针铁矿添加量对丙酸钠厌氧产甲烷的影响

在有机质厌氧产甲烷过程中,短链脂肪酸的高效转化是关键步骤之一,而铁氧化物对短链脂肪酸的转化具有强化作用。本文以针铁矿和丙酸钠为代表,考察了铁氧化物添加量(40、200、2000 mg/L)对短链脂肪酸产甲烷过程的影响。结果表明,最高产甲烷效率(89.65%)及最大产甲烷速率(9.95 mL/d)分别发生在40 mg/L针铁矿和2000 mg/L针铁矿的体系中,微生物群落分析表明产乙酸细菌Petrimonas属与乙酸裂解型产甲烷菌Methanothrix属为优势菌种。添加针铁矿可促进丙酸钠产甲烷过程,其转化途径以乙酸裂解耦合种间直接电子传递为主。     

微生物絮凝剂投加方式对好氧颗粒污泥性能的影响

为提高好氧污泥颗粒化速度, 采用微生物絮凝剂, 探讨在好氧颗粒污泥培养过程中微生物絮凝剂的投加方式对颗粒污泥理化性能及生物降解效能的影响。结果表明:微生物絮凝剂每隔2、3、5、7 d投加一次时, 均可培养出成熟的好氧颗粒污泥, 微生物絮凝剂的投加方式对好氧污泥颗粒化的影响较显著;微生物絮凝剂最佳投加方式为每5天投加一次, 此时颗粒化速度快, 颗粒形成时间由未投加的60 d缩短为42 d, 好氧颗粒污泥疏水性好, 污泥体积指数稳定在40 mL/g左右, 沉降速度达35.06 m/h, COD、氨氮和总磷的去除率分别为96.55%、93.29%和87.29%。     

超临界CO2参与下煤储层原位微生物甲烷化物理模拟研究

超临界CO₂能够破坏煤分子结构,提高生物甲烷的产量。为研究微生物在超临界CO₂参与的煤储层原位条件下的产气潜力,以新疆地区某煤层气区块目标煤层的初始储层压力、温度和气体组分作为原位储层条件,通过自主设计的煤储层原位厌氧发酵装置,模拟煤储层原位储层条件下的厌氧发酵过程,并对生物气产量、煤的官能团结构和微生物群落结构进行了分析。研究结果表明,在超临界CO₂参与的煤储层原位条件下,生物甲烷产量达到了32.9 mL/g,CO₂的生物转化率为17.4%。FTIR光谱表明,原位条件下微生物对苯酚、醇、醚、酯中含氧基团的降解能力要强于常规条件下的厌氧发酵。超临界CO₂参与下的储层原位厌氧发酵系统中,多种产甲烷代谢途径的产甲烷菌(氢营养型、乙酸营养型和甲基营养型)逐渐向单一的氢营养型产甲烷菌演化。高压环境下,细菌群落中芽孢杆菌Solibacillus silvestris成为水解产酸发酵阶段的优势菌。该研究为煤层气生物工程的现场实施和碳减排提供了实验基础。      

有氧水环境中藻类产生甲烷的研究进展

自然水体是重要的甲烷排放来源,传统观点认为甲烷是微生物在严格厌氧条件下利用有机物的最终产物,但越来越多的证据表明有氧水环境中存在甲烷过饱和现象,被称为“甲烷悖论”。近年的研究表明,上述现象的产生与藻类的存在息息相关。藻类不仅可以通过光合作用或利用甲基化前体物质直接产生甲烷,也可为其他微生物提供厌氧微环境以及前体物质间接促进甲烷生成。然而,针对藻类有氧产甲烷的微生态机制方面的研究尚存不足,也使得全球甲烷收支核算仍存在较大不确定性。未来,进一步突破藻类有氧产甲烷的分子调控机理、揭示藻类对外部条件响应的有氧产甲烷特征及其生理适应性机制,将是深化领域研究的重要方向。     

