R-PFR与CSTR厌氧消化餐厨垃圾运行效率及微生物群落结构对比

以中温餐厨垃圾(FW)厌氧消化反应器为研究对象,结合稳定运行过程中的微生物群落结构特征,考察了两种常见的厌氧消化反应器—完全混合式反应器(CSTR)和有回流的推流式反应器(R-PFR)的运行效率和稳定性.结果表明,两种构型的反应器均能在3.0 kg·m-3·d-1(以VS计)负荷下稳定高效地运行.R-PFR具有更稳定的稳定性指数,如总碱度(TA)和挥发性脂肪酸比TA值(VFA/TA),以及更低的氨氮(TAN)和游离氨(FAN)浓度,但产气效率(如比甲烷产率(SMP))不及CSTR.R-PFR中以Chloroflexi门(37.35%)和Firmicutes门(31.22%)为优势细菌,而CSTR中以Bacteroidetes门(31.14%)与Firmicutes门(44.41%)为优势细菌.CSTR和R-PFR均以Methanosaeta属为优势产甲烷菌(98.72%和84.90%),乙酸型产甲烷途径为主要的产甲烷途径.但CSTR中除Methanosaeta属以外还有一定丰度的混合营养型的Methanosarcina,以及氢营养型Methanospirillum和Methanolinea.CSTR中具有对VFA和TAN更具耐受性的产甲烷菌群,更有利于餐厨垃圾产甲烷过程的稳定进行.由于R-PFR的敏感性较低,有利于处理剧烈变化的底物,但R-PFR容易出现严重的局部酸化现象,不利于长期处理过高负荷的易降解底物(如餐厨垃圾).这些结果可为优化餐厨垃圾厌氧消化工艺设计提供基础依据.     

梯度负荷下果蔬垃圾厌氧消化性能及微生物群落结构的研究

为优化果蔬垃圾厌氧消化工艺,提高厌氧消化性能,本文通过逐级提高CSTR反应器进料负荷,研究不同负荷下的厌氧消化性能及相应的微生物群落结构变化规律.结果表明,随着进料负荷的增高,容积产气率、甲烷产气量、氨氮、碱度、TCOD、SCOD均逐渐增高,在最高负荷(负荷以VS计)2.50g·L-·1d-1时分别达到最大值:1.22L·L-1d-1,5.10L·d-1,1563.86mg·L-1,7572.23mg·L-1,13283.26mg·L-1,2075.03mg·L-1,甲烷含量及VFA分别稳定在52.46%～54.59%和(879.30±18.69)mg·L-1;同时利用PCR-DGGE技术系统分析了厌氧消化中细菌与古细菌的群落结构,测序结果表明,整个过程中拟杆菌(Bacteroidetes)、甲烷鬃菌(Methanosaeta)及甲烷螺菌(Methanospirillum)为优势微生物,随着负荷的提高,甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)活性逐渐降低;聚类分析及主成分分析表明,低负荷条件下(1.50g·L-·1d-1、1.75g·L-·1d-1),微生物种类(细菌、古细菌)差别不明显,且基本处于同一阶段.     

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.     

不同基质生物炭对厌氧处理餐厨垃圾效能及微生态的影响

探究了剩余污泥（SS）、餐厨垃圾（FW）、玉米芯（CC）、甘蔗渣（BG）4种不同基质生物炭对厌氧生物处理餐厨垃圾效能的影响,对厌氧污泥的关键酶活性、微生物群落分布以及代谢途径等微生态进行了分析.结果表明,厌氧反应器分别加入4种生物炭后,COD平均去除率分别提高了29.49%、23.16%、29.42%、40.32%;傅里叶红外分析表明,投加SS生物炭组出水中羟基、酰胺基以及C-O-C伸缩振动峰减弱.4个厌氧反应器中厌氧污泥的乙酸激酶活性分别为0.40,0.42,0.96,0.98 μmol/g,表明投加CC与BG生物炭促进了餐厨垃圾的厌氧水解酸化过程;厌氧污泥胞外聚合物的蛋白质/多糖之比分别为0.415、0.56、1.89、2.8,投加CC、BG生物炭提高了污泥的稳定性.4个厌氧反应器中拟杆菌门、变形菌门、厚壁菌门为主要菌群,投加BG生物炭促进了变形菌门与厚壁菌门的生长;对于古细菌而言,甲烷杆菌属与甲烷丝菌属为优势种群,SS组的甲烷杆菌属丰度最高（53.48%）,而BG组中甲烷丝菌属丰度最高（42.72%）.KEGG功能分析表明古菌及细菌均以碳水化合物代谢、氨基酸代谢为主;而投加BG与SS生物炭后,微生物膜运输水平得到了提高.     

