亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物特性研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)是新近发现的生物反应,是偶联碳氮循环的关键环节,是环境领域和微生物领域的重大发现.N-DAMO的发现对于完善碳氮生物地球化学循环、丰富微生物学内容和研发新型生物脱氮除碳工艺均具有巨大的推动作用.催化N-DAMO反应的微生物为Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera),其隶属于一新发现的细菌门——NC10门.近年来,M.oxyfera的生物学研究取得了许多突破性进展,如初步探明了其个体形态特征、细胞化学组分特征、富集培养特征、生理生化特征及生态学特征,最突出的例子包括发现了M.oxyfera独特的细胞(星状)形态及特殊的脂肪酸(10Me C16∶1Δ7)组分等.最近,N-DAMO的机制研究方面也有了突破性进展:发现了地球上第4种生物产氧途径.目前认为,M.oxyfera具有内产氧功能,其首先将NO-2还原为NO,然后将2分子NO进行歧化反应生成N2和O2,最后利用生成的O2对甲烷进行氧化.本文系统地介绍了M.oxyfera各方面的微生物特性.     

餐厨垃圾厌氧消化运行试验研究

采用猪粪厌氧消化的消化污泥为接种物,在中温(37℃)条件下,以连续进料的方式对餐厨垃圾的湿式厌氧消化进行了启动以及运行试验,监测整个实验过程中产气量、pH、VFA、碱度等能够反映厌氧消化的系统指标。结果表明:本实验中系统最佳有机负荷为2.8 kg/(m~3·d)(以VS计),超过此负荷后,依靠系统自身恢复和人工调节,pH很难恢复正常运行状态。正常运行过程中,pH稳定在7.5~8.0,VFA稳定在2 000 mg/L左右,碱度在6 000~9 000 mg/L,氨氮在1 500~2 000 mg/L,底物含水率为96%~98%。系统超负荷运行后,产气量和pH下降,VFA浓度上升,碱度、氨氮、含水率基本保持稳定。     

含硫化合物对Methylosinus trichosporium OB3b生长和合成聚-β-羟基丁酸酯的影响

为了将人类活动排放的含有甲烷的废气用于聚-β-羟基丁酸酯(PHB)合成过程,以M.trichosporium OB3b为菌种,考察硫化氢(H2S)和甲硫醚(DMS)对甲烷氧化菌生长和PHB合成的影响。实验结果表明,H2S浓度高达2 500μmol/mol时对甲烷氧化菌生长及甲烷单加氧酶(MMO)活性基本无影响,含H2S时的PHB含量和产率比无H2S时高,甲烷氧化菌经H2S培养后PHB合成能力增强。然而,DMS浓度为200μmol/mol时即可明显抑制甲烷氧化菌的生长及MMO活性。在DMS存在条件下,PHB含量和PHB产率都明显降低,经DMS培养后甲烷氧化菌的PHB含量进一步降低。     

厌氧发酵处理庆大霉素菌渣的可行性及条件优化

采用厌氧发酵处理庆大霉素菌渣,考察了含固率、接种比、接种污泥、发酵底物等因素对庆大霉素菌渣厌氧发酵的影响,并用累积净甲烷产量衡量庆大霉素菌渣进行厌氧发酵的可行性及发酵程度。试验结果证实了庆大霉素菌渣进行厌氧发酵的可行性,其中含固率和接种比对发酵的影响较大,最佳条件为含固率5%,接种比1/3;对比试验所用3种接种污泥,发现接种某造纸厂污水处理IC反应器的厌氧颗粒污泥效果最优,在最优含固率和接种比的条件下,累积净产甲烷量为28.21 m3/t;此外,试验还证实,采用不同菌渣的联合发酵表现出了明显的协同作用,在最优条件下,庆大霉素菌渣与林可霉素菌渣按1∶2的比例联合发酵的产甲烷量可达到37.5 m3/t。     

极低风速条件下水-气界面甲烷气体传输速率分析

薄边界层理论被广为用来计算水-气界面气体通量,而气体传输速率(k600)则是其中的关键性环境因子.为了研究极低风速下小型浅水湿地水-气界面甲烷气体传输速率,以宜昌饮用水水库梅子垭水库和周邻5个富营养化池塘为研究对象,采用静态通量箱进行了为期一年的水-气界面甲烷气体通量观测,同步监测了水环境因子和气象因子.野外监测时的风速(U10)范围为0~0.75 m·s~(-1),平均值约为0.19 m·s~(-1);水温(Tw)变化范围为6.3~30.9℃,平均值约为19.3℃.结果表明,梅子垭水库和周边5个池塘水-气界面甲烷气体传输速率较小,在0.20~1.99 cm·h~(-1)之间变化,平均值约为0.50 cm·h~(-1).本研究利用表层水温和风速指标两个参数的双二次项模型和二次项加幂函数模型,回归得到了气体传输速率的数学公式,回归结果与原始数据和对k600进行深度平均(bin-averaged)后的数据均存在极显著性关系.     

