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 m L/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964×1010copies/g升至最高有机负荷下的6.83×1011copies/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.     

有机负荷对醋糟厌氧消化系统启动的影响

本研究通过醋糟的中温产甲烷潜力测试实验,考察了有机负荷对醋糟厌氧消化反应器启动的影响.并通过对不同有机负荷条件下的甲烷产量、液相组分的对比分析,结合热重、X射线衍射和红外光谱学方法进行差异表征,结果发现:1较低的有机负荷有利于缓解醋糟中有机物水解酸化过程中VFAs的积累和pH的下降,保证产甲烷过程的稳定进行.当接种物与基质VS比为1∶1[即有机负荷(以VS计)为1.78 g·(L·d)~(-1),pH=7.60]时的累积甲烷产量最高,达2 249.7 m L.随着有机负荷的提高,VFAs的累积浓度随之升高,使产甲烷过程受到不同程度的抑制并相继终止,且在接种物与基质VS比为1∶4时[即有机负荷为7.12 g·(L·d)~(-1),pH=5.52]实现了乙酸和乳酸的同步发酵(分别可达到8 000 mg·L~(-1)和2 650 mg·L~(-1)).2醋糟中木质纤维素类物质为短程有序的微晶结构或非晶结构,与富含纤维素类晶体结构物质的玉米秸秆等相比,其VS的降解率更高.醋糟中的木质素、纤维素、半纤维素的降解率随着有机负荷的降低而逐渐升高.     

酱糟与醋糟混合发酵产沼气研究

酱糟、醋糟是我国食品酿造行业产生的废弃物,通过厌氧发酵不仅可以解决废糟处理问题又可获取能源.因此本研究在中温(35±1)℃的条件下,根据C/N比的不同,进行了酱糟/醋糟干物质(TS)比分别为1∶0(N1)、1∶1.5(N2)、1∶3(N3)、1∶7(N4)、1∶18(N5)和0∶1(N6)的混合发酵实验.结果表明,单一酱渣的延滞期为17.46 d,混合发酵明显缩短了延滞期,为3.00-3.83 d;混合发酵组(N2～N5)累计产甲烷量的实验结果比计算结果分别提高了1％、16％、14％和10％,其中,N3组C/N比为25.7∶1,提高最为明显;各组发酵产生的沼气的甲烷体积分数在65％～ 70％之间;Gompertz模型拟合可以用于酱糟和醋糟混合发酵产甲烷的过程;酱、醋糟发酵的产酸类型以乙酸型发酵为主.     

废弃轮胎制备热解炭对醋糟厌氧产甲烷性能的提升效果研究

醋糟在酿造行业中大量产生,除少量用于饲料添加外,大部分成为生物质废弃物,适合于厌氧产沼方式进行能源化处理,但较低的产气量又成为制约厌氧消化工艺应用的主要因素.本研究发现利用废弃轮胎热解过程产生的热解炭,可有效提升醋糟厌氧产甲烷效果,在接种比为1∶1(以VS计)时,产甲烷效果最优,相对于未投加热解炭的对照组,甲烷产率提高...     

动物消化机制用于木质纤维素的厌氧消化

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源,食草动物和食木昆虫能高效消化植物中的木质纤维素,模拟动物消化系统的厌氧消化反应器却达不到相应的效果.为了更好地理解动物消化机理,并应用于厌氧消化反应器的设计和运行,对食草动物和食木昆虫的消化机制以及木质纤维素厌氧消化工艺的发展趋势进行了综述.动物消化系统的高效消化是其消化道中各种酶的协同作用以及一系列物理和生物化学活动的结果.强大的预处理过程能有效支持微生物发酵系统,如反刍动物的反刍、食木昆虫分泌的纤维素酶的催化及食木昆虫其消化道中的碱处理等;沿消化道形成的氧浓度梯度可能刺激一些微生物的水解活性;固体停留时间、消化物流动和终产物排除的有序安排,均能促进动物高效消化木质纤维素.源于瘤胃的厌氧消化工艺接种了瘤胃中的微生物降解木质纤维素,但其厌氧反应器内的环境条件对发酵的限制远远大于瘤胃发酵或后肠发酵的情况.因此,模拟动物消化机制可以更有效促进厌氧消化工艺降解木质纤维素类固体有机物废物.     