不同基质生物炭对厌氧处理餐厨垃圾效能及微生态的影响

探究了剩余污泥（SS）、餐厨垃圾（FW）、玉米芯（CC）、甘蔗渣（BG）4种不同基质生物炭对厌氧生物处理餐厨垃圾效能的影响,对厌氧污泥的关键酶活性、微生物群落分布以及代谢途径等微生态进行了分析.结果表明,厌氧反应器分别加入4种生物炭后,COD平均去除率分别提高了29.49%、23.16%、29.42%、40.32%;傅里叶红外分析表明,投加SS生物炭组出水中羟基、酰胺基以及C-O-C伸缩振动峰减弱.4个厌氧反应器中厌氧污泥的乙酸激酶活性分别为0.40,0.42,0.96,0.98 μmol/g,表明投加CC与BG生物炭促进了餐厨垃圾的厌氧水解酸化过程;厌氧污泥胞外聚合物的蛋白质/多糖之比分别为0.415、0.56、1.89、2.8,投加CC、BG生物炭提高了污泥的稳定性.4个厌氧反应器中拟杆菌门、变形菌门、厚壁菌门为主要菌群,投加BG生物炭促进了变形菌门与厚壁菌门的生长;对于古细菌而言,甲烷杆菌属与甲烷丝菌属为优势种群,SS组的甲烷杆菌属丰度最高（53.48%）,而BG组中甲烷丝菌属丰度最高（42.72%）.KEGG功能分析表明古菌及细菌均以碳水化合物代谢、氨基酸代谢为主;而投加BG与SS生物炭后,微生物膜运输水平得到了提高.     

高温预处理强化污泥与餐厨垃圾共消化

污泥和餐厨垃圾共消化具有提高污泥稳定化的作用,为进一步强化污泥与餐厨垃圾共消化效果,提出高温预处理强化污泥与餐厨垃圾中温厌氧共消化的运行策略,并从宏观和微观2个层面探讨了共消化系统的运行机制。结果表明：污泥与餐厨垃圾经过1 d高温预处理后,其SCOD/TCOD从33.9%提高到65%;中温厌氧消化时的甲烷产率和有机物去除率高达0.54 L/g和78.8%(SRT=20 d)、0.76 L/g和56.6%(SRT=15 d),略高于某实际餐厨废弃物及市政污泥协同处理项目一期的0.53 L/g和53.5%,该项目采用150～170℃高温、1 MPa高压热水解进行预处理;采用Illumina MiSeq测序技术得出水解酸化菌属如Porphyromonadaceae、Draconibacteriaceae、Eubacterium和Romboutsia在高温预处理后的共消化系统中得到富集,促进了系统的水解和产酸过程,为系统中产甲烷菌Archaea提供了丰富的基质,强化了污泥与餐厨垃圾共消化产气效果。     

基于PCR-TGGE技术的餐厨垃圾厌氧消化微生物群落结构解析

为了解不同负荷下单相餐厨垃圾厌氧消化反应器内微生物群落结构演替特征,在单相厌氧消化反应器负荷为2.0～8.5kg·m-·3d-1(以VS计)的不同负荷条件下取样,运用16SrDNA的PCR-TGGE技术对反应器内微生物进行动态追踪.同时,运用Dice系统和NMDS软件对PCR-TGGE图谱进行分析.结果表明,负荷为4.0～6.0kg·m-·3d-1时,微生物群落结构变化不大;负荷为6.0～7.0kg·m-·3d-1时,微生物群落结构变化较为明显;负荷分别为7.0～8.0kg·m-·3d-1及8.5kg·m-·3d-1时,微生物群落结构变化最为明显.纵观整个过程,在餐厨垃圾厌氧消化反应器有机负荷在2.0～8.5kg·m-·3d-1下厌氧反应器内的微生物群落结构存在明显的阶段性演替;负荷为7.0kg·m-·3d-1时微生物群落结构的丰富度最好.     

