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.     

有机负荷调控对餐厨垃圾高温固态发酵全过程影响

为提高餐厨垃圾沼气工程能源利用效率.本试验采用全混合式连续发酵,通过调控餐厨垃圾高温厌氧发酵过程中OLR变化,探究OLR为0.7、1.2、4.4 kg·m^-3·d^-1下产气性能、pH、SCOD和VFAs等参数变化.结果表明,反应器能在0.7 kg·m^-3·d^-1下低负荷启动,此阶段产气性能较差,VFAs浓度受正丁酸含量增长缓慢上升,但仍处于低浓度范围.OLR提升至1.2 kg·m^-3·d^-1,正丁酸分解成乙酸速率加快,乙酸浓度比0.7 kg·m^-3·d^-1阶段增长17.36%,发酵液中VFAs积累导致系统酸化抑制产甲烷菌产气性能,外加碱溶液无法调控酸碱平衡.OLR为4.4 kg·m^-3·d^-1时,VFAs浓度增长趋于平稳,调节pH至6.7以上反应器稳定运行.随着产甲烷菌活性恢复,沼气产量维持在25 L·d^-1左右,VFAs浓度快速下降并稳定在19.68~21.30 g·L^-1之间.实际沼气工程可控制OLR在0.7 kg·m^-3·d^-1下启动,待发酵系统稳定运行后增加OLR至4.4 kg·m^-3·d^-1同时调节pH到6.7以上,可以达到最佳产沼气工艺.而维持OLR在1.2 kg·m^-3·d^-1更适合获得高浓度VFAs.     

有机负荷和进料频率对高含固厨余垃圾厌氧消化系统性能的影响

以系统降解效能和产甲烷量最大化为目标,分别考察不同有机负荷（8.93、10.71、13.39 kg·m^-3·d^-1）及进料频率（1、2、3次·d^-1）下厨余垃圾中温厌氧消化系统运行过程中甲烷产量、SCOD、氨氮、pH和挥发性脂肪酸（VFAs）的变化,旨在明确系统负荷边界及进料频率对系统稳定性的影响.结果表明,系统的有机负荷存在最优值,系统累计产甲烷量随负荷的增加而升高,随后降低,有机负荷为10.71 kg·m^-3·d^-1时获得最大累计产甲烷量37.17 L,VS降解率72.58%.负荷增加系统稳定性下降甚至失稳,各物质出现积累,不利于反应的进行.增加进料频率可优化系统运行参数,显著提高系统产气和产甲烷量,进料频率较高时,运行周期内系统的甲烷产量及产率最高,分别达到45.03 L和0.738 L·g^-1,呈线性增长,增加进料频率可提高系统对氨氮的耐受能力,显著提高系统稳定性,明显改善VFA和丙酸积累问题.     

水热/臭氧预处理促进餐厨垃圾中典型废弃油脂厌氧发酵产甲烷

为了缓解餐厨垃圾中大量未降解油脂包覆微生物,对厌氧发酵产生严重抑制的问题,本文采用水热或臭氧预处理有效降解油脂,预处理进行厌氧发酵.扫描电子显微镜和傅里叶变换-红外光谱分析表明,经过水热或臭氧预处理后,厌氧发酵过程油脂降解程度提高.经过臭氧预处理的火锅废油厌氧发酵甲烷产率提升至（854.20±10.28） mL·g^-1（每克有机质干重所产生的甲烷量,以毫升计,下同）,在第20 d达到产甲烷速率峰值（122.06±3.46） mL·g^-1·d^-1,较之未处理组达到甲烷峰值速率的时间缩短4 d,甲烷产率提升17.4%.总体能量转化效率由未经预处理的64.88%提升到臭氧预处理后的76.18%,说明臭氧或水热预处理可以促进油脂的降解,并且提高产甲烷菌对底物的利用从而提高发酵产甲烷的效率,从而在一定程度上缓解目前工业生产中存在的油脂难以降解以及包裹厌氧微生物的问题.     