乙酸常温预处理对木质纤维素厌氧消化的影响

采用3 种稀酸组合(10%乙酸、10%乙酸加0.5%硝酸以及10%乙酸加0.5%磷酸),在常温条件下,对3 种木质纤维素样品(滤纸、中性复印纸和无油墨报纸)进行预处理,分别考察预处理对生物质组成纤维素、半纤维素和木质素的作用.并选取预处理后的无油墨报纸进行厌氧消化实验,研究不同稀酸预处理方式对木质纤维素厌氧消化的影响.结果表明,酸处理组能水解5%±1%纤维素和88%±1%的半纤维素,但是不能水解木质素;乙酸预处理降低了木质纤维素的亲水性和生物可降解性,从而降低了初始厌氧消化效率.添加0.5%的磷酸或0.5%硝酸不会明显改善乙酸对木质纤维素的水解效果.但是,添加磷酸的处理组在厌氧消化初期微生物量较少的情况下,能为微生物生长提供磷元素,有利于厌氧消化的启动;而添加硝酸的处理组不能缓解预处理对木质纤维素基质性质的影响,而且导致了丙酸的大量积累,从而恶化了厌氧消化的效果.     

不同负荷餐饮垃圾与城市厌氧污泥混合厌氧消化研究

本实验研究了不同有机负荷下,餐饮垃圾与消化污泥不同方式混合中温厌氧消化的过程。实验结果表明,1#-4#的酸化点均可逆,1#的酸化低值点为4.11,3#的为6.04,通过加入氢氧化钠溶液有效控制系统的酸化过程,防止出现酸抑制现象,使得各有机负荷均能进入正常的产甲烷阶段。1#-4#的单位生物气产量分别为0.18 L/gVs、0.85L/gVs、0.69L/gVs和0.44L/gVs,甲烷含量分别为56%、69%、57%和66%。混合厌氧消化后的剩余物比原消化污泥具有更好的生物降解能力。各负荷氨氮浓度在消化过程中的变化趋势一致,最高含量达1 183.28 mg/L。     

半连续泔脚垃圾与猪粪混合厌氧消化研究

在中温(35℃)条件下,采用逐渐提高有机负荷的半连续进料方式,研究泔脚垃圾厌氧消化规律。在1gVS/(L.d)、1.25 gVS/(L.d)和1.5 gVS/(L.d)的有机负荷下,厌氧消化系统能够稳定运行,实现水解酸化阶段和产甲烷阶段的动态平衡,甲烷产率与日产气量的变化规律一致,pH、VFA、氨氮浓度分别保持在7.2和360mg/L1、500 mg/L左右。当有机负荷为1.5 gVS/(L.d),每克VS的甲烷产率和甲烷百分数出现最大值,分别为1.40 L/g7、1.37%,此时厌氧消化系统处于最佳运行状态。     

PAM影响剩余污泥与酒精糟液高温共厌氧消化研究

为了使共厌氧消化技术在实际生产中得到应用,研究了广泛使用的絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺(PAM)对剩余污泥与酒精糟液高温共厌氧消化的影响,并考察了不同搅拌强度消除PAM的影响.结果表明,阳离子PAM的含量越高,对共厌氧消化反应影响越明显,相对高的搅拌速度有利用消除高分子PAM对质子传输的束缚作用,增加厌氧微生物与污泥的接触机...     

厌氧消化体系的酸碱性及其缓冲能力

厌氧消化体系的酸碱性及其缓冲能力是影响系统运行状况的重要因素。为研究体系的pH值和缓冲能力的大小及其变化规律,依据溶液电中性理论,在充分分析厌氧消化体系内影响酸碱性的诸多因素和过程的基础上,建立了消化液的电荷平衡方程,以此表明体系内的多相化学平衡。通过对方程确定的pH值随有机酸浓度变化曲线的讨论,指出有机酸浓度对消化液pH值的影响受体系中氨、磷酸、钙、其它离子含量及气相二氧化碳分压的制约,曲线拐点处的有机酸含量反映体系的最大缓冲能力,该值可由近似公式求得,并提出对消化液的pH值及体系的缓冲能力实施控制的途径。     

高温厌氧处理后炼厂浮选渣过滤性能的研究

本文考察了高温厌氧消化处理炼油厂浮选的过滤脱水效果，得出在污泥停留时间为１０天的条件下，厌氧过程能较好地进行；高温消化后的污泥过滤脱水性能有较大的改善；过滤后的滤饼含水率明显降低，由新鲜浮渣的９１％可降到５７％。     

高温厌氧法处理炼厂浮选渣的研究

本文考察了高温厌氧消化处理炼油厂浮选渣的效果，得出在污泥停留时间为10天的条件下，厌氧过程能较好地进行，高温消化后的污泥脱水性能有较大的改善；离心后的渣相含水率明显降低．     

有机垃圾单级高固体厌氧消化启动实验研究

在中温（35 ℃）条件下,应用连续式单级高固体厌氧消化技术对有机垃圾进行了实验室规模的处理研究.在启动阶段,垃圾进料量随反应器内pH值及产气量的变化作适当调节.结果表明,在反应器进料有机垃圾的含固率（TS）达到24.79%,挥发性固体物质（VS）达到230.62 g/kg的情况下,系统的产气效率以进料VS计达到了705.77 L/kg.反应器启动30 d后,内部料液的pH值稳定在6.9～7.3之间.在稳定运行阶段,以进料VS计,高固体厌氧消化反应器的有机负荷率（OLR）达到6.98 kg/(m³·d),水力停留时间（HRT）为35 d,启动实验取得了较为理想的效果.     