多相内循环厌氧反应器内颗粒污泥特性分析

该文对处理柠檬酸废水的多相内循环厌氧反应器中颗粒污泥的理化特性和微生物特性进行了实验研究。扫描电镜下厌氧颗粒污泥呈黑色、球形、表面光滑且有空隙;筛分法得到90%的污泥粒径分布在0.45~2.0 mm范围内;重力沉降法得到90%以上颗粒污泥的沉降速度大于50 m/h,沉降性能良好;高温灼烧法测得颗粒污泥的挥发分占总固体的64.56%,有机物含量高。采用454高通量测序的方法对厌氧颗粒污泥中的微生物进行鉴别,细菌中共有约30个菌门和100个菌属,其中Anaerofustis、Anaerolineae、Spirochaeta和Longilinea是优势菌属,分别占细菌总量的4.91%、4.78%、4.41%、3.98%。这些细菌的共同特征是可以将大分子有机物水解并转化成酸。古生菌中广古菌门(Euryarchaeota)占92.48%,其中甲烷鬃菌属(Methanosaeta)占7.81%,甲烷杆菌属(Methanobacterium)占49.35%,主要作用是产甲烷。微生物的多样性指数较高,表明厌氧颗粒污泥中微生物种类丰富,有利于厌氧反应器的稳定运行。     

污泥停留时间对餐厨垃圾与剩余污泥中温厌氧混合发酵系统的影响

采用连续搅拌釜式反应器(CSTR)成功启动了餐厨垃圾与剩余污泥混合发酵平行系统,重点探究了不同污泥停留时间(SRT)缩减幅度对于餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统的影响.结果表明,较大幅度地缩减SRT( 8. 3 d)提升反应器运行负荷,不利于反应器的稳定运行;随着反应器运行负荷的增加,SRT缩减幅度应逐渐降低(5～0. 9 d),能够取得餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统的高负荷稳定运行.经过282 d的运行,CSTR混合发酵系统能够在SRT为9. 1 d,进料负荷(以COD计)为(12. 9±1. 5) g·(L·d)~(-1)的条件下稳定运行,相应的甲烷产量为3. 94～4. 25 L·(L·d)~(-1),甲烷产率(以COD计)为288～302 m L·g-1,p H和挥发性脂肪酸(VFA,以COD计)分别稳定在7. 80～7. 83和0. 32～0. 39 g·L-1.此外,还探究了高负荷条件下餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵污泥特性,结果表明,餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统甲烷转化途径以乙酸转化途径为主,具有较高的乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的产甲烷活性和辅酶F420的质量摩尔浓度.     

餐厨垃圾渗滤液强化城市污泥消化作用研究

针对城市污水厂污泥热值低、C/N比低,厌氧消化效率低的问题,结合餐厨垃圾渗滤液中有机物含量高、C/N比高的特点,研究了城市污泥、餐厨垃圾渗滤液共消化过程.结果表明:垃圾渗滤液的添加促进了污泥厌氧消化甲烷气的产生,添加生、熟垃圾渗滤液的消化污泥累计产甲烷量分别为542 mL、2102 mL,是未添加渗滤液(参照样)的污泥消化产气量的1.2倍、4.6倍,甲烷单位产量分别为261(参照样)、675.8、971.0L·kg-1(以VS计);同污泥单独厌氧消化相比,添加生、熟垃圾渗滤液能强化污泥VS/TS的去除,其去除率分别为15.3%和26.3%;通过共消化,污泥上清液的SCOD去除率均高于90%,出水COD也基本一致,并未因垃圾渗滤液的添加而发生大的波动.污泥与餐厨垃圾渗滤液的共消化能够促进有机物的去除,强化甲烷气的产生,实现了污泥与渗滤液的稳定化、无害化和资源化.     