铁氧化物对有机质厌氧产甲烷过程的影响及其机制

甲烷(CH?)不仅是自然界产生的重要温室气体,也是人类已经推广利用的可再生能源之一.作为自然界广泛存在的矿物,铁氧化物同厌氧微生物的交互作用对产甲烷过程具有显著的影响.主要针对不同铁氧化物-厌氧微生物体系内的产甲烷效率,铁氧化物及微生物群落演化,铁氧化物的作用机制等进行总结分析.铁氧化物在微生物的作用下会发生溶解、还原并可能产生新的矿物.而铁氧化物的直接和间接影响微生物群组成,进而影响产甲烷过程,主要体现在4个方面:(1)铁氧化物溶解及生物还原产生的Fe~(3+)/Fe~(2+)影响微生物活性和体系氧化还原电位;(2)铁还原菌和产甲烷菌竞争产甲烷基质;(3)铁氧化物对产甲烷菌的直接抑制毒性;(4)具有导电性能的铁氧化物可以作为电子传递媒介促进铁还原菌或脂肪酸氧化菌与产甲烷菌之间的直接电子传递过程.最后,探讨了铁氧化物促进产甲烷过程尚需解决的主要问题及研究趋势,以期推动铁氧化物-厌氧微生物交互作用及其环境效应方面的研究工作.     

针铁矿为填料的反硝化生物滤池的启动及运行

随着我国经济的发展和城市化进程的加快,日均产生的各种工业废水和生活污水也在增加。我国目前城市污水处理厂的出水普遍能够达到一级B标准,然而其中的总氮浓度依然是湖泊水体二类标准的10倍甚至更多。污水处理厂出水中的总氮主要是以硝态氮的形式存在,因此,我国的部分天然水体中面临着严重的硝酸盐污染的风险。另一方面,我国北方部分地区长期饮用含有高硝酸盐的地下水,某些地区的地下水中硝酸盐含量高达392 mg·L-1,远超过世界卫生组织规定的10 mg·L-1。鉴于此,为了保障饮水安全,亟需发展反硝化脱氮的污水深度处理技术。反硝化生物滤池(denitrification biofilter,DNBF)是一种由曝气生物滤池(BAF)演化而来用于处理污水中氮素污染的新型工艺,其具有占地小、出水水质好、抗冲击负荷强、快速启动、生物量大、处理效率高等优点。填料是影响DNBF运行及反硝化处理效果的重要因素之一。常规的DNBF填料有火山岩、陶粒、沸石、石英砂等。课题组近几年系统研究了天然针铁矿在有机物厌氧消化及C、N等元素的生物地球化学过程中的作用,前期研究结果表明天然针铁矿可以提高生物反硝化的速率和效率。因此,本文以石英砂为对照,探索DNBF在以天然针铁矿作为填料时的反硝化效果,并具体分析了两个DNBF在启动和稳定运行阶段的性能差异。实验装置采用实验室规模的上流式连续流反应器,有效容积为1.2 L。整个装置的接口处均用硅胶密封。反应器运行的控制参数为:进水p H 7.50±0.15(通过0.1 mol·L-1 HCL调节),C/N为4,水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)为4和2 h,当HRT为4 h时反应器氮容积负荷(以N计,下同)保持在0.6 kg·(m3·d)-1。本研究采用人工接种挂膜法,接种污泥采用实验室培养驯化的反硝化污泥。每天采样,分析测定两个反应器启动阶段以及不同HRT运行阶段时的进出水中的化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、NO-3、NO-2等指标。DNBF启动运行阶段HRT设为4 h时,以针铁矿和石英为填料的DNBF分别在第8天时和第15天时进入稳定运行状态,COD的去除率在84%~85%,NO-3的去除率均为99%。实验结果表明DNBF反应器以针铁矿为填料,能够缩短反应器的启动时间。这可能是因为天然针铁矿颗粒表面粗糙,比表面积更大,有利于微生物附着生长,因此反应器的启动时间更短。在DNBF稳定运行阶段,当HRT为4 h时,针铁矿为填料的DNBF对COD和NO-3的去除率约为85.45%±0.65%和99.17%±0.11%,石英砂为填料的反应器对COD和NO-3的去除率约为84.56%±0.79%和99%±0.12%,两种填料的反应器的反硝化效果区别不大;当HRT降为2 h并连续运行10 d后,以针铁矿为填料的DNBF对COD和NO-3的去除率分别为84.98%和99.48%,以石英砂为填料的DNBF对COD和NO--3的去除率分别为74.01%和84.51%,且以石英砂为填料的DNBF中出现了NO2的积累,最大积累量达到0.6 mg/L。实验结果表明,针铁矿为填料的DNBF有更好的抗冲击负荷的能力,且不易产生亚硝酸盐氮的累积。引起上述实验现象的原因之一是由于天然针铁矿中含有铁以及其他的一些微量金属元素,当三价铁被还原为微生物可利用的二价铁时,其他金属元素也随之释放到滤池中用作微生物的营养物质。因此,以针铁矿为填料的DNBF中的生物量较多,反硝化菌活性较高。针铁矿促进反硝化过程的具体机制还有待进一步的深入研究。     

