电解电压对电化学厌氧消化的影响

该文采用批量发酵实验,以厌氧活性污泥为接种物,乙酸为碳源,研究了不同电解电压对电化学厌氧消化(EAD)产甲烷性能的影响。结果表明,在电解电压为1.0 V时,CH_4含量可达85.3%,相比对照组提高了14.4%,而CO_2含量可低至10%,相比对照组降低了7%。与对照组相比,实验组(0.2～1.6 V)的理论甲烷转化率和比产甲烷速率均有不同程度的提高,且在0.4～1.4 V电压区间的提高程度较大。通过电化学特性和微生物分析发现,当电解电压超过0.4 V时,EAD回路中才会有电流形成,这可能是EAD阳极表面电活性微生物附着生长且与电极进行电子传递的结果。此外,EAD阳极膜生物量越高,其电化学活性也越强,回路中的电流也就越大,相应的产甲烷转化率和比产甲烷速率也越高。     

微生物胞外电子传递过程强化机制及污染物高效转化

微生物水处理技术因运行成本低、处理量大、环境影响小等优点,被广泛的用于市政污水和工业废水的处理.微生物水处理的本质过程是生物催化氧化,涉及不同微生物种群间物质、能量和电子传输过程,而微生物胞外电子传递过程是影响其处理效率的关键因素之一.本研究立足于微生物氧化的原理,从介体材料强化、光电磁强化及微生物电化学强化等角度,系统论述了铁基材料、碳基材料、光、电、磁等对微生物电子传递过程的影响与机制.在此基础上,本论文总结了微生物电化学系统原理,分析了该系统中各类强化材料、强化技术对微生物胞外电子传递的影响,揭示了强化条件下污染物高效转化的作用机制,介绍了基于各种强化原理的系统构建因素及应用现状,并展望了该技术的发展趋势及存在的挑战.     

厌氧消化处理制药废水微生物类群的研究

本文厌氧消化处理制药废水,在不同消化温度条件下,进行了厌氧微生物类群和种群数量的测定.消化温度39℃,各种群菌量最多.消化温度24℃,各种群菌量最少.消化温度33℃和35℃,各种群菌量与消化温39℃度相比,菌量有所减少,但菌量差别不太明显.例如:甲烷细菌消化温度24℃比39℃菌量减少3×10~4倍,消化温度33℃和35℃与39℃比较,甲烷细菌分别减少4.1×10~2倍和3.2×10倍,温度越低甲烷细菌数量越少.     

石墨烯气凝胶强化氯霉素废水厌氧生物处理效能及机制研究

针对高浓度氯霉素（CAP）废水在实际厌氧生物处理过程中难降解、毒性大及对活性污泥产生的抑制问题,本文采用三维石墨烯气凝胶（GA）作为外源强化介质,通过批次试验探究了不同初始石墨烯气凝胶浓度、电子供体（蔗糖）浓度以及氯霉素浓度对氯霉素废水厌氧降解过程中氯霉素去除速率、有机物去除率以及甲烷产量等影响.结果表明：当初始石墨烯气凝胶浓度为0.5 g·L^-1、初始电子供体浓度为8.8 mmol·L^-1、初始氯霉素浓度为50 mg·L^-1时,强化效果最为显著,当反应进行到18 h时,强化系统中氯霉素的去除率达到94%以上,COD的去除率稳定在26.6%~35.6%之间,强化系统比只加入污泥的生物系统氯霉素去除速率增加了48%~51.6%,COD去除率增加了10%左右.石墨烯气凝胶作为电子转移中间介体和微生物富集的载体,促进微生物种间进行直接电子转移,加速氯霉素的脱氯过程和甲烷的产生,为高浓度抗生素废水的厌氧生物处理提供了新的处理思路和参考.     