有机负荷和温度波动对厌氧菌群及酶活影响

基于太阳能辅热厌氧消化反应器进行餐厨垃圾半连续发酵试验,探究了温度波动和有机负荷调控（OLR=2.0、4.0、6.0、7.0 kg·m^-3·d^-1）对甲烷产量、酶活性变化和微生物群落结构的影响.结果表明,反应器可以在OLR为2.0 kg·m^-3·d^-1下稳定运行并在6.0 kg·m^-3·d^-1时实现最佳甲烷生产效率,虽然太阳能组比电能组减少了4倍能耗,但热辐射不稳定导致太阳能组发酵温度波动,甲烷平均产量比电能组减少21%.此外,蛋白酶在温度波动环境下表现出较高活性,但脂肪酶和淀粉酶活性却受到抑制.高通测序结果表明,低OLR阶段乙酸型产甲烷菌Methanosaeta活性较强,随着OLR递增氢营养型产甲烷菌Methanoregula和Methanospirillum相对丰度逐渐提高,而试验全过程中水解细菌Firmicutes相对丰度维持在62%~95%,占据主导地位.     

Methanogenic community dynamics in anaerobic co-digestion of fruit and vegetable waste and food waste

A lab-scale continuously-stirred tank reactor (CSTR), used for anaerobic co-digestion of fruit and vegetable waste (FVW) and food waste (FW) at different mixture ratios, was operated for 178 days at the organic loading rate of 3 kg VS (volatile solids)/(m³.day). The dynamics of the Archaeal community and the correlations between environmental variables and methanogenic community structure were analyzed by polymerase chain reactions - denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) and redundancy analysis (RDA), respectively. PCR-DGGE results demonstrated that the mixture ratio of FVW to FW altered the community composition of Archaea. As the FVW/FW ratio increased, Methanoculleus, Methanosaeta and Methanosarcina became the predominant methanogens in the community. Redundancy analysis results indicated that the shift of the methanogenic community was significantly correlated with the composition of acidogenic products and methane production yield. Different mixture ratios of substrates led to different compositions of intermediate metabolites, which may affect the methanogenic community. These results suggested that the analysis of microbial communities could be used to diagnose anaerobic processes.     

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.     

盐度条件下ANAMMOX-EGSB反应器颗粒污泥微生物群落

采用高通量测序技术探究了0、15和30 g·L^-1盐度条件下稳定运行ANAMMOX-EGSB反应器中颗粒污泥的微生物群落变化.结果发现,进水盐度提升至15 g·L^-1及30 g·L^-1后,反应器脱氮性能呈现小幅下降,随运行时间延长脱氮性能均可恢复.反应器性能稳定后,3种盐度条件下厌氧氨氧化菌的丰度依次为10.33%、20.90%和35.87%,其中Candidatus Kuenenia属为优势属.浮霉状菌门、变形菌门、绿弯菌门丰度占总体比例较高且累计丰度超过了80%,为反应器的优势菌门.盐度条件下,浮霉状菌门丰度增加,变形菌门丰度降低,绿弯菌门丰度相对稳定.电镜扫描显示盐度条件下颗粒污泥表面有大量丝状菌和胞外聚合物.盐度条件下反硝化菌丰度提高,增强了反硝化协同脱氮,绿弯菌门和拟杆菌门微生物丰度的提高有利于维持颗粒污泥结构稳定,好氧微生物及反硝化菌的存在也有利于维持反应器内部厌氧水平.这些结果表明,厌氧氨氧化菌经驯化可适应盐度,盐度条件下伴生菌对厌氧氨氧化菌功能的发挥提供了支撑.     

