厨余垃圾与污泥厌氧发酵产甲烷的协同作用

以剩余污泥和厨余垃圾混合进行共发酵,评估其厌氧发酵协同效果,基于挥发性固体悬浮物（VSS）设置剩余污泥和厨余垃圾比例为1：0,4：1,2：1,1：1,1：2,1：4,0：1的生化甲烷潜势（BMP）实验,通过厌氧发酵前后pH值、COD、总氮、氨氮、硝酸盐氮等参数的变化,甲烷产量,碳的迁移、转化和微生物群落结构变化评价协同产甲烷效果.结果表明,剩余污泥厌氧发酵过程中,厨余垃圾的加入能显著提升微生物的污泥降解能力,增大甲烷产量,配比为1：4时产甲烷量最大,为274.37mL/g-VSS,协同增长率达27.41%.厨余垃圾的加入,增加了产甲烷延滞期,能够促进碳元素由固相-液相-气相的转移,有利于产甲烷菌（Methansaeta）及其辅助菌种（Longilinea等）的生长繁殖.     

不同有机负荷下餐厨垃圾两相连续式厌氧发酵特征研究

在中试规模条件下,以餐厨垃圾为发酵底物,研究有机负荷对两相连续式厌氧发酵的影响。为实现餐厨垃圾资源化利用提供依据。结果表明:有机负荷(COD)在4.33,5.45,7.33,7.40,10.85,11.40 kg/(m3·d)时,发酵实验均顺利进行,COD平均去除率达到85%,平均沼气产率为463 mL/g,没有出现氨氮抑制现象。随有机负荷的增加,两个反应器中COD和VFA均呈上升趋势,氨氮和硫化物也在波动中呈上升趋势,且产酸发酵液COD和VFA含量均高于产甲烷发酵液,产酸发酵液氨氮和硫化物含量均低于产甲烷发酵液。     

己酸菌富集及其利用餐厨垃圾产己酸的研究

采用批式发酵的方式,考察3种不同电子供体(乙醇、乳酸、乙醇和乳酸)对己酸菌的富集情况,进而选取产己酸最优的混合菌,探究在不外加电子供体情况下,餐厨垃圾厌氧发酵产己酸的性能.结果表明:当以乙醇和乳酸共同作为电子供体时,己酸浓度可达(2303.06±499.56) mgCOD/L,产己酸效果最佳,并显著富集到了3种碳链延长菌:Clostridium_sensu_stricto_12(16.04%±0.16%),Caproiciproducens(28.78%±0.15%),Oscillibacter(2.32%±0.03%);将产己酸最优的混合菌接种于餐厨垃圾进行厌氧发酵,己酸浓度最高可达(8657.36±996.21) mg COD/L,己酸产率为(230.05±26.47) mg COD/gVS,己酸选择度为27.74%±3.19%.以上结果验证了以乙醇和乳酸共同作为电子供体时对己酸菌具有明显的富集作用,富集到的混合菌可有效用于餐厨垃圾的产己酸发酵,为餐厨垃圾的资源化利用提供了理论支撑.     

电化学预处理对餐厨垃圾-污泥耦合厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响

利用餐厨垃圾-污泥耦合厌氧发酵产挥发性脂肪酸（volatile fatty acids,VFAs）具有广泛的经济和应用价值。本实验考察了在1 V电化学预处理条件下,研究餐厨垃圾占比（空白对照,0%,5%,10%,质量分数）对厌氧发酵生成VFAs产量的影响,从而得出产VFAs的最优条件。研究表明:经过60 min 1 V电化学预处理后,随着餐厨垃圾占比从0%增加到10%,水体中溶解性COD浓度随时间变化迅速增加,最高可达到969~1266 mg/L,随着厌氧发酵的进行转化成VFAs。其中,当餐厨垃圾占比为10%时,VFAs在15 d内最高浓度可达到132.2 mg/L。实验结果表明,电化学预处理可改善餐厨垃圾-污泥特性,加快厌氧发酵过程,同时餐厨垃圾可增加污泥中有机质含量,增加VFAs产量,实现餐厨垃圾-污泥产VFAs的资源化利用途径。     

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.     