针铁矿和菱苦土强化养殖粪污厌氧发酵液中氮、磷固定的研究

对比研究了养殖粪污厌氧发酵体系中添加针铁矿和/或菱苦土对N、P固定的作用。实验过程中对溶液pH进行监控,厌氧发酵44 d后,对发酵液中氨氮和磷浓度进行了分析,对固体产物进行了XRD和SEM分析。结果表明：单独或同时添加针铁矿、菱苦土的厌氧发酵罐中,发酵液中N、P浓度均降低,其中N浓度降幅小于P,添加菱苦土厌氧发酵罐中P浓度降幅较大,达90%以上。单独添加针铁矿的厌氧发酵罐中,针铁矿发生还原分解,转化为铁白云石;添加菱苦土的厌氧发酵罐中,形成了大量鸟粪石。研究认为在养殖粪污厌氧发酵体系中,由于碱金属离子的影响,针铁矿和菱苦土对N的固定作用不明显;针铁矿对P的固定效果一般,菱苦土对P固定效果显著,固P产物鸟粪石可作为优质缓释肥使用。     

不同联合预处理对褐煤厌氧发酵产甲烷的影响

高效实用的预处理方式对提高甲烷产量具有重要的作用,但单一的预处理方式往往较难获得满意效果,尤其是针对组成成分复杂的褐煤而言,对其后续产甲烷性能的影响更是存在不确定性。为探讨不同联合预处理对褐煤厌氧发酵产甲烷的影响,以1.00%HCl+5.00%H₂O₂(1号)、6.00%NaOH+5.00%H₂O₂(2号)、1.00%HCl+10.00 g木质素酶(3号)、6.00%NaOH+10.00 g木质素酶(4号)、5.00%H₂O₂+10.00 g木质素酶(5号)等不同联合预处理褐煤为实验组,未经预处理煤样为对照组(6号),在适宜菌种来源和环境条件下进行厌氧发酵产甲烷实验。利用比色法、气质联用法、扫描电镜等对联合预处理产甲烷过程中的糖类、挥发性脂肪酸含量及煤降解特征进行分析,以揭示其影响机理。结果表明:①不同联合预处理均可以增加褐煤发酵产甲烷量。4与5号联合预处理效果较好,累积甲烷产量分别是20.36 mL/g与8.83 mL/g,相比6号对照样分别提高了24.24倍与10.51倍。②各实验组COD(化学需氧量)去除率均高于对照组,且反应前后菌液pH波动值小。③反应初期3号实验组多糖含量最低(0.37 μg/mL),6号多糖含量最高(2.15 μg/mL),且均呈现出先下降后上升的总体趋势。④ 2、3与5号实验组还原糖含量在整个反应过程中保持较高值,且反应末期各产气组糖类含量均不为零。⑤不同联合预处理均可以促进乙酸、丁酸的降解并提高产气率。不同条件下的褐煤产甲烷量与转化率变化特征,证实了联合预处理煤增产生物甲烷的有效性,可为煤制生物气技术的产业化应用提供借鉴。      