船舶载运煤炭甲烷释放特性研究

为了研究船舶载运煤炭甲烷释放规律,基于Fick扩散定律建立了货舱甲烷体积分数计算模型,分析了不同扩散系数条件下甲烷释放量与时间的关系,确定了空隙系数的取值范围,通过对某船舶煤炭运输过程中甲烷体积分数随船实测对模型进行了验证.结果表明,货舱甲烷体积分数随运输时间增加而增加,扩散系数为1.0×10-8 cm2/s时,甲烷释放量达到极大值;煤炭的空隙系数基本在0.53～ 0.57 m3/t之间.当煤炭极限甲烷解吸量为1.6 ～ 3.83 m3/t时,货舱甲烷最高体积分数在0.53％ ～ 1.22％,5个货舱中4个货舱的甲烷释放量与理论计算相吻合,1个货舱的最大甲烷释放量高出理论计算量6％,船运煤炭过程中的甲烷释放计算模型与实测结果较为吻合.对于甲烷体积分数超限的货舱,及时通风可使甲烷体积分数迅速降低,有效地解决船运煤炭过程中甲烷体积分数超限的问题.     

昆明市污水排水系统产甲烷规律的模拟实验研究

通过对昆明市餐饮和居民生活污水厌氧模拟实验研究,初步探讨生活污水中CH4的产生规律,实验结果表明,在自然条件下,餐饮和居民生活污水中产生的甲烷浓度最大值分别为1.63 mg/L和3.82 mg/L。并且将COD、硫酸盐、硫化物、TN的浓度变化与甲烷浓度变化进行Pearson简单相关性分析,结果表明,1/COD、COD/硫酸盐和1/TN与甲烷在置信度为0.01时极显著相关,硫化物与甲烷在置信度为0.05时不相关;COD、硫酸盐和TN浓度的变化对生活污水中甲烷的产生起关键性作用。对居民生活污水中甲烷产生规律进行温度和pH控制分析研究,实验结果表明,生活污水在25~30℃时,24 h内甲烷产生量最大值为8.6494 mg/L,明显大于其他温度段的甲烷产生量;在pH为7~8之间时,甲烷的产生量在24 h内达到的最大值为3.0477 mg/L,明显高于其他pH控制段的甲烷产生量。     

U型工作面上隅角埋管瓦斯抽采数值模拟研究

传统的U型通风工作面上隅角瓦斯积聚现象经常出现，严重制约着矿井正常生产能力的有效发挥，对矿井安全生产造成重大威胁。基于前人对采空区非均质多孔介质气体运移理论的研究，采用Fluent软件数值模拟研究了U型和上隅角埋管条件下U型通风系统的静压力场和瓦斯浓度场。研究结果表明：在相同的模型参数条件下，U型通风容易造成上隅角瓦斯积聚，上隅角瓦斯超限问题十分严重；采空区5m处埋管，治理上隅角瓦斯积聚的效果欠佳，达不到安全开采的条件；15m处埋管可以较好的解决上隅角瓦斯超限问题，工作面没有出现瓦斯积聚现象，工作面和回风巷的瓦斯浓度始终处于1％以下；25m处埋管的效果与15m基本相同，没有表现出更好的瓦斯治理效果。综合数值模拟的结果，确定了上隅角埋管抽放采空区瓦斯的理想抽放位置为距离地板垂高1．2m、沿走向深入采空区15m处。     

垃圾填埋场甲烷氧化菌及甲烷通量的研究

采用静态箱法、滚管计数法和气相色谱法,对6个不同封场时间填埋区的甲烷通量、覆土层甲烷氧化菌数量和甲烷氧化速率的变化趋势进行了测定,并分析了它们与封场时间、植被覆盖率等因素之间的相关性。结果发现6个填埋区甲烷通量的变化范围在-0.34～5.31 mg/(m2.h)之间;覆土层甲烷氧化菌的数量范围为3.10×107～20.77×107 cfu/g干土,甲烷氧化速率在1.65×10-8～4.34×10-8mol/(h.g)之间。覆土层甲烷氧化菌的数量与甲烷氧化速率呈正相关,但前者并不是后者的决定性因素;甲烷通量高时可刺激甲烷氧化菌数量及氧化速率的提高,且三者均与封场时间呈显著负相关,与植被覆盖率呈负相关;当含水率大于15%时,随着覆土层含水率的增加,甲烷氧化速率呈下降趋势;覆土pH、有机质和铵态氮与甲烷氧化速率等无明显相关性。提高覆土层的甲烷氧化速率可有效减少垃圾填埋场的甲烷排放。     

基于连通法的甲烷简化机理构筑研究

采用连通法，针对甲烷复杂反应机理，成功地进行了不同水平的机理简化研究。通过建立组分依赖关系的正规化Jacobian矩阵，精确地查明了燃烧组分之间的耦合关系，分别构造出仅包含重要化学路径的两个动力学简化模型，获得的简化机理分别包含227和138个反应，分别涉及39和26种组分。通过对层流预混火焰结构的模拟，所得简化机理和原详细反应动力学机理关于火焰结构的计算吻合很好，计算结果显示，两个简化机理具有较高的模拟精度。