不同溶解氧浓度下硝化工艺中微生物种群结构对比

运用高通量测序技术分析了不同溶解氧(DO)浓度下硝化工艺微生物种群结构.结果表明,低氧硝化反应器(R_L,DO浓度为0. 2～0. 3 mg·L~(-1))比高氧硝化反应器[R_H,DO=(2. 0±0. 1) mg·L~(-1)]具有更高的种群多样性,而R_H中微生物种群功能组织性更高.尽管R_H和R_L共有物种信息达85%以上,但DO浓度的不同造成了单个物种在相对丰度上的显著差异.Proteobacteria门(80. 7%)在R_H中被高度富集,其中Nitrosomonas菌属相对丰度达到65. 1%;而在R_L中则以Proteobacteria(43. 8%)、Firmicutes (20. 0%)以及Bacteroidetes (15. 1%)为共同主导者,同时R_L中含有大量Lactococcus、Anaerolineaceae以及Rhodocyclaceae等可在厌氧或缺氧条件下进行水解发酵作用的菌属. Nitrosomonas oligotropha和Nitrosomonas europaea分别为RH和RL中优势氨氧化细菌,而亚硝酸盐氧化细菌均以Nitrospira defluvii为主导.反应器中NH_4~+-N和NO_2~--N浓度(而非DO浓度)是上述硝化菌群被选择性富集的关键因素.     

总氨氮在餐厨垃圾厌氧消化系统中的积累及其抑制作用

为研究总氨氮(TAN)在餐厨垃圾中温干式厌氧消化系统内的积累及抑制作用,在单相完全搅拌式(CSTR)反应器内进行餐厨垃圾中温厌氧消化,反应器在3 g·L-1·d-1(以VS计)的负荷下连续运行230余天,期间不断监测TAN及其余物化指标的变化.试验结果表明,TAN在系统内的积累呈现先快后慢的趋势,且不会持续积累,而是积累到一定程度后会保持稳定.游离氨(FAN)是氨抑制中起主导作用的因素,FAN大于150 mg·L-1时就会影响到系统效率;大于200 mg·L-1时会影响系统稳定性;大于300 mg·L-1后会产生强烈抑制,引发稳态型抑制,甚至导致系统出现泡沫.此外,氨抑制会影响系统产气动力学,导致产气速率降低,产气量减少.寻找合理的措施消除氨抑制对保障系统稳定运行具有重要意义.     

聚磷生物膜反应器磷负荷提升过程中微生物种群分析

在同步去除及富集磷酸盐的基础上,通过研究水力停留时间(8 h、6 h、4 h)及不同的进水磷浓度考察磷负荷对于反应器的运行效能和微生物群落结构的影响,探究生物膜反应器所能承受的最大磷负荷,并探究微生物种群与工艺性能的响应关系,获取高效生物膜驯化的最优进水磷条件,以及分析该条件下的种群结构.结果表明,在驯化阶段,在磷负荷低于0.18 kg·m~(-3)·d~(-1)时,磷负荷的提升不会影响磷去除率,磷去除率保持在98.3%;当磷负荷达到0.24 kg·m~(-3)·d~(-1)时,磷去除率下降到84.3%,但P_(rel)/C_(upt)依旧从最初的0.06上升至0.121.MiSeq测序结果表明优势菌门为变形菌门(Proteobacteria),从59.2%增长至83.5%,反应器中的优势聚磷菌科为红环菌科(Rhodocyclaceae),从11.8%增长至27.3%.在回收阶段,在保证好氧出水达标的情况下,磷酸盐浓度升高至56.4 mg·L~(-1),富集液浓度达到鸟粪石法回收磷的标准.通过增加进水磷负荷可使聚磷菌丰度提高,进而提高了回收液磷浓度.     

有机物对厌氧氨氧化生物膜反应器脱氮效能及微生物群落的影响

为考察有机物对厌氧氨氧化生物膜反应器脱氮效能的影响,采用MPN（most probable number）法和高通量测序技术,结合处理效果数据,对比分析了有无有机物影响下生物膜中微生物群落差异.试验表明：在进水有机物（COD）为30和60 mg·L^-1作用下,总氮去除率与进水COD为0 mg·L^-1时的84.10%相比较分别提高了5.08%和10.41%;COD为90 mg·L^-1时,总氮去除率降至89.05%.由MPN法和高通量测序结果可知,相对于无有机物,60 mg·L^-1有机物使反应器中反硝化菌数量增加,浮霉菌门和变形菌门丰度明显提高,且微生物群落更加丰富.有机物能影响反应器中厌氧氨氧化、反硝化脱氮效能及微生物菌落丰度,适宜的有机物浓度可使厌氧氨氧化与反硝化作用有效耦合,提高反应器的脱氮效能.本研究可为厌氧氨氧化生物膜反应器处理含有机物的实际污水提供参考价值.