酸性冲击对微生物电解产氢阳极菌群影响及功能基因变化解析

微生物电解产氢工艺是借助能够直接与电极传递电子的功能菌在阳极降解有机质并将产生的电子在阴极与质子结合回收氢气能源的新技术.采用市政废水在固定外加电压相同条件下直接启动15个反应器,以葡萄糖为碳源驯化获得电极功能菌群,稳定运行1个月获得反应器稳定产氢和伴随产甲烷效能.初始稳定时采用pH为7的磷酸盐缓冲液可以获得稳定的产气量,平行反应器表现出不同的氢气和甲烷产量.最高产氢反应器的氢气转化率为32.2%,氢气产率为(3.9±0.6)mol·mol-1(以每mol葡萄糖产生的H2量(mol)计,下同);相同条件下最低产氢效率反应器的甲烷转化率则可达到48.4%.通过48 h阳极生物膜的酸性冲击试验对阳极菌群功能恢复效果进行分析,发现消除冲击10~15 d反应器的电子传递效率得到恢复,但功能菌群多样性增加,氢气与甲烷比例发生变化.最高产氢反应器氢气产率降低1.8 mol·mol-1,而甲烷增量为0.4 mol·mol-1(以每mol葡萄糖产生的CH4量(mol)计,下同).通过关键功能基因分析发现,初始产氢效能高的反应器功能菌群中电子传递功能菌优势较大;阳极功能菌群受到短暂酸性冲击后,基于细胞色素C基因的相关菌群能够较快恢复,其电子传递能力恢复更快;与碳源降解和产甲烷相关基因群落受酸性冲击后变化较为显著,甲烷增量与氢气减少量基本符合反应计量关系.     

Cleaner pathways of hydrogen,carbon nano-materials and metals production via solar thermal processing

This paper describes various solar thermochemical processes for the production of hydrogen, carbon nano particles, industrial grade carbon black, and metals with substantially reduced CO₂ emission footprint. The paper introduces an innovative approach of a three-dimensional volumetric production of carbon nano particles via thermal cracking of methane gained by carbon seeding as an alternative to the existing two dimensional modes. The paper also describes an alternative pathway for hydrogen production via three consecutive solar thermochemical processes, namely, solar cracking of methane, solar carbo-reduction of ZnO and CO reduction of CdO, providing long term storage of solar energy. Finally, the paper provides an example solar windowed reactor for clean production of hydrogen, and it presents numerical analysis of the solar reactor based on computational fluid dynamics results, simulating one of the major problems with natural gas cracking in solar reactors, namely, carbon contamination of the transparent window and clogging of the reactor.     

2-CSTRs两相厌氧消化系统在不同乙醇回收率下的联合产能

以2-CSTRs(连续流搅拌釜式反应器)两相厌氧消化系统的能量转化率为主要研究对象,以氢气、乙醇及甲烷为目标产物,在不同有机负荷下,通过控制反应参数使产氢相反应器内部环境呈现乙醇型发酵状态,并将产氢相出水经回收乙醇后作为产甲烷相反应基质,研究在不同乙醇回收率下2-CSTRs两相厌氧消化系统产能效率.结果表明:当乙醇回收率在0~50%范围内时,系统产能率、能量转化率及基质降解率随乙醇回收率的增加而增加.当乙醇回收率控制在50%时系统可获得最佳运行结果,与未回收乙醇时相比,系统的日产能率平均高约32.63%,能量转化率平均高约17.53%,基质降解率平均高约12.85%.     

高温条件下初始pH值对污泥-餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH4的影响

污泥-餐厨垃圾厌氧消化产氢产CH₄可将城市有机废弃物转化为可再生能源H₂、CH₄,对实现碳减排发挥着重要作用。通过批式试验探究高温条件下(55±1℃),不同初始pH值对污泥和餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH₄的影响。研究结果表明:适度地增加产氢余物的碱度会提高产CH₄效能,而过低的初始pH则抑制了产氢余物产CH₄效能。初始pH=8时,CH₄最高浓度(79.08%)、累积产甲烷量(101 mL/g DS)和最大CH₄生产速率(12.21 mL/d)均达到最大。不同初始pH下,总糖和总蛋白质的降解量跟累积产甲烷量呈正相关,其中总蛋白的降解量及降解率均高于总糖。初始pH=8时,总糖和总蛋白质的降解量及降解率最高,分别为6078 mg/L、55.70%和4710 mg/L、69.67%。不同初始pH值下,产氢余物厌氧消化后的pH都趋于7.5左右。     

有机废弃物氢发酵制备生物氢气的研究

在批式培养实验中以有机废弃物为原料,通过厌氧生物发酵制备生物氢气研究了菌种来源、有机废弃物种类对产氢能力的影响,以及生物氢发酵过程中液相组成的变化以活性污泥为菌种来源,以淀粉为底物,在30L改进的UASB反应器中进行了放大实验,生物气中氢气浓度达40%～51%,CO₂浓度为49%～60%,且没有检测到甲烷气体,生物气经碱液吸收后氢气纯度大于97%持续产氢时间超过120d.     

