灭菌、微波和超声波预处理污泥产氢效果,讨论3种预处理污泥产氢效果的差异,并对污泥发酵过程中底物性质变化(SCOD、可溶性蛋白质、总糖和pH值等)进行了探讨.实验结果显示,产氢菌Pseudomonas sp.GL1发酵各预处理污泥过程中均只有H2和CO2产生,无CH4产生.3种不同预处理污泥同等条件下发酵,灭菌污泥的产氢效果最佳,氢气含量高达81.45%,产氢率为30.07mL·g-1.超声波处理污泥产氢延迟时间最短(3 h);灭菌污泥最长(15 h);微波预处理污泥为12 h.在预处理污泥发酵产氢过程中,各种污泥性质变化情况各不相同,尤其是灭菌污泥,这说明不同的预处理方法影响Pseudomonas sp.GL1发酵过程对污泥中营养物质的利用.     

不同方式预处理污泥对微生物燃料电池的影响

为了探究不同预处理方式污泥对MFC（microbial fuel cell,微生物燃料电池）的影响,采用双室MFC反应器构型,以不同预处理方式的污泥作为MFC的底物基质,包括热处理污泥、废碱渣预处理污泥、未处理污泥,并设置静态试验组污泥（开路试验）,考察MFC的产电性能（电压、电功率密度）、pH、COD_Cr、总悬浮物（TSS）、挥发性悬浮物（VSS）、EPS（胞外聚合物）以及三维荧光等参数的变化规律.结果表明:①在所设外电阻条件下（1 000 Ω）,MFC的最大启动电压可达0.3 V;②废碱渣预处理污泥的最大功率密度可达70.1 mW/m2,热处理污泥的最大功率密度可达60.1 mW/m2,预处理后污泥的性能优于未处理污泥;③热处理污泥、废碱渣预处理污泥、未处理污泥以及静态试验组污泥的pH总体呈下降的趋势,废碱渣预处理污泥及热处理污泥总悬浮物和挥发性悬浮物的去除率均高于未处理污泥,且COD_Cr有类似的变化规律.在此基础上,进一步分析污泥EPS的组成成分以及三维荧光光谱图的特性发现,污泥EPS中蛋白质质量浓度最高,并且腐殖酸能够在一定程度上辅助胞外电子基团的转移,三维荧光光谱图也证实了不同预处理方式污泥随厌氧消化过程的变化规律.研究显示,将废碱渣预处理的污泥作为MFC的底物,不仅降低了资源能耗而且提高了MFC的产电性能,实现了综合绿色发展.      

污泥厌氧发酵产氢的影响因素

污水生物处理过程中产生大量剩余污泥, 通常采用厌氧发酵处理并获取甲烷气体. 产氢产酸是污泥厌氧消化过程中的一个中间阶段. 本研究考察了原污泥和经碱处理的污泥在不同初始pH(3.0～12.5)条件下的产氢效果, 以及污泥性质和污泥浓度等对产氢效果的影响. 结果表明, 当初始pH为11.0时污泥发酵的产氢率达到最大值.采用原污泥发酵产氢时, 在初始pH为11.0的条件下发酵产氢获得的最大产氢率为8.1 mL/g, 而经碱处理的污泥在同样初始pH的条件下发酵产氢可将其产氢率提高一倍左右, 达到16.9 mL/g. 污泥经碱处理后厌氧发酵4d无甲烷产生, 且可有效地降低氢气消耗的速率. 另外, 污泥的VSS/SS值过低时会大大降低污泥的产氢率, 而污泥浓度对产氢率无明显影响.     

碱处理污泥发酵产氢生物相特征

为了揭示碱处理污泥发酵产氢生物相的特征,分别将取自3个不同处理工艺污水厂的污泥进行碱处理,并分别在酸性(pH5)和碱性(pH11)的条件下进行发酵产氢.结果表明,虽然污泥来源不同,但经碱处理后溶出的可溶性有机质均以蛋白质居多,碳水化合物的量仅是蛋白质的15%～16%,在初始pH11的碱性条件下发酵产氢均可获得较高的产氢率,最大(以H2/TCOD计)可达31.9mL/g,但在初始pH5的酸性条件下产氢率不高,且伴有耗氢现象.用F338GC/R534细菌16SrDNA通用引物对发酵产氢结束时的生物相进行PCR-DGGE分析,不同污水厂污泥产氢的生物相差异显著.随着发酵的进行,生物相中优势菌群有增多的趋势,产氢反应过程中微生物菌群表现出更替消长的现象.     

A new process to improve short-chain fatty acids and bio-methane generation from waste activated sludge

As an important intermediate product, short-chain fatty acids(SCFAs) can be generated after hydrolysis and acidification from waste activated sludge, and then can be transformed to methane during anaerobic digestion process. In order to obtain more SCFA and methane,most studies in literatures were centered on enhancing the hydrolysis of sludge anaerobic digestion which was proved as un-efficient. Though the alkaline pretreatment in our previous study increased both the hydrolysis and acidification processes, it had a vast chemical cost which was considered uneconomical. In this paper, a low energy consumption pretreatment method, i.e. enhanced the whole three stages of the anaerobic fermentation processes at the same time, was reported, by which hydrolysis and acidification were both enhanced, and the SCFA and methane generation can be significantly improved with a small quantity of chemical input. Firstly, the effect of different pretreated temperatures and pretreatment time on sludge hydrolyzation was compared. It was found that sludge pretreated at 100°C for 60 min can achieve the maximal hydrolyzation. Further, effects of different initial p Hs on acidification of the thermal pretreated sludge were investigated and the highest SCFA was observed at initial p H 9.0with fermentation time of 6 d, the production of which was 348.63 mg COD/g VSS(6.8 times higher than the blank test) and the acetic acid was dominant acid. Then, the mechanisms for this new pretreatment significantly improving SCFA production were discussed. Finally,the effect of this low energy consumption pretreatment on methane generation was investigated.     