海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术

当前国内外海洋天然气水合物勘查和评价发展趋势要求有更多具有精细探测和评价功能的技术,这给地质微生物水合物探测技术的研发和应用提出了需求和挑战。简要介绍了当前水合物成藏或沉积环境研究中所涉及的主要微生物类别及其主要关系,它们绝大多数是适应海底深部低温高压环境的厌氧极端生物。其中重要类群是为天然气提供气源的产甲烷古生菌、参与甲烷厌氧氧化过程的甲烷氧化古生菌和硫酸盐还原细菌。介绍了国内外几个地质微生物探测技术的实例,包括历史悠久的"微生物油气勘探"技术、近十年来发展起来的微生物计数法、群落结构和标志类别法;另外,对新露头角的微生物生物标志物法等其他方法也给予简要介绍。     

希瓦氏奥奈达菌MR-1还原针铁矿的实验研究及地球化学意义

本文实验研究了希瓦氏奥奈达菌株(Shewanella oneidensis MR-1,以下简称MR-1)在pH为中性的厌氧条件下还原针铁矿的过程,探讨了MR-1菌异化还原针铁矿的动力学特征。采用邻菲罗啉分光光度法检测了反应前后溶液中铁含量的变化,利用扫描电子显微镜、粉晶X射线衍射和激光拉曼光谱分析了针铁矿及其还原产物的形貌特征和物相组成。结果表明,针铁矿在厌氧条件下可被MR-1还原,生成磁铁矿、菱铁矿等次生矿物。本文认为针铁矿的微生物异化还原过程以直接接触机制为主,同时存在间接还原机制;溶液中的Fe2+与CO32-、SO42-等沉淀生成菱铁矿等次生产物,同时部分Fe2+、Fe3+离子可吸附于矿物表面,甚至能引起矿物相的转化,两者共同构成了针铁矿的次生分解路径。     

煤矿酸性矿井水主动式生物修复中铁的行为与归宿

酸性条件下Fe(II)的生物氧化过程可以被有效应用于煤矿酸性矿井水修复中,但是Fe行为与归宿的不确定性增加了应用难度。本研究通过对某煤矿酸性矿井水场地发生的生物地球化学过程进行监测,富集培养场地沉积物嗜酸微生物群落,进行室内恒化生物反应器连续流实验,探究微生物作用下Fe及其他金属离子的行为与归宿。研究表明,Fe的形态转化是场地和反应器中最主要的生物地球化学过程。当pH<2.7时,反应更倾向于产生溶解性Fe(III);当2.7相似文献   

SBR、PAC-SBR反应器处理制药废水污泥变化特征

探讨了SBR和PAC-SBR反应器处理盐酸林可霉素原料液生产废水过程中活性污泥特征的变化.随着废水投加量的增加,PAC-SBR反应器的污泥性能始终优于SBR反应器,但是由于盐酸林可霉素原料液生产废水对生物有较强的抑制作用,PAC-SBR反应器和SBR反应器中污泥的活性均发生恶化,COD去除率已明显下降,单独采用SBR或PAC-SBR法处理已难以达到排放标准,必须进行工艺的组合.PAC-SBR反应器较SBR反应器在污泥性质及处理效率上均有一定的改善,对处理盐酸林可霉素原料药生产废水有一定的优势.     

