生物化学产甲烷动力学的教学实践

厌氧消化是自然界有机物质分解代谢的重要途径,对实现环境和经济的可持续发展具有重要意义。消化中产甲烷过程涉及众多生化反应,其规律很难准确描述。教师在生物化学课程中引入厌氧消化产甲烷动力学教学,设计了5个紧密衔接的教学模块,介绍了3种常见产甲烷动力学模型的推导过程、适用范围、参数特点,教授学生利用软件完成数据拟合的方法,并训练其对拟合结果进行分析。本教学改革通过将产甲烷动力学引入课堂,使学生在更好地理解复杂的厌氧消化反应过程基础知识的同时,构建了理论与实践应用间的桥梁,不仅掌握了精准定量描述厌氧消化过程中产甲烷规律的模型,还学到利用比较动力学参数来评价不同原料发酵规律差异的方法,为未来其参与实际生产和工程实践奠定了基础,获得了良好的教学效果。本文介绍了教学改革的具体内容,对完善生物化学的教学框架和改善教学质量具有重要意义,同时为环境工程、化学工程、新能源工程、生物工程等相关专业课程及实验教学的改革和探索提供了有益参考。

牛粪和白菜尾菜混合厌氧发酵产甲烷潜能和动力学解析

厌氧发酵是利用畜禽粪污资源化的重要手段。然而,牛粪中木质纤维素含量高、难以降解,导致其厌氧发酵产气效率低,限制了在牛粪中的应用。为优化牛粪厌氧发酵性能,拓宽原料来源,在中温(37℃)下进行不同比例白菜尾菜与牛粪混合的批次试验(混合比例为100:0、75:25、50:50、25:75和0:100)。结果表明,与白菜混合发酵可以提高牛粪的厌氧发酵性能。当白菜与牛粪混合比例为75:25时,产甲烷潜能达到最大值(419 mL·g^(-1))。此外,根据Gompertz模型的拟合结果,最佳混合比例下的累积甲烷产量、有效产甲烷时间和产甲烷速率均显著优于其他组。因此,白菜尾菜与牛粪混合厌氧发酵是实现较好产气效果的一种有效方法。

有机负荷对餐厨垃圾厌氧消化性能影响及动力学分析

为探究有机负荷对餐厨垃圾厌氧消化系统的影响,在50 L全混合式厌氧消化反应器(CSTR)进行进料负荷从0.72增至3.86 kgVS·m^(-3)d^(-1)的梯度实验。同时采用Modified Gompertz模型研究不同进料负荷(1、2、3、4、5 kgVS·m^(-3)d^(-1))产甲烷动力学特性,开展生化产甲烷潜力(BMP)试验。结果表明,日产气量和挥发性脂肪酸(VFA)随着负荷的增加而波动上升,而吨VS产气量和碱度则随之下降;在负荷3.15 kgVS·m^(-3)d^(-1)阶段,VFA为2000 mg·L^(-1)左右,酸碱比在0.13左右,容积产气率在2.25 L·L^(-1)左右,系统稳定性强且厌氧消化效率高,此负荷为最佳负荷。BMP试验显示Modified Gompertz模型适合描述餐厨垃圾厌氧消化过程,最大产甲烷量和最高产甲烷率均随着负荷的增加而提高。

SPAC厌氧反应器的动力学特性研究

采用模拟废水,研究新型螺旋自循环(spiral automatic circulation,SPAC)厌氧反应器的动力学特性.通过物料衡算建立容积去除率与出水浓度间的关系,并用Monod模型拟合得到该反应器的最大比污泥活性qmax为1.010d-1,半速率常数KS为1.115g·L-1,理论最大容积去除率(LVR)max为47.3g·L-1·d-1,实测容积去除率为最大值的80%左右.容积甲烷产率与容积去除率以及污泥生长速率与容积甲烷产率之间均具有良好的相关性.以蔗糖为基质时,基质甲烷产率系数为0.396L·g-1 CODremoved,菌体与甲烷产率之比为0.1785g·L-1.通过测定甲烷产量,可方便地了解反应器效能.

金银花露与午时茶药渣中温厌氧特性

以金银花露和午时茶药渣为研究对象,在(37±1)℃下利用自制的厌氧反应装置对药渣进行半固相中温厌氧试验,按厌氧污泥与药渣总固体质量比为1∶2、1∶1、2∶1和3∶0将厌氧污泥接种至药渣中。结果表明:当厌氧污泥与药渣总固体质量比为1∶1时,药渣产甲烷效果最佳,金银花露和午时茶药渣最终产甲烷量为78.2和109.0 mL/g。在接种厌氧污泥与混合药渣总固体质量比为1∶1前提下,金银花露药渣与午时茶药渣总固体质量比分别按0∶3、1∶1、1∶2、2∶1和3∶0配制厌氧发酵底物,在同样温度下进行厌氧发酵试验。结果表明:金银花露药渣与午时茶药渣总固体质量比为1∶2时,最终产甲烷量为138.2 mL/g,且在0~96 h厌氧反应产气较快,其动力学行为符合0级反应动力学方程,反应速率常数(k)为1.11 mL/(h·g)。为获得最大的产甲烷速率,厌氧反应应控制在0级反应阶段。

地黄药渣中温厌氧特性研究

在六味地黄丸制造过程中会产生大量的地黄药渣,该药渣富含蛋白质、淀粉、纤维素,葱酮、木质素、生物碱和微量元素.若利用厌氧消化技术对该固体废物进行资源化处理,能够实现从有机固体废物到清洁能源的转换,达到环境与能源的双赢.文章通过自制厌氧消化器,以地黄药渣为原料,在37±1℃条件下进行研究,分别设置地黄药渣/接种污泥总固体质量比2：1,1：1,1：2,0：1,对比各消化器产气速率、产甲烷总量、产甲烷动力学常数等.结果表明,当地黄药渣/接种污泥的总固体质量比为1：1时,产气效果最佳,其0级反应的时间为0~12h,产气量为757 m L,产气动力学常数k为2.34 m L/h.另取两组厌氧消化器在相同条件下实验,只向其中一个消化器添加微量元素,结果表明外加微量元素对地黄药渣厌氧消化的影响不大,说明地黄药渣含有足够的微量元素满足厌氧菌的生长要求.

碱处理对污泥产甲烷与中间产物氨基酸的影响及两者相关性研究

以剩余污泥为底物,研究了碱处理pH对污泥有机物溶出,水解产生的氨基酸种类和构型以及厌氧消化产甲烷的影响。分别采用2种动力学模型对产甲烷过程进行拟合,并利用Spearman分析考察了氨基酸与产甲烷之间相关性。结果显示:碱处理pH为11时COD溶出率最大,最终累积产甲烷量较空白组提高了1.4倍。改进Gompertz模型对产甲烷过程拟合效果较好,拟合系数均在0.989以上,误差范围在3.9%以内。碱处理可提高水解产物氨基酸含量和种类,溶出的氨基酸同时具有L型和D型,其中L、D-Cys含量最高。L型氨基酸含量高于其对映体(Thr除外),Thr的外消旋化程度(D/(D+L))最高(54.0%),其次为Cys(45.5%)和Ala(44.0%)。氨基酸中D-Leu、D-Asp、L-Thr和L-Cys含量与甲烷产量之间有较强的相关性,其Spearman系数分别为0.894、0.9、0.9和0.9(P<0.05)。这为后续研究氨基酸及其构型对厌氧消化产甲烷的影响提供理论参考,为调控厌氧消化提供新的思路。