上向流厌氧滤池(UAF)处理城市生活污水的运行效能

采用上向流厌氧滤池(UAF)处理实际生活污水,研究中温条件下水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)对系统运行效果及优势产甲烷菌群的影响.结果表明,在35℃,HRT为24 h条件下,系统启动28 d后化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率可达75%以上. HRT由24 h降至2. 5 h的过程中,COD去除率呈现先上升后下降的趋势,在HRT为5h时最高,平均去除率为81. 71%,最高可达87. 18%,当降至2. 5 h后,COD去除率降至75. 12%.甲烷产率(每消耗单位质量底物产生的甲烷的量,以CH4/CODre计)及甲烷体积分数随HRT的降低而增高,HRT为2. 5h时为0. 30 L·g-1,甲烷体积分数维持在73%左右,经能耗核算后可得系统产能可满足蠕动泵能耗需求.对系统内主要的产甲烷菌进行定量分析表明,乙酸营养型产甲烷菌Methanosarcinales丰度最高,为优势菌群,随着HRT的逐渐降低,乙酸营养型和氢营养型产甲烷菌的丰度都有大幅度提高.     

有机垃圾单级高固体厌氧消化启动实验研究

在中温（35 ℃）条件下,应用连续式单级高固体厌氧消化技术对有机垃圾进行了实验室规模的处理研究.在启动阶段,垃圾进料量随反应器内pH值及产气量的变化作适当调节.结果表明,在反应器进料有机垃圾的含固率（TS）达到24.79%,挥发性固体物质（VS）达到230.62 g/kg的情况下,系统的产气效率以进料VS计达到了705.77 L/kg.反应器启动30 d后,内部料液的pH值稳定在6.9～7.3之间.在稳定运行阶段,以进料VS计,高固体厌氧消化反应器的有机负荷率（OLR）达到6.98 kg/(m³·d),水力停留时间（HRT）为35 d,启动实验取得了较为理想的效果.     

ABR处理大豆蛋白废水的效能及微生物群落动态分析

为考察厌氧折流板反应器(ABR)处理大豆蛋白生产废水的效能及其运行特征,采用有效容积为28 L的四格室ABR,通过为期100 d的运行,研究了基于进水COD浓度提高的有机负荷(OLR)改变对其处理效能的影响,并以真细菌的通用引物SRV3-2P和BSF8/20,通过单链构象多态性(SSCP)和UPGMA群落聚类分析,对反应器运行过程中微生物菌落结构的动态变化进行了研究.结果表明,以啤酒厂二沉池排放的好氧剩余污泥为种泥.在污泥接种量MLVSS为18.0 g·L-1、进水COD浓度2 000mg·L-1、HRT 39.5 h、(35±1)℃等条件下,可在31 d内成功启动ABR并达到初步稳定运行,COD去除率达到96%左右;ABR具有较强的抗OLR冲击能力,当OLR由1.2 kg·(m3·d)-1逐步提高到6.0 kg·(m3·d)-1时,ABR仍能实现安全稳定运行,其COD去除率可以稳定在98%左右;OLR的改变,对ABR内微生物群落的结构以及不同微生物类群在各格室中的分布具有显著影响,随着OLR的逐步提高,ABR各格室微生物的遗传距离逐渐拉大.特异性随之增加,表现出显著的生物相分离特征.     

不锈钢毡电极MEC甲烷原位纯化及原理

为实现有机废弃物能源化利用,采用不锈钢毡电极微生物电解池(MEC)处理含乙酸的模拟废水,系统地研究了外加电压对乙酸去除、甲烷(CH4)生成、微生物种群和活性等方面的影响.结果表明,MEC(0.4 V)中乙酸去除速度最快,可以达到(167.30±0.71)mg·L~(-1)·h-1;MEC(1.0V)中CH4浓度、CH4产生速度和乙酸去除率达最大值,分别为96.98%±1.19%、(1.18±0.04)LMet·d-1·LR-1和100%±0.05%.另外,外加电压可提高阴极微生物代谢活性和嗜氢产甲烷菌的相对丰度.外加电压为1.0 V时,嗜氢产甲烷菌相对丰度达78.87%,其中Methanospirillum最为丰富,其含量占到全部微生物的68.38%.研究证明MEC可以实现乙酸的快速去除、甲烷高效制备和甲烷原位纯化.     

