产氢反应器内两种发酵类型细菌的种群结构与发酵特征

通过改变CSTR系统内pH值,启动发酵类型由乙醇型向丁酸型转化,研究了转化前后系统内产氢动态和细菌群落变迁.结果表明,在有机负荷不变的情况下,启动发酵类型转化15d后,系统内种群由乙醇型转化为丁酸型,消耗碱度量由350mg.L-1增至1720mg.L-1,平均比产氢速率由21.2mol.kg-.1d-1降低至11.1mol.kg-.1d-1.荧光原位杂交技术(FISH)对反应系统内3类微生物群的监测结果表明,未启动转化时,肠杆菌、梭菌Ⅰ、Ⅱ和梭菌Ⅺ的相对丰度分别为22%、48%和30%,转化结束后,3类细菌的相对丰度为19%、24%和55%.     

不同产酸发酵菌群产氢能力的对比与分析

重点对乙醇型发酵菌群和丙酸型发酵菌群的产气及产氢能力进行了对比研究,并对发酵菌群由丙酸型演替为乙醇型过程中的产氢速率变化进行了分析.在有机负荷相同的条件下,乙醇型发酵菌群表现出较高的产氢速率和比产氢速率,最大产氢速率为14.99L/d,最大比产氢速率为3586.45mmol/(kg·d).而丙酸型发酵菌群产氢速率和比产氢速率都较低,分别为3.62L/d,196.46mmol/(kg·d)生物制氢反应器在运行中维持乙醇型发酵更有利于获得较高的氢气产量,应尽量避免丙酸型发酵的发生.     

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.      

C/N对污泥厌氧发酵产酸类型及代谢途径的影响

研究了污泥的初始C/N对污泥发酵产酸类型的影响及产酸代谢途径.初始C/N在12时,形成的是乙酸型发酵类型;当初始C/N在56左右,可实现丙酸型发酵类型;而当C/N处于156时,则形成丁酸型发酵.不同发酵产酸类型的形成是由优势产酸菌群的改变导致的.末端限制性片段长度多态性分析(T-RFLP)微生物种群的结果表明,构成乙酸型发酵类型的主要优势菌群为消化链球菌属;而丙酸型发酵类型中的优势菌群则为丙酸杆菌属;梭菌属则是丁酸型发酵类型中的优势产酸功能菌.有机酸代谢途径中关键酶活性检测结果表明,在低C/N条件下,乙酸的累积主要是通过氨基酸之间的Stickland反应形成,而随着C/N值的增大,导致丙酸和丁酸累积的主要代谢途径转变为糖酵解的丙酮酸途径.     

产氢发酵新菌Ethanoligenens sp.B49对铁的依赖性及产氢途径初探

采用典型产氢途径的丁酸梭菌和阴沟肠杆菌作为对比菌株,铁元素作为限制性因子,研究Ethanoligenens sp.B49的产氢代谢过程对铁的依赖性以及产氢机制.铁限制性培养结果表明,与完全培养条件相比,在铁浓度限制在2 mg·L-1条件下B49仍保持很好的生长状态和产氢性能,其产氢不受铁元素不足的影响,即其产氢行为不具有铁依赖性;这一性质与梭菌型产氢途径的丁酸梭菌表现出相似的规律,完全区别于阴沟肠杆菌铁依赖型的产氢机制.初步判断高效产氢菌B49的产氢代谢途径类似于梭菌型产氢途径.     

末端产物对乙醇型发酵菌群产氢能力及代谢进程的影响

利用连续流搅拌槽式反应器(CSTR)在一定条件下驯化成功的乙醇型产氢发酵菌群,通过静态培养实验,以葡萄糖为碳源,利用缓冲液控制反应体系pH值,通过不同的pH值环境使产氢发酵菌群末端产物生成比例发生改变,考察了不同的末端产物生成比例对菌群产氢能力的影响.结果表明,在液相末端产物总量相当的情况下,乙醇生成比例高时氢气产量也较高.通过外加乙醇和乙酸进行静态产氢实验发现,乙醇对发酵产氢的抑制作用不明显,同对照组相比,外加40 mmol/L时氢气产量仅下降了34%,而乙酸的存在对菌群的发酵产氢有较强的抑制,外加乙酸浓度为10 mmol/L时即对产氢发酵产生明显抑制,浓度为40 mmol/L时产氢量较对照组降低了84.3%,液相末端产物也大幅降低,混合菌群最终形成乙醇型发酵应是菌群自然选择的结果.     