典型炼化企业温室气体甲烷排放特征

温室气体排放是造成全球变暖和气候恶化的重要根源.甲烷是仅次于二氧化碳的温室气体组分.石油加工过程是潜在的甲烷排放源.本文以我国广西某炼化企业为样本,通过现场采样和离线分析的方法,识别出炼化企业潜在的甲烷排放源,核算了不同排放源的甲烷排放量,分析了炼化企业的甲烷排放特征.研究表明,甲烷是炼化企业排放废气中的重要成分;烟气、污水收集和处理系统、储罐和油品装卸过程等均是重要的甲烷排放源项,其中烟气和储罐对甲烷排放总量贡献占比超过70%;不同源项甲烷排放特征各异,油品装载过程产生废气甲烷浓度最高;污水处理过程废气的甲烷浓度主要受常减压装置污水影响;该炼化企业每万吨原油对应的甲烷排放速率估算值为72.6 kg.     

Cost-Effectiveness of Alternative Strategies in Mitigating the Greenhouse Impact of Waste Management in Three Communities of Different Size

Waste management is a significant source of methane (CH₄) emissions. CH₄ is second to carbon dioxide (CO₂) the most important anthropogenic greenhouse gas. In this article the methodology and results from a study on the reduction potential of alternative waste treatment strategies in mitigating the greenhouse impact are presented. The objective is to provide information to decision makers so that the greenhouse issue can be included in the decision making on waste management strategies. The potential cost-effectiveness of reducing the greenhouse impact of alternative waste treatment strategies in three communities of different size in Finland is assessed. The estimation of the greenhouse impact includes estimates of the greenhouse gas (GHG) emissions, the amount of carbon (C) stored at landfills (Csink) and the emission savings that can be achieved by using waste for energy production (assumed decrease in the use of fossil fuels). Landfill gas recovery with energy production was found to be the most-efficient way in reducing the greenhouse impact from large landfills. Burning of all the waste or the combustible fraction in municipal solid waste (MSW) was also an efficient method to reduce greenhouse gas emissions, especially if the energy produced can reduce the burning of fossil fuels. Emissions from transportation of waste are small compared with the emissions from landfills. Even if the transportion mileage is doubled due to increasing separation and recycling the greenhouse impact of transportation would be only 3–4 percent of the impact of landfilling the waste.     

污泥厌氧发酵产氢的影响因素

污水生物处理过程中产生大量剩余污泥, 通常采用厌氧发酵处理并获取甲烷气体. 产氢产酸是污泥厌氧消化过程中的一个中间阶段. 本研究考察了原污泥和经碱处理的污泥在不同初始pH(3.0～12.5)条件下的产氢效果, 以及污泥性质和污泥浓度等对产氢效果的影响. 结果表明, 当初始pH为11.0时污泥发酵的产氢率达到最大值.采用原污泥发酵产氢时, 在初始pH为11.0的条件下发酵产氢获得的最大产氢率为8.1 mL/g, 而经碱处理的污泥在同样初始pH的条件下发酵产氢可将其产氢率提高一倍左右, 达到16.9 mL/g. 污泥经碱处理后厌氧发酵4d无甲烷产生, 且可有效地降低氢气消耗的速率. 另外, 污泥的VSS/SS值过低时会大大降低污泥的产氢率, 而污泥浓度对产氢率无明显影响.     

风帽在准好氧填埋的应用及对填埋初期的影响

首次将风帽应用于准好氧填埋,以2 m×1 m×2 m的准好氧模拟箱为对象,考察了风帽对准好氧填埋环境形成过程的影响,比较了不同风速条件下二氧化碳和甲烷的浓度变化,并对风帽应用于准好氧填埋的作用原理进行了分析,以期为设计和优化准好氧填埋结构提供参考.结果表明,风帽可以加快准好氧环境的形成,将传统的准好氧环境的形成期由常规的50 d以上提前到40 d左右.通过比较风帽先拆后装二氧化碳和甲烷的浓度变化,表明风帽可以促进甲烷向二氧化碳的转化,减少甲烷的排放.卸下风帽后二氧化碳的浓度由最初的16.67%降为15.88%,甲烷从6.14%增大到16.12%;装上后二氧化碳的浓度增至19.18%,甲烷降为10.05%.考察了风速为2.0、3.5、5.0、6.5、8.0 m/s 5种条件下导气管出口处的甲烷排放情况,表明风速可以加强风帽的作用,有利于甲烷的减排,当风速增至8 m/s时,甲烷浓度由最初的15%以上降为5%以下.     