不同预处理方法促进剩余污泥发酵制氢研究进展

综述了剩余污泥发酵制氢的底物预处理方法,主要包括物理法（热水解法、微波法、超声波法、冻融法）;化学法（酸碱预处理、臭氧氧化法）;生物法（生物强化技术、生物酶法）,分析比较了不同预处理方法的剩余污泥发酵制氢体系的氢气含量及产率,污泥处理后溶解性化学需氧量、挥发性脂肪酸含量的变化和工程应用的优缺点,并指出目前研究存在的一些不足和对未来应用前景的展望,以期为剩余污泥发酵制氢预处理方法的研究与应用提供依据.     

氧化还原介体强化厌氧活性污泥发酵产氢特征

为提高厌氧污泥的发酵产氢能力,采用间歇培养方式考察了氧化还原介体（ROMs）对厌氧污泥发酵葡萄糖产氢效能的影响,并通过Illumina MiSeq测序揭示了ROMs对微生物群落的影响.结果表明,在发酵液体积为100mL及葡萄糖初始浓度500mg/L条件下,对照的累计产氢量和最大产氢速率（R_max）分别为11.0mL和0.28mL/h.当腐殖酸和蒽醌-2-磺酸钠（AQS）作为ROMs加入发酵体系后,厌氧污泥的产氢能力显著提高,其累计产氢量和R_max分别比对照高出56.4%、13.6%和53.6%、10.7%.相反,氧化石墨烯（GO）、指甲花醌和蒽醌-2,6-二磺酸钠（AQDS）导致厌氧污泥的产氢能力受到不同程度的抑制.Illumina MiSeq测序揭示了发酵系统的优势菌群存在显著差异.对照系统中的优势菌群主要来自5个属（Thermomarinilinea、Longilinea、Defluviimonas、Gimesia、Planctomicrobium）,腐殖酸、AQS和指甲花醌发酵系统的主要优势菌群为Thermomarinilinea、Longilinea、Ottowia,而Thermomarinilinea、Longilinea、Ottowia、Defluviimonas为AQDS和GO发酵系统的主要菌群.冗余分析的结果表明,产氢量与Longilinea、Macellibacteroides、Trichococcus、Thioflavicoccus和Ottowia呈正相关,而与Defluviimonas、Pirellula、Gimesia和Ignavibacterium呈负相关.     

冻融破解预处理剩余污泥及强化微生物电解池处理效能

针对微生物电解池（MEC）处理剩余污泥时水解速率慢、有机质降解率低的问题,采用冻融破解预处理剩余污泥,探讨了冻融对污泥泥质的影响及对后续MEC处理效能的强化作用。结果表明:冻融处理可以有效促进污泥絮体解散、细胞破裂及有机物溶出,在-18℃冷冻72 h,26℃融解3 h后,污泥SCOD增加了2.58倍。以冻融污泥为底物的MEC装置,在0.7 V外加电压条件下,污泥SS和TCOD去除率分别超过40%和60%。与未经处理的原泥相比,冻融处理提高了MEC装置的库伦效率和阴极H₂回收率,分别提高了5.8%和6.7%。微生物群落分析表明,冻融预处理促进了微生物电解过程中产电菌群（如变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes））的生长和富集,改善了剩余污泥的资源利用和能源回收效益。     

Effects of thermally pretreated temperature on bio-hydrogen production from sewage sludge

Hydrogen can be obtained by anaerobic fermentation of sewage sludge. Therefore, in this paper the effects of thermally pretreated temperatures on hydrogen production from sewage sludge were investigated under different pre-treatment conditions. In the thermal pretreatment, some microbial matters of sludge were converted into soluble matters from insoluble ones. As a result, the suspended solid（SS） and volatile suspended solid（VSS） of sludge decreased and the concentration of soluble COD（SCOD） increased, including soluble carbohydrates and proteins. The experimental results showed that all of those pretreated sludge could produce hydrogen by anaerobic fermentation and the hydrogen yields under the temperatures of 121℃ and 50℃ were 12.23 ml/g VS（most） and 1.17 ml/g VS （least）, respectively. It illuminated that the hydrogen yield of sludge was affected by the thermally pretreated temperatures. Additionally, the endurance of high hydrogen yield depended on the translation of microbial matters and inhibition of methanogens in the sludge. The temperatures of 100℃ and 121℃ （treated time, 30 min） could kill or inhibit completely the methanogens while the others could not. To produce hydrogen and save energy, 100℃ was chosen as the optimal temperature for thermal pretrcatment. The composition changes in liquid phase in the fermentation process were also discussed. The SCOD of sludge increased, which was affected by the pretreatment temperature. The production of volatile fatty acids in the anaerobic fermentation increased with the pretreatment temperature.