生物电化学厌氧消化的应用现状与研究进展

调研了近年来报道的生物电化学厌氧消化经典案例,梳理了该系统的构型及工作原理;讨论了其解抑增效潜能及机理;分析了外加电压、电极材料及布置间距等对系统强化效果的影响.目前,生物电化学厌氧消化系统通常可将厌氧消化甲烷产率产量提高0.15~8.6倍,提升沼气中的甲烷含量至原来的1.2~1.6倍.外加电极及电压造成的功能微生物富集和电子高效传递是系统性能强化的主要原因.有鉴于此,电压和电极材料是系统效能的主要影响因素.该系统的规模化运行受到经济性制约,后期探索间歇供电、新能源供电、峰谷电等用电策略或形式;研发利于微生物富集但不易结垢的电极材料,创新电极组件摆放或嵌入型式等可能对该系统的工程化应用具有重要促进作用.

电化学厌氧消化代谢途径中关键节点处酶活性的研究

本研究以活性污泥作为接种物,葡萄糖作为底物,电解电压作为扰动因素,采用通量平衡分析(FBA)的方法,构建电化学厌氧消化(EAD)的代谢网络,并对其通量平衡分析和关键代谢节点的信息进行研究.此外,针对特定关键节点的通量变化情况,结合EAD体系中关键酶活性变化进行分析.实验结果表明,通过对EAD体系的FBA和关键节点进行研究,发现EAD体系中CH_(4)的合成途径是以乙酸转化途径占主导地位,其次为H_(2)还原CO_(2)途径,EAD体系的这两条途径的占CH_(4)产生总量的64.95%和35.05%.在关键酶活性检测中,关键酶的活性与产甲烷途径显示出较好的一致性.在0.6 V扰动下,关键酶活性都有所增加,催化微生物体内反应加快,与代谢通量变化有较高的相关性.研究还发现在电压扰动下EAD体系中H_(2)还原CO_(2)产生的产甲烷通量13.44%和12.76%均高于对照组5.97%,进而提升了EAD系统的整体产甲烷能力.

底物浓度和水力滞留时间对电化学厌氧消化的影响

采用电化学厌氧消化(EAD)连续发酵工艺,以乙酸钠为底物,在温度为35℃、pH为中性的条件下,考察底物质量浓度和水力滞留时间对电化学厌氧消化的影响,分析了不同条件下的产气量、气体含量、底物利用率及产甲烷转化率。结果表明,当底物质量浓度从15 g/L增加到25 g/L时,甲烷体积分数先增加后减少,甲烷产率一直降低,导致电化学厌氧消化的降解效果降低。延长水力滞留时间能提高电化学厌氧消化的效果,促进底物在反应体系内的充分氧化分解,提高甲烷产率,但反应器运行效率会减小。

电压和电流对连续电化学厌氧消化的影响

电解电压和电流是连续电化学厌氧消化的重要电化学参数,通过影响厌氧消化电活性微生物活性进而影响电化学厌氧消化。研究改变电压和电流,在35℃下运行连续电化学厌氧消化(EAD),分析了不同条件下的产气量、组分含量、底物消耗率及甲烷产率。结果表明,电压的提高有利于EAD体系内电活性微生物的生长进而促进产生电流,4.0 V时EAD产甲烷最高,电活性微生物活性最强与甲烷产率最佳;当电压继续升高至5.0 V与6.0 V,电压过高抑制反应体系类电活性微生物活性,甲烷产率下降。增加电流运行的EAD均有较高的底物消耗率和较高的甲烷产率。

电化学厌氧消化的研究进展

电化学厌氧消化(EAD)是一项利用微生物电解池(MEC)促进厌氧消化(AD)的新技术,同时也是一项解决全球变暖和能源危机的绿色可持续发展技术;通过近年的研究发现,EAD技术不仅可以显著提高有机物的降解率和能源的回收率,还能大幅度提高沼气中CH4含量,并降低CO2含量,这已然成为AD领域的研究热点;然而,该技术的发展目前仍处于起步阶段,材料昂贵、工程化和规模化应用困难等问题对其实际应用提出了各方面的挑战;因此,本文对EAD技术在近年来的发展现状,及其在实验室和实际工程运行中的影响因素做了全面的总结,同时,指出了当前开发实用的EAD系统所面临的挑战,最后,对该技术在未来的研究和应用方向方面作出了展望。

电化学厌氧消化中挥发性脂肪酸和微生物群落变化

以葡萄糖为底物进行批量发酵实验,探究电化学厌氧消化中挥发性脂肪酸和微生物群落相对常规厌氧消化的变化.结果表明:与常规厌氧消化相比,电化学厌氧消化促进了挥发性脂肪酸的转化,提高了微生物群落的多样性和电活性微生物的丰度.

