Fe和Fe2+对混合细菌产氢发酵的影响

在研究Fe粉剂量和Fe²⁺浓度对混合细菌产氢发酵的影响基础上,确定Fe和Fe²⁺促进混合细菌产氢能力的最佳阈值,并对乙醇型发酵菌群在不同Fe粉和Fe²⁺浓度下的产氢量和最大比产氢速率进行考察和对比.结果表明,Fe粉和Fe²⁺对乙醇型发酵菌群的产氢能力均有明显的促进作用.以葡萄糖为底物,投加Fe²⁺试验中,Fe²⁺浓度200mg/L获得最大产氢量143.7mL/g,较对照组提高32%;Fe²⁺浓度50mg/L获得单位VSS最大比产氢速率21.2 mL/(h·g),较对照组提高33%.投加单质Fe试验中,Fe粉剂量1000mg/L获得最大产氢量156.1mL/g,较对照组提高44%;Fe粉剂量500mg/L获得单位VSS最大比产氢速率23.5mL/(h·g),较对照组分别提高47%.单质Fe浓度高于50mg/L时,对发酵菌群产氢的促进作用要优于同浓度下的Fe²⁺.同时对混合细菌中铁的全量和形态分布进行了考察.     

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%.     

不同产酸发酵菌群产氢能力的对比与分析

重点对乙醇型发酵菌群和丙酸型发酵菌群的产气及产氢能力进行了对比研究,并对发酵菌群由丙酸型演替为乙醇型过程中的产氢速率变化进行了分析.在有机负荷相同的条件下,乙醇型发酵菌群表现出较高的产氢速率和比产氢速率,最大产氢速率为14.99L/d,最大比产氢速率为3586.45mmol/(kg·d).而丙酸型发酵菌群产氢速率和比产氢速率都较低,分别为3.62L/d,196.46mmol/(kg·d)生物制氢反应器在运行中维持乙醇型发酵更有利于获得较高的氢气产量,应尽量避免丙酸型发酵的发生.     

腐殖酸和产甲烷抑制剂对厌氧污泥发酵产氢效能的影响

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不同产甲烷抑制剂与腐殖酸联合作用对厌氧污泥发酵葡萄糖产氢效能的影响,并通过Illumina MiSeq测序揭示了微生物群落结构的变化规律.结果表明,在葡萄糖初始浓度为500 mg·L^-1条件下,经过120 h的连续培养后,对照的累计产氢量为1.2 mL,存在明显的耗氢现象.当加入0.02%氯仿（V/V）、0.04%氯仿（V/V）或2-溴乙酸磺酸钠（10 mmol·L^-1）后,耗氢现象得到有效控制,它们的累计产氢量分别为15.7、13.2和9.4 mL.当向发酵系统同时加入产甲烷抑制剂和腐殖酸后,可以显著提高厌氧污泥的产氢效能.其中,0.02%氯仿和腐殖酸联合作用的促进效果最佳,其累计产氢量和最大产氢速率（R_max）分别达到了17.4 mL和0.24 mL·L^-1.相反,当替硝唑作为产甲烷抑制剂时,仍然存在耗氢现象.Illumina MiSeq测序结果表明,发酵系统中优势菌群的相对丰度存在显著差异.在对照系统中,Ottowia、Ignavibacterium、Nitrospira、Saccharibacteria_genera_incertae_sedis和Terrimona为优势菌群,其相对丰度为2.2%~4.2%.当0.02%氯仿和腐殖酸加入发酵系统后,Ottowia和Saccharibacteria_genera_incertae_sedis的相对丰度较对照分别增加了11.9%和31.8%,而Nitrospira的含量显著减少.     

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.     

