基于胞外电子传递作用强化污水厌氧产甲烷效能研究
发布时间：2022-12-22 19:27
传统厌氧水处理的能源化过程主要依赖于产甲烷古菌利用乙酸/氢气作为电子供体驱动二氧化碳还原产生甲烷。在该过程中,主要涉及到嗜乙酸产甲烷菌和嗜氢产甲烷菌,前者在生长速率上要显著小于后者,然而在传统厌氧消化过程中,嗜氢产甲烷菌拥有较高的产甲烷速率,但是该途径只占30%左右,而嗜乙酸产甲烷菌的贡献则接近70%。因此如何强化嗜氢产甲烷菌的产甲烷过程对于强化厌氧消化过程产甲烷的能力起着至关重要的作用。针对甲烷形成过程中甲烷菌群落结构上的限制,本研究通过电极内置形成了阳极以胞外电子传递过程为主,阴极以二氧化碳还原为主的产甲烷过程,形成了嗜氢甲烷菌为主要功能菌的,耦合了微生物电解与厌氧消化过程的强化型厌氧生物反应器。该反应器在处理剩余污泥发酵液进行厌氧消化产甲烷过程中,其甲烷产生速率从0.0259 m3甲烷/m3反应器/d提高到0.0564 m3甲烷/m3反应器/d,速率提高了2.18倍,发酵过程中产生的挥发酸,其降解速率也得到了明显的提高。群落结构在外加电压的刺激性形成了胞外电子传递菌为主要的阳极功能区及嗜氢产甲烷菌主导的阴极产甲烷功能区。针对嗜氢产甲烷菌实现富集的机制及产甲烷过程电子传递机制尚不明...
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题来源
1.2 厌氧消化过程的研究背景及意义
1.2.1 水处理的能耗分析
1.2.2 水处理过程能源转化及利用
1.3 厌氧消化系统的微生物群落及机理
1.3.1 厌氧消化系统中厌氧微生物食物链
1.3.2 厌氧消化系统中的甲烷菌及其作用分析
1.3.3 乙酸型甲烷菌和嗜氢甲烷菌的功能差异
1.4 甲烷菌代谢路径
1.4.1 典型产甲烷代谢路径
1.4.2 嗜氢甲烷菌产甲烷代谢路径
1.4.3 甲基产甲烷途径
1.4.4 胞外电子传递驱动的产甲烷过程
1.5 胞外电子传递强化厌氧产甲烷过程
1.5.1 导电介体强化厌氧产甲烷过程
1.5.2 外电压驱动的厌氧产甲烷过程
1.6 胞外电子传递驱动产甲烷过程强化与调控
1.6.1 材料改进对胞外电子传递路径强化作用
1.6.2 群体感应对胞外电子传递路径的调控作用
1.7 本研究主要内容及技术路线
1.7.1 主要研究内容
1.7.2 技术路线
第2章 实验材料与方法
2.1 实验装置及材料
2.1.1 微生物电解反应器
2.1.2 强化型厌氧生物反应器装置
2.1.3 剩余污泥来源及性质
2.2 新型电极材料的制备
2.2.1 石墨烯修饰泡沫镍复合材料的制备
2.2.2 磷化镍的制备
2.3 微生物群落分析
2.3.1 微生物取样
2.3.2 微生物DNA的提取
2.3.3 微生物DNA的扩增及测序
2.3.4 荧光定量PCR分析
2.3.5 DNA探针荧光原位杂交实验
2.3.6 高通量测序分析
2.4 电化学分析
2.4.1 电流-电势曲线
2.4.2 电化学阻抗分析
2.4.3 塔菲尔曲线
2.4.4 电化学活性面积
2.4.5 TOF计算
2.5 化学分析检测方法
2.5.1 水质化学分析检测方法
2.5.2 气体成分分析检测方法
2.6 材料特性分析
2.6.1 材料晶体结构分析
2.6.2 材料的形貌分析
2.6.3 XPS分析
2.7 微电极分析方法
2.7.1 pH微电极测定方法
2.7.2 氢气微电极测定方法
2.8 计算方法