EGSB处理垃圾焚烧渗沥液及其微生物群落变化

研究了处理垃圾焚烧渗沥液的膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器在超负荷运行前后厌氧颗粒污泥的微生物群落结构变化.在实验室启动并运行了处理垃圾焚烧渗沥液的EGSB反应器,逐渐提高反应器的有机负荷(OLR),当OLR为23.1kgCOD/(m3×d)时,COD去除率保持在93%以上.当OLR继续升至24.5kgCOD/(m3×d)时,COD去除率迅速下降至73.9%,且出水挥发酸大量增高,反应器进入超负荷运行状态.对反应器中厌氧颗粒污泥进行克隆文库分析,发现经过11d的超负荷运行,污泥中的微生物群落结构发生了明显的变化,古菌的优势菌从产甲烷髦毛菌(含量为68.4%)变为产甲烷微菌(含量为51.9%);细菌的优势菌一直是低GC革兰氏阳性菌(含量约56%),且大多数属于具有形成芽孢特性的Clostridiales目.EGSB反应器超负荷运行导致乙酸营养型古菌大量死亡,小分子有机酸大量积累,处理效率急剧下降.     

不同温度下异波折板反应器处理生活污水的研究

本实验采用64．8L的厌氧异波折流板反应器处理生活污水,研究了低温对异波折流板反应器运行效能的影响。结果表明,温度从30℃降至20℃反应器运行15d达到稳定后,COD去除率仅从83．6％T降至76．9％。各隔室的VFA浓度均有所上升,前面隔室升幅较大,比甲烷活性略有下降;当温度从20℃下降至10℃时,产氢产乙酸茵和产甲烷菌等受到较大影响,在反应器运行达到稳定后COD去除率从76．9％T降至45％-55％,出水水质受影响较大,比甲烷活性下降幅度较大。     

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).     

利用Ethanoligenens harbinense R3连续培养的CSTR的启动与运行

采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR)为实验装置,探讨了利用新型发酵产氢菌R3的生物制氢反应器的启动与运行情况.实验表明,维持反应器内pH在4.5左右、COD启动值为6000 mg·L-1、水力停留时间为8 h等条件,可在30 d内完成反应器内菌种对环境的适应并进入稳定运行阶段,此时系统氧化还原电位(HRT)稳定在-400mV左右.系统内的液相末端发酵产物中乙醇含量最大,占发酵产物总含量的65%,乙醇和乙酸所占比例为95%,系统呈现明显的乙醇型发酵特性.启动和运行阶段的积累产氢量为399.33 L,最大产氢量达15768.8 mL·d-1,最大氢气产率为49.94%.有机氮源可被微生物利用而无机氮源对产氢并无太大影响.使用有机氮源和磷源时积累产气量、积累产氢量和发酵液相末端产物与空白对照相比有所增大.     

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.     

剩余污泥与废弃油脂混合厌氧消化产气缓滞因素研究

通过完全混合式厌氧消化反应研究了底物中添加30%(以VS计)的厨余提取物,且底物与接种物的VS比为1.87时厌氧消化过程中产气迟滞的影响因素.结果表明,反应过程中氨氮含量小于500 mg·L^-1时,游离氨对比甲烷累积产气率基本没有影响.挥发性脂肪酸(VFAs)的富集及反应器酸化是影响产气缓滞的直接因素,VFAs中乙酸的大量累积使得反应器酸化严重,pH降至6.4,产生了10~15 d的产气迟滞,之后随着VFAs的降解和碱度的缓冲,产气恢复正常.完全混合式反应器在各个阶段出现的不同污泥颗粒体现了反应进行的不同阶段和反应的酸化情况.     

混合污泥中温两相厌氧消化中试的启动试验

在小试基础上,以北方城市污水处理厂混合污泥为处理对象,研究了中试规模中温(35℃)两相厌氧消化工艺的启动性能及运行效果.结果表明,在启动过程中,初沉污泥与剩余污泥按1:1 比例混合有助于提高处理效率;当水力停留时间(HRT)为10d,VS 容积负荷为2.15kg/(m3⋅d)时,系统VS 去除率达36%左右,相应产甲烷相的比产甲烷活性(SMA)约为0.31L/(g⋅d);系统运行约60d,产酸相VFA 浓度稳定在1600~2000mg/L.经产甲烷相消化后,VFA 浓度稳定在300~500mg/L;产甲烷相pH 值保持在6.8~7.2,有利于产甲烷菌生长.     