不同渗滤液循环方式对填埋层甲烷产生的影响

通过填埋模拟柱 ,实验室研究了以我国大城市生活垃圾组成为依据的新鲜垃圾填埋层在不同渗滤液循环方式条件下甲烷产生的规律 .渗滤液循环方式包括 :原液循环、好氧预处理 (SBR)后循环、与陈垃圾出水混合后循环 .结果表明 :新鲜垃圾填埋层初期渗滤液COD、VFA浓度高 ,原液循环导致有机酸的积累 ,抑制了甲烷化进程 ;初期渗滤液经预处理控制一定COD、VFA浓度后循环 ,能够显著地缩短产甲烷滞后时间、加速甲烷化进程 ;当填埋层进入稳定的甲烷化阶段后 ,渗滤液循环才能有效地降解渗滤液中的有机污染 ,近 10 0 %地转化为填埋气体.     

氢燃料电池汽车动力系统生命周期评价及关键参数对比

发展氢燃料电池汽车被认为是解决能源安全和环境污染问题的理想解决方案之一,为量化探究氢燃料电池汽车动力系统的化石能源消耗和排放情况,运用GaBi软件建模,以新能源汽车相关技术路线为参考,构建我国氢燃料电池汽车动力系统的数据清单并对其全生命周期化石能源消耗和全球变暖潜值情况进行定量评价计算和预测分析,对不同类型的双极板、不同能量控制策略和不同制氢方式对环境的影响分别进行了对比研究,并对关键数据进行了不确定分析.结果表明,预计到2030年我国每台氢燃料电池汽车动力系统生命周期的化石能源消耗量（ADP_f）、全球变暖潜值（GWP,以CO₂ eq计）和酸化潜值（AP,以SO₂ eq计）分别为1.35×10⁵ MJ、9108 kg和15.79 kg.动力系统生产制造阶段的化石能源消耗和全球变暖潜值均高于使用阶段,主要原因是燃料电池堆栈和储氢罐的制造过程.金属双极板、石墨复合双极板和石墨双极板的制造工艺中石墨复合双极板的综合环境效益最好.能量控制策略的优化会使得氢能消耗降低,当氢能消耗降低22.8%时,动力系统的生命周期化石能源消耗和全球变暖潜值分别降低10.4%和8.3%.相比于甲烷蒸气重整制氢,基于混合电网电解水制氢的动力系统生命周期全球变暖潜值高出53.7%[KG-*6],而基于水电电解水制氢降低39.6%.降低动力系统生命周期化石能源消耗和全球变暖潜值的措施包括优化能量控制策略降低氢能消耗、规模化发展可再生能源发电电解水制氢产业和聚焦突破燃料电池堆栈关键技术实现性能提升.     

Avoiding CO2 capture effort and cost for negative CO2 emissions using industrial waste in chemical-looping combustion/gasification of biomass

