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腐殖酸和产甲烷抑制剂对厌氧污泥发酵产氢效能的影响

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环境科学学报 2021年第4期41卷 1458-1464页

作者：桑静班巧英李建政山西大学环境与资源学院太原030006 哈尔滨工业大学环境学院哈尔滨150090

为提高厌氧污泥的发酵产氢能力,采用间歇培养方式考察了不同产甲烷抑制剂与腐殖酸联合作用对厌氧污泥发酵葡萄糖产氢效能的影响,并通过Illumina MiSeq测序揭示了微生物群落结构的变化规律.结果表明,在葡萄糖初始浓度为500 mg·L^(-1)条... 详细信息

为提高厌氧污泥的发酵产氢能力,采用间歇培养方式考察了不同产甲烷抑制剂与腐殖酸联合作用对厌氧污泥发酵葡萄糖产氢效能的影响,并通过Illumina MiSeq测序揭示了微生物群落结构的变化规律.结果表明,在葡萄糖初始浓度为500 mg·L^(-1)条件下,经过120 h的连续培养后,对照的累计产氢量为1.2 mL,存在明显的耗氢现象.当加入0.02%氯仿(V/V)、0.04%氯仿(V/V)或2-溴乙酸磺酸钠(10 mmol·L^(-1))后,耗氢现象得到有效控制,它们的累计产氢量分别为15.7、13.2和9.4 mL.当向发酵系统同时加入产甲烷抑制剂和腐殖酸后,可以显著提高厌氧污泥的产氢效能.其中,0.02%氯仿和腐殖酸联合作用的促进效果最佳,其累计产氢量和最大产氢速率(Rmax)分别达到了17.4 mL和0.24 mL·L^(-1).相反,当替硝唑作为产甲烷抑制剂时,仍然存在耗氢现象.Illumina MiSeq测序结果表明,发酵系统中优势菌群的相对丰度存在显著差异.在对照系统中,Ottowia、Ignavibacterium、Nitrospira、Saccharibacteriageneraincertaesedis和Terrimona为优势菌群,其相对丰度为2.2%~4.2%.当0.02%氯仿和腐殖酸加入发酵系统后,Ottowia和Saccharibacteriageneraincertaesedis的相对丰度较对照分别增加了11.9%和31.8%,而Nitrospira的含量显著减少.

关键词：厌氧污泥腐殖酸产甲烷抑制剂生物制氢微生物群落结构

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剩余污泥厌氧消化抑制产甲烷代谢研究进展

应用化工 2024年第2期53卷 443-446页

作者：肖雨徐辉刘方剑杨波东华大学环境科学与工程学院上海201620

首先阐述了抑制污泥厌氧产甲烷代谢的环境因素,主要是初始溶解氧、有机负荷、温度及pH。归纳了污泥厌氧消化产甲烷的内源抑制因素腐殖酸、氨氮及盐度,腐殖酸可通过竞争产甲烷菌的电子及影响相关酶的活性来抑制产甲烷,氨氮主要依靠影响... 详细信息

首先阐述了抑制污泥厌氧产甲烷代谢的环境因素,主要是初始溶解氧、有机负荷、温度及pH。归纳了污泥厌氧消化产甲烷的内源抑制因素腐殖酸、氨氮及盐度,腐殖酸可通过竞争产甲烷菌的电子及影响相关酶的活性来抑制产甲烷,氨氮主要依靠影响产甲烷菌活性抑制产甲烷,盐度不仅影响产甲烷活性,而且也影响胞内有机基质释放。阐明了两种常用专性和非专性的外源抑制剂的作用机理。归纳了抑制污泥厌氧产甲烷的研究进展,以期为污泥产酸资源化利用提供理论参考。

关键词：剩余污泥厌氧消化挥发性脂肪酸内源抑制因素产甲烷抑制剂

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低温条件（15℃）下利用微生物电合成（MES）技术促进有机废水产甲烷

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低温条件（15℃）下利用微生物电合成（MES）技术促进有机废水产...

