混合菌种在发酵法生物产氢中的协同作用

为探讨产氢发酵细菌混合培养时菌种间的协同作用,本研究在间歇试验条件下,分别考察以葡萄糖和复杂有机物(淀粉、牛肉膏、聚乙二醇乙二酸酯和胰蛋白胨)为底物时,5株HPB(B49、H1、LM12、LM11和B51)混合培养,高效HPB(B49)与3株非产氢发酵细菌(L10、拟3-2和芽孢1)分别混合培养,以及B49与活性污泥混合培养对产氢能力的影响.试验结果表明,混合菌种间协同作用发挥是有条件的.当利用葡萄糖发酵产氢时,菌种间对共同底物的竞争使其协同作用无法发挥,从而制约了高效产氢细菌(HPB)的产氢能力;而利用复杂有机物发酵产氯时,菌种间的协同作用得以发挥,并促进了高效HPB产氢能力的提高.同时提出,针对不同底物可以采用不同的培养方式.     

COD/SO42-对青霉素菌渣厌氧消化影响

针对抗生素菌渣厌氧消化过程SO_4~(2-)的抑制问题,利用批试实验对不同COD/SO_4~(2-)比青霉素菌渣厌氧消化产气潜能以及产酸相物质利用特性进行了研究.结果表明,COD/SO_4~(2-)≥3时,微生物发生了适应性驯化,产气潜能在发酵10 d后逐渐恢复,累积产甲烷量(以TS计)超过208 m L·g-1,超过71%的COD转化为CH4;COD/SO_4~(2-)≤1.5时,产甲烷分别受到49%及完全抑制,有机物及SO_4~(2-)的去除率分别不足17%和5%,表明较高SO_4~(2-)负荷下产甲烷菌(MPB)及硫酸盐还原菌(SRB)同时发生抑制,COD平衡分析表明,转化为CH4的COD不足9.1%,而还原为SO_4~(2-)的COD保持在5.0%~9.0%,说明MPB比SRB对S2-的抑制更为敏感;S平衡分析表明,还原的SO_4~(2-)大部分以S2-的形式存在于发酵液中,少部分以H2S的形式存在于生物气中;产酸过程物质利用特性分析表明,溶解性蛋白质的甲烷化是在溶解性碳水化物甲烷化之后才开始.     

甲烷氧化菌在填埋场覆盖层中的工程应用(Ⅱ):基质选择性及长效性

针对已筛选获得的甲烷氧化混合菌,选取填埋场覆盖土(LCS)、矿化垃圾(AR)和塘渣(TZ)3种填埋场周边易得的材料为供试生存基质,从基质选择性及长效性角度进行了甲烷减排应用条件的探究及使用效能评估.结果表明,在TZ、LCS、AR、TZ-AR和LCS-AR这5种生存基质中,TZ-AR最适合甲烷氧化混合菌的生长,且TZ与AR的复配比例以5∶5为最佳.甲烷氧化混合菌在TZ-AR的粒径≤4 mm和含水率为20%时具有最高甲烷氧化能力.一次性接种甲烷氧化混合菌在静态体系中的最佳使用有效期为31 d.其在接种量为0.08、0.16、0.20 m L·g-1和0.25m L·g-1时甲烷氧化速率无明显差异,从工程应用角度而言,8%的接种量为最佳.     

鸡粪与麦秆混合厌氧发酵环境中各因子响应关系研究

为了探究发酵过程中各因子之间的相互响应关系,以鸡粪和麦秆为发酵原料,利用Canoco4.5软件对鸡粪/麦秆不同比例混合发酵条件下不同发酵阶段内各因子进行分析,以阐明各发酵阶段内因子间的相互影响关系.结果表明:当鸡粪/麦秆以5∶5的比例混合时,能获得最佳单位甲烷产量(90.56 m L·g-1,以VS计).在整个发酵过程中甲烷产气速率表现为先升高再降低的趋势,将其根据产气速率的大小划分为3个阶段,分别为第Ⅰ阶段(预备期)、第Ⅱ阶段(高峰期)、第Ⅲ阶段(消退期).不同发酵阶段影响单位甲烷产量的主效因子有一定的差异性,其中,第Ⅱ阶段的主效因子为发酵基质的C/N,第Ⅲ阶段为p H值.各发酵阶段因子间相关性各异,第一阶段因子间相关性最强,此后相关性逐渐降低.因此,针对不同阶段各主效因子分别进行控制,能够有效提高发酵效率.     