高含固厨余垃圾垂直流厌氧处理系统的构建与启动

我国厨余垃圾产量巨大，含固率在25%左右，不适于填埋，厨余垃圾处理亟待寻找其他出路.本研究在中温（（37±1）℃）条件下，构建了垂直流厌氧处理系统处理高含固厨余垃圾，并对其启动阶段运行效能及启动后系统微生物群落结构进行了分析.稳定运行后，系统容积负荷为9.79 g·L^-1·d^-1，挥发性固体（VS）降解率为80.57%±4.10%，比产气率（SBP）和比甲烷产率（SMP）分别为（0.748±0.078）L·g^-1·d^-1和（0.405±0.052）L·g^-1·d^-1，系统缓冲能力强，具有良好的产气能力，不存在酸抑制和氨抑制的情况.对不同位置的微生物群落结构进行分析，细菌在反应器主体的优势菌为Chloroflexi菌门中的Levilinea菌属，参与碳水化合物水解酸化的细菌分布较广；古菌的优势菌属则为Methanothrix、Methanobacterium和Methanolinea，均与产甲烷有关.     

石盘丘小流域不同土地利用方式下土壤氮磷流失形态及通量

为了解三峡库区小流域不同土地利用方式下土壤氮、磷流失特征,为农业非点源污染防控提供科学依据;采用田间试验的方法,研究了三峡库区石盘丘小流域水田、旱坡地、林地、柑橘园和菜地这5种土地利用方式下地表径流不同形态氮、磷流失浓度与通量的特征.结果表明：全氮流失通量的顺序为水田[17.73 kg·（hm²·a）^-1] > 柑橘园[4.86 kg·（hm²·a）^-1] > 旱坡地[4.33 kg·（hm²·a）^-1] > 菜地[4.00 kg·（hm²·a）^-1] > 林地[2.41 kg·（hm²·a）^-1];全磷流失通量的顺序为菜地[4.97 kg·（hm²·a）^-1] > 柑橘园[1.87 kg·（hm²·a）^-1] > 水田[0.93 kg·（hm²·a）^-1] > 林地[0.27 kg·（hm²·a）^-1] > 旱坡地[0.19 kg·（hm²·a）^-1];5种土地利用方式下氮、磷流失主要集中在降雨频繁的4~5月,占全年氮、磷流失总负荷的53.80%~96.52%和56.03%~87.78%;氮流失主要以硝态氮（16.16%~52.70%）的形态流失,全氮流失通量与径流量呈现出显著正相关关系（R²=0.9826）;在菜地中颗粒磷是磷流失的主要形态（83.30%）,但在其他土地利用方式中表现不显著.不同土地利用方式下不同形态氮、磷流失存在显著差异,其中菜地应针对强降雨情况下颗粒磷流失的问题采取措施,水田应避免在降雨集中时期施肥;科学施肥和合理地土地利用方式配置是治理小流域农业非点源污染的重要途径.     

移动床生物膜反应器净化模拟水产养殖废水的研究

采用移动床生物膜反应器（MBBR）净化模拟水产养殖废水.结果表明,MBBR净化模拟水产养殖废水效果良好.在水力停留时间（HRT）为8 h,DO为2.0~3.0 mg·L^-1的条件下,反应器启动迅速、运行稳定,能使COD和氨氮去除率均达到80%以上,TP去除率达到50%左右;有机负荷为（0.76±0.03）kg·m^-3·d^-1时,TN及氨氮去除效果最好,去除率分别达到71.73%及98.42%.为达到良好的TN去除效果,有机负荷不宜低于0.5 kg·m^-3·d^-1;DO为（3.00±0.25）mg·L^-1时,TN去除效果最好,最有利于同步硝化反硝化;为保持较高的氨氮去除效率,并减少亚硝态氮积累,DO浓度不应低于2.0 mg·L^-1;HRT过短会使氨氮去除效率降低,且可能出现亚硝态氮积累;采用序批式进水运行方式,对TP的去除效果优于连续进水方式,但运行周期后半段会出现亚硝态氮积累,对鱼类产生危害.     