餐厨垃圾厌氧消化过程氨氮抑制及缓解办法综述

"湿热预处理+厌氧消化"是我国餐厨垃圾处理的主流工艺路线。经湿热预处理后,固形物的C/N下降,导致厌氧消化反应器出现氨氮抑制而不能稳定运行,严重时甚至出现运行失败。因此,寻找并提出有效缓解氨氮抑制的方法和途径,对于餐厨垃圾厌氧消化的正常稳定运行具有重要意义。通过文献调研阐明了餐厨垃圾厌氧消化出现氨氮抑制的微生物机理,总结了缓解氨氮抑制的相关方法,包括提高物料C/N、运行参数优化、氨氮去除和微生物驯化,提出了未来缓解氨氮抑制的研究方向,为餐厨垃圾处理的实际工艺改进提供科学思路。     

中温条件下污泥接种量对污泥-餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷的影响

污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产甲烷可有效发挥产氢余物的资源化潜力。研究了中温条件下不同污泥接种量对污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物的影响,分析其产气产甲烷能力及反应前后体系糖类、蛋白质、挥发性脂肪酸（TVFA）、pH及氨氮（NH₃-N）的变化情况,以寻求最佳接种量与相应体系指标变化规律。结果表明:中温条件下,过低或过高的接种量下产氢余物产甲烷效果均不佳。30%接种量的体系产甲烷能力最优,甲烷百分比增速最快,并有最大累积产甲烷量171.1 mL/gDS;有机物均得到了明显的消耗,总糖降解了39.01%,总蛋白质降解了28.09%,其中糖类物质降解以可溶糖为主,不溶蛋白质与可溶蛋白质的降解量相当,反应后体系pH升高。     

某典型餐厨垃圾综合处理项目实例

我国餐厨垃圾产量已占城市固体废物的50%以上,推进餐厨垃圾资源化利用和无害化处理是目前亟待解决的问题。某市餐厨垃圾综合处理试项目,由预处理系统、厌氧发酵系统、沼气净化储存系统、沼渣沼液处理系统及除臭系统5部分组成,占地面积19000 m2,总投资9978万元,处理规模200 t/d,平均沼气产量7740 m3/d,其中,甲烷含量在60%以上。该餐厨垃圾项目较好地实现了垃圾减量化、资源化,可为其他城市餐厨垃圾处置提供参考。     

餐厨垃圾厌氧发酵启动特性与产甲烷效率

通过开展批次餐厨垃圾中温厌氧发酵实验,考察VS接种比、TOC/TN对餐厨垃圾干式厌氧发酵启动和产气效率的影响。结果表明:VS接种比是干式厌氧发酵处理的重要参数。当VS接种比<1.5,厌氧发酵系统处于酸化状态时,不产生甲烷。随着VS接种比的提高,TOC/TN的增加,餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷效率、TS削减量、TOC削减量显著提高,厌氧发酵周期缩短,但VS的削减量受VS接种比、TOC/TN的影响较小。整个实验过程中,在VS接种比为2.5,TOC/TN为30条件下,餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷效率达到360.62 mL/g(TS)、194.96 mL/g(VS)、99.15 mL/g(TOC),TS削减量、VS削减量、TOC削减量分别达到48.33%、87.47%、59.25%。     

超声波预处理对餐厨垃圾产VFAs的影响

采用超声波预处理餐厨垃圾以提高产挥发性脂肪酸(VFAs)产率.结果表明,在超声强度720W/L下处理15min后,餐厨垃圾SCOD含量比原样中SCOD提高了1倍,其中有机质中碳水化合物溶出量最大,由原样中8.2g/L提高到处理后的43.5g/L;在pH=6、温度35℃条件下,对含固率约为12%的餐厨垃圾进行厌氧发酵,未预处理和超声处理后的餐厨垃圾产生的VFAs最大值分别达到33.4,42.5g/L,经超声预处理的餐厨垃圾产VFAs的量提高了27.2%.     