Chemical-looping combustion (CLC) is a combustion process with inherent separation of carbon dioxide (CO₂), which is achieved by oxidizing the fuel with a solid oxygen carrier rather than with air. As fuel and combustion air are never mixed, no gas separation is necessary and, consequently, there is no direct cost or energy penalty for the separation of gases. The most common form of design of chemical-looping combustion systems uses circulating fluidized beds, which is an established and widely spread technology. Experiments were conducted in two different laboratory-scale CLC reactors with continuous fuel feeding and nominal fuel inputs of 300 W_th and 10 kW_th, respectively. As an oxygen carrier material, ground steel converter slag from the Linz–Donawitz process was used. This material is the second largest flow in an integrated steel mill and it is available in huge quantities, for which there is currently limited demand. Steel converter slag consists mainly of oxides of calcium (Ca), magnesium (Mg), iron (Fe), silicon (Si), and manganese (Mn). In the 300 W unit, chemical-looping combustion experiments were conducted with model fuels syngas (50 vol% hydrogen (H₂) in carbon monoxide (CO)) and methane (CH₄) at varied reactor temperature, fuel input, and oxygen-carrier circulation. Further, the ability of the oxygen-carrier material to release oxygen to the gas phase was investigated. In the 10 kW unit, the fuels used for combustion tests were steam-exploded pellets and wood char. The purpose of these experiments was to study more realistic biomass fuels and to assess the lifetime of the slag when employed as oxygen carrier. In addition, chemical-looping gasification was investigated in the 10 kW unit using both steam-exploded pellets and regular wood pellets as fuels. In the 300 W unit, up to 99.9% of syngas conversion was achieved at 280 kg/MW_th and 900 °C, while the highest conversion achieved with methane was 60% at 280 kg/MW_th and 950 °C. The material’s ability to release oxygen to the gas phase, i.e., CLOU property, was developed during the initial hours with fuel operation and the activated material released 1–2 vol% of O₂ into a flow of argon between 850 and 950 °C. The material’s initial low density decreased somewhat during CLC operation. In the 10 kW, CO₂ yields of 75–82% were achieved with all three fuels tested in CLC conditions, while carbon leakage was very low in most cases, i.e., below 1%. With wood char as fuel, at a fuel input of 1.8 kW_th, a CO₂ yield of 92% could be achieved. The carbon fraction of C₂-species was usually below 2.5% and no C₃-species were detected. During chemical-looping gasification investigation a raw gas was produced that contained mostly H₂. The oxygen carrier lifetime was estimated to be about 110–170 h. However, due to its high availability and potentially low cost, this type of slag could be suitable for large-scale operation. The study also includes a discussion on the potential advantages of this technology over other technologies available for Bio-Energy Carbon Capture and Storage, BECCS. Furthermore, the paper calls for the use of adequate policy instruments to foster the development of this kind of technologies, with great potential for cost reduction but presently without commercial application because of lack of incentives.

     

天然和水热合成针铁矿对有机物厌氧分解释放CH4的影响

以乙酸钠为碳源,通过序批式实验研究了天然和水热合成针铁矿对铁还原菌-甲烷菌厌氧微生物生化系统中CH4释放量的影响.通过对实验过程中气体组分、溶液中总有机碳(TOC)、总无机碳(TIC)、Fe2+等主要组分的分析测定和固体产物的X-射线衍射(XRD)分析,结合对矿物的比表面(BET)、XRD、X-射线荧光光谱(XRF)分析表征,探讨了针铁矿在铁还原菌存在下对有机物厌氧消化产CH4的影响和作用机制.利用修正Gompertz方程对累计产CH4和CO2量进行拟合.结果表明,与对照实验组相比,添加针铁矿能使CH4累计释放量提前60～78 d达到最大值,并且能有效降低CO2释放量达30%～67%,添加水热合成针铁矿较之天然针铁矿更能促进CH4释放和减少CO2释放;固体产物分析表明添加针铁矿促使菱铁矿形成固定部分CO2.     

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.     

中国氢燃料电池车燃料生命周期的化石能源消耗和CO2排放

氢燃料电池车(FCV)具有运行阶段高能效和零排放的优点,近年来得到快速的商业化发展.氢能生产具有多种技术路径,不同路径的能源和环境效益存在显著差异.本研究采用生命周期评价方法,运用GREET模型对不同氢燃料路径下的FCV燃料周期(WTW)的化石能源消耗和CO_2排放进行了全面评价.选取了多种制氢路径作为评价对象,建立了中国本地化的FCV燃料生命周期数据库,在此基础上分析了FCV相对传统汽油车的WTW节能减排效益,并和混合动力车和纯电动车进行比较.结果表明,使用可再生电力和生物质等绿色能源制氢供应FCV能取得显著的WTW节能减排效益,可削减约90%的化石能耗和CO_2排放.在发展相对成熟的传统能源制氢路径中,以焦炉煤气制得氢气为原料的FCV,能产生显著的节能减排效益,其化石能耗低于混合动力车,CO_2排放低于混合动力车和纯电动车.结合对资源储备和技术成熟度的考虑,我国在发展氢能及FCV过程中,近期可考虑利用焦炉煤气等工业副产物制氢,并且规划中远期的绿色制氢技术发展.     