第3章 胞外电子传递路径强化对厌氧消化反应器产甲烷效能及微生物群落结构的影响
3.1 引言
3.2 胞外电子传递路径强化对厌氧消化反应器效能的影响
3.2.1 产甲烷效能分析
3.2.2 碳源转化分析
3.2.3 能量效率分析
3.3 胞外电子传递路径强化对厌氧消化反应器微生物群落结构的影响
3.3.1 微生物群落多样性的变化分析
3.3.2 阴阳极功能微生物的定向富集作用解析
3.3.3 空间结构上微生物群落差异分析
3.3.4 产甲烷路径解析
3.4 本章小结
第4章 胞外电子传递驱动形成的阴极生物膜特征解析
4.1 引言
4.2 阴极生物膜关键参数测定
4.2.1 反应器的产甲烷效能分析
4.2.2 阴极生物膜微环境下pH值测定
4.2.3 阴极生物膜微环境下氢气浓度测定
4.2.4 阴极生物膜微环境下碳源测定
4.3 阴极生物膜产甲烷菌群落结构解析
4.3.1 阴极生物膜产甲烷菌分布
4.3.2 阴极生物膜微生物群落结构解析
4.3.3 阴极生物膜产甲烷菌群落结构解析
4.3.4 阴极生物膜内产甲烷菌定量分析
4.4 阴极生物膜产甲烷电子介体解析
4.4.1 阴极生物膜电化学响应分析
4.4.2 最大氢气浓度衰减规律分析
4.4.3 阴极生物膜内氢气作为电子介体的证明分析
4.5 本章小结
第5章 基于阴极材料改性和生物膜群落调控强化胞外电子传递效率
5.1 引言
5.2 石墨烯修饰泡沫镍强化胞外电子传递效率研究
5.2.1 石墨烯修饰泡沫镍复合材料形貌表征
5.2.2 石墨烯修饰泡沫镍复合材料强化电子传递速率的表征分析
5.2.3 石墨烯修饰泡沫镍复合材料对电子回收效率的影响分析
5.3 磷化泡沫镍强化胞外电子传递效率的研究
5.3.1 磷化镍的表面及晶体结构表征
5.3.2 磷化镍强化电子传递动力学表征
5.3.3 磷化镍强化电子传递速率及回收效率分析
5.3.4 磷化镍稳定性及经济性分析
5.4 信号分子强化胞外电子传递效率研究
5.4.1 不同碳链信号分子筛选
5.4.2 特定信号分子强化电子传递效率作用及其机制
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物被膜的形成及其电化学阻抗检测[J]. 刘露露,徐溢,王人杰,崔飞云,刘海涛,陈李. 生物工程学报. 2018(03)
[2]微生物直接电子传递:甲烷代谢古菌研究进展[J]. 周婷,余林鹏,符力,周顺桂. 应用与环境生物学报. 2018(05)
[3]直接二氧化碳还原成甲烷的研究进展[J]. 唐韵,李福健,成少安. 能源工程. 2017(05)
[4]微生物电化学污水处理技术的优势与挑战[J]. 何伟华,刘佳,王海曼,冯玉杰. 电化学. 2017(03)
[5]基于直接接触的微生物胞外电子传递[J]. 孔冠楠,许玫英,杨永刚. 微生物学报. 2017(05)
[6]单室微生物电解池强化混合脂肪酸产甲烷[J]. 向元英,杨暖,孙霞,张磊,李大平,梁程. 应用与环境生物学报. 2016(05)
[7]微生物电解池构型和电极材料研究综述[J]. 胡凯,贾硕秋,陈卫. 能源环境保护. 2016(05)
[8]基于阴极材料优化的微生物电解池研究进展[J]. 靳捷,刘奕梅,邵俊捷,徐向阳,朱亮. 化工进展. 2016(02)
[9]电子穿梭体介导的微生物胞外电子传递:机制及应用[J]. 马金莲,马晨,汤佳,周顺桂,庄莉. 化学进展. 2015(12)
[10]生物电化学系统还原二氧化碳产甲烷研究进展[J]. 蒋海明,季祥,司万童,潘建刚,蔡禄. 土木建筑与环境工程. 2015(03)