微生物群落对氨胁迫响应的宏基因组学研究

为探析厌氧消化微生物群落对氨胁迫的响应,在串联批次实验中引入氨氮（TAN）胁迫,结合宏基因组学分析,研究了不同TAN浓度下,厌氧消化系统的过程参数、群落结构/组成及其功能基因/代谢途径的响应.结果显示,TAN为3000mg/L时,系统性能逐步优化;TAN为6000mg/L时,甲烷产率逐步下降,并伴随着丙酸、丁酸积累.从群落组成上看,两个氨氮梯度下,抗性和冗余性保障了水解酸化菌代谢底物的能力.产氢产乙酸和产甲烷方面,低氨氮组两类功能菌群丰度持续增加,但高氨氮组增加幅度低甚至出现丰度下降,指示该环节可能受到了氨胁迫.进一步分析两阶段的功能基因变化,发现产甲烷和互营乙酸氧化途径在氨胁迫下表现出抗性和冗余性,但高浓度TAN （6000mg/L）抑制了丁酸和丙酸代谢途径中关键基因ACADS和PCCA的表达.可见,氨抑制失稳的关键环节是产氢产乙酸阶段.     

氨氮对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响

为探析氨氮（TAN）对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落的影响,在串联批次实验中引入氨氮胁迫,结合Miseq高通量测序分析,研究了不同TAN浓度下厌氧消化系统的过程参数响应以及微生物群落动态.结果显示,随TAN增加,甲烷回收率从（96.53±2.66）%下降至（63.13±0.73）%,消化时间从435h延长至915h,连续驯化下,TAN为3000mg/L的实验组产气性能完全恢复,而高氨氮实验组（TAN³6000mg/L）仍处于抑制状态.相较于乙酸代谢而言,长链挥发性脂肪酸（LCVFAs）代谢对TAN的耐受度更高（6000mg/L）,但一旦被抑制,其功能难以通过驯化恢复.从微生物层面上看,高丰度且功能冗余的水解酸化细菌保证了各TAN梯度下的水解酸化作用;氨氮敏感的Methanosaeta和Methanospirillum也能通过驯化被耐氨的Methanosarcina和Methanoculleus取代,从而维持系统产甲烷功能;相比之下,产氢产乙酸菌功能高度专一,仅C₄~C₁₈降解菌Syntrophomonas和丙酸降解菌Pelotomaculum被检测到,在连续的高氨氮暴露下,前者的丰度虽有一定程度的恢复,但后者未能被驯化,最终系统出现以丙酸为主的LCVFAs积累,产气性能恶化.可见, LCVFAs的互营降解才是氨抑制失稳的关键环节.     

热水解时间对污泥厌氧消化系统微生物群落结构影响分析

为评估热水解时间对北京市大兴区某污水处理厂污泥厌氧消化系统微生物群落结构的影响,利用Illumina MiSeq高通量测序方法,分析了不同热水解时间（15、30和45 min）对初沉污泥和剩余活性污泥厌氧消化系统中微生物群落结构及其多样性的影响因素.结果表明,消化污泥优势类群主要分布在厚壁菌门（Firmicutes）、阴沟单胞菌门（Cloacimonadota）、绿弯菌门（Chloroflexi）和同力菌门（Synergistota）,相对丰度之和超过60%,相对丰度最高菌属为W5,占比为20.8%~54.5%,表现为少数优势物种的高丰度特征.热水解污泥厌氧消化过程中,高挥发性脂肪酸和氨氮浓度导致嗜乙酸产甲烷菌相对丰度减少,嗜氢产甲烷途径多于嗜乙酸产甲烷途径.环境因子关联分析结果显示,消化进泥可溶蛋白质、消化进泥pH值、消化出泥氨氮和热水解时间是影响微生物群落结构的4个主要环境因子,其中消化出泥氨氮对产甲烷菌属的影响最大,呈负相关关系.热水解时间与Chao指数和Shannon指数均呈负相关,较长热水解时间不利于提高厌氧消化过程微生物菌群丰富度和多样性.     

