纤维素不同途径水解酸化效果对比研究

农作物秸秆结构复杂,酸化效果可能与传统糖类物料不一致。为方便考察纤维素类物料厌氧酸化效果,文章选取成分相对单一的滤纸为原料,考察了酶活浓度、反应时间、酵母菌接种量(F/M)等因素对纤维素经纤维素酶和酵母菌联合作用后的乙醇、乙酸产量的影响,及对厌氧发酵过程的影响分析。结果表明,当纤维素酶单独作用时,酶活浓度120 U/g、温度50℃、pH值4.8、水解24 h时可获得最大葡萄糖产率:73.7 mg/g(转化率为24.9%);纤维素酶和酵母菌分步糖化发酵(separate hydrolysis and fermentation,SHF)工艺中,F/M值为2:1、反应96 h可得最大乙醇产率:119.3 mg/g(转化率为42%);纤维素酶和酵母菌同步糖化发酵(simultaneous saccharification andfermentation,SSF)工艺中,F/M值为1:2、反应120 h得到最大乙醇产率:396.0 mg/g(转化率为58.2%)。F/M值为2:1、反应120 h时,SSF工艺比SHF工艺的乙醇产量提高了34.91%。     

水绵发酵产乙醇工艺构建及条件优化

水绵干燥样中含有大量的淀粉、纤维素等碳水化合物,利用水绵制备生物乙醇,不仅可以拓宽生物乙醇的原料来源,还可以缓解水体富营养化现象。对水绵干燥样成分进行分析后,通过自行构建的水绵发酵产乙醇工艺,考察了预处理混合物中稀硫酸用量、纤维素酶用量、预水解时间、预水解温度、发酵时间和发酵温度对产乙醇浓度的影响;利用响应面中心组合设计法和响应面分析法,得到了水绵发酵产乙醇工艺参数的回归模型,并在回归模型预测出的优化条件下进行了放大倍数的产乙醇试验,采用Logistic模型基于1st Opt软件,得到能描述水绵发酵产乙醇全过程的分段优化模型。试验结果表明:水绵干燥样中淀粉、纤维素等碳水化合物约占水绵干重的67.53%,水绵发酵产乙醇具有巨大的潜力;最佳产乙醇条件为纤维素酶(10万u/g)与水绵干燥样的投加质量比1∶1、预水解温度50℃、预水解时间50 min、发酵温度40℃,产物乙醇的最佳浓度可达5.61 g/L,以原料计算的乙醇得率为28.1%(g/g);在最佳产乙醇条件下,最大乙醇浓度为5.715 8 g/L,最大乙醇产生速率为0.691 9 g/[g/(L·h)]。该结果对水绵发酵产乙醇工艺参数的选择及对产乙醇全过程的调控具有指导意义。     

冬闲水田土壤——一个重要的尚未确定的N2O释放源

通过对土壤N₂0生成机理和影响因素、冬闲田土壤中碳氮营养基质积累、N₂0强烈脉冲释放和冬闲田分布面积的分析,提出北半球热带－亚热带地区冬闲田可能是一个重要的尚未确定的N₂0释放源。粗略估计N₂0(以N₂0—N计)年释放量为0.75 Tg。      

对比分析HRT对ACR乙醇型和丁酸型发酵制氢系统的影响

以糖蜜废水为基质,采用两套厌氧接触式发酵制氢反应器(ACR)分别在p H为4.5~5.0、5.5~6.0下的启动和运行,以分别考察乙醇型和丁酸型发酵系统在不同水力停留时间(HRT)下的运行特性.结果显示,当进水COD=5000 mg·L-1,HRT从12 h缩短至4 h时,乙醇型发酵制氢系统中的产氢微生物菌属得到不断富集,在HRT=4 h时,系统的产氢速率和污泥比产氢速率分别达到30.1 L·d-1和13.5 mmol·g-1·d-1;而HRT的缩短使得丁酸型发酵系统内生物量减小,导致底物的转化率下降,反应器在HRT为8 h时,系统获得最大产氢速率,为9.3 L·d-1.研究结果也表明,在HRT为4~12 h的运行中,ACR乙醇型发酵系统的产氢效能始终优于丁酸型发酵制氢系统,其单位基质的氢气转化率约为丁酸型发酵的1.5~2.2倍.     

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.      