碳氮比对稻草和猪粪生物处理及厌氧消化的影响

以农业废弃物稻草和猪粪为发酵原料,首次采用纤维素降解复合菌系对稻草和猪粪混合物进行生物处理,通过考察不同碳氮比(25∶1、30∶1、35∶1和40∶1)条件下稻草和猪粪混合物生物预处理的发酵特征及后续的产甲烷能力,探讨了碳氮比对稻草和猪粪的协同生物预处理及厌氧消化效果的影响.结果表明,控制碳氮比为30∶1、料水比为11%时,稻草和猪粪混合物经纤维素降解复合菌系于55℃预处理30 h后其厌氧消化效果最佳.在此条件下,稻草和猪粪降解液中滤纸酶活和羧甲基纤维素酶酶活分别达到了2.18和2.31 IU,其失重率高达41.69%;随后经厌氧发酵后其甲烷产率和产甲烷速率分别可达318.14 m L·g-1(以VS计)和10.61 m L·d-1·g-1(以VS计),且总量为9.9 g的稻草和猪粪混合物的总甲烷产量可达1948 m L,上述结果相对于未经生物预处理的对照组均提高了38%.本研究结果可进一步为其它种类的农作物秸秆和畜禽粪便的高效资源化利用提供理论支撑,展现出了巨大的应用潜力.     

初始pH值和物料配比对高温混料厌氧发酵进程的影响

为了研究高温条件下初始p H对厌氧发酵进程的影响,以猪粪、玉米秸秆为发酵原料,设置3种比例(干物质质量比30∶70、50∶50、70∶30)下6个水平(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0的初始p H值以及一个不调控初始p H的处理作为对照)进行批次发酵试验.结果表明,初始p H值和物料配比都会显著影响厌氧发酵过程的启动时间和甲烷产量.当初始p H值为7.0时,VS降解率趋于稳定.COD去除率随着粪便含量的增加而逐渐降低.高温猪粪玉米秸秆混合发酵最佳挥发性脂肪酸(VFA)/碱度比值范围为0.05~0.3;猪粪可以作为一种缓冲材料,适量添加可增大消化系统的缓冲能力.通过建模优化,预测出当初始p H值为6.95、猪粪/玉米秆为70∶30时,可得到每克挥发性固体最大理论单位甲烷产量169.22 m L·g-1.     

巨大芽孢杆菌在餐厨垃圾湿热处理脱出液中生长条件优化研究

选用巨大芽孢杆菌(Bacillus megatherium)作为实验菌种,以餐厨垃圾湿热处理脱出液为发酵培养基制作解磷液态菌肥。将巨大芽孢杆菌接种于餐厨垃圾湿热处理脱出液中进行培养并确定最佳发酵时间,考察初始p H值、接种量、培养温度、摇床转速、装液量和脱出液与水的混合比例对活菌数的影响。结果表明:巨大芽孢杆菌在餐厨垃圾湿热处理脱出液中最佳发酵时间为36 h,发酵最佳初始p H值、接种量、培养温度、摇床转速、装液量和脱出液与水的混合比例分别为7.5、2%、30℃、210 r/min、50 m L(250 m L锥形瓶)和1∶1。巨大芽孢杆菌在餐厨垃圾湿热处理脱出液中进行培养后可达到农业部规定的液态菌肥的活菌数(2×108cfu/m L)标准。     