固定化酶酸化/UASB两相厌氧有机酸代谢特征

以固定化酶酸化相和UASB产甲烷相为两相厌氧系统进行连续流实验,研究了酸化相和产甲烷相中的有机酸和乙醇的变化特征、变化速率,挥发性有机酸组成,发酵类型以及对COD去除率的影响.结果表明:酸化相的酸化率为28.2%,水解产物组成中乙醇>乙酸>丁酸>丙酸,其中乙醇占44.8%,乙酸占38.4%,丙酸为6.9%,丁酸为9.8%,为乙醇型发酵类型.在产甲烷相中乙醇被去除99.8%,乙酸为92.0%,丙酸为59.1%,丁酸为46.2%,呈乙醇>乙酸>丙酸>丁酸;比较有机酸和乙醇的去除速率呈乙醇>乙酸>丁酸>丙酸,其中乙醇在产甲烷相中去除速率最快为0.21h^-1.系统运行稳定,COD去除率达到90%以上,其中对COD去除贡献率顺序为乙醇>乙酸>丁酸>丙酸,     

初始pH值和物料配比对高温混料厌氧发酵进程的影响

为了研究高温条件下初始p H对厌氧发酵进程的影响,以猪粪、玉米秸秆为发酵原料,设置3种比例(干物质质量比30∶70、50∶50、70∶30)下6个水平(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0的初始p H值以及一个不调控初始p H的处理作为对照)进行批次发酵试验.结果表明,初始p H值和物料配比都会显著影响厌氧发酵过程的启动时间和甲烷产量.当初始p H值为7.0时,VS降解率趋于稳定.COD去除率随着粪便含量的增加而逐渐降低.高温猪粪玉米秸秆混合发酵最佳挥发性脂肪酸(VFA)/碱度比值范围为0.05~0.3;猪粪可以作为一种缓冲材料,适量添加可增大消化系统的缓冲能力.通过建模优化,预测出当初始p H值为6.95、猪粪/玉米秆为70∶30时,可得到每克挥发性固体最大理论单位甲烷产量169.22 m L·g-1.     

pH对果蔬、园林垃圾混合厌氧水解产酸的影响

采用厌氧水解技术处理果蔬、园林混合垃圾,探究pH值对产酸效果的影响。在45℃、pH=6的条件下,第11天时反应器内消化液的挥发性脂肪酸(VFA)浓度达到最大值12.94 g/L,是未调控pH条件下VFA浓度的3.37倍,同时使达到最大值的时间减少了20%,大大提高了产酸效率。同时,调控pH可以促进溶解性有机物(SCOD)转化为挥发性脂肪酸,VFA/SCOD在pH=6条件下第11天时达到最大值,为48.73%。进一步对比分析不同条件下的消化液VFA组分和氨氮浓度,调控pH=6可使发酵类型从乙醇型发酵转为丁酸型发酵,也有利于蛋白质的分解。     

CO2催化氢化研究--REY负载双金属催化剂的催化作用

用高压釜实验评价了用离子交换法制备的负载于ＲＥＹ和ＺＳＭ－５分子筛上的多种过渡金属对ＣＯ２加氢合成醇和甲烷化的催化活性。实验结果表明,双金属催化剂的活性按下列顺序降低,ＣＯ２甲烷化;Ｒｕ＞ＮｉＲｕ＞ＮｉＰｄ＞ＮｉＩｒ;合成醇：ＮｉＣｕ＞Ｎｉ＞ＮｉＭｎ＞ＮｉＣｏ。用２％Ｒｕ／ＲＥＹ催化剂,在４７３Ｋ,３．９ＭＰａ,ＣＯ２／Ｈ２＝１／５,反应时间２０ｈ条件下,７６％的ＣＯ２转化为甲烷。反应温度,压力和     

氢气和氮气对厌氧甲烷降解过程及微生物多样性的影响

针对厌氧甲烷氧化过程,考察了填埋场稳定化过程中气态物质(H₂、N₂)的影响,阐明了微生物群落结构的响应。结果表明:在N₂氛围下,存在甲烷氧化、固氮、硝化、反硝化的循环过程;通入H₂对于厌氧甲烷降解过程有一定影响,CH₄含量呈先下降后升高再降低的趋势,CO₂含量则呈先升高后降低趋势,表明H₂可将CO₂还原为CH₄。经过N₂和H₂长期驯化后,土壤微生物群落结构发生了显著变化,放线菌门中具有硝化、反硝化及固氮作用的菌群增加,出现了具有甲烷氧化功能的Methylococcale菌群。好氧菌(如甲烷氧化菌、硝化菌)对O₂的消耗有利于反硝化和厌氧甲烷氧化的进行,为反硝化型厌氧甲烷氧化的发生提供了有利条件。研究揭示了填埋场稳定化过程中气态物质影响厌氧甲烷氧化的过程。