褐铁矿和白云石对垃圾渗滤液厌氧消化增强作用的初步研究

垃圾渗滤液治理一直是城市生活垃圾卫生填埋场的难题。能否利用矿物-微生物交互作用提高垃圾渗滤液有机污染物厌氧转化的效率是值得研究的问题。本文设置4组厌氧生物反应器(分别为只添加褐铁矿或者白云石、同时添加褐铁矿和白云石以及不添加矿物的空白组),考察添加褐铁矿、白云石对垃圾渗滤液厌氧消化的影响。实验结果表明,厌氧生化反应12 d时,添加了褐铁矿和白云石的反应器中COD去除率均达到80%以上,而空白对照组COD去除率仅为50%;4组反应器中溶液pH值变化表明,矿物的存在提高了溶液的pH值0.5左右;4组反应器中氨氮含量变化不大,也没有表现出明显差异。研究认为褐铁矿或白云石矿物在垃圾渗滤液中有机物的厌氧消化过程中起到了重要促进作用。研究结果为提高垃圾渗滤液厌氧处理效率提供了一个可供参考的方法。     

投加粉末活性炭对MBR运行性能的影响

试验研究比较了在相同的进水和运行条件下,反应器1(投加粉末活性炭,投加量为12.3 g,使其质量浓度达到1 100 mg/L)和反应器2(未投加粉末活性炭)的膜透水性及对污染物的去除效果,并分析了粉末活性炭可以提高膜过滤性能的相关机理。试验结果表明：反应器1的膜通量衰减速率明显小于反应器2;投加粉末活性炭改变了混合液的性质,也大大降低了混合液中胞外聚合物和微细胶体的含量,从而减缓了膜通量的下降速度,可以使系统长时间地以相对高的膜通量运行。     

酸性矿山排水与垃圾渗滤液混合厌氧消化

酸性矿山排水一直是难以处理的矿山环境问题之一。课题组前期研究表明,硫酸盐矿物和铁氧化物矿物能够促进垃圾渗滤液中有机物的降解。而硫铁矿的酸性矿山排水中既含有大量的硫酸盐也还有较高浓度的铁离子,因此,我们进一步研究了将酸性矿山排水和垃圾渗滤液混合后进行厌氧处理的效果,并通过小瓶实验优化得到在m(COD)/m(SO2-4)为3的配比下,将酸性矿山排水与垃圾渗滤液进行混合调节后处理,调节废水中的COD、硫酸根以及其他金属离子都可以得到较好的去除效果。因此,本文采用工作体积为4 L的连续运行反应器,长期考察将酸性矿山排水和垃圾渗滤液混合后进行厌氧消化的效果。在连续运行实验中,参照小瓶实验结果,按照m(COD)/m(SO2-4)为3的配比,将酸性矿山排水与垃圾渗滤液混合,之后用NaO H溶液调节混合液的p H,得到p H为7.5左右的调节废水,调节废水中COD、硫酸盐浓度分别约为7 500 mg/L和2 500 mg/L。将调节废水加入反应器,鼓氩气,不接种其他微生物,维持厌氧运行,水力停留时间和温度分别为20 d和35℃。厌氧反应器稳定运行一年后,反应器出水中的COD和硫酸盐浓度分别约为800 mg/L和500 mg/L,调节废水中COD和硫酸根的去除率分别达到90%和80%,Fe、Mn、Ca、Zn等重金属离子的去除率均在80%~90%。微生物群落分析的结果表明,种群上占优势的微生物主要有硫酸盐还原菌、产酸菌、产甲烷菌与铁还原菌等厌氧微生物。硫酸盐还原菌是能够适应苛刻环境的微生物,在厌氧条件下,硫酸盐还原菌利用混合废水中的有机质还原硫酸盐生成单质硫和S2-,而生成的S2-可以用于还原三价铁离子,并同时与调节废水中的重金属离子生成金属硫化物沉淀,从而实现单质硫、硫离子和重金属离子的去除,亦解除了游离的S2-对微生物的毒性作用。此外,铁还原菌也能够将三价铁还原成Fe2+,Fe2+能提高硫酸盐还原菌、产酸菌等厌氧微生物的活性。本文的研究结果表明,将酸性矿山排水和垃圾渗滤液混合后进行厌氧消化,能够同时高效处理两种废水,达到以废治废目的,具有一定的实际应用价值。另一方面,由于垃圾渗滤液的可生化性较差,而本实验中调节废水的COD去除率高达90%,这说明垃圾渗滤液中的一些难降解物质也被分解转化,因此,酸性矿山排水与垃圾渗滤液混合厌氧消化过程中涉及的具体机制还需要进一步进行深入的研究。     