乙酸驯化对厌氧污泥微生物群落结构及发酵特性的影响

采用乙酸对厌氧污泥进行逐步驯化,以富集乙酸营养型产甲烷菌群,解决厌氧发酵过程中的酸抑制问题.对驯化前后污泥中的微生物群落结构及其在高酸浓度和低p H值条件下的发酵特性进行了研究.结果表明:驯化后污泥中乙酸营养型产甲烷菌中的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)得到了明显富集,其相对丰度由原始的4.2%提高到58.1%,成为耐酸污泥中的主导优势古菌群;氢营养型产甲烷菌属的丰度则都有不同程度的下降.污泥中产甲烷菌群由氢营养型为主导转为乙酸营养型和氢营养型共同主导.驯化前后污泥中细菌的优势菌门均为主要降解纤维素和半纤维素的厚壁菌门(Firmicutes)和降解蛋白质的拟杆菌门(Bacteroidetes),其中驯化后Firmicutes的丰度由48.8%提高到61.7%,而Bacteroidetes的丰度则由30.1%降低至16.9%.驯化后的污泥对高VFA浓度和低pH值的耐受性均有较大程度的提高,其在VFA浓度为7500 mg·L~(-1)及pH 6.0条件下仍可以快速产气.     

厨余垃圾厌氧发酵失稳调控及微生物群落分析

针对厨余垃圾厌氧发酵过程中容易积累丙酸和丁酸导致反应体系酸化失稳的问题,驯化了富集耐丙酸和耐丁酸厌氧发酵菌群的接种菌泥,探究利用其对厨余垃圾干式厌氧发酵酸化失稳体系进行调控后对甲烷产量和微生物群落的影响.酸化失稳厌氧体系中添加耐丙酸菌泥调控后,与空白对照组相比反应体系中丙酸浓度削减6900.81mg/L,累积甲烷产量提升了259%;添加耐丁酸菌泥调控后,反应体系中丁酸浓度削减5371.56mg/L,累积甲烷产量提高了210%.微生物多样性分析表明,利用耐丙酸和耐丁酸菌群调控后,细菌种群丰富度明显提高.细菌属水平分析表明,投加耐丙酸驯化菌群后有利于Sporanaerobacter和Proteiniphilum等挥发性脂肪酸降解菌相对丰度增加;投加耐丁酸驯化菌群后,与乙酸型产甲烷菌有协同作用的Sporanaerobacter相对丰度有所增长.古菌属水平分析表明耐丙酸和丁酸菌调控后,氢型产甲烷菌Methanobacterium和乙酸型产甲烷菌Methanosaeta的相对丰度明显提高.     

PCR-DGGE研究青海农村户用沼气池微生物群落结构

采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析技术,对青海农村户用沼气池内细菌及古菌群落结构进行分析.结果表明,沼气池含有丰富的细菌及古菌类群,且泥样间的细菌和古菌的群落结构存在差异.4个户用沼气池发酵系统中,细菌分属于5个门,优势类群为拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria).在属分类水平上,属于24个类群,最优势类群为理研菌科佩特里单胞菌属(Petrimonas)、假单胞菌属(Pseudomona)、泰氏菌属(Tissierella)和梭菌属(Clostridium).同时,沼气池发酵系统中古菌主要包括热丝菌属(Thermofilum)、甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)、甲烷囊菌属(Methanoculleus)、产甲烷菌属(Methanogenium),其中,Methanobrevibacter和Methanogenium是沼气池内最优势的产甲烷菌.说明沼气池的产甲烷途径主要是氢营养代谢类型,水解、酸化过程主要由来自动物消化系统内的细菌完成.     