甲烷丝菌混养促进螺旋藻自发酵产氢

采用只消耗乙酸盐而不消耗氢气的甲烷丝菌与螺旋藻混合培养,以提高螺旋藻利用自身多糖在自身氢酶作用下暗发酵产氢量.通过培养基调控提高了螺旋藻生长富集的总糖产量,当Na Cl浓度由239 mmol·L~(-1)增加到739 mmol·L~(-1),螺旋藻总糖产量提高了107.7%,达到0.54g·L~(-1).螺旋藻在黑暗厌氧条件下加入甲烷丝菌混养后的自发酵产氢量提高了33.8%,达到43.8 m L·g-1;液相主要代谢产物乙酸盐则提高了69.2%,达到1639.1μmol·g-1.同时,螺旋藻加入甲烷丝菌混养后自发酵过程的能量转换效率由6.7%提高到11.6%.甲烷丝菌通过消耗乙酸盐促进了螺旋藻自发酵产氢的乙酸途径反应正向进行,从而提高了氢气产量和能量转换效率.     

蚓粪与玉米秸混合厌氧消化实验

在中温(35℃±1℃)条件下,考察了玉米秸不同TS负荷单独发酵和与蚓粪混合发酵对玉米秸厌氧消化过程的影响.结果表明,玉米秸单独发酵时,单位TS产气量随TS负荷的增加先增加后降低,以TS负荷为4.80%的最大,单位TS甲烷产量为217.60 mL/g;当TS负荷为6.00%时,发酵前期出现酸化,pH最低为5.10;混合发酵提高了微生物的活性,增强了系统的缓冲能力,避免了发酵过程可能出现的酸化,玉米秸TS产气量提高了4.42%~58.61%,但对甲烷含量的影响不大,且对碱度的提高并无促进作用;当蚓粪与玉米秸混合比例为2∶3时,玉米秸的TS产气量最高,达410.30 mL/g,甲烷含量为63.21%;厌氧微生物可在一定程度上破坏玉米秸纤维素的结晶区,混合发酵促进了微生物对纤维素结晶区的破坏,以蚓粪与玉米秸混合比例为2∶3时处理的效果最好,破坏率达29.36%.     

麦秆酸预处理后与猪粪混合发酵提高产气量的效应研究

为了研究不同水平的酸处理对麦秆混合发酵过程中各指标变化的影响,本试验通过测定不同醋酸浓度、时间处理后的麦秆与猪粪混合厌氧发酵进程中还原糖、挥发性脂肪酸(VFA)含量,以及p H值变化和甲烷产量,探究各指标的关系并优化得出最佳醋酸处理组合,以期为酸预处理混合发酵实现高甲烷产量提供可靠的理论依据.结果表明,醋酸处理后的麦秆通过与猪粪混合发酵可明显提高甲烷单位产量,增幅为124.28%~207.40%.发酵过程中还原糖、VFA、p H值间相互影响.通过响应面法建立模型,得到醋酸处理的最优组合为浓度3.35%、时间6.75d,最大甲烷单位产量751.97 m L·g-1(以VS计).     

厌氧发酵处理庆大霉素菌渣的可行性及条件优化

采用厌氧发酵处理庆大霉素菌渣,考察了含固率、接种比、接种污泥、发酵底物等因素对庆大霉素菌渣厌氧发酵的影响,并用累积净甲烷产量衡量庆大霉素菌渣进行厌氧发酵的可行性及发酵程度。试验结果证实了庆大霉素菌渣进行厌氧发酵的可行性,其中含固率和接种比对发酵的影响较大,最佳条件为含固率5%,接种比1/3;对比试验所用3种接种污泥,发现接种某造纸厂污水处理IC反应器的厌氧颗粒污泥效果最优,在最优含固率和接种比的条件下,累积净产甲烷量为28.21 m3/t;此外,试验还证实,采用不同菌渣的联合发酵表现出了明显的协同作用,在最优条件下,庆大霉素菌渣与林可霉素菌渣按1∶2的比例联合发酵的产甲烷量可达到37.5 m3/t。     