末端产物对乙醇型发酵菌群产氢能力及代谢进程的影响

利用连续流搅拌槽式反应器(CSTR)在一定条件下驯化成功的乙醇型产氢发酵菌群,通过静态培养实验,以葡萄糖为碳源,利用缓冲液控制反应体系pH值,通过不同的pH值环境使产氢发酵菌群末端产物生成比例发生改变,考察了不同的末端产物生成比例对菌群产氢能力的影响.结果表明,在液相末端产物总量相当的情况下,乙醇生成比例高时氢气产量也较高.通过外加乙醇和乙酸进行静态产氢实验发现,乙醇对发酵产氢的抑制作用不明显,同对照组相比,外加40 mmol/L时氢气产量仅下降了34%,而乙酸的存在对菌群的发酵产氢有较强的抑制,外加乙酸浓度为10 mmol/L时即对产氢发酵产生明显抑制,浓度为40 mmol/L时产氢量较对照组降低了84.3%,液相末端产物也大幅降低,混合菌群最终形成乙醇型发酵应是菌群自然选择的结果.     

底物浓度对海洋暗发酵菌群产氢的影响

为研究底物浓度对海洋发酵菌群产氢过程的影响,海水养虾虾池底泥经热处理后作为产氢菌种,利用摇瓶发酵实验,研究不同蔗糖浓度(5、10、15、20、25和30 g/L)对产氢过程的影响。结果表明:底物浓度过高或过低都不利于产氢。当蔗糖浓度为20 g/L时,累积产氢量、产氢速率和底物转化效率最高,分别为(1 250±51)mL H2/L、(35.0±1.4)mL H2(/L·h)和(1.21±0.06)mol H2/mol蔗糖。发酵液终末pH值和底物消耗率与底物浓度呈反相关。利用PCR-DGGE技术分析产氢菌群,发现梭菌是所有底物浓度条件的优势菌种。因此,为保证产氢体系持续产氢,应控制底物浓度达到高效产氢的目的。     

复合式厌氧折流板反应器作为制氢系统的乙醇型发酵调控研究

乙醇型发酵被认为是产氢发酵类型中的最佳选择.以赤糖废水为底物,进行了五格室、总有效容积为43.2 L的复合式厌氧折流板反应器作为制氢系统的乙醇型发酵调控研究.为期64 d、3个阶段的实验结果表明,以好氧活性污泥作为接种污泥,在水力停留时间为12 h、进水pH为5.0~7.0之间、温度为35℃±1℃的条件下,通过分阶段提高进水COD的方式,可使HABR系统在启动阶段培育出具有稳定产氢效能的乙醇型发酵菌群体系.由于废水进入每一个格室的状态不同,每个格室形成的微生物菌群结构不同,虽然也都形成了乙醇型发酵,但是产氢能力有所差异,第二格室产氢量最高.系统第二阶段,COD为6500 mg·L-1时,平均COD去除率为43.34%,平均产氢量为14.91 L·d-1,此阶段效果最佳.在第三阶段,COD过高,系统产氢量与COD去除率出现下降,但产氢系统并没有崩溃.系统可同时生产氢和乙醇,其能量值在第二阶段达到最高值,平均为3340.62 kJ·d-1.在不同的COD条件下,氢气与乙醇生产速率的线性关系为y(氢)=0.351x(乙醇)-0.181(R2=0.9767).     

碱处理污泥发酵产氢生物相特征

为了揭示碱处理污泥发酵产氢生物相的特征,分别将取自3个不同处理工艺污水厂的污泥进行碱处理,并分别在酸性(pH5)和碱性(pH11)的条件下进行发酵产氢.结果表明,虽然污泥来源不同,但经碱处理后溶出的可溶性有机质均以蛋白质居多,碳水化合物的量仅是蛋白质的15%～16%,在初始pH11的碱性条件下发酵产氢均可获得较高的产氢率,最大(以H2/TCOD计)可达31.9mL/g,但在初始pH5的酸性条件下产氢率不高,且伴有耗氢现象.用F338GC/R534细菌16SrDNA通用引物对发酵产氢结束时的生物相进行PCR-DGGE分析,不同污水厂污泥产氢的生物相差异显著.随着发酵的进行,生物相中优势菌群有增多的趋势,产氢反应过程中微生物菌群表现出更替消长的现象.     

