厌氧发酵制氢系统及微生物群落结构研究

论文摘要

在当今世界,能源的发展,能源和环境,是全世界、全人类共同关心的问题,也是我国社会经济发展的重要问题。生物能源作为可再生,污染极小的能源,具有无可比拟的优越性,其中氢气作为一种高能燃料且环境友好的新能源具有重要的应用。有机废水发酵法生物制氢技术具有能源和环保的双重功效,已经成为环境生物技术领域的研究热点之一。利用活性污泥作为菌种进行发酵产氢时,反应系统中的微生物群落结构对产氢效能具有决定性的影响。因此,利用现代分子生物学手段阐明微生物群落结构与产氢效能的关系,确定重要的功能菌群,以期实现高效产氢群落的定向构建和优化,对实现发酵法生物制氢技术的工业化具有重要的理论意义和应用价值。针对乙醇型发酵菌群的研究还处于起步阶段,本实验采用完全混合槽式反应器（CSTR）和内循环厌氧反应器（IC）作为产酸反应器,考察在处理糖蜜废水和啤酒废水时,系统的产氢速率和有机废水的处理效果,在此基础上将废水资源化利用;研究系统基于氢气为目标产物转化率的产能率,并通过对各相液相末端产物组分的研究,从宏观角度判断系统各相底物的转化规律及群落的演替规律。研究产氢发酵系统的生理代谢特征,在于更深入的了解和总结系统反应参数、群落和发酵类型之间的作用规律,有助于在各相内演替为目标顶级群落时,控制相应系统运行条件,以获得最大目标产物产率及系统产能率,从而为进一步发掘厌氧消化系统的产能潜力,提供相应依据。本研究首先对CSTR产氢系统的工程参数进行了优化,优化参数主要分为三方面:即水力停留时间（HRT）、有机负荷（OLR）和载体材料。在系统水力停留时间（HRT）的研究中,6h为CSTR产氢系统的最佳水力停留时间最大产氢速率为1.42 L/L/d,最大COD去除率为38.67%。在系统有机负荷（OLR）的优化研究中,系统在进水有机负荷为36 kg COD/m3/d时的产氢速率最高,为1.94L/L/d。选取沸石、聚氨酯和生物陶瓷三种不同的材料为CSTR产氢系统中的载体材料,研究不同固定载体对系统的产氢效果和处理效能的影响。试验发现,聚氨酯材料在相同的运行条件下,表现出比沸石和生物陶瓷更高的产氢速率和有机物处理效果。在参数优化的基础上,以糖蜜废水为底物启动CSTR产氢系统并对产氢前后微生物的群落结构进行分析和研究。系统经过18天的启动和运行,形成了乙醇型发酵过程,此时系统最大产气速率可达6.15 L/L/d（第34天）,发酵气体中氢气的含量最高可达41.51%（第29天）,系统最大产氢速率（HPR）可达到2.47 L/L/d（第34天）。共取3个厌氧污泥样品进行高通量测序,观察到的总OTU数为788个,稳定产氢阶段的微生物多样性>原始厌氧污泥>驯化活性污泥。乙醇型产氢污泥中24个门类,其中Proteobacteria、Firmicutes、放线菌门（Actinobacleria）、Chloroflexi、拟杆菌门（Bacteroidetes）为优势菌属,其相对含量分别是48.62%、22.43%、18.43%、2.24%、2.01%;共317个属,其中的优势菌属为 Hyphomicrobium、Rhodobacteraceae unclassified、Romboutsia、Proteiniclasticum,相对含量分别为 8.11%、6.07%、5.35%、3.83%。以啤酒废水为发酵底物启动CSTR产氢系统,系统在启动第17天形成乙醇型发酵,并在之后的运行过程中保持乙醇型发酵;在启运行过程中系统产气速率稳定在5.75-6.45 L/L/d,产氢速率为2.50-2.72 L/L/d,氢气含量在39.38%-43.42%。乙醇型产氢污泥中微生物共14个门类,其中Saccharibacteria、ProteobacterIa、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）为优势菌属,其相对含量分别为49.20%、31.52%、9.36%、3.21%、3.13%和 2.56%。在IC产氢系统水力停留时间的优化试验中,系统在水力停留时间为4h,系统的产气量和运行效果达到最佳。系统稳定运行时的产氢速率分别为1.75 L/L/d,氢气含量稳定维持在37.47%-41.77%之间。在IC系统稳定运行期间,COD去除率稳定在34.15%-36.91%,并维持稳定的乙醇型发酵类型。通过不同有机负荷（24、36、48 kg COD/m3/d）下的产氢和系统运行情况的对比,氢气的生产速率在有机负荷为36 kg COD/m3/d时达到最高,为2.43 L/L/d。当系统负荷继续增长时,系统的产氢速率呈现下降的趋势,因此初步确定系统的最佳有机负荷为36 kg COD/m3/d。以糖蜜废水为发酵底物启动和运行IC产氢系统,最高产气速率为16.20 L/d、氢气含量最高为65.42%、最高氢气产生速率为10.39 L/d,最大COD去除率为36.39%;通过高通量测序研究了接种阶段（L1）和乙醇型发酵阶段（L5）的微生物群落,从微生物丰富来说,接种活性污泥样品L1中的条带读取数、ACE指数和Chao指数均大于产氢后活性污泥样品L5,说明在污泥接种时的微生物丰富度和多样性较高。乙醇型产氢污泥中,微生物的门类上升为20种,厚壁菌门（Firmicuts）的含量上升至55%,放线菌门（Actinobacteria）的含量下降至26%,变形杆菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroide-tes）的含量变化不大;共分230属,共有14属含量在0.5%以上,其中乳酸杆菌（Lactoba-cillus）和丙酸杆菌属（Propionibacterium）的含量高达50.62%。以啤酒废水为发酵底物启动和运行IC产氢系统,系统的最大产氢速率为1.31 L/L/d,IC的第一室净COD去除率最高,IC系统的最大产气速率为15.17 L/d,最大产氢速率是7.83 L/d,COD去除率稳定在35.44（±4.04）%。通过高通量测序结果的丰富度分析,IC反应器的第一反应室微生物多样性远高于污泥混合区和第二反应室;三种样本中厚壁菌门（Firmicutes）和变形菌门（Proteobactria）微生物丰度最大;梭菌纲（Clostridia）和伽马变形菌纲（Gammaproteo-bacteria）微生物相对含量最高;未分类的狭义梭菌属细菌(Clostriiumsensustricto1unclasified和拉乌尔菌（Raoultellaunclassified）是三个样本中共同的优势菌种,相对含量分别为83.67%、37.32%和65.00%。乙醇型发酵产氢污泥中的优势菌属为Xylella,在微生物中的相对含量分别的为20.03%和35.43%。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 生物能源