温度对FBAR反应器的运行特性及古菌微生物群落影响

为探讨固定床厌氧反应器（FBAR）在不同温度下的运行特性及微生物群落变化,比较了高温（50℃）、中温（35℃）、低温（4℃）3个温度阶段反应器产甲烷特性及古菌群落变化.结果表明;绝对产气量由大至小依次为高（50℃）、中（35℃）、低温（4℃）,单位负荷产气量依次为中温（2.84L/OLR）,低温（2.5L/OLR）,高温（1.8L/OLR）;甲烷含量依次为低温（74.5%）、中温（63.5%）,高温（57.3%）,不同温度阶段对挥发性有机酸含量变化有一定的影响.克隆文库分析表明：不同温度条件下固定床厌氧反应器内部微生物群落的丰富性存在很大的差异.定量PCR分析表明：甲烷鬃毛菌是中温和高温反应器内的优势菌,低温4℃炭纤维载体和污泥中的优势菌都是甲烷微菌.从能耗、经济效益角度分析低温条件更适合沼气发酵,而主要是以嗜氢产甲烷菌代谢途径为主.     

固定化甲烷八叠球菌(Methanosarcina)研究——厌氧颗粒污泥的形成

用实验室规模的UASB反应器处理豆制品废水培养厌氧颗粒污泥。通过对颗粒污泥形成过程中的产气率、进出水COD、水滞留期（HRT）、进出水挥发酸（乙酸、丙酸和丁酸）浓度、所产气体的甲烷含量等的变化分析和对颗粒污泥中优势产甲烷菌的扫描（SEM）和透射（TEM）电镜观察,阐明颗粒污泥的形成过程及特性。实验结果表明,消化器运转50d左右形成了颗粒污泥,厌氧颗粒污泥形成期间的平均产气率为5.3L/L·d,最高产气率达到了8.1L/L·d,进水和出水COD分别为3000～5500mg/L和800～3000mg/L,平均HRT为10.4h,平均出水乙酸、丙酸和丁酸浓度分别为264.1、519.8和104.6mg/L,所产气体的平均甲烷含量为60.6％,颗粒污泥为黑色,直径0.5～3.0mm不等,沉降速率为119.6m/h,其中的优势产甲烷菌为鬃毛甲烷菌（Methanosaeta）,而甲烷八叠球菌（Methanosarcina）存在甚少。     

UASB反应器中产甲烷菌对温度胁迫的响应

采用间歇培养方式探讨了升流式厌氧污泥床(UASB)反应器中不同营养类型产甲烷菌对温度胁迫的响应规律.研究结果表明,产甲烷螺旋菌(Methanospirillum)是该反应器的主要氢营养型产甲烷菌,而主要乙酸营养型产甲烷菌为产甲烷丝状菌(Methanosaeta).在35℃条件下,氢营养型和乙酸营养型产甲烷菌的累计甲烷产量分别为24.7,11.7mL,而最大产甲烷速率分别为0.74,0.18mL/h.当温度从35℃分别降低至30,25,20,15℃时,导致氢营养型产甲烷菌的累计产甲烷量分别减少了14.2%,34.0%,47.0%,57.5%,而乙酸营养型产甲烷菌的累计产甲烷量分别减少了5.1%,23.9%,45.3%,95.7%.由此可见,在20~30℃时氢营养型产甲烷菌对温度胁迫更加敏感,而在15℃以下时乙酸营养营养型产甲烷菌对温度胁迫更加敏感.     

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.     

水力停留时间对复合式厌氧折流板反应器乙醇型发酵制氢系统的影响

水力停留时间(HRT)是厌氧生物制氢工艺的重要工程参数.以红糖废水为底物,研究了HRT对复合式厌氧折流板反应器(HABR)作为乙醇型发酵制氢系统产氢效能的影响.结果表明,在设定的8~36 h范围内的5个HRT中,当HRT为12 h时,HABR制氢系统的效果最佳,产氢速率为13.86 mmol·(h·L)-1,COD去除率为51.51%,五格室的pH值在4.22~4.47之间,液相主要产物为乙醇和乙酸,第1~5格室乙醇和乙酸的比值分别为1.90、1.94、1.80、1.77、1.91,最佳能量生产为11.11 kJ·(h·L)-1.     

qPCR揭示丙酸降解菌群随OLR提高的演替规律

为探讨有机负荷率（OLR）对升流式厌氧污泥床（UASB）反应器运行效能的影响及互营丙酸降解菌群的响应,以稀释的制糖废水为底物,考察了OLR升高对UASB处理效能的影响,并采用实时荧光定量PCR技术（qPCR）分析了互营丙酸降解菌群随OLR提高的演替规律.结果表明,在OLR为6.0~54.0kgCOD/（m³·d）的范围内,UASB处理制糖废水取得了良好的效果,其COD去除率为92.0%以上.qPCR检测结果表明,至少有3种已鉴定的丙酸氧化菌（Pelotomaculum schinkii,P.propionicum和Syntrophobacter sulfatireducens）存在于UASB反应器中.其中,S.sulfatireducens是主要的丙酸氧化菌,其数量为126~1.2×10³ 16S rRNA基因拷贝数/ng DNA,约占检测到丙酸氧化菌总数的47.9%~58.6%.OLR从6.0提高至54.0kgCOD/（m³·d）导致所有丙酸氧化菌数量显著减少.Methanospirillum hungatei和Methanosaeta concilii是该UASB系统中的主要氢营养型产甲烷菌和乙酸营养型产甲烷菌.与丙酸氧化菌的变化趋势相反,这两种产甲烷菌的数量均随OLR的提高而显著增加,并在OLR54.0kgCOD/（m³·d）条件下达到最大值.     