两相厌氧系统中产甲烷相有机酸转化规律

研究了两相厌氧系统产甲烷相中有机酸转化规律.以产酸相、产甲烷相COD负荷分别为41.5 kg/(m³·d)、6.05kg/(m³·d)的连续流试验装置培养种泥,运行稳定后,进行静态试验采用气相色谱仪(GC-122型)分析有机酸组成及含量结果表明,反应器相同位置的微生物降解转化有机酸速率快慢依次为:乙酸＞乙醇＞丁酸＞丙酸;利用乙醇产乙酸的微生物与产甲烷菌所需最佳pH值范围相近;乙醇型发酵是充分发挥两相厌氧系统功能的最佳发酵类型;在产甲烷反应器中,大部分挥发酸的最终降解都要经历乙酸降解途径才能完成,造成乙酸的降解转化相对缓慢,成为厌氧工艺中的限速步骤.     

玉米秸秆发酵浸出液模拟废水发酵产氢的放大实验研究

在20 L的半连续流发酵罐中,以牛粪堆肥为产氢菌源,按照玉米秸秆发酵浸出液的主要成分配制模拟废水,考察和分析了几个关键环境因素对发酵产氢的影响.结果表明,HRT、C/N、Fe²⁺浓度和模拟废水浓度对发酵产氢均有不同程度的影响.在本实验条件下,秸秆模拟废水的氢产量、氢浓度和产氢速率分别为11.80 mol/kg、56%和8.81 L/(L·d),底物转化率大于90%,废水中COD去除率为39.40%.在整个发酵产氢过程,液相主要发酵副产物为丁酸、乙酸和丙酸以及少量的乙醇和丁醇.     

C/N比对嗜酸细菌X-29产氢能力及其酶活性的影响

C/N比影响细菌的物质和能量代谢,为了提高产氢细菌的产氢效能,通过间歇产氢实验和酶活性分析方法,分析了在不同C/N比下嗜酸产氢细菌X-29的产氢能力以及氢化酶和乙醇脱氢酶的活性表达情况.研究结果表明,C/N比对产氢细菌的代谢及其相关酶的表达有显著的影响.虽然在不同C/N比下单位生物量的液相末端发酵产物差异不大,但是产氢能力存在显著的差异,当C/N比为14时产氢细菌X-29具有最大累积产氢量2 210.9mL/g.在不同C/N比下氢化酶的表达活性不同,氢化酶活性随着发酵的进行达到高峰后迅速降低,氢化酶的表达周期较短.乙醇脱氢酶活性随着代谢进程逐渐升高后而趋于平稳,不同C/N比时表达活性差异较小,表达周期较长.在C/N比为14时,氢化酶和乙醇脱氢酶的活性最高,分别为2.8μmol·(min·mg)^-1和33.2μmol·(min·mg)^-1.     

ABR发酵系统运行特性及产氢效能研究

为解决连续流搅拌槽式反应器(CSTR)发酵制氢系统存在的不足,如单位基质氢气转化率低、因搅拌带来的耗能,抗负荷冲击能力不强等问题,开展了厌氧折流板反应器(ABR)发酵产氢的研究.结果表明,在35℃和进水COD 5000mg/L等条件下,ABR系统可在26d达到乙醇型发酵,其比产氢速率为0.13L/(gMLVSS·d),而在同样条件下, CSTR达到乙醇型发酵后,比产氢速率仅为0.06L/(gMLVSS·d).ABR通过生物相的分离,使产氢系统梯级利用有机物并达到深度产氢的目的.与CSTR相比,ABR具有较高的产氢活性、较低能源消耗等优点,是一种较为理想的有机废水发酵制氢反应设备.     

pH5条件下生物制氢反应器的启动及运行特性

采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR),以糖蜜废水为底物,探讨了pH5条件下生物制氢反应器的启动和运行特性.结果表明,保持反应器内pH为5,污泥接种量为6g/L、COD启动负荷为7.0kg/(m³·d)、水力停留时间(HRT)为6h等条件,可在30d内完成产氢发酵菌群的驯化.此时系统氧化还原电位(ORP)稳定在-460mV～-480mV之间,系统呈现明显的混合酸发酵特性.其液相末端发酵产物比例分布相当,乙酸、乙醇、丁酸、丙酸和戊酸含量分别占发酵产物总含量的36%,33%,18%,13%.没有占绝对优势的发酵产物.气相中的氢气含量30%～35%,其最大产氢能力为1.3m³/(m³·d).生物制氢反应器混合酸发酵稳定运行期各种产酸发酵细菌处于均势地位,以球菌和杆菌为主.     