1.1.1 能源现状

1.1.2 生物能源

1.1.3 生物氢能

1.2 厌氧发酵过程

1.3 厌氧发酵产氢

1.3.1 厌氧发酵产氢原理

1.3.2 厌氧发酵产氢类型

1.3.3 厌氧发酵生物制氢研究现状

1.4 微生物群落

1.4.1 微生物群落的研究意义

1.4.2 产酸发酵微生物

1.4.3 影响产酸发酵微生物的主要生态因子

1.5 研究目的意义与内容

1.5.1 研究目的意义

1.5.2 主要研究内容

1.5.3 研究技术路线

2 试验材料与方法

2.1 连续流反应器

2.1.1 完全混合槽式反应器

2.1.2 内循环厌氧反应器

2.2 发酵底物

2.2.1 糖蜜废水

2.2.2 啤酒废水

2.3 污泥驯化过程

2.4 营养元素添加

2.5 水质分析检测的方法

2.5.1 气相末端产物分析

2.5.2 液相发酵产物分析

2.5.3 污泥性质指标测定

2.5.4 氧化还原电位（ORP）测定

2.5.5 化学需氧量（COD）测定

2.5.6 碱度测定

2.6 微生物群落分析

2.6.1 样品处理与测序

2.6.2 基础分析

2.6.3 微生物丰度指数（Community richness）

2.6.4 微生物多样性（Community diversity）指数

2.6.5 分类学分析

3 CSTR产氢系统的运行参数优化

3.1 不同HRT下系统的建立和运行

3.1.1 不同HRT下CSTR产氢系统的产气状况

3.1.2 不同HRT下CSTR产氢系统的系统运行状况

3.1.3 不同HRT下CSTR产氢系统的发酵状况

3.2 不同OLR下系统的建立和运行

3.2.1 不同OLR下CSTR产氢系统的产气状况

3.2.2 不同OLR下CSTR产氢系统的系统运行状况

3.2.3 发酵类型

3.2.4 底物利用状况

3.3 污泥固定化载体的选择

3.3.1 前言

3.3.2 载体的选择及物理特性

3.3.3 污泥驯化和产氢系统的启动

3.3.4 不同载体CSTR产氢系统的产气状况

3.3.5 不同载体下CSTR产氢系统的系统运行状况

3.3.6 不同载体下CSTR产氢系统的发酵状况

3.3.7 底物利用状况

3.4 本章小结

4 CSTR产氢系统对糖蜜废水的处理和微生物群落结构

4.1 前言

4.2 发酵类型判定

4.3 产气状况

4.4 运行状况

4.5 糖蜜为底物的乙醇型发酵的微生物群落

4.5.1 微生物群落丰富度

4.5.2 微生物分类学分析

4.6 本章小结

5 CSTR产氢系统对啤酒废水的处理和微生物群落结构

5.1 发酵类型的判定

5.2 系统运行状况

5.2.1 产气状况

5.2.2 COD去除状况

5.3 啤酒为底物的CSTR乙醇型发酵的微生物群落分析

5.3.1 微生物群落丰富度和群落多样性

5.3.2 微生物分类学分析

5.4 本章小结

6 IC产氢系统的运行参数优化

6.1 不同HRT下IC产氢系统的优化

6.1.1 IC产氢系统水力停留时间设置

6.1.2 IC产氢系统的产气状况

6.1.3 IC产氢系统的运行状况

6.1.4 IC产氢系统的发酵类型

6.2 不同OLR下IC产氢系统的优化

6.2.1 系统OLR设置

6.2.2 产气状况

6.2.3 运行状况

6.2.4 底物利用状况

6.3 本章小结

7 IC产氢系统对糖蜜废水的处理和微生物群落结构

7.1 IC产氢系统的启动设置

7.2 IC产氢系统发酵类型的判定

7.3 IC产氢系统的产气状况

7.4 IC产氢系统的运行状况

7.5 以糖蜜为底物的乙醇型发酵微生物群落

7.5.1 微生物丰富度分析

7.5.2 微生物分类学分析

7.6 本章小结

8 IC产氢系统对啤酒废水的处理和微生物群落结构

8.1 前言

8.2 产氢系统的产气状况

8.3 IC产氛系统的能量核算

8.4 IC产氢系统的运行状况

8.5 以糖蜜为底物的乙醇型发酵微生物群落分析

8.5.1 微生物丰富度分析

8.5.2 微生物分类学分析

8.6 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李巧燕

导师: 李永峰

关键词: 废水处理,厌氧发酵,微生物群落,生物制氢,高通量测序

来源: 东北林业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,无机化工,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 东北林业大学

分类号: X703;X172;TQ116.2

DOI: 10.27009/d.cnki.gdblu.2019.000010

总页数: 124

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