污泥龄及pH值对反硝化除磷工艺效能的影响

以SBR成功富集后的反硝化聚磷菌（DPBs）为研究对象,分别考察了污泥龄（SRT,35、25、15 d）及pH值（7.5、8.0、8.5）对反硝化除磷过程的影响.结果表明,SRT从35d缩短至25d,使活性污泥浓度（MLVSS）从2821 mg·L^-1降低为2301 mg·L^-1,而污泥负荷（F/M,以COD/MLVSS计）从0.256kg·（kg·d）^-1增加至0.312 kg·（kg·d）^-1,虽然净释磷量及净吸磷量有所下降,但是由于污泥活性的增加,此阶段厌氧释磷、缺氧吸磷及比反硝化速率均达到最高,分别为25.07、15.92及9.45 mg·（g·h）^-1,污泥含磷率从4.78%升为5.33%,出水PO₄^3--P浓度保持在0.5 mg·L^-1以下,即PO₄^3--P去除率稳定在95%以上;当SRT进一步缩短为15d时,MLVSS低至1448 mg·L^-1,污泥中DPBs占聚磷菌（PAOs）的比例从82.4%骤降为65.7%,表明过短的SRT使得DPBs逐渐从系统中流失,此阶段污泥含磷率降至3.43%,释磷、吸磷及比反硝化速率亦出现不同程度的降低.随着pH值的升高（7.5~8.0）,厌氧释磷及缺氧吸磷速率也升高,pH值为8.0时分别达到25.86mg·（g·h）^-1和16.62 mg·（g·h）^-1;当pH超过8.0后,除磷效率快速下降,推测为磷化学沉淀导致.     

Fe3O4对厌氧处理系统的强化作用研究

投加Fe₃O₄能够在一定程度上强化有机物的厌氧降解过程,而进水有机负荷是影响厌氧系统处理效率的重要因素.本研究通过分阶段提升进水有机负荷,对比考察了Fe₃O₄的加入对UASB厌氧反应器运行效能及污泥性质的影响.结果表明,当有机负荷低于3.2 kg·m^-3·d^-1时,两反应器内有机物厌氧水解效率并无显著性差别.而当有机负荷提升至6.4、12.8、25.6 kg·m^-3·d^-1时,Fe₃O₄对有机物厌氧水解效率表现出一定的促进效果,且有机负荷越高,Fe₃O₄对厌氧水解的促进效果越显著.与此同时,Fe₃O₄对厌氧产甲烷过程也表现出明显的促进作用,在有机负荷分别为1.6、3.2、6.4、12.8、25.6 kg·m^-3·d^-1时,添加Fe₃O₄的反应器中平均甲烷产率分别为对照组的3.55、2.37、1.26、1.16和1.06倍.这一现象表明Fe₃O₄对产甲烷过程的促进效果与有机负荷密切相关,且有机负荷越低,Fe₃O₄对厌氧产甲烷效率的增强作用越明显.此外,本研究还分析了运行过程中污泥粒径和胞外聚合物的变化,发现Fe₃O₄的加入可以有效促进厌氧污泥颗粒化进程.     

亚热带河口陆基养殖塘底泥甲烷产生动力学研究

河口区陆基围垦养殖塘是重要的温室气体排放源,但其底泥甲烷产生动力学特征目前尚未厘清.本研究对我国东南沿海亚热带闽江河口、木兰溪河口和九龙江河口的6个南美白对虾（Penaeus vannamei）养殖塘底泥进行了为期60 d的室内厌氧培养,并对甲烷累积产量曲线利用一阶动力学模型及改进的岡珀茨模型进行拟合和分析.结果表明,所有河口陆基养殖塘底泥产甲烷过程是一个动态变化过程,可分为延滞、产生和稳定3个阶段.延滞期发生在培养初期1~4 d,产生期主要集中在4~25 d,在培养25 d后,所有养殖塘底泥的甲烷累积产量曲线趋于平衡.盐度和孔隙水DOC浓度均能够影响养殖塘底泥甲烷产生动力学拟合参数.随着养殖塘底泥盐度的增加,甲烷最大产生潜力由5961 ng·g^-1减少至559 ng·g^-1,甲烷最大产生速率由674 ng·g^-1·d^-1减少至84 ng·g^-1·d^-1.研究表明,一阶动力学模型更适合低盐养殖塘底泥甲烷产生动力学过程的拟合,而改进的岡珀茨模型更适合高盐养殖塘底泥甲烷产生动力学过程的拟合.选择近海养殖塘进行南美白对虾养殖及在甲烷产生期来临之前清除底泥可极大程度地减少养殖塘底泥温室气体CH₄的产生潜力.     