不同pH下糖蜜废水的厌氧产酸发酵类型及微生物群落结构解析

为寻求厌氧产酸发酵反应器的适宜控制参数和微生物学机制,以ACR(厌氧接触式发酵制氢反应器)为试验平台,通过分阶段调控反应器的pH,考察不同pH下ACR系统的产酸发酵类型和产氢性能,并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术对微生物群落结构进行了解析.以糖蜜废水为基质,以城市污水厂剩余污泥为种泥,在污泥接种量(以MLVSS计)为3.58 g/L、进水ρ(COD_Cr)为5 000 mg/L、HRT为12 h条件下,分别考察了系统在pH为6.0～6.5、5.5～6.0、5.0～5.5、4.5～5.0条件下的运行特性.结果表明,在pH为4.5～5.0时,系统中以Ethanoligenens harbinense YUAN-3为代表的产氢菌群占优,呈现典型的乙醇型发酵特征,活性污泥表现出的产氢性能最佳,其氢气转化率和污泥的比产氢速率分别为1.9 mol/mol和7.8 mmol/(g·d).在pH为5.5～6.5、5.0～5.5的条件下,Clostridium tyrobutyricum strain A1-3、Propionibacterium sp.B2M2分别成为优势菌群,系统分别呈现出丁酸型发酵、混合酸发酵类型.研究显示,随着pH的改变,系统内的产酸发酵菌群随之发生更迭,在不同pH控制水平下形成不同的顶级微生物群落结构,进而使得系统呈现出不同发酵类型和产氢性能.      

pH对热处理污泥厌氧发酵产氢的影响

采用自制连续流厌氧发酵产氧反应器,接种经过50 min热处理的污泥,以蜜糖废水为底物,探讨pH值的变化对反应器运行中产氢和产酸的影响.在进水COD浓度为5 000 mg/L、温度为37℃、HRT为6 h、负荷为67 kgCOD/(m3·d)的条件下,分别在pH为6.0、5.5、5.0、4.5时对反应器内产氧产酸等情况进...     

HRT对糖蜜废水发酵产氢的影响

采用自制的UASB反应器,以糖蜜废水为底物,接种絮状污泥进行HRT对发酵制氢的影响研究.结果表明:在温度为(37±1)℃,进水COD浓度为4 000 mg/L,出水pH为4.6～5的条件下,HRT在8～6 h范围时,反应器的产气速率和产氢速率达到最大并保持稳定,平均值分别为41 L/d和21 L/d左右,氢气含量稳定在...     

高效纤维质降解菌处理木薯酒精废液及其厌氧发酵动力学分析

为提高木薯酒精废液中固形物的降解效率,优化木薯酒精废液的厌氧发酵特性,采用高效纤维质降解菌群作为CSTR（continuous stirred tank reactor,连续搅拌反应器）接种污泥,通过逐级提高进料负荷,研究不同容积负荷下的厌氧消化性能及相应的酶活性变化,建立了厌氧发酵过程动力学模型.结果表明,在高温（55℃）条件下经长时间稳定运行,容积负荷为14 kg/（m3·d）（以COD_Cr计）时,反应器出水ρ（TCOD）（TCOD为总化学需氧量,以COD_Cr计）和ρ（SCOD）（SCOD为溶解性化学需氧量,以COD_Cr计）分别为15 367.6、10 982.8 mg/L,TCOD去除率达到70%~75%;φ（CH₄）在48%左右,沼气产率为0.22 L/g（以每g TCOD计）;此外,木聚糖酶活性、纤维素酶活性在该条件下达到最大值,分别为42.1、30.2 U.脱氢酶活性在容积负荷为12 kg/（m3·d）时达到最大值80.1 TFμg/（h·mL）.动力学模型研究表明,最大原料产气率（y_m）为0.335 L/g（以每g TCOD计）,一级反应常数（k）为0.743 d-1,产气率为0.3 L/g,通过该模型可以得到最佳HRT（hydraulic retention time,水力停留时间）为11.5 d,最佳容积负荷为4.6 kg/（m3·d）.研究显示,在高温高容积负荷条件下,CSTR能够稳定的处理木薯酒精废液,并且能够获得较高的纤维素和半纤维素酶活性.      