作者：王辉西南大学

学位级别：硕士

能源短缺和环境污染已经越来越成为制约我国社会经济发展的重要因素。如何化解能源危机和环境污染这一问题成为了研究者的关注重点。微生物电合成(Microbial electrosynthesis,MES)技术不仅能处理有机废水实现废水的清洁处理,还能回收... 详细信息

能源短缺和环境污染已经越来越成为制约我国社会经济发展的重要因素。如何化解能源危机和环境污染这一问题成为了研究者的关注重点。微生物电合成(Microbial electrosynthesis,MES)技术不仅能处理有机废水实现废水的清洁处理,还能回收其中的能量产生甲烷等清洁能源,相比于普通厌氧消化(Anaerobic digestion,AD)更加高效,为该问题找到了一个较好的解决方法。目前关于MES的研究大多集中在中温(25～37℃)和高温(55～65℃)情况,而研究低温(产甲烷性能、功能菌群结构和产甲烷途径的差异性。最后利用产甲烷抑制剂2-溴乙烷磺酸钠(BES)来探究低温条件下,产甲烷抑制剂对单、双室MES和普通厌氧消化的影响。结论如下:(1)通电对低温厌氧消化产气能力有明显的提升,双室MES的产沼气能力要高于单室MES。单室和双室MES的库伦效率远远大于100%,回收的能量远远高于输入的能量。从沼气组分来说,高电位的阳极比阴极有更高的CO浓度,更低的CH浓度,而阴极则相反。从全过程来看,氨氮浓度和p H值都呈下降趋势,表明这两种因素不是造成产气性能差异的原因。值得一提的是在MES阳极虽然p H下降最快,但始终处于合适的范围内,这表明低温更能抵抗系统酸碱度的变化能更好维持稳定的发酵环境。(2)丙酸(～620 mg/L)是低温厌氧消化中浓度最高的酸,其次是乙酸(～220 mg/L)。对比单室和双室MES的能量回收效率可以发现,单室MES的能量回收效率(9.43%～15.91%)低于双室MES(21.42%～28.54%)。在添加了产甲烷抑制剂2-溴乙烷磺酸钠(BES)后,在所有反应中,丙酸浓度显著性的减少,最终维持在较低水平(50～100 mg/L),而乙酸浓度除在普通的厌氧消化组中被消耗外,在其他组中浓度均上升。(3)从菌群结构分析,水解型细菌厚壁菌门(Firmicutes),拟杆菌门(Bacteroidota)在低温厌氧消化中占主导。在各组中,菌群的种类相差不大,但丰度有所差异。Methanocorpusculum(甲烷粒菌属)和Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)是优势产甲烷菌属,其丰度表现为在普通厌氧消化中最高,在单室MES中次之,在双室MES中最低。在添加了产甲烷抑制剂后,菌群的种类和丰度有了较为明显的变化,这说明BES不仅可以抑制产甲烷古菌的活性,还可以影响细菌的代谢活动。(4)宏转录组分析功能菌群的结果表明,电活性微生物在MES组的丰度高于普通厌氧消化组,单室MES的丰度高于双室MES,碳刷电极丰度高于流体污泥。但对于其他一些发酵型细菌则表现为普通厌氧消化组的丰度更高。在低温厌氧消化中,产甲烷菌以乙酸型产甲烷菌和氢营养型产甲烷菌为主,厌氧消化组的丰度高于MES组,双室MES的丰度高于单室MES,碳刷电极丰度高于流体污泥。宏转录组分析功能基因表达丰度情况,低温厌氧消化以乙酸型产甲烷途径途径为主,MES组的代谢能力高于普通厌氧消化,通电可以促进产甲烷。本研究通过采用16S-r RNA扩增子测序和宏转录组技术阐明了低温(15℃)条件下,通电的单室、双室MES和普通厌氧消化系统的产甲烷性能差异,相关功能微生物的组成以及功能基因的表达情况,对比分析了关于在低温条件下利用MES技术来促进产甲烷技术的可行性,为促进低温厌氧消化产甲烷的研究奠定了一定的理论基础。

关键词：微生物电合成宏转录组分析低温产甲烷途径产甲烷抑制剂

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微电流强化废水厌氧生物除磷基础研究

微电流强化废水厌氧生物除磷基础研究

作者：余硕昆明理工大学

学位级别：硕士

已有废水除磷技术虽能满足废水磷排放标准的现有要求,但效果不稳定、成本高、剩余污泥难处理等问题甚为突出,开发新型的除磷工艺技术因而备受关注。近些年来,厌氧条件下将废水中的磷还原为气态磷化氢(PH)已经得到证实,通过该方法可一定... 详细信息