连续/间歇曝气MBBR-亚硝化工艺性能及N2O释放特性

采用移动床生物膜反应器（MBBR）,利用载体固定化氨氧化菌（AOB）,分别以连续曝气和间歇曝气方式长期平行运行两套MBBR亚硝化反应器（RC和RI反应器）,分析对比不同曝气方式下亚硝化工艺性能和强温室气体（N₂O和NO）释放特性.结果表明：两种曝气方式均能实现亚硝化工艺,但RI出水NO₂^--N平均浓度较RC高20%左右,且出水NO₂^--N和NO₃^--N浓度波动性更小,因此间歇曝气条件下具有更好的亚硝化效果,更易形成稳定的亚硝化体系.在线测定两种体系N₂O和NO释放特性可知,RC比RI减少NO释放量约87.3%,增加N₂O释放量约57.5%.16S rDNA高通量测序结果表明,Nitrosomonas为AOB主要菌属,相对丰度最高分别为8%和10.06%,最低分别为2.19%和2.26%.间歇曝气方式下反应器可获得更高的AOB相对丰度.     

缺氧-好氧移动床生物膜反应器处理低温生活污水效能

为解决冬季冰封期城市污水处理厂出水水质难于达标的问题,基于移动床生物膜反应器(MBBR)处理效率高及抗负荷能力强等特征,采用缺氧-好氧移动床生物膜反应器处理低温生活污水,重点考察了其对低温生活污水的处理效能及其影响因素.结果表明:在8 ℃的低温,好氧MBBR内悬浮型填料填充比为40%,水力停留时间为(HRT)6 h,ρ(DO)为7～8 mg/L的条件下,该工艺对COD_Cr和NH₄+-N的去除效果最佳,二者的去除率分别达到88.70%和65.72%;当缺氧MBBR内悬浮型填料填充比为50%,内循环回流比为200%时,TN的去除率可达65.65%,此时,整体反应器对COD_Cr和NH₄+-N的去除率分别为90.70%和71.65%.结果还表明,由常温转为低温环境后,缺氧-好氧MBBR的处理效率有所下降,但通过调整反应器内填料的填充比,ρ(DO)和HRT等参数,可保证对COD_Cr和NH₄+-N的去除仍具有较好的效果.      

低温等离子体催化降解烟气中甲苯的研究

本研究开发了等离子体微放电填充床反应器和等离子体微放电填充床反应系统,采用多孔陶瓷作为填充床材料,用控制变量法探索了停留时间、放电电压、催化剂负载量、初始浓度、能量密度等因素对反应系统的甲苯去除能力的影响.结果发现,上述因素的最优组合参数为：1.1s、9.5kV、负载量为15%,物质的量比为0.25的Co/Mn催化剂、189.52mg/m³、6000J/L.同时,对多孔陶瓷填充床进行了SEM和XRD等表征研究,研究表明,Mn催化剂包括Mn₂O₃和Mn₃O₄晶体;Co/Mn催化剂包括CoMnO₃和MnO₂晶体;Fe/Mn催化剂包括FeMnO₃、Fe₂O₃和Mn₂O₃晶体,并且Mn催化剂比Co/Mn催化剂和Fe/Mn催化剂的晶体颗粒更加均匀.     

厌氧复合床处理抗生素废水的生产性启动研究

处理抗生素废水的厌氧复合床反应器单体有效容积为500 m3,根据反应器中有机物降解和细胞合成的关系,建立了进料有机负荷模型M_n=(1+k)n-1M₁和进料容积负荷模型N_n=(1+k)n-1N₁.根据启动过程中细菌的生长特性和进料有机负荷模型的计算,提出了厌氧复合床反应器启动运行的进料负荷技术方案,成功地进行了厌氧复合床处理抗生素废水的生产性启动.      

崇明东滩芦苇湿地温室气体排放通量及其影响因素

通过静态箱-气相色谱法对崇明东滩芦苇群落在生长周期内的3种温室气体——CH₄、N₂O和CO₂的排放、吸收特征进行研究. 结果表明:芦苇群落湿地CH₄排放通量受温度影响较大,夏季排放通量明显高于其他季节,年均排放通量为74.46μg/(m2·h);N₂O年均排放通量为2.22μg/(m2·h),冬季排放通量最大;CO₂的吸收率季节变化明显,年均排放通量为-101.93mg/(m2·h). 温度、芦苇植株光合作用及呼吸作用是影响CH₄产生和排放的主要因素;而沉积物氮素不足和限制,则是促使芦苇群落表现出对N₂O吸收的原因;芦苇的光合作用及土壤呼吸作用随温度和季节的变化是控制芦苇湿地CO₂的排放和吸收的主要因素. 芦苇植株发达的通气组织是CH₄和N₂O由大气向沉积物扩散的通道,同时分子扩散过程也是沉积物产生的CH₄、N₂O和CO₂扩散到大气中的途径和方式.      