CSTR系统发酵产氢细菌群落动态与产氢能力关系解析

将CSTR系统内pH由4.2一次性提高至6.0左右,启动发酵类型的转化,研究了转化过程系统内的产氢动态和细菌群落.结果表明,在有机负荷维持在（33±1）kg/(m³·d)的情况下,发酵类型10 d内未发生改变,产氢量8 d内未降低,15 d后系统内种群由乙醇型转化为丁酸型,进水碱度由250 mg/L增至2 450　mg/L.研究中利用荧光原位杂交技术（FISH）对反应系统内3类微生物群进行监测发现,在转化过程中Clostridium cluster XI数量增加,Clostridium cluster Ⅰ 和Ⅱ数量减少,而Enterobacteriaceae始终存在,变化不明显.种群的消长同反应系统产氢能力的高低存在密切关联,以Clostridium cluster Ⅰ和Ⅱ占优势的乙醇型发酵具有更佳的产氢能力,平均比产氢速率为23.6 mol/(kg·d).     

ABR发酵系统运行特性及产氢效能研究

为解决连续流搅拌槽式反应器(CSTR)发酵制氢系统存在的不足,如单位基质氢气转化率低、因搅拌带来的耗能,抗负荷冲击能力不强等问题,开展了厌氧折流板反应器(ABR)发酵产氢的研究.结果表明,在35℃和进水COD 5000mg/L等条件下,ABR系统可在26d达到乙醇型发酵,其比产氢速率为0.13L/(gMLVSS·d),而在同样条件下, CSTR达到乙醇型发酵后,比产氢速率仅为0.06L/(gMLVSS·d).ABR通过生物相的分离,使产氢系统梯级利用有机物并达到深度产氢的目的.与CSTR相比,ABR具有较高的产氢活性、较低能源消耗等优点,是一种较为理想的有机废水发酵制氢反应设备.     

pH5条件下生物制氢反应器的启动及运行特性

采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR),以糖蜜废水为底物,探讨了pH5条件下生物制氢反应器的启动和运行特性.结果表明,保持反应器内pH为5,污泥接种量为6g/L、COD启动负荷为7.0kg/(m³·d)、水力停留时间(HRT)为6h等条件,可在30d内完成产氢发酵菌群的驯化.此时系统氧化还原电位(ORP)稳定在-460mV～-480mV之间,系统呈现明显的混合酸发酵特性.其液相末端发酵产物比例分布相当,乙酸、乙醇、丁酸、丙酸和戊酸含量分别占发酵产物总含量的36%,33%,18%,13%.没有占绝对优势的发酵产物.气相中的氢气含量30%～35%,其最大产氢能力为1.3m³/(m³·d).生物制氢反应器混合酸发酵稳定运行期各种产酸发酵细菌处于均势地位,以球菌和杆菌为主.     

厌氧发酵生物制氢微生物及工艺开发的研究进展

厌氧发酵生物制氢在国内外受到了普遍关注,如何确保稳定、持续、高效的产氢率成为生物制氢研究的关键问题所在.本文在查阅国内外大量文献的基础上,重点介绍了产氢发酵微生物、产氢菌种的构建、产氢反应器及厌氧发酵产氢工艺的最新研究状况.同时,就两相循环高温氢/甲烷发酵工艺的进一步发展前景提出了建议.     