改性生物炭强化土霉素菌渣厌氧消化研究

为探讨生物炭对厌氧消化的强化作用影响,该研究以土霉素菌渣为底物进行厌氧消化,采用外源添加生物炭解决传统厌氧消化效率低、稳定性弱等问题,通过系统产气量、稳定性及微生物群落变化来说明生物炭和零价铁改性生物炭的强化效果。结果表明：单独加入生物炭与纳米零价铁改性生物炭均可降低体系内的氨氮浓度,促进VFAs的转化与消耗,提高系统的稳定性;产气效率分别提高20.74%和15.49%,达到115.20 mL/g以上。此外生物炭对残留土霉素的去除也有一定的强化作用,与对照组相比其去除效率分别提高2.37%和4.82%,最终体系残留土霉素含量降到10 mg/L以下;加入生物炭零价铁后,产酸菌和产甲烷古菌在门水平丰度有不同程度的增加,从而加强厌氧消化产甲烷的过程。     

生物-非生物添加剂协同促进餐饮业厨余垃圾厌氧消化——产气效能及微生物菌群动态变化

围绕当前餐饮业湿热除油厨余垃圾(FORFW)厌氧消化甲烷产率不高、“酸积累”和“氨抑制”导致过程不稳定的问题,基于生物-非生物协同强化湿热除油餐饮业厨余垃圾厌氧消化的课题组的前期发现,通过三因素三水平中温厌氧消化正交试验系统探究并优化接种比、铁类添加剂添加量和酵母菌添加量3个条件参数,同时借助高通量测序阐明生物-非生物添加剂协同促进FORFW产甲烷的内在微生物机理.研究发现,3个条件参数对FORFW厌氧消化的甲烷产率影响由高至低为接种比>酵母菌添加量>铁类添加剂添加量.接种比1.5、铁类添加剂0.5%(质量分数)、活化酵母菌3%(质量分数)为较优的使用条件.在上述条件下,FORFW的挥发性固体(VS)去除率为40.1%,累积甲烷产率为237.5mL/gVS.体系中甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)、互营单胞菌属(Syntrophomonas)和Syner-01属相对丰度明显增加,实现了乳酸来源的丙酸高效转化.其中,甲烷鬃毛菌属与厌氧绳菌科细菌互营产甲烷,互营单胞菌属参与互营丁酸氧化,Syner-01属参与互营乙酸氧化和氨基酸氧化.因此,FORFW的甲烷产率得到了切实保...     

间歇通电和电极反转对MEC-CSTR反应器污泥餐厨垃圾协同厌氧消化的影响

城镇化快速发展导致大量污水污泥(Sewage Sludge, SS)和餐厨垃圾(Food Waste, FW)等有机固废的排放和产生。将微生物电解池(Microbial Electrolysis Cell, MEC)引入到厌氧消化(Anerobic Digestion, AD)过程可实现其高效的甲烷转化。本研究探究了间歇通电和电极反转对MEC-连续搅拌式反应器(Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR)的影响。结果表明，在1.2 V的外加电压和15 d的污泥停留时间(Sludge Retention Time, SRT)的条件下，MEC-CSTR运行良好，甲烷产率达到(741.9±99.2) mL/L_-reactor/d。短暂断电(2 d)未对系统各项性能造成不良影响，而过长断电(7 d)则会降低反应器的有机物水解效果和甲烷产量；同时，连续电极反转会引起甲烷产量((541.7±32.0) mL/L_-reactor/d)的下降；然而，无论间歇通电亦或电极反转均未对消化液的理化性质和系统稳定性造成不良影响。本研究...     

投加颗粒活性炭强化餐厨垃圾的厌氧处理

通过投加颗粒活性炭（GAC）强化直接种间电子传递（DIET）进而提升餐厨垃圾的厌氧产甲烷处理效能,并研究了GAC投加导致的微生物群落变化.研究发现,投加了GAC的实验组反应器能够在更高的有机负荷下（10.4kgCOD/（m³·d））稳定运行并维持较高的甲烷产率,不投加GAC的对照组在有机负荷7.8kgCOD/（m³·d）时甲烷产率及pH值均明显降低,挥发酸大量积累,反应器酸化崩溃.微生物群落结构分析发现,GAC表面富集了大量可以胞外电子传递的细菌（占细菌丰度的34%）和可以参与DIET的产甲烷菌（占古菌丰度的88%）,表明GAC的加入可以有效富集这两类微生物的生长,并可能通过GAC强化DIET促进了餐厨垃圾的厌氧消化.     