游离亚硝酸预处理强化剩余污泥和烟草废物共消化产甲烷

为了提高污泥厌氧消化产甲烷的效率,本研究报道了一种通过向污泥中添加烟草废弃物(TW)和游离亚硝酸(FNA)的新方法.实验结果表明污泥和TW的最佳混合比例为1:1,相应的甲烷产量为203.6m L/g每克挥发性悬浮固体(VSS),是污泥单独消化的1.3倍.污泥和TW混合消化有助于消化基质中蛋白质,多糖和纤维素的消耗.进一步应用FNA提高污泥和TW混合消化效率,FNA的最佳浓度为1.5mg/L,相应的甲烷最大产量为286.4m L/g VSS.FNA预处理能够促进有机物的水解和酸化过程进而为产甲烷古菌提供了充足的消化基质.此外,FNA预处理还强化了功能微生物Bacteroidetes和Firmicutes的相对丰度.     

甲烷八叠球菌扩大培养及固定化方法

以首都师范大学生物系实验室富集的甲烷八叠球菌浓缩物作为接种物,用10L反应器对其进行扩大培养,得到了含甲烷八叠球菌为2.31010个/mL扩大培养浓缩物.设计正交试验,以固定化甲烷八叠球菌菌球的成球性、菌球在产气高峰时的沉降性、产甲烷活性、寿命为指标,选择出聚乙烯醇(P)、海藻酸钠(A)和充填物(F)混合包埋载体的最佳配比P8A1F40,P8A1F40法制备的固定化甲烷八叠球菌成球容易、具有高的产甲烷活性、良好的脱气性和沉降性,较高的机械强度(发酵过程中不胀、不黏)和较长的寿命.     

利用餐厨垃圾湿热处理脱出液制备液态菌肥研究

以餐厨垃圾湿热处理脱出液为发酵培养基,选用圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)作为实验菌种制作固氮液态菌肥。测定了圆褐固氮菌的主要生理特性,将其接种于餐厨湿热处理脱出液中进行培养,确定最佳发酵时间,并分别测定发酵的最佳初始p H值、接种量、培养温度、摇床转速、装液量、脱出液与水的混合比例。结果表明:圆褐固氮菌在餐厨湿热处理脱出液中最佳发酵时间为36 h,发酵最佳初始p H值、接种量、培养温度、摇床转速、装液量、脱出液与水的混合比例依次为7.5、1%、30℃、150 r/min、50 m L(250 m L锥形瓶)、1∶1。圆褐固氮菌在餐厨垃圾湿热处理脱出液中进行培养后,可达到液态菌肥的活菌数标准。     

污泥停留时间对餐厨垃圾与剩余污泥中温厌氧混合发酵系统的影响

采用连续搅拌釜式反应器(CSTR)成功启动了餐厨垃圾与剩余污泥混合发酵平行系统,重点探究了不同污泥停留时间(SRT)缩减幅度对于餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统的影响.结果表明,较大幅度地缩减SRT( 8. 3 d)提升反应器运行负荷,不利于反应器的稳定运行;随着反应器运行负荷的增加,SRT缩减幅度应逐渐降低(5～0. 9 d),能够取得餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统的高负荷稳定运行.经过282 d的运行,CSTR混合发酵系统能够在SRT为9. 1 d,进料负荷(以COD计)为(12. 9±1. 5) g·(L·d)~(-1)的条件下稳定运行,相应的甲烷产量为3. 94～4. 25 L·(L·d)~(-1),甲烷产率(以COD计)为288～302 m L·g-1,p H和挥发性脂肪酸(VFA,以COD计)分别稳定在7. 80～7. 83和0. 32～0. 39 g·L-1.此外,还探究了高负荷条件下餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵污泥特性,结果表明,餐厨垃圾和剩余污泥混合发酵系统甲烷转化途径以乙酸转化途径为主,具有较高的乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的产甲烷活性和辅酶F420的质量摩尔浓度.     