强化两相污泥高固厌氧消化系统的微生物群落

污泥高固厌氧消化具有反应器体积小、能耗低、沼渣少等优点,但其相关机制尤其是微生物机制研究还非常有限.利用16S rRNA克隆文库技术,本研究考察了一个中试污泥高固厌氧消化系统稳定运行期的微生物群落.该中试系统采用"超高温酸化(70℃)-高温甲烷化(55℃)"的强化两相厌氧消化工艺,处理剩余活性污泥的含固率约为9%.在总的固体停留时间仅15.5 d(酸化3 d+甲烷化12.5 d)时,系统挥发性固体(volatile solid,VS)去除率为35.7%,甲烷产率(以CH4/VS去除计)为0.648 m~3·kg~(-1).两相的细菌组成差异较大:在超高温酸化相存在大量降解蛋白质/氨基酸的细菌;在高温产甲烷相则主要是降解纤维素等多糖和一些简单糖类的细菌以及长链脂肪酸降解细菌;两相中都存在降解简单糖类的细菌.两相的古菌绝大部分都属于Methanothermobacter,特别是高温产甲烷相检出的古菌100%都属于Methanothermobacter,由于仅在产甲烷相检测到沼气,这表明系统中的甲烷化过程主要通过氢营养途径进行.     

厌氧消化技术与“三湖”有机污染防治

有机污染是近年来“三湖”污染的一个显著特征，利用厌氧消化技术，特别是应用大中型沼气工程及氧生物净化处理工程处理有机污水，投资经济，效果明显，易于实施，具有广阔的前景。     

中温厌氧消化与高温厌氧消化对污泥重金属风险及稳定性的影响

通过分析中温厌氧消化+机械脱水以及热水解预处理+高温厌氧消化工艺过程中重金属含量与形态的变化,研究了中温厌氧消化与高温厌氧消化工艺对污泥重金属风险、形态及稳定性的影响.结果表明,中温厌氧消化工艺增加了污泥中Cd、Cr、Cu、Ni和Zn的含量,重金属污染等级和潜在生态风险增强.高温厌氧消化工艺降低了污泥Cd和Cr的含量,重金属污染等级和潜在生态风险降低.其中,N厂污泥主要致污染金属为Cd和Zn,S厂污泥主要致污染金属为Cd;Cd是6种重金属风险系数最高的,是污泥潜在生态危害的最大贡献者.中温厌氧消化后,污泥中Cd、Ni、Pb和Zn的可还原态和可氧化态所占质量分数之和降低;Cd、Cr、Cu和Ni的残渣态所占质量分数降低.可见,中温厌氧消化后,污泥重金属的潜在毒性和稳定态向直接毒性转化.高温厌氧消化后,污泥Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的可交换态所占质量分数降低;Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的残渣态所占质量分数亦降低,可见,高温厌氧消化后,重金属的直接毒性和稳定态向潜在毒性转化.     

高含固污泥厌氧消化中蛋白质转化规律

采用剩余污泥在含固率(total solid,TS)为12%条件下进行中温(37℃)厌氧消化,通过分析厌氧消化前后污泥蛋白质组分的变化情况,研究了高含固污泥厌氧消化中蛋白质的转化规律,探讨了高含固条件下污泥蛋白质转化效率较低的原因.结果表明,经过45 d的厌氧消化处理,污泥蛋白质的转化率为34.26%.污泥蛋白质转化效率较低的原因主要表现在:(1)高含固条件下污泥的传质较差;同时,污泥蛋白质经水解过程形成大量的氨氮,反应结束后污泥总氨氮(total ammonia nitrogen,TAN)质量浓度达到1 201 mg·L~(-1),导致对厌氧消化过程,尤其对蛋白质的分解表现出一定的抑制作用;(2)三维荧光光谱(three-dimensional fluorescence spectroscopy,3D-EEM)分析表明,部分蛋白质向腐殖质类、富里酸类物质转化,从而更难分解;(3)通过二维电泳(two-dimensional electrophoresis,2-DE)-质谱(mass spectrometry,MS)分析发现,厌氧消化后污泥蛋白质的相对分子质量和等电点(isoelectric point,p I)降低;最终,污泥中残留的大部分蛋白质来源于微生物体内.由于微生物代谢能力随着厌氧消化过程的进行而减弱,难以继续利用这些蛋白质,或消化体系中不具备分解这些蛋白质的酶,从而限制了污泥中蛋白质的分解效率.