瘤胃微生物强化醋糟厌氧消化及其机制

针对醋糟中木质纤维素利用效率低的问题,通过接种瘤胃微生物可强化木质纤维素水解.采用逐步提升体系有机负荷的方式,考察瘤胃微生物生物强化对醋糟厌氧消化性能的提升效果,并运用绝对定量实时聚合酶链锁反应（Q-PCR）技术探究其微生物学强化机制.结果表明:长期连续运行成功塑造了高效的木质纤维素瘤胃强化体系.该体系的最高有机负荷达8.90 g/（L·d）（以VS计）,是强化前的1.53倍,该有机负荷下半纤维素和纤维素降解率分别达73.9%和40.1%,单位质量底物沼气和甲烷产量相应地分别达到451和261 mL/g（以VS计）,半纤维素和纤维素较高的降解率是该体系维持高产气性能的主要原因.生物相机制研究表明,瘤胃微生物强化体系中与木质纤维素水解密切相关的GH5（糖苷水解酶家族5）水解菌逐步富集,其基因拷贝数从初始的964×1010 copies/g升至最高有机负荷下的6.83×1011 copies/g,这是底物在高有机负荷下仍能被高效生物转化的根本原因.研究显示,瘤胃微生物的介入可有效强化体系底物的降解能力,促进醋糟产甲烷性能的提升.      

生物炭介导鸡粪厌氧消化性能研究

为探究生物炭介导的鸡粪厌氧消化产甲烷的较优添加比例,在发酵温度[（35±1）℃]、接种率30%的条件下,进行了以鸡粪为底物,生物炭为外源添加剂的厌氧消化试验,研究生物炭不同添加量（20%、15%、10%、5%和不添加）对鸡粪厌氧消化产气特性的影响,确定了生物炭介导的鸡粪厌氧消化的较优添加比例;同时,用扫描电子显微镜对厌氧消化前后生物炭颗粒和附着在生物炭颗粒上的微生物进行了观察.结果表明：生物炭的添加提高了鸡粪单位VS产甲烷量,添加20%、15%、10%和5%生物炭的处理鸡粪VS产甲烷量分别为223mL/g、228mL/g、230mL/g和281mL/g,均高于对照组的202mL/g;添加生物炭提高了产气中的甲烷含量,降低了二氧化碳和硫化氢含量,提高了沼气品质;电镜扫描结果表明,厌氧消化后生物炭表面及内部附着了大量厌氧微生物,主要为杆菌、微粒菌和球菌;本研究中,生物炭介导鸡粪厌氧消化最优的添加比例约为5%.     

零价铁与磁铁矿促进半干式猪粪厌氧产甲烷的效能与机理研究

本实验探究了相同剂量（5 g·L^-1）的零价铁、磁铁矿和两者的混合物对半干式猪粪厌氧消化过程的影响,重点揭示了零价铁和磁铁矿对甲烷生产的协同促进效能与机理.结果表明,与无添加剂的对照组相比,零价铁、磁铁矿和混合添加剂分别使系统的甲烷产量提高了32.8%、21.8%和35.1%.与单独添加零价铁或磁铁矿相比,混合添加剂对产甲烷的提升效果更佳.零价铁与磁铁矿对厌氧消化的协同促进效应体现在以下4个方面：①能更好地维持低氢气分压环境,推动产甲烷种间电子传递;②可使反应器的总碱度维持在相对较高的水平,提高系统缓冲 能力;③能增加厌氧体系中溶解性铁离子浓度,进一步提高厌氧微生物的活性;④同时富集能够介导种间氢传递和种间直接电子传递的细菌和古菌,提高有机底物转化为甲烷的效率.     