已有废水除磷技术虽能满足废水磷排放标准的现有要求,但效果不稳定、成本高、剩余污泥难处理等问题甚为突出,开发新型的除磷工艺技术因而备受关注。近些年来,厌氧条件下将废水中的磷还原为气态磷化氢(PH)已经得到证实,通过该方法可一定程度降低废水中磷含量,但如何进一步提高除磷效果以及磷还原过程中电子转移、利用等问题尚未得到深入探究。本研究以废水处理体系中厌氧条件下释放磷酸盐并产生PH为基础,在废水厌氧处理体系通入恒定电流以提高磷去除效果,并确定最佳工艺条件;同时添加产CH抑制剂2-溴乙烷磺酸钠(BES),通过对磷去除率、酶活性、消化气等指标的分析,阐述磷还原和产CH之间的电子利用竞争机制。微电流对厌氧生物除磷过程有明显的强化效果。在电流作用下,体系中自由电子和电子供体(H等)含量增加,废水中的磷更易得到电子被还原,相比未通微电流的空白对照组,通有电流的反应器混合液总磷(STP)以及上清液总磷(TP)、正磷(OP)浓度均明显下降。分析结果表明,体系中磷的减少主要为上清液OP被还原,当电流大小为100 m A时STP去除率最高。同时,电流会造成微生物细胞衰亡和裂解,导致上清液COD浓度上升,其中含有的小分子有机酸对磷的还原具有促进作用,因此酸性环境更有利于体系磷的去除。温度对磷还原的影响主要体现在酶活性方面,脱氢酶活性与磷还原呈正相关。当反应温度为35℃时,体系脱氢酶活性最强,磷的去除效果最好,在最佳工况条件下,体系STP去除率最高可达50.0%。由于体系STP减少,各反应器液面以上空间的气体中均可检测到PH。此外,除磷过程中有大量CH产生,CH合成需要消耗体系中自由电子及电子供体(H、乙酸等),因此二者在电子利用上存在竞争关系。为进一步探究磷还原与产CH的电子利用竞争关系,在最佳工艺条件下向体系中添加BES进行对比实验,添加BES的两个反应器CH产量明显下降。而CH产量减少造成了体系VFA积累和COD浓度的进一步提高,其中VFA主要成分为乙酸。当BES添加量为10 mmol/L时,体系STP和OP去除率最高分别为57.6%、77.6%,PH单日最大产量可达41.8μg/L,相比未添加BES的反应器,磷的去除效果有明显提升。同时,抑制CH合成对上清液TN去除也有明显促进作用,反应结束时TN去除率最高为85.9%,实现了同步脱氮除磷。基于以上结果,体系中磷的去除过程主要为上清液中OP还原为PH,而该过程电子来源除电流作用所产生的一部分自由电子外,其余主要来源于H和乙酸等有机酸在脱氢酶作用下的脱氢反应所生成的NADH,而抑制产CH会减少H和乙酸等有机酸在CH合成中的消耗,用于磷还原的电子和电子供体增加,磷的去除效果得到进一步提高。因此,产CH与除磷之间的电子利用机制实际为H和乙酸等电子供体的竞争利用。微生物高通量测试分析表明,微电流强化除磷体系中有复杂多样的微生物群落,外加电流和添加BES均会导致体系特有OTUs数量增加;同时BES可促进体系优势菌属的形成,其中与除磷有关的优势菌属主要为厌氧醋菌属和醋杆菌属。本研究确定了微电流强化废水厌氧生物除磷工艺的最佳工艺条件;并初步分析了磷还原过程及与产CH的竞争机制,为废水厌氧生物除磷的工程应用提供了一定技术参考。

关键词：厌氧磷化氢微电流产甲烷抑制剂磷酸盐还原

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剩余污泥厌氧发酵产酸过程强化研究

剩余污泥厌氧发酵产酸过程强化研究

作者：蓝雷传湘潭大学

学位级别：硕士

剩余污泥厌氧发酵产酸是目前污泥减量化行之有效的方法,剩余污泥厌氧发酵过程中会产生有价值的中间产物:挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFAs),一方面它可以作为有机碳源来被脱氮除磷微生物优先利用进而提升脱氮除磷的效率,另一方... 详细信息