硕士论文
[1]城市污泥水热碳化产物的厌氧消化特性研究[D]. 刘秋彤.大连理工大学 2017
[2]生物炭介导对PE-MFC电化学与产甲烷特性的影响[D]. 陈潇.西北农林科技大学 2017
[3]微生物电合成系统还原二氧化碳产甲烷的性能研究[D]. 鲍白翎.合肥工业大学 2017
本文编号：3723898
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【学位级别】：博士
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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题来源
1.2 厌氧消化过程的研究背景及意义
1.2.1 水处理的能耗分析
1.2.2 水处理过程能源转化及利用
1.3 厌氧消化系统的微生物群落及机理
1.3.1 厌氧消化系统中厌氧微生物食物链
1.3.2 厌氧消化系统中的甲烷菌及其作用分析
1.3.3 乙酸型甲烷菌和嗜氢甲烷菌的功能差异
1.4 甲烷菌代谢路径
1.4.1 典型产甲烷代谢路径
1.4.2 嗜氢甲烷菌产甲烷代谢路径
1.4.3 甲基产甲烷途径
1.4.4 胞外电子传递驱动的产甲烷过程
1.5 胞外电子传递强化厌氧产甲烷过程
1.5.1 导电介体强化厌氧产甲烷过程
1.5.2 外电压驱动的厌氧产甲烷过程
1.6 胞外电子传递驱动产甲烷过程强化与调控
1.6.1 材料改进对胞外电子传递路径强化作用
1.6.2 群体感应对胞外电子传递路径的调控作用
1.7 本研究主要内容及技术路线
1.7.1 主要研究内容
1.7.2 技术路线
第2章 实验材料与方法
2.1 实验装置及材料
2.1.1 微生物电解反应器
2.1.2 强化型厌氧生物反应器装置
2.1.3 剩余污泥来源及性质
2.2 新型电极材料的制备
2.2.1 石墨烯修饰泡沫镍复合材料的制备
2.2.2 磷化镍的制备
2.3 微生物群落分析
2.3.1 微生物取样
2.3.2 微生物DNA的提取
2.3.3 微生物DNA的扩增及测序
2.3.4 荧光定量PCR分析
2.3.5 DNA探针荧光原位杂交实验
2.3.6 高通量测序分析
2.4 电化学分析
2.4.1 电流-电势曲线
2.4.2 电化学阻抗分析
2.4.3 塔菲尔曲线
2.4.4 电化学活性面积
2.4.5 TOF计算
2.5 化学分析检测方法
2.5.1 水质化学分析检测方法
2.5.2 气体成分分析检测方法
2.6 材料特性分析
2.6.1 材料晶体结构分析
2.6.2 材料的形貌分析
2.6.3 XPS分析
2.7 微电极分析方法
2.7.1 pH微电极测定方法
2.7.2 氢气微电极测定方法
2.8 计算方法
第3章 胞外电子传递路径强化对厌氧消化反应器产甲烷效能及微生物群落结构的影响
3.1 引言
3.2 胞外电子传递路径强化对厌氧消化反应器效能的影响
3.2.1 产甲烷效能分析
3.2.2 碳源转化分析
3.2.3 能量效率分析
3.3 胞外电子传递路径强化对厌氧消化反应器微生物群落结构的影响
3.3.1 微生物群落多样性的变化分析
3.3.2 阴阳极功能微生物的定向富集作用解析
3.3.3 空间结构上微生物群落差异分析
3.3.4 产甲烷路径解析
3.4 本章小结
第4章 胞外电子传递驱动形成的阴极生物膜特征解析