沼液回流时间对厨余垃圾高含固厌氧发酵的影响

研究了高温(55±2)℃下沼液回流时间(1,6,12,24 h/d)对厨余垃圾高含固(15%TS)厌氧发酵产氢的影响,并探讨了不同沼液回流时间下微生物群落的演替规律。结果表明:增加沼液回流时间可提高产氢量,缓解VFAs积累的抑制效应,回流时间为24 h/d时氢气累积产量最大,为111.44 L,VFAs浓度为28.34 g/L,比回流时间1 h/d时降低了15.40%。厨余垃圾厌氧发酵过程中延长回流时间可恢复酸化体系的pH,且未形成氨积累。回流时间较短(12 h/d)的S实验组中,随着发酵的进行,微生物群落结构多样性降低,在门水平上Firmicutes逐渐演替为优势菌(49.2%~89.5%),回流时间较长(24 h/d)的T实验组一直保持较高的微生物多样性,发酵结束时,Firmicutes、Chloroflexi、Proteobacteria、Euryarchaeota相对丰度分别为27.8%、33.6%、13.0%和12.3%;属水平上T实验组(24 h/d)的产氢菌相对丰度高于S实验组(12 h/d),发酵结束时产氢菌Clostridium和Thermoanaerobacterium的相对丰度分别为10.5%和3.2%。延长沼液回流时间可促进VFAs与葡萄糖代谢产氢。冗余分析表明,沼液回流时间和产气量主要与Firmicutes和Chloroflexi中菌属变化较明显相关。     

利用养殖场废水厌氧发酵生物制氢技术研究

在批式厌氧反应器中,以厌氧消化污泥作为天然产氢菌源,通过养殖场废水的厌氧发酵生产氢气,考察了厌氧污泥和碳氮营养物质对养殖场废水产氢的影响,并对液相产物的分布、产氢动力学进行了分析.试验分为4个处理.结果表明,加入营养物质接种污泥的养殖场废水氢气含量、累积产氢量和单位COD氢气产量最高可达到50.65%、334.80mL和287.10mL/g.而未接种污泥的原始养殖场废水累积产氢量和单位COD氢气产量仅为59.24mL和67.05mL/g.污泥和碳氮营养物质对产氢能力均有显著地促进作用,加入碳氮源后微生物群促进了原养殖废水有机物的氢的形成.液相末端产物中,乙酸、丁酸占总挥发酸的61%～86%,产氢过程属于典型的乙酸-丁酸型发酵.总挥发性酸含量的提高,其产氢能力也增大. Gompertz模型能够很好地拟合其产氢过程.     

连续流生物制氢反应器乙醇型发酵的运行特性

采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR),利用厌氧活性污泥,在制糖废水产酸发酵过程的同时制取氢气.探讨了生物制氢反应器连续流稳定运行的工程控制参数.研究表明,在污泥接种量为15g/L、温度为35℃±1℃、COD容积负荷为40kg/(m³·d)、HRT为4h、系统pH、氧化还原电位(ORP)分别在4.6～4.9、-450～-470mV等条件下,可以实现连续流生物制氢反应系统乙醇型发酵的高效稳定运行.此时,液相末端发酵产物中乙醇和乙酸的含量占挥发酸总含量的80%以上,COD去除率22%～26%,气相中的氢气含量约为40%～58%,最大产氢能力为7.63m³/(m³·d).     

发酵温度对青海农用沼气池微生物群落的影响

为了研究发酵温度对青海农用沼气池微生物群落结构的影响,以沼气池全年6个温度时期的24个泥样为研究对象,采用变性梯度凝胶电泳分析样品中细菌与古菌的群落结构及其变化差异.结果显示：发酵温度的波动变化对微生物群落结构、多样性及沼气池产气量影响显著.细菌在温度最高（九月中旬）和最低（三月中旬）的2个采样时期多样性最高,古菌仅在温度最高时期多样性最高.在细菌类群中,厚壁菌门Firmicutes、拟杆菌门Bacteroidetes和变形菌门Proteobacteria是所有样品中丰度最高的类群（三者总和>72.43%）,是发酵系统中重要的功能细菌类群.细菌属分类水平上,理研菌科佩特里单胞菌属Petrimonas、梭菌属Clostridium、泰氏菌属Tissierella和假单胞菌属Pseudomona是所有样品的优势类群,总丰度比例较为恒定（约32.40%）.在古菌类群中,甲烷微菌目是最优势类群,丰度为40.62%~64.74%.产甲烷菌属Methanogenium是所有样品中主要的产气功能种群,丰度波动范围为32.62%~55.74%,随全年温度的变化而波动,此与沼气的产气规律相一致.