AnMBR用于餐厨垃圾和剩余污泥共发酵的性能研究

通过连续实验和活性实验,系统地研究了厌氧膜生物反应器（AnMBR）在不同有机负荷（OLR）条件下处理餐厨垃圾和剩余污泥的效率、稳定性及动力学特征.结果表明,AnMBR在各工况下（OLR：3.22~12.92gCOD/（L·d））能够稳定运行.其中在OLR为6.48gCOD/（L·d）时运行性能最优,其甲烷产量为（4335±2）mL/d,甲烷产率为（361.2±0.2）mLCH₄/gCOD_removal,COD的去除率维持在（98.6±0.9）%,pH值稳定在7.71±0.03.当OLR超过12.92gCOD/（L·d）,反应器内挥发性脂肪酸（VFA）达到了6108mgCOD/L.膜污染以滤饼层污染为主;利用高通量测序（HTS）探究了系统中微生物的演变情况,Levilinea菌是优势细菌属,在OLR为6.48gCOD/（L·d）时其相对丰度最高（20.1%）,Methanosarcina菌是优势古菌属,随着OLR增加相对丰度均维持在67%以上;比产甲烷活性实验表明随着OLR的增加,产甲烷菌对乙酸的降解能力不断提高.研究结果将为AnMBR处理餐厨垃圾和剩余污泥共发酵系统的最优工况选择提供参考依据.     

电辅助对厌氧折流板反应器处理高浓度有机废水的影响

为探究电辅助对ABR(厌氧折流板反应器)处理高浓度有机废水效能的影响,在温度为(35±1)℃、HRT(水力停留时间)为24 h、进水ρ(COD_Cr)维持在5 000 mg/L的情况下,研究电辅助位置对COD_Cr去除率、各格室VFA(挥发性脂肪酸)质量浓度和组成以及微生物群落的影响. 结果表明:①电辅助作用于反应器第1格室时,COD_Cr去除率达最大值(83.19%),较对照组提高约15.23%;1#-1格室ρ(乙酸)提高约23.26%,而ρ(丙酸)下降78.09%,说明电辅助能有效提高产氢产乙酸菌丙酸转化乙酸能力,有利于反应器性能提高. ②当电辅助添加在第2格室时,2#-2格室ρ(乙酸)略有下降,而ρ(丙酸)提高近4.2倍,电辅助对水解发酵菌促进效果明显,作用格室表现为乙酸-丙酸发酵类型. ③电辅助ABR各格室微生物群落结构的相似度均在70.0%以下,表明电辅助在强化不同优势菌群的同时改变了微生物种群结构.      

餐厨垃圾厌氧消化起泡现象研究

以餐厨垃圾中温厌氧消化反应器为研究对象,考察泡沫事件对反应器性能如比沼气产率(SBP)、比甲烷产率(SMP)和挥发性固体(VS)去除率等的影响;并通过分析泡沫前、后系统稳定性参数如挥发性脂肪酸(VFAs)浓度、VFA/总碱度(TA)值和氨氮(TAN)浓度等的变化情况,以及泡沫前、后(包括泡沫层与液体层)的细菌群落结构变化,解析泡沫事件产生的可能原因.结果表明,稳定期的SBP、SMP和VS去除率分别为(0.950±0.104)m~3/kg VS、(0.574±0.072)m~3CH_4/kg VS和(87.14±2.76)%,而泡沫事件显著影响了反应器效率(t检验,95%的置信区间),SBP、SMP和VS去除率分别降为(0.717±0.100)m~3/kg VS、(0.432±0.070)m~3CH_4/kg VS和(84.24±4.44)%.泡沫发生前,系统内出现了VFAs快速积累现象,且易被产甲烷菌消耗的乙酸比例下降,而对泡沫趋势具有增强作用的丙酸比例上升.并且泡沫出现后丝状菌Longilinea arvoryzae和Levilinea,以及黏细菌Cytophaga fermentans的条带强度明显增大,而丝状菌的丝状结构以及粘细菌产生的粘性物质对起泡有一定程度的贡献.综上,泡沫的产生可能是由系统内大量VFAs积累以及特定微生物大量繁殖的联合作用引起的.