太湖西部湖区沉积物厌氧氨氧化潜在速率及其脱氮贡献研究

厌氧氨氧化作为一种异于反硝化的氮转化途径,可同时将氨氮与亚硝氮转化为氮气,是沉积环境中重要的脱氮过程.本文基于15N同位素配对技术,利用15NH+4、15NH+4+14NO-3和15NO-3三组同位素开展泥浆培养试验,研究了四季太湖西部湖区沉积物厌氧氨氧化潜在速率及其脱氮贡献率;结合厌氧氨氧化功能基因丰度及沉积物理化特征,探讨了沉积物厌氧氨氧化潜在速率季节性差异的成因.研究结果表明:沉积物厌氧氨氧化潜在速率存在显著的季节差异性,夏、秋季显著高于春、冬季,秋季最高,为10.11μmol·kg-1·h-1(以N2计,下同),冬季最低,为3.24μmol·kg-1·h-1;沉积物总脱氮速率为10.67~31.02μmol·kg-1·h-1,其中厌氧氨氧化脱氮效应显著,四季脱氮贡献率高达30%~40%.有机质、氨氮及其功能基因丰度是影响厌氧氨氧化潜在速率的重要因子,研究区域沉积物孔隙水夏、秋季氨氮浓度和厌氧氨氧化功能基因丰度均高于春、冬季,沉积物有机质含量低于春、冬季,厌氧氨氧化潜在速率随沉积物孔隙水氨氮及其功能基因丰度升高而升高,随沉积物有机质升高而降低.     

温度对微好氧消化处理高含固厌氧消化污泥的影响

采用微好氧消化对高含固厌氧消化污泥进行后处理,考察了在常温、中温及高温条件下反应器的运行性能以及污泥植物毒性的改善。结果表明:在污泥停留时间为8 d,供气量为2.4 L/min的微氧条件下,高含固厌氧消化污泥VS进一步降解,比耗氧速率降低,挥发性脂肪酸及氨氮等小分子物质浓度显著降低,污泥趋于更加稳定的状态。随着处理温度的提高,污泥VS、比耗氧速率和总氨氮呈逐渐下降趋势。种子发芽实验表明:经微好氧消化处理后,污泥对向日葵、矢车菊、牵牛花等种子发芽的抑制作用均逐渐下降,说明微好氧消化有利于改善高含固厌氧消化污泥的植物毒性。而且随着处理温度的增加,处理后污泥的植物毒性呈增加趋势,这可能与挥发性脂肪酸含量的增加有重要关系。总体看来,与常温和高温条件相比,中温微好氧消化是改善高含固厌氧消化污泥土地利用性能更为可行的工艺。     

四级串联厌氧反应器对阿卡波糖废渣的减量处理

发酵生产阿卡波糖的过程会产生大量发酵废渣,该废渣处理成本高昂且易造成环境污染。因此,寻找高效环保和低成本的废渣减量处理方法,是目前亟需解决的问题。采用四级串联厌氧反应器对阿卡波糖废渣液进行减量处理,经过启动阶段和负荷提高阶段,共运行68 d。其中,负荷提高阶段增加水解酸化罐作为预处理工艺,两阶段有机负荷分别为1.16,3.32 kg/(m3·d)。结果表明:水解酸化罐作为预处理工艺可提高系统稳定性;系统运行后期可溶性COD去除率达83.3%,平均容积产气率为0.36 m3/(m3·d),废渣中固体物质的去除率达64%,在2—4号罐体底部观察到直径0.8~2 mm的颗粒污泥形成。     

High-solids anaerobic mono-digestion of riverbank grass under thermophilic conditions

The purpose of this study was to investigate the potential of high-solids anaerobic mono-digestion of riverbank grass under thermophilic conditions, focusing on the effects of the strength and the amount of inoculum. Ensiled grass was inoculated with three different inocula; inoculum from liquid anaerobic digester (LI), inoculum from dry anaerobic digester (DI), and mixture of LI and DI (MI), at feedstock-to-inoculum ratio (FIR) of 1, 2 and 4. The ensiling process of riverbank grass reduced moisture content (p > 0.05), while the hemicellulose content was significantly increased from 30.88% to 35.15% (p < 0.05), on dry matter basis. The highest methane production was at an FIR of 2 with MI (167 L/kg VS_added), which was significantly higher (p < 0.05) than with DI, but not significant compared to LI (p > 0.05). At an FIR of 4, digesters inoculated with LI and DI failed to produce methane, whereas 135 L_CH4/kg VS_added was obtained with MI. The kinetic studies showed that at an FIR of 1 with LI and MI, the inoculum had less of effects on the hydrolysis rate constant (0.269 day^− 1 and 0.245 day^− 1) and methane production (135 versus 149 L/kg VS_added); rather, it affected the lag phase. In a thermophilic HS-AD of riverbank grass, the mixture of inoculum with low and high total solids content (TS) helps increase the TS of inoculum and digestion process. An FIR of 2 was deducted to be the limit for a better startup time and higher volumetric productivity of methane.     