剩余污泥厌氧发酵产酸是目前污泥减量化行之有效的方法,剩余污泥厌氧发酵过程中会产生有价值的中间产物:挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFAs),一方面它可以作为有机碳源来被脱氮除磷微生物优先利用进而提升脱氮除磷的效率,另一方面它也可以应用于工业领域中作为化工原料来生产一些高附加值的化学产品。本论文探索了一些适当的方法与技术强化剩余污泥发酵产酸过程,使得反应过程中的大分子有机物较大程度地被转化为可被利用的VFAs。这样不仅可以减少对环境的危害,而且为剩余污泥变废为宝的资源化与减量化处理开辟了良好的途径。本论文针对剩余污泥厌氧消化过程进行了热碱预处理、添加产甲烷抑制剂、添加表面活性剂等三种处理方案下的强化产酸过程研究。每12小时对厌氧发酵反应器进行发酵液分析测试,测量的指标项目为:TCOD、TN、TP、VSS、TSS以及VFAs,在此基础上进行数据分析与结果研究,系统地探讨了三种不同条件对剩余污泥厌氧发酵产酸效果的影响规律。首先对剩余污泥在自然环境条件下(空白实验组)厌氧发酵产酸的效果进行了研究,探讨整体实验的可行性并得出剩余污泥在自然环境条件下厌氧发酵产酸效果的一般规律。自然环境下(空白实验组)的剩余污泥在厌氧消化的第5.5天才达到了 VFAs总量的最大值600mg/L。然后进行了热碱预处理强化产酸过程研究,选择处理条件为pH=12、温度=70℃、处理时间=2h。结果表明,发酵液中TN、TP、TCOD、VSS、TSS以及VFAs浓度相对于自然环境条件下(空白实验对照组)有大幅度提升。VFAs的浓度在第4天后达到最大值885mg/L,表明热碱预处理技术能够明显促进剩余污泥厌氧发酵产酸。接着进行了添加产甲烷抑制剂强化产酸过程研究,投加0.012%(占污泥发酵溶液的体积比)的氯仿(抑制产甲烷细菌的活性)和10g的氯化钡(抑制硫酸盐还原菌的活性)作为抑制剂。结果表明,发酵液中TN、TP、TCOD、VSS、TSS,以及VFAs浓度相对于自然环境条件下的空白实验对照组有大幅度提升。添加产甲烷抑制剂后剩余污泥厌氧发酵液中VFAs达到最大值的时间在第6天,对应含量为800mg/L,添加产甲烷抑制剂能够促进剩余污泥厌氧发酵产酸。最后投加两性表面活性剂——羟甲基两性咪唑啉,投加量与污泥干重比为0.02g/g。结果表明:发酵液中TN、TP、TCOD、VSS、TSS,以及VFAs浓度相对于自然环境条件下均有大幅度提升。添加两性表面活性剂咪唑啉剩余污泥产生的总VFAs的最大浓度为685mg/L,出现在第5.5天,表面活性剂能够促进促进剩余污泥厌氧发酵产酸。对上述三种处理方案强化产酸效果的比较分析,表明热碱预处理对于剩余污泥厌氧发酵产酸的作用最为明显。

关键词：剩余污泥厌氧发酵挥发性脂肪酸热碱预处理产甲烷抑制剂表面活性剂

CSTR甲烷发酵系统向产酸发酵系统转化的调控运行

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CSTR甲烷发酵系统向产酸发酵系统转化的调控运行

作者：王卫娜哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

连续流搅拌槽式反应器(CSTR)系统内微生物群落均成絮状结构,并且在搅拌状态下很难得到结构良好的颗粒污泥,因此常被用来作为产酸发酵及发酵生物制氢的装置。CSTR属悬浮絮状厌氧活性污泥系统,在传质和反应速度上较颗粒污泥系统具有明显优... 详细信息