EGSB厌氧发酵垃圾渗滤液制氢的启动特性研究

利用厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB),对生活垃圾堆肥厂初期渗滤液的厌氧生物发酵制氢启动特性进行了研究,探讨了反应器对渗滤液中COD、总氮、总磷的去除效果和产氢能力.结果表明在中温35℃±1℃,有机负荷1.4~16.7 g/(L.d),pH为5.0~5.5的条件下,经过20 d的适应期后,EGSB反应器可以实现连续稳定产氢.在水力停留时间为30 h,液体上升流速为3.0 m/h的稳定运行阶段,最高产氢率为1 460 mL/(L.d),氢气含量为19%~33%,COD去除率为50%~70%,总磷、总氮的去除率稳定在40%~70%、32%~65%.液相末端发酵产物中乙醇和乙酸总含量占挥发性脂肪酸(VFA)总量的80%以上,发酵类型以乙醇发酵型为主.     

微生物菌剂对枸杞枝条粉发酵堆体腐熟效果的影响

为探讨外源微生物对枸杞枝条粉基质化发酵堆体腐熟进程的影响,采用随机区组设计〔T1（CK）,枸杞枝条粉150 kg;T2,枸杞枝条粉150 kg+尿素4.15 kg;T3,T2+粗纤维降解菌Ⅰ 75 g;T4,T2+粗纤维降解菌Ⅱ 75 g;T5,T2+锯末专用复合益菌75 g;T6,T2+EM菌液75 g;T7,T2+纤维素酶制剂75 g〕,以尿素为氮源,研究添加外源微生物对枸杞枝条粉基质化发酵过程中发酵指标参数的影响.结果表明:堆腐发酵至第6天时,各处理组的温度均达到最高值,其中,T3的温度达到68.2 ℃,T2~T7内部温度超过50 ℃的时间依次为6、9、9、7、8、7 d.外源微生物菌剂的施用增加了枸杞枝条粉腐熟发酵后的湿容重、干容重、总孔隙度、通气孔隙、持水孔隙.至发酵结束后,各处理组的湿容重在0.43~0.47 g/cm3之间,T6的增幅最大.堆腐发酵过程中w（NH₄+-N）变化呈先增后减的变化规律,发酵至第21天时,T4达784.81 mg/kg;w（NO₃--N）呈逐渐增加的趋势,在发酵14~49 d之间的增幅最大,其中,T3的平均日增加值最大,为16.02 mg/（kg·d）,而发酵70 d后各处理组w（NO₃--N）逐渐趋于平稳.发酵前21 d w（TOC）呈近直线下降,发酵前14 d w（TN）呈直线上升;堆腐发酵至第49天时,T2~T7的GI（germination index,发芽指数）均高于50%,其中,T7为73.92%,较T1（CK）高出26.52%;发酵至第91天时,T1~T7的GI均超过85%.研究显示,枸杞枝条发酵堆体基质化过程中添加尿素+粗纤维降解菌Ⅰ（Ⅱ）、尿素+EM菌液、尿素+锯末专用复合益菌等更有助于加快基质化进程、缩短发酵时间、提高发酵效率,可为枸杞枝条基质化工厂利用提供理论支撑.