4.1 引言
4.2 阴极生物膜关键参数测定
4.2.1 反应器的产甲烷效能分析
4.2.2 阴极生物膜微环境下pH值测定
4.2.3 阴极生物膜微环境下氢气浓度测定
4.2.4 阴极生物膜微环境下碳源测定
4.3 阴极生物膜产甲烷菌群落结构解析
4.3.1 阴极生物膜产甲烷菌分布
4.3.2 阴极生物膜微生物群落结构解析
4.3.3 阴极生物膜产甲烷菌群落结构解析
4.3.4 阴极生物膜内产甲烷菌定量分析
4.4 阴极生物膜产甲烷电子介体解析
4.4.1 阴极生物膜电化学响应分析
4.4.2 最大氢气浓度衰减规律分析
4.4.3 阴极生物膜内氢气作为电子介体的证明分析
4.5 本章小结
第5章 基于阴极材料改性和生物膜群落调控强化胞外电子传递效率
5.1 引言
5.2 石墨烯修饰泡沫镍强化胞外电子传递效率研究
5.2.1 石墨烯修饰泡沫镍复合材料形貌表征
5.2.2 石墨烯修饰泡沫镍复合材料强化电子传递速率的表征分析
5.2.3 石墨烯修饰泡沫镍复合材料对电子回收效率的影响分析
5.3 磷化泡沫镍强化胞外电子传递效率的研究
5.3.1 磷化镍的表面及晶体结构表征
5.3.2 磷化镍强化电子传递动力学表征
5.3.3 磷化镍强化电子传递速率及回收效率分析
5.3.4 磷化镍稳定性及经济性分析
5.4 信号分子强化胞外电子传递效率研究
5.4.1 不同碳链信号分子筛选
5.4.2 特定信号分子强化电子传递效率作用及其机制
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物被膜的形成及其电化学阻抗检测[J]. 刘露露,徐溢,王人杰,崔飞云,刘海涛,陈李. 生物工程学报. 2018(03)
[2]微生物直接电子传递:甲烷代谢古菌研究进展[J]. 周婷,余林鹏,符力,周顺桂. 应用与环境生物学报. 2018(05)
[3]直接二氧化碳还原成甲烷的研究进展[J]. 唐韵,李福健,成少安. 能源工程. 2017(05)
[4]微生物电化学污水处理技术的优势与挑战[J]. 何伟华,刘佳,王海曼,冯玉杰. 电化学. 2017(03)
[5]基于直接接触的微生物胞外电子传递[J]. 孔冠楠,许玫英,杨永刚. 微生物学报. 2017(05)
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[7]微生物电解池构型和电极材料研究综述[J]. 胡凯,贾硕秋,陈卫. 能源环境保护. 2016(05)
[8]基于阴极材料优化的微生物电解池研究进展[J]. 靳捷,刘奕梅,邵俊捷,徐向阳,朱亮. 化工进展. 2016(02)
[9]电子穿梭体介导的微生物胞外电子传递:机制及应用[J]. 马金莲,马晨,汤佳,周顺桂,庄莉. 化学进展. 2015(12)
[10]生物电化学系统还原二氧化碳产甲烷研究进展[J]. 蒋海明,季祥,司万童,潘建刚,蔡禄. 土木建筑与环境工程. 2015(03)
硕士论文
[1]城市污泥水热碳化产物的厌氧消化特性研究[D]. 刘秋彤.大连理工大学 2017
[2]生物炭介导对PE-MFC电化学与产甲烷特性的影响[D]. 陈潇.西北农林科技大学 2017
[3]微生物电合成系统还原二氧化碳产甲烷的性能研究[D]. 鲍白翎.合肥工业大学 2017
本文编号：3723898
本文链接：https://www.wllwen.com/shengtaihuanjingbaohulunwen/3723898.html