连续流搅拌槽式反应器(CSTR)系统内微生物群落均成絮状结构,并且在搅拌状态下很难得到结构良好的颗粒污泥,因此常被用来作为产酸发酵及发酵生物制氢的装置。CSTR属悬浮絮状厌氧活性污泥系统,在传质和反应速度上较颗粒污泥系统具有明显优势,但目前尚无采用CSTR成功培养完整厌氧消化体系的研究报道。论文借助于两种结构型式的CSTR,在前期成功培育出具有完整甲烷发酵微生物系统的基础上,探讨了CSTR甲烷发酵系统向产酸发酵系统转化的运行控制对策,以期为以下两个方面的应用奠定基础:(1)CSTR厌氧消化系统的运行控制;(2)借助于产酸发酵菌群和产氢产乙酸菌群的生物质深度发酵产氢技术的研发。研究证明,采用好氧活性污泥为种泥,以稀释糖蜜为底物,在控制进水COD浓度7000 mg/L、HRT 18 h、温度35±1℃、pH 6.5～7.5等条件下,通过改变HRT和系统pH,可以实现CSTR甲烷发酵系统向产酸发酵系统的转变。主要调控方式为逐渐缩短HRT致8 h,之后逐渐降低系统pH值,使其保持在5.0左右。反应器运行稳定时未检出CH4,H2含量达到21.6%,液相末端产物VFAs总量达到1992mg/L,其中乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇的百分含量分别为36%、27%、4.5%、2%和30%,呈现混合酸发酵特征。为了在CSTR反应系统中建立以产酸发酵菌群和产氢产乙酸菌群为优势的微生物群落,本论文研究了向CSTR甲烷发酵系统中投加特异性产甲烷菌抑制剂的控制方法。首先,利用选择性丁酸培养基,通过摇瓶试验,比较了特异性产甲烷菌抑制剂氯仿和2-溴乙烷磺酸钠的作用特征,发现2-溴乙烷磺酸钠具有更明显的产甲烷菌活性抑制作用,并初步确定2-溴乙烷磺酸钠的投加量为10 mmol/L。根据静态试验结果,通过进水向CSTR甲烷发酵系统连续投加2-溴乙烷磺酸钠,投加浓度分阶段依次提高,最终在CSTR反应系统内成功抑制了产甲烷作用。转化后的CSTR发酵系统,产气速率稳定在9 L/d,H2含量稳定在2.6%,CH4未检出;液相末端发酵产物VFAs总量达到3357mg/L,其中乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇的百分含量分别为40%、38%、7%、4.2%和7%,呈现典型的丙酸型发酵。

关键词：甲烷发酵 CSTR HRT pH 产甲烷抑制剂

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BES对污泥厌氧发酵产酸性能的影响

江西理工大学学报 2020年第1期41卷 50-56页

作者：陈思远陈刚高彩琪董姗燕刘祖文江西理工大学建筑与测绘工程学院江西赣州341000 江西理工大学赣江流域水质安全保障工程技术研究中心江西赣州341000

以赣南地区某污水处理厂剩余污泥为研究对象,将碱预处理后的污泥和驯化后的接种污泥按1∶1混合,然后投加不同浓度的产甲烷抑制剂BES进行碱性发酵产酸研究。结果表明,碱预处理有利于污泥中颗粒态有机质向溶解态有机质转化,从而增强后续... 详细信息

以赣南地区某污水处理厂剩余污泥为研究对象,将碱预处理后的污泥和驯化后的接种污泥按1∶1混合,然后投加不同浓度的产甲烷抑制剂BES进行碱性发酵产酸研究。结果表明,碱预处理有利于污泥中颗粒态有机质向溶解态有机质转化,从而增强后续的厌氧发酵产酸过程。BES作为产甲烷菌的特异性抑制剂,可以较好地抑制产甲烷菌的活性,增强发酵产酸系统中SCOD、VFAs的产生量;当BES投加量为5 mmol/L时,由于发酵产酸菌大量利用SP和SC,反应稳定时二者浓度相较于空白分别下降了31.04%和30.86%,VFAs和SCOD浓度相较于空白则分别增加了42.79%和23.92%,VFAs的最大平均累积量达到了662.73 mg/L;随着BES浓度的增加,发酵液中VFAs的生成量有所降低。实验研究建议采用5~10 mmol/L的BES强化污泥发酵产酸过程。

关键词：剩余污泥厌氧发酵产酸产甲烷抑制剂 BES