不同基质培养条件下的好氧颗粒污泥特性研究

采用序批式活性污泥(SBR)工艺,分别以葡萄糖(R₁反应器)和乙酸钠为基质(R₂反应器)运行102 d,对培养成熟的颗粒污泥特性进行研究. 结果表明:R₁反应器中以球菌为主,R₂反应器中以杆菌、球菌为主;在颗粒刚成熟时,R₂反应器的颗粒大些,且集中,粒径在0.1～1.0 mm,随着颗粒成熟期的延长,R₁反应器的粒径要大些,最大为2.2 mm;R₁和R₂反应器的耗氧速率(OUR)分别为 1.184和0.944 mg/(L·min),比耗氧速率(SOUR)分别为0.838和0.825 mg/(g·min);有机污染负荷为600～1　200　mg/L时,R₁和R₂反应器的COD_Cr去除率均达到95%～98%.      

自养脱氮污泥的亚硝化活性恢复策略

为考察自养脱氮污泥亚硝化活性快速恢复的策略,在3个反应器内分别采用不同的方法对经过长期冷冻保存后的污泥进行了恢复活性的研究.其中R1为MBR(膜生物反应器),采用低ρ(DO)(0.30 mg/L)连续流恢复策略;R2为SBR(序批式反应器),采用低ρ(DO)(0.30 mg/L)间歇流恢复策略;R3为SBR,采用低ρ(NH₄+-N)预培养-高曝气-低ρ(DO)运行三阶段的恢复策略.结果表明,R1的恢复时间为46 d,NH₄+-N氧化速率达到4.99 mg/(h·g)(以N计),最终ρ(MLSS)达到5.43 g/L;R2的恢复时间为39 d,NH₄+-N氧化速率达到4.61 mg/(h·g),最终ρ(MLSS)达到4.47 g/L;R3的恢复时间为48 d,NH₄+-N氧化速率达到5.64 mg/(h·g),最终ρ(MLSS)达到5.16 g/L. 3个反应器均能长期抑制亚硝酸盐氧化细菌的活性,使亚硝化稳定运行. 3个反应器中,R3恢复所需时间最长,但污泥活性最好; R1中的污泥活性较低,但是膜组件有效截留了污泥,达到了最高的ρ(MLSS).研究显示,通过厌氧预培养后转为膜生物反应器连续流运行的策略,可有助于污泥的极大保留及污泥活性的最大恢复.      

运动发酵单胞菌同步糖化发酵厨余垃圾制取乙醇

以学生食堂的厨余垃圾为原料,接种运动发酵单胞菌同步糖化发酵制取燃料乙醇,探讨其发酵过程的影响因素,并与酵母发酵的结果进行对比.结果表明,较适宜的乙醇发酵条件为：固液比1:0.5,pH5,接种量10%,温度30 , ℃ 发酵时间40h,在此条件下,乙醇产量为53g/L.与接种酵母进行乙醇发酵相比,运动发酵单胞菌发酵具有乙醇产率高,发酵速率快等优点,可以有效地从厨余垃圾中生产乙醇.     

白腐菌处理铅污染废弃稻草的动态变化研究

通过研究铅污染废弃稻草基质,探讨了不同w(Pb2+)条件下白腐菌对半纤维素、纤维素和木质素的降解性能以及发酵基质总重、腐殖酸碳的变化规律,并在降解半纤维素、纤维素和木质素的同时,研究了白腐菌对发酵基质中重金属的钝化作用.结果表明:在w(Pb2+)为200 mg/kg条件下,白腐菌对半纤维素、纤维素和木质素等较难降解的有机物表现出最好的降解性能,且对Pb2+的钝化作用很明显,对半纤维素、纤维素和木质素的降解率分别为52.36%,32.29%和44.16%;发酵基质总失重率最高达29.89%;w(腐殖酸碳)达142.01 mg/g.      