厌氧消化过程稳定性与微生物群落的相关性

为探析厌氧消化过程稳定性与微生物群落的相关性,在餐厨垃圾厌氧消化反应器中引入负荷扰动以诱导不同的运行状态,理化分析和高通量测序相结合用于研究各个状态下的状态参数响应及微生物群落动态.结果表明,均衡的群落结构保证了反应器的稳定运行,稳定状态下反应器的甲烷产率和挥发性固体（VS）去除率分别高达（0.50±0.01）LCH₄/gVS和（89.58±0.08）%.高负荷下产酸细菌（柔膜菌门、放线菌门）大量增殖,诱导互养脂肪酸降解菌（梭菌纲）的相对丰度剧增,然而与之互营的氢型产甲烷菌的丰度和活性却下降了.产甲烷菌与互养脂肪酸降解菌的失衡导致它们不能有效的互养合作,从而引起挥发性脂肪酸（VFA）积累和过程失稳.积累的VFA和氨使比乙酸产甲烷活性（SAMA）和比产甲烷活性（SMA）分别下降60.12%和72.51%,进一步加剧了过程失稳.扰动停止后,尽管反应器恢复了原有运行条件和性能,但微生物群落达到了新的平衡.     

城市污水管网中产甲烷菌的分布特性规律

实验通过一套1 200 m的PVC管式反应器来模拟城市污水管网,利用气相色谱法、液相色谱法和454高通量测序等手段,研究了城市污水管网中产甲烷过程中的物质变化和产甲烷菌分布特性规律.结果表明,管网中甲烷含量沿程升高,说明管网中存在产甲烷菌;产甲烷菌主要包含甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、广古菌门中的菌属(Euryarchaeota_unclassified)和甲烷杆菌科中的菌属(Methanobacteriaceae_unclassified)这3种优势菌属,且在管网800~1 000 m处有广古菌门中的菌属(Euryarchaeota_unclassified)取代甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)成为第一优势菌属的演替现象;管网中产甲烷可利用基质有甲酸、甲醇、甲胺、乙酸,其中乙酸为主要基质,这些基质在管网中先增加后降低的变化趋势导致了管网中产甲烷菌演替现象的发生.     

Effect of a high strength chemical industry wastewater on microbial community dynamics and mesophilic methane generation

A high strength chemical industry wastewater was assessed for its impact on anaerobic microbial com- munity dynamics and consequently mesophilic methane generation. Cumulative methane production was 251 mL/g total chemical oxygen demand removed at standard temperature and pressure at the end of 30 days experimental period with a highest recorded methane percentage of 80.6% of total biogas volume. Volatile fatty acids （VFAs） analysis revealed that acetic acid was the major intermediate VFAs produced with propionic acid accumulating over the experimental period. Quantitative analysis of microbial communities in the test and control groups with quantitative real time polymerase chain reaction highlighted that in the test group, Eubacteria （96.3%） was dominant in comparison with methanogens （3.7%）. The latter were dominated by Methanomicrobiales and Methanobacteriales while in test groups increased over the experimental period, reaching a maximum on day 30. Denaturing gradient gel electrophoresis profile was performed, targeting the 16S rRNA gene of Eubacteria and Archaea, with the DNA samples extracted at 3 different time points from the test groups. A phylogenetic tree was constructed for the sequences using the neighborhood joining method. The analysis revealed that the presence of organisms resembling Syntrophomonadaceae could have contributed to increased production of acetic and propionic acid intermediates while decrease of organisms resembling Pelotomaculum sp. could have most likely contributed to accumulation of propionic acid. This study suggested that the degradation of organic components within the high strength industrial wastewater is closely linked with the activity of certain niche microbial communities within eubacteria and methanogens.     

湿地甲烷代谢微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌的研究进展

湿地作为一种独特的生态系统,是大气中重要温室气体甲烷（CH₄）的"源",湿地CH₄的排放是CH₄的产生、传输和氧化三个过程的最终结果,其排放量与产甲烷菌（methanogens）和甲烷氧化菌（methanotrophs）的活动密切相关。本文对湿地甲烷代谢重要微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌的分类、特点、代谢途径、分子生态学研究现状及影响湿地产甲烷菌和甲烷氧化菌的重要环境因子等方面进行了综述,旨在促进我国湿地产甲烷及甲烷氧化菌群的领域更加系统和深入的研究,为有效调控湿地CH₄代谢,减少CH₄排放通量提供参考。