基于显微CT的煤生物降解过程中孔隙演化精细表征

为了查明产甲烷菌群对不同变质程度煤厌氧发酵所产生的生物增透效应,利用显微CT对生物降解前后的煤样进行三维重建,分析煤的孔隙结构变化特征,通过扫描电镜观察产甲烷菌群在煤表面的吸附特征,探讨不同煤阶煤生物改造效果差异的原因。实验结果发现,厌氧发酵后煤样的孔隙率和吼道总长度增加,孔隙的连通性增强,表明在厌氧发酵过程中煤被微生物降解,促进煤中新孔隙的形成、扩展和贯通,从而实现煤的生物增透效应。随着煤的变质程度降低,煤中孔隙结构明显改善,主要原因在于产甲烷菌群更倾向于吸附在低阶煤的表面。研究结果可为煤层气生物工程的现场应用提供理论指导。      

生物甲烷气实验的外加菌源(沼液)中厌氧菌群测定

考虑到煤本源微生物的分离、纯化及培养相对困难,且耗时较长,采用沼液作为外加菌源,并在进行生物甲烷气实验之前,对所采集沼液中的主要厌氧菌群进行微生物特征及数量的测定。结果表明沼液中的厌氧发酵菌(Anaerobicfermentative bacteria)、厌氧纤维素分解菌(Anaerobic cellulose-decomposing bacteria)、硫酸盐还原菌(Sulfate-reducingbacteria)和产甲烷菌(Methanogens)4类厌氧菌群,均具有杆状、球状及链状等多种形态;染色后发现其中革兰氏阴性菌占主要优势;经最大或然数(MPN)计数后表明,沼液中所含厌氧菌的数量足以进行后续的生物甲烷气的产出实验。     

生物气生成的地球化学因素分析

地层中生物气的生成是一种微生物降解有机质的生化过程，影响其生成的因素较复杂，本文阐述了影响生物气生成基本因素：环境的氧化还原程度、温度、pH值、地层含盐度、有机质丰度、硫酸盐、硫化物和硝酸盐的含量与孔隙空间，及其主次关系。借鉴厌氧微生物产甲烷气的最新研究，阐述和分析了影响厌氧发酵的因素(如长链脂肪酸、微量元素与硫化物)的影响。这些因素在地层中广泛存在，在生物气生成过程中起到的作用不容忽视，但研究程度较低；探讨这些因素有助于了解生物气的生成。     

连续流态下好氧颗粒污泥的培养及处理制药废水的性能

在上流式好氧颗粒污泥床反应器中, 以厌氧颗粒污泥和好氧絮状活性污泥为接种泥, 采用人工配制的模拟废水, 成功培养出性能优异的好氧颗粒污泥.反应器内污泥浓度稳定在5g/L左右, 颗粒污泥粒径为0.5~2.0mm, 当进水COD为2000mg/L, 容积负荷为4.8kg/(m3·d)时, 系统对COD的去除率稳定在96%以上.通过扫描电镜观察, 好氧颗粒污泥是层状结构, 表面有大量丝状菌缠绕, 内部有短杆菌和空穴存在.逐步提高制药废水在进水中的比例, 经过47d的培养, 生物制药废水完全取代模拟废水, 系统对COD、NH₃-N、TP的去除率分别稳定在90%、90%和70%以上.      

硝化载体选择试验研究

实验结果表明,以活性炭和甲壳素为悬浮载体的生物反应器,进水中NH3-N质量分数为50mg/L,水力停留时间为20h,投加量分别为8.93g/L、2.71g/L时,氨氮去除率接近于100%,为适宜的硝化细菌生长载体.