磁强化处理技术在城市污水处理中的研究与应用进展

磁粉比重高易分离同时具有良好的生物效应,投加磁粉或外加磁场可强化混凝、活性污泥、厌氧消化等常规技术,提升城市污水预处理、生物处理、深度处理和污泥处理等单元的处理效率.在文献及工程调研的基础上,分析介绍磁强化混凝,磁强化活性污泥和磁强化剩余污泥处理3大类技术的研究应用现状与未来发展趋势.磁强化技术在未来城市污水处理厂中具...     

厌氧装置的设计及发展

一、前言厌氧发酵产生甲烷是一个古老的反应。无论在沼泽、稻田、河底淤泥中,或是在牛、猪及人体等生物体内,都存在着微生物作用释放气体的过程。英国在1881年首次把厌氧消化技术应用于废水处理领域,在那里建立了处理城市污泥的厌氧消化池。1906年,有人发现经厌氧作用也可直接把CO_2及H_2合成甲烷。随着先进技术设备的出现和使用,厌氧微生物的研究得到深入,并取得了一定的成就。最近几年里,人们对厌氧技术,尤其是对     

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.     

纸板碳化电极提高生物电化学系统产电效率微生物机理研究

采用Solexa高通量测序技术和蛋白定量方法,分析了碳化纤维素纸板制备的层状波纹碳(LCC)电极与石墨板(GP)电极在生物电化学系统运行过程形成的生物膜微生物群落结构和生物量差异.结果表明,LCC电极良好的生物电化学性能不仅取决于其良好的导电性能,还与其表面生物膜微生物群落结构有关;LCC电极表面生物膜微生物量高,且对产电微生物的富集效果好.LCC电极与GP电极表面生物膜分别得到16S rRNA基因V3区优化序列12643条和12837条,经97%相似度归并后获得的OTUs数量分别为2786和3130;α多样性分析显示,GP电极生物膜微生物多样性相对更丰富.Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes在两种电极生物膜中含量最为丰富,这3个门细菌序列数分别占总序列数的76%(LCC)和85%(GP).在属分类水平上,LCC电极生物膜由383个属的细菌构成,而GP电极生物膜则有456个属.深入分析电极生物膜微生物群落结构有助于进一步认识LCC电极提高生物电化学系统产电效率的机理.     

黄河三角洲盐沼湿地甲烷厌氧氧化潜力及微生物群落对铁锰输入的响应研究

铁、锰是滨海湿地环境中重要的变价金属元素,金属依赖型甲烷厌氧氧化（Anaerobic oxidation of methane, AOM）过程与碳循环相耦合,在生物地球化学循环过程中起到重要的驱动作用.研究铁、锰对湿地甲烷厌氧氧化潜力及微生物群落的作用对于减缓因甲烷释放而带来的 全球气候变暖具有重要意义.以黄河三角洲滨海湿地为研究对象,通过室内厌氧培养及高通量测序方法,系统研究了碱蓬盐沼湿地下甲烷厌氧氧化潜力及微生物群落对Fe³⁺、Mn⁴⁺输入的响应.结果表明：向土壤输入不同浓度的Fe³⁺和Mn⁴⁺后,浅层土的AOM潜力皆被抑制,深层土的AOM潜力则受到促进作用,且作用显著（p<0.05）,说明不同土层对铁、锰输入的响应不同,这可能取决于土壤中铁、锰含量的本底值;在微生物层面,铁、锰输入对土壤微生物的丰富度及均匀度产生影响,土壤中的微生物群落结构同时也发生了显著变化,在门水平下,细菌中的Proteobacteria（变形菌门）和古菌中的Euryarchaeota（广古菌门）丰度显著升高,科、属水平下富集了可以促进甲烷氧化的Methylomonaceae（甲基单胞菌）且使其成为优势种,表明该菌可能深度参与了甲烷消耗及金属元素循环过程.本研究对滨海湿地甲烷厌氧氧化的机理研究及黄河 三角洲微生物的多样性保护具有重要意义,同时也可为滨海湿地CH₄减排提供科学依据.     