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.     

乙醇预发酵对餐厨垃圾甲烷发酵动力学特性及底物的影响

重点考察了乙醇预发酵对餐厨垃圾甲烷发酵动力学的影响,并探讨了预发酵产生的乙醇作为甲烷发酵底物——"缓释乙酸"的可能性。结果表明:与一级动力学模型相比,修正的Gompertz模型更适合描述餐厨垃圾复杂底物的厌氧发酵体系。预发酵组最大产甲烷速率Rm比对照组高2.22倍,且T80(底物降解80%所需时长)和产气停滞期λ比对照组分别减少了1.67 d和0.64 d,表明乙醇预发酵可加快甲烷发酵的启动,显著提高底物降解速率和产甲烷速率。在单一碳源(乙醇、乙酸)的厌氧消化实验中,累积甲烷产率由高到低顺序为乙醇组(372 m L)>乙酸组(155 m L)>对照组(62 m L)。乙醇预发酵不仅可防止酸化,还能使乙醇起到"缓释乙酸"的作用,为甲烷菌提供足够的底物,从而显著提高餐厨垃圾甲烷发酵系统的稳定性。     

厨余垃圾与污泥厌氧发酵产甲烷的协同作用

以剩余污泥和厨余垃圾混合进行共发酵,评估其厌氧发酵协同效果,基于挥发性固体悬浮物(VSS)设置剩余污泥和厨余垃圾比例为1∶0,4∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶4,0∶1的生化甲烷潜势(BMP)实验,通过厌氧发酵前后pH值、COD、总氮、氨氮、硝酸盐氮等参数的变化,甲烷产量,碳的迁移、转化和微生物群落结构变化评价协同...     

厌氧发酵产沼气过程中脱氢酶活性检测工艺及其优化

为了优化脱氢酶活性这一指标在厌氧发酵产沼气系统中的检测方法,分别以小麦秸秆、羊粪及其混合原料(质量比1∶1)为发酵底物,通过Box-Behnken试验及响应面分析法确定并优化了沼气发酵系统中碘硝基四唑紫法脱氢酶活性的检测工艺,并对脱氢酶活性与甲烷产量进行了相关性分析.结果表明,3种底物均以乙醇作为萃取剂,以甲醛作为终止剂时显色效果最好.分别以秸秆、粪便及其混合为发酵底物时,脱氢酶检测在pH值分别为6.5、7.2、7.7,反应温度均在37℃下,碘硝基四唑紫质量分数均为0.15%,反应时间均为50 min时比色效果最好.相关性分析显示,厌氧发酵产沼气系统中脱氢酶活性与甲烷产量相关性显著.     

重金属离子对微生物燃料电池产电性能的影响

构建双极室微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),利用硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)处理模拟酸性矿山废水,考察5 mg/L重金属离子(Cu~(2+)、Zn~(2+)、Ni~(2+)和Cr6+)对电池产电性能的影响。MFC阳极室有效体积为12 m L,电极材料为碳毡,连续进水,流速为1.9 m L/h,水力停留时间HRT为6.3 h。进水不添加重金属离子时,MFC电压能够升高到200 m V,最大功率密度为55.6 m W/m2(13.89 W/m3),COD平均去除率为57.6%;进水添加重金属离子混合液时,电压由最高180.9 m V降到最低34.7 m V,COD去除率由64.2%逐渐降为7.2%;停止添加重金属,电压逐渐升到400 m V,最大功率密度达222 m W/m2(55.56 W/m3),COD去除率逐渐上升至58.3%。分析认为,重金属离子对SRB菌活性产生抑制作用导致电压和COD去除率显著下降,但是,重金属离子沉淀修饰了MFC阳极,提高了电子的传递性能,MFC产电电压升高。