Effects of the support material addition on the hydrodynamic behavior of an anaerobic expanded granular sludge bed reactor

As a support material, zeolite can be used to promote the granulation process due to its high settable property and the ability to retain biomass on its surface. The present paper reports on the influence of zeolite addition on the hydrodynamic behavior of an expanded granular sludge bed reactor (EGSB). Different models were applied to fit the flow pattern and to compare EGSB hydrodynamic performance with and without the addition of zeolite. The experimental data fit the tanks in a series model for zeolite bed height of 5 cm and upflow velocity of 6 m/hr. Higher axial dispersion degree (D/uL) was obtained at lower heights of zeolite. The real hydraulic retention time (HRTr) was increased with both increased zeolite bed height and increased upflow velocity. The short-circuit results for 5 cm of zeolite bed and 6, 8 and 10 m/hr upflow velocity were 0.3, 0.24 and 0.19 respectively, demonstrating the feasibility of using zeolite for a proper hydrodynamic environment to operate the EGSB reactor. The presence of zeolite resulted in the higher percentage values of dead zones, ranging from 12% to 24%. Zeolite addition exerted a positive effect on the hydrodynamics pattern for this technology being advantageous for the anaerobic process because of its possible contribution to better biofilm agglomeration, granule formation and substrate-microorganism contact.     

海洋厌氧氨氧化菌的富集培养及其脱氮特性

采用ASBR厌氧氨氧化反应器,通过接种胶州湾底泥,研究了海洋厌氧氨氧菌的富集培养及其脱氮特性.实验结果表明:海洋厌氧氨氧化菌的富集培养可分为4个阶段:菌体自溶期(1~15 d)、迟滞期(16~152 d)、活性提高期(153~183 d)与稳定运行期(184~192 d).与淡水厌氧氨氧化相比,其迟滞期(137 d)较长,活性提高期(30 d)较短,对基质浓度与HRT的变化更敏感,且由进出水导致的菌活性延迟时间为5 h,远长于淡水厌氧氨氧化菌,因此海洋厌氧氨氧化菌对新环境的适应能力更弱,更难富集培养.经过192 d运行,对NH_4~+-N与NO-2-N的去除率分别达到96.98%与95.66%,三氮转化比n(NH_4~+-N)∶n(NO-2-N)∶n(NO-3-N)为1∶(1.2±0.2)∶(0.22±0.06),接近理论比(1∶1.32∶0.26),NRRNH_4~+-N升至0.080 kg·(m~3·d)-1,海洋厌氧氨氧化菌活性显著提高,这标志着海洋厌氧氨氧化菌富集成功.反应器运行过程中,污泥逐渐由黑色泥状变为砖红色颗粒状,扫描电镜观察,该砖红色颗粒为表面光滑,排列紧密、有类似火山口形状的球状菌相互黏聚而成的菌团.     

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化过程强化新视角:排泥及其微生物机制研究

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation, n-DAMO)是微生物在厌氧条件下利用甲烷还原亚硝酸盐的过程.本研究通过排泥的策略对n-DAMO过程进行强化,并比较分析了反应器中微生物的群落结构及功能微生物数量.结果发现,与对照组相比,排泥后实验组反应器的脱氮速率从17.00 mg·L~(-1)·d~(-1)提高到73.10 mg·L~(-1)·d~(-1).排泥后反应器中n-DAMO细菌的相对丰度从38.3%上升到67.7%,功能微生物的基因拷贝数由1.404×10~8 copies·g~(-1)增长到4.854×10~8 copies·g~(-1),污泥比活性提高了2.95倍.与之相反,初始反应器中其余优势微生物Unclassified_GCA004、Unclassified_Rhodocyclaceae、Unclassified_Fimbriimonadaceae与Methylosinu相对丰度分别下降为原来的27.66%、32.65%、4.35%、20.27%.结果表明,排泥可以有效地强化n-DAMO过程,同时促进功能微生物的生长,主要原因在于排泥排出了非目标微生物,使得目标微生物大量生长.本研究为强化n-DAMO过程及加快n-DAMO微生物的富集提供了一条新思路,并为进一步推动n-DAMO过程的工程应用提供了理论基础.     

AFMBR处理生活污水的功能菌群特性研究

厌氧流化床膜生物反应器(AFMBR)作为一种低耗产能的高效厌氧反应器,在处理生活污水中有着巨大的潜力.本研究主要利用宏基因组测序技术对AFMBR系统内的微生物菌群进行探究,结果表明:与接种菌群相比,AFMBR经过一段时间的连续运行后,在属水平上古菌优势菌属由接种时的甲烷囊菌属变为甲烷八叠球菌属、甲烷杆菌属,细菌的整体菌属结构发生了较大变化;在种水平上,系统内不存在较明显的优势菌种.从相对丰度比例≥1%的菌种来看:水解发酵菌群产氢产乙酸菌群产甲烷菌群,但各菌群之间相对丰度的差距较小.从基因水平来看,系统内与碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢相关的基因丰度较高,二氧化碳、乙酸转化为甲烷是系统产甲烷的主要途径.     

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.     

醋糟高效厌氧消化体系构建

运用高固态厌氧消化模式,通过提高反应体系均质程度和沼液回流等手段,逐步提升物料负荷,对未经预处理的醋糟进行厌氧消化处理,成功构建了醋糟高效厌氧消化体系.结果表明,在反应体系物料负荷达到6.15 g·(L·d)~(-1)时表现出最佳的厌氧消化性能,单位干物料产沼气量为396 m L·g~(-1),单位干物料产甲烷量为211 m L·g~(-1).该物料负荷下半纤维素降解率达到63.66%,是醋糟厌氧消化性能提高的主要原因.纤维素、木质素的降解率分别为21.46%、24.43%,较低的降解效率主要是由于木质素中的苯环结构难以降解,并阻碍纤维素酶的水解作用,对纤维素降解产生屏蔽效应.