长江口沉积物甲烷产生潜力与产甲烷菌群落特征

采用室内培养与高通量测序技术,研究了长江口沉积物产甲烷潜力及其产甲烷菌群落组成特征.结果表明,研究区沉积物甲烷排放速率为4.15～7.12 nmol·g~(-1)·d~(-1),且表现出厌氧区高、丰氧区低的特点.甲烷产生潜力为丰氧区大于厌氧区,说明甲烷在水体中氧化是减少甲烷排放的重要环境过程.研究区沉积物中产甲烷菌群落组成具有明显的差异.厌氧区沉积物产甲烷菌的优势群落为Methanococcoides(拟甲烷球菌属)、Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)和Methanosaeta(甲烷鬃菌属),丰氧区沉积物为Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)、Methanosaeta(甲烷鬃菌属)和Methanocella(甲烷胞菌属),因而缺氧过程会对产甲烷菌群落产生重要的影响.通过估算发现,研究区甲烷的排放量为2487～6819 t·a~(-1),表明长江口是甲烷排放的净产生源.因此,由缺氧过程导致的河口环境因子变化会影响甲烷的代谢循环过程及其微生物群落组成,进而对河口生态系统甲烷排放产生重要的影响.     

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.     

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.     

ABR耦合CSTR一体化工艺好氧颗粒污泥形成机制及其除污效能研究

本研究通过对厌氧折流板反应器(ABR)改进,使其成为厌氧与好氧组合一体化工艺,实现耦合运行.对连续流条件下其好氧颗粒污泥形成机制进行了研究.将ABR末端隔室分别改为曝气池与沉淀池,并分别在厌氧区和好氧区接种厌氧颗粒污泥和普通活性污泥,保持好氧区C/N为2,COD容积负荷逐渐由1.5 kg·(m3·d)-1提高至2.0 kg·(m3·d)-1,沉淀池HRT逐步由2.0 h缩短至0.75 h.研究表明,经110 d的运行,在好氧区中成功培养结构致密、沉降性能良好(平均沉降速率为20.8m·h-1)的淡黄色颗粒污泥.在好氧区沉淀时间为0.75 h、COD容积负荷为2.0 kg·(m3·d)-1的条件下,系统稳定运行时具有较好的脱氮除磷效果,COD、NH+4-N、TP和TN的去除率分别为90%、80%、65%和45%.研究表明,因沉淀时间缩短而不断提高的选择压、维持较高的有机负荷是好氧颗粒污泥形成的主要驱动力.     

制革废水的厌氧氨氧化ABR脱氮工艺研究

采用小试规模的厌氧折流板反应器(ABR)研究制革废水的厌氧氨氧化脱氮.结果表明,ABR可作为实现厌氧氨氧化的良好反应器,厌氧氨氧化ABR反应器能有效和稳定地处理制革废水.当进水NH+4-N为25.0~76.2 mg·L-1、COD为131~237 mg·L-1,NH+4-N容积负荷为0.05~0.15 kg·(m3·d)-1时,出水NH+4-N为0.20~7.12 mg·L-1、COD为35.1~69.2mg·L-1,去除率分别达到90.8%~99.6%和66.9%~74.7%.此外,厌氧氨氧化ABR反应器污泥在驯化和运行过程中形成了棕红色、棕黄色和红色的颗粒污泥.电镜扫描观察证实在厌氧氨氧化ABR反应器的4个隔室的颗粒污泥中均存在厌氧氨氧化菌.荧光原位杂交(FISH)检测结果显示厌氧氨氧化菌在驯化和运行过程中出现不同程度的增殖,厌氧氨氧化ABR反应器4个隔室的污泥中厌氧氨氧化菌所占比率分别由4%增加到9%、8%、12%和30%,呈现出前段隔室少、后段隔室多的分布规律.     

F/M及HRT对果蔬垃圾厌氧发酵产氢的影响

通过中温半连续厌氧消化实验,考察了果蔬垃圾在不同食微比(0.5、0.75、1.0和1.5)及不同水力停留时间(2、3和4d)下的产氢性能.结果表明,当食微比较低(0.5和0.75)时,各水力停留时间下均不适宜连续产氢,且在水力停留时间为3 d和4 d时容易产生大量甲烷;当食微比较高(1.0和1.5)时,可以实现稳定连续产氢,发酵过程中几乎无甲烷产生.当食微比及水力停留时间分别为1.0及3 d时可获得最佳连续产氢效率,其最高容积产氢量和平均容积产氢量分别为451m L·(L·d)~(-1)和(186±29)m L·(L·d)~(-1),最高挥发性固体产氢率和平均挥发性固体产氢率(以VS计)分别为133 m L·g~(-1)和(27±5)m L·g~(-1),氢气含量可达20%~30%.