固定化酵母重复发酵性能调控

以2.5%海藻酸钠(w/v)、2%氯化钙(w/v)、2%菌体添加量(w/v,细胞干重)包埋固定酿酒酵母,通过增殖活化和批次短周期发酵对固定化粒子的发酵性能进行调控,减缓循环发酵中固定化粒子发酵性能的退化,同时利用扫描电镜(SEM)对固定化粒子的结构和酵母细胞分布情况进行表征.结果表明:调控后,固定化粒子在葡萄糖浓度为80g/L,pH 4.0,35℃的条件下发酵,发酵性能得到明显改善.调控前,连续3批次发酵,平均乙醇生产强度为0.33g/(L·h);调控后,批次发酵周期由72h缩短为24h,连续5批次发酵,平均乙醇生产强度提高至1.22g/(L·h).     

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.      

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%.     

卫生和生物反应器填埋场夏季N2O释放的研究

采用静态箱/气相色谱(GC)法现场监测了杭州市天子岭废弃物处理总场卫生填埋场和生物反应器填埋单元夏季的N₂O释放通量,并讨论了相关影响因素. 研究发现:卫生填埋场覆土后N₂O释放通量(以N₂O-N计)随垃圾填埋龄的增加而大幅降低,其均值(18.07 μg/(m2·h))为生物反应器填埋单元(5.57 μg/(m2·h))的3倍多. 垃圾填埋龄、覆土土质与结构及填埋场操作方式是影响填埋场N₂O释放的主要因素,这些因素均主要通过改变覆土的理化特性而影响N₂O的释放. 采用多元线性逐次回归分析得到:卫生填埋场N₂O与覆土含水率和有机碳(SOC)质量分数构成的线性方程显著相关(R2＝0.86,P<0.01);生物反应器填埋单元N₂O的释放通量与覆土含水率、碳氮比(w(C)/w(N))和w(NO₃-)构成的线性方程显著相关(R2=0.89,P<0.01).      

不同氧化剂辅助光催化反应对提高木质纤维素酶解效果的影响

木质纤维素以其可再生、丰富等优点成为可替代能源的理想选择,然而木质纤维素的致密结构使得后续的酶解过程极其困难,因此木质纤维素的预处理显得尤为重要.为了探讨氧化剂对光催化反应预处理木质纤维素的影响,在TiO₂/UV体系中添加不同种类的氧化剂对稻秆进行预处理,考察TiO₂/UV体系中影响光催化的因素〔ρ（TiO₂）、溶液pH及光催化时间〕,并进一步探讨在TiO₂/UV体系中添加O₃、SPC（过碳酸钠）、K₂S₂O₈及KIO₄等氧化剂对稻秆酶解效果的影响.结果表明:在TiO₂/UV体系中,当光催化时间为3 h、ρ（TiO₂）为10 g/L、pH为8时,稻秆的酶解效果最佳（310.17 mg/g）.TiO₂/UV/O₃光催化体系对稻秆的预处理效果强于TiO₂/UV/氧化剂体系,TiO₂/UV/O₃体系预处理稻秆酶解后产生的w（还原糖）最高,达到356.40 mg/g.TiO₂/UV/O₃体系预处理稻秆成分分析显示,木质素去除率为15.52%.FE-SEM（场发射扫描电镜）、FT-IR（红外光谱）及PXRD（X-射线粉末衍射）等表征分析结果表明,TiO₂/UV/O₃体系预处理能够对稻秆结构进行破坏.研究显示,TiO₂/UV/O₃光催化体系对稻秆进行预处理能够有效提高酶解效率.      

堆肥复合功能菌剂的优化组合研究

为提高堆肥中难溶性磷的转化及堆料的降解效率,选取课题组前期筛选、驯化的4株耐高温解无机磷菌 (X₁,X₂,X₃和X₄)和2株纤维素降解菌 (X₅和X₆),采用均匀设计对不同配比的菌株进行液体发酵培养,通过对发酵培养后解磷能力的指标分析,优选复合菌配比. 经均匀设计软件及DPS数据处理系统优化的结果表明,最佳的菌剂配比:φ(X₁)=13.66%,φ(X₂)=11.36%,φ(X₃)=11.41%,φ(X₄)=13.61%,φ(X₅)=10.62%,φ(X₆)=39.34%. 回归后的配方所得解磷总量实测平均值(230.12 mg/L)与理论值(228.75 mg/L)基本一致. 将优化的组合菌剂接种到纤维素液体发酵培养基中,培养168 h后CMCase酶活性高达39.76 U.