电解电压对电化学厌氧消化的影响

该文采用批量发酵实验,以厌氧活性污泥为接种物,乙酸为碳源,研究了不同电解电压对电化学厌氧消化(EAD)产甲烷性能的影响。结果表明,在电解电压为1.0 V时,CH_(4)含量可达85.3%,相比对照组提高了14.4%,而CO_(2)含量可低至10%,相比对照组降低了7%。与对照组相比,实验组(0.2~1.6 V)的理论甲烷转化率和比产甲烷速率均有不同程度的提高,且在0.4~1.4 V电压区间的提高程度较大。通过电化学特性和微生物分析发现,当电解电压超过0.4 V时,EAD回路中才会有电流形成,这可能是EAD阳极表面电活性微生物附着生长且与电极进行电子传递的结果。此外,EAD阳极膜生物量越高,其电化学活性也越强,回路中的电流也就越大,相应的产甲烷转化率和比产甲烷速率也越高。

NADH酶对电化学厌氧消化产甲烷代谢的影响

为了探究NADH酶对电化学厌氧消化产甲烷代谢的影响,文章以猪粪发酵后的厌氧活性污泥作为接种物,以葡萄糖为底物,用日产气量、气体含量、挥发性酸作为分析指标,研究NADH酶活性变化对EAD体系产甲烷代谢的影响。结果表明,NADH酶在EAD产甲烷途径中起到电子传递的作用,涉及产氢、甲酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵以及乙醇发酵等途径,从而影响EAD体系产甲烷量。

以pH为扰动因子探究电化学厌氧消化产甲烷代谢通量与微生物的关系

【背景】电化学厌氧消化(electrochemical anaerobic digestion,EAD)系统的代谢途径由具备不同功能的微生物所主导,其代谢通量与功能微生物丰度、活性及群落结构相关。【目的】探究EAD产甲烷代谢通量与微生物的关系。【方法】采用代谢通量分析(metabolic flux analysis,MFA)方法,以pH为扰动因子得到微生物群落与产甲烷通量的响应关系。【结果】pH 7.5扰动时产甲烷通量最大为0.3984±0.0293,较对照组(pH 6.9)的0.2974±0.0127和扰动组(pH 6.3)的0.1365±0.0120分别提高了25%和65%。另外,平均有33.8%±3.1%的氢气(通量)用于还原二氧化碳产甲烷和乙酸,平均有21.0%±2.6%的乙酸(通量)转化为甲烷。此外,产甲烷通量与Mariniphaga、Methanosaeta和Desulfomicrobium的丰度呈正相关,与Sedimentibacter的丰度呈负相关且影响显著。【结论】在EAD产甲烷体系中产甲烷菌和产酸菌共存时,pH值略大于7.0的环境有利于甲烷的生成,改变EAD体系的pH可有效调控代谢产物的通量,其通量大小受微生物丰度的影响较大。

电压扰动对EAD代谢通量中微生物与关键酶活性的影响

为探究电压扰动对EAD代谢通量中微生物与关键酶活性的影响,实验采用单室EAD反应器,以电解电压为扰动变量,利用CNA构建代谢模型,对扰动前后微生物群落、酶活水平及通量变化进行讨论。结果表明,电压扰动后,产甲烷途径偏向于氢营养型产甲烷,约占38.5%,且0.6 V扰动时表现出最佳的甲烷通量,为0.5222 g。EAD体系中的H_(2)的主要来源是阴极和NADH,电解电压的扰动会影响H_(2)的产生,进而会影响产甲烷通量。在0.6 V扰动后,生物膜中Trichloromonas的相对丰度高达40.2%,分别是1.0 V和1.4 V的1.52倍和1.13倍,同时CoI、PTA、AK与CoF_(420)均表现出最佳的酶活水平,关键酶活水平和Trichloromonas的相对丰度与产甲烷代谢通量表现出较好的一致性,而阳极生物膜中微生物多样性也是影响EAD产甲烷通量的重要因素。