废铁屑强化污泥厌氧消化产甲烷可行性分析

有关全球气候变化的《巴黎协定》落槌,预示着污水处理追求碳中和运行的时代已经来临.碳中和狭义理解即能源自给自足,这就要求污水处理厂应最大程度转化污水中有机物或产生的剩余污泥所蕴含的有机能源,并将其生成可再生能源——甲烷.然而,剩余污泥能源转化率较低一直都是限制厌氧消化技术广为应用的瓶颈.在污泥预处理技术之外,向厌氧消化系统中投加废铁屑强化甲烷生产有望成为另一个提高能源转化率的突破口,继而实现"以废促能、变废为宝"的目的.本综述从铁腐蚀析氢现象入手,在描述铁腐蚀析氢原理、析出H2对产CH4过程影响的基础上,对铁在厌氧系统ORP减少方面的作用、对厌氧微生物生理、生化特性的影响、对涉及微生物酶活的影响等进行了全面的介绍.最后,还通过生命周期评估(LCA)评价了基于废铁屑的污泥厌氧消化技术对环境的影响及经济合理性.     

高温预处理强化污泥与餐厨垃圾共消化

污泥和餐厨垃圾共消化具有提高污泥稳定化的作用,为进一步强化污泥与餐厨垃圾共消化效果,提出高温预处理强化污泥与餐厨垃圾中温厌氧共消化的运行策略,并从宏观和微观2个层面探讨了共消化系统的运行机制。结果表明：污泥与餐厨垃圾经过1 d高温预处理后,其SCOD/TCOD从33.9%提高到65%;中温厌氧消化时的甲烷产率和有机物去除率高达0.54 L/g和78.8%(SRT=20 d)、0.76 L/g和56.6%(SRT=15 d),略高于某实际餐厨废弃物及市政污泥协同处理项目一期的0.53 L/g和53.5%,该项目采用150～170℃高温、1 MPa高压热水解进行预处理;采用Illumina MiSeq测序技术得出水解酸化菌属如Porphyromonadaceae、Draconibacteriaceae、Eubacterium和Romboutsia在高温预处理后的共消化系统中得到富集,促进了系统的水解和产酸过程,为系统中产甲烷菌Archaea提供了丰富的基质,强化了污泥与餐厨垃圾共消化产气效果。     

导电材料促进餐厨垃圾厌氧消化的研究进展

厌氧消化技术是实现餐厨垃圾减量化、无害化、资源化的有效手段,但餐厨垃圾厌氧消化（KWAD）易酸化的特性,容易导致反应失败。添加导电材料可以缓解KWAD过程中的氢抑制、酸抑制和氨抑制,提高甲烷产量。文章对导电材料促进KWAD产甲烷的效果进行了综述。导电材料可以提高KWAD的甲烷产量,缓解厌氧消化系统的酸抑制、氨抑制,富集功能性微生物,并代替导电菌毛和c型细胞色素进行直接种间电子传递。通过宏基因组学发现导电材料可以增强微生物代谢过程中功能基因的表达,提高产甲烷过程中关键酶的活性。最后,对使用宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白组学共同探索KWAD的机理提出了建议,并对未来工程应用中降低处理成本和无害化处理等方面进行了展望。     

温度对电自养氧还原生物阴极电化学性能的影响

生物阴极的应用能够显著降低微生物电化学系统的成本并增强运行的稳定性,其中,环境温度是限制其性能提升的关键因素.因此,本研究通过对比温度对生物阴极和非生物阴极微生物燃料电池（MFCs）电化学性能的影响,证实了生物阴极对提升MFCs产电性能的重要作用.结果发现,生物阴极MFCs在35℃条件下的最大电压为0.70 V,是非生物阴极的1.3倍.原位三电极循环伏安特性测试显示生物阳极和生物阴极的最佳温度有所不同,并且温度对生物阳极的影响大于对生物阴极的影响.本研究表明了生物阴极对MFCs电化学性能提升的重要性,并且优化了电自养氧还原生物阴极的最佳运行温度,为推动其实际应用提供了温度设置的参考.