Fe_3O_4纳米颗粒对厌氧消化产甲烷过程的影响研究

【摘要】：厌氧消化作为将环境治理、能源回收与生态良性循环相结合的综合系统,广泛应用于废水处理、污泥处理、城市生活垃圾处理、农村农作物秸秆和畜禽粪便厌氧发酵等多个方面。在参与处理过程的众多微生物中,产甲烷菌由于对厌氧条件要求高、氧化还原电位低、最适p H范围窄、对有毒有害物质敏感等特点,成为制约厌氧消化系统处理效率的主要原因。Fe作为参与产甲烷菌代谢活动最重要的一种金属,在厌氧消化体系中引入不同形态/价态的Fe以提高产甲烷菌代谢活性与系统效率一直是该领域的研究热点。但是投加浓度难以控制、阴离子抑制、生物利用度低、化学性质不稳定等问题严重影响其应用性。本研究针对这一问题而展开,提出向厌氧消化体系中引入Fe3O4纳米颗粒(Fe3O4NPs),通过两阶段实验考察其对厌氧消化产甲烷过程的影响,并对Fe3O4NPs促进/抑制厌氧消化产甲烷效应进行分析,进而为提高污水、污泥、垃圾、农作物秸秆和畜禽粪便厌氧消化处理产气效能提供新的思路和理论依据。第一阶段研究以乙酸钠模拟废水为底物,通过序批式静态实验装置宏观地从CODCr降解、系统环境参数(p H/ORP)、累积气体/甲烷产量及比产甲烷速率角度考察了不同浓度、粒径Fe3O4NPs对厌氧消化产甲烷过程的影响。研究结果表明,除去80~100 nm粒径段外,低粒径的Fe3O4NPs(0~80 nm)均能加快厌氧降解CODCr过程,其中粒径为40~60 nm Fe3O4NPs对底物降解的促进作用最为明显。不同添加粒径对系统环境参数(p H/ORP)的影响趋势大体一致:添加Fe3O4NPs加快了底物的降解速率,提高体系p H,形成弱碱性环境(7.0~7.6);同时,Fe3O4NPs作为混合价态氧化物使体系ORP经历了小幅度增长后快速降低(~340 m V),形成更加有利于厌氧产甲烷菌生长代谢的厌氧环境。Fe3O4NPs对厌氧累积气体/甲烷产量的影响随着添加粒径、浓度的增大表现出“先增后抑”的现象,且适当添加浓度(100~400 mg/L)可以明显提高比产甲烷速率,并使其在相对长时间内保持在较高水平。综合比较Fe3O4NPs对厌氧产甲烷过程宏观指标的影响,研究选取40~60 nm、200 mg/L(0.117 g/g VSS)作为最优投配条件。第二阶段研究以乙酸钠模拟配水为底物,通过半连续流实验装置,在最优投配条件下(40~60 nm、0.117 g/g VSS),从Fe赋存形态、Fe3O4NPs结构变化、关键酶(F420、Co M)含量及菌落多样性与丰度角度进行了Fe3O4NPs对厌氧消化系统影响分析。研究结果表明,Fe3O4NPs可以向体系中缓慢释放Fe2+/Fe3+,并在微生物协同作用下使体系中Fe2+含量明显提高,由对照组的1.75 mg/L提高至3.6 mg/L;结合稀释实验结果可知Fe3O4NPs作为铁源对维持体系Fe2+含量、提高系统稳定性有良好的效果;另外,对比Fe2+实验组(4 mg/L)结果可知,Fe3O4NPs主要是以作为种间电子传递载体的方式提高厌氧消化效率。研究对厌氧污泥中不同形态Fe含量的测定结果表明,添加的Fe3O4NPs部分通过吸附、络合反应等方式明显提高污泥中总铁与生物有效性铁的含量,由对照组的5.06%提升至12.4%。另外,研究通过特征酶(F420、Co M)含量的变化情况考察了Fe3O4NPs对厌氧产甲烷代谢活性的影响,结果表明F420、Co M含量分别由对照组的0.523umol/g VSS、5.352 umol/g VSS提升至0.956 umol/g VSS与9.267 umol/g VSS,同时结合厌氧体系溶解性微生物代谢产物含量增长结果得知:Fe3O4NPs可以明显提高厌氧产甲烷菌代谢活性。对厌氧污泥进行高通量测序得知Fe3O4NPs可以使体系微生物菌落多样性提高,OUT含量可由对照组43提高至47;同时,可使微生物优势种发生改变,改变产甲烷菌属丰度,进一步强化Methanolinea优势菌种地位,同时使Methanoregula、Methanosaeta、Methanosarcina含量提高,Methanobacterium含量降低。结合Fe2+促进厌氧产甲烷过程与菌落丰度变化情况得出最终结论:Fe3O4NPs促进产甲烷作用的主要方式是作为种间电子传递载体、提高电子传递效率,改变乙酸降解途径,其次是通过释放Fe2+的方式促进产甲烷过程。 【关键词】：厌氧消化 Fe3O4NPs 产气体/甲烷效率 赋存形态 菌群结构
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ221.11;X70
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 厌氧消化技术研究现状11-16
• 1.1.1 厌氧消化技术发展历程与基础理论11-13
• 1.1.2 产甲烷菌特性简述13-14
• 1.1.3 厌氧消化产甲烷影响因素14-16
• 1.2 金属Fe对厌氧消化产甲烷的影响16-19
• 1.3 Fe_3O_4NPs概述及其应用19-24
• 1.3.1 Fe_3O_4NPs的研究进展19-21
• 1.3.2 Fe_3O_4NPs在污水处理中的应用21-24
• 1.4 研究目的、意义及主要内容24-26
• 1.4.1 研究目的与意义24
• 1.4.2 研究内容24-26
• 第2章 实验材料与方法26-35
• 2.1 实验材料26-28
• 2.1.1 接种污泥26-27
• 2.1.2 实验药品27
• 2.1.3 实验仪器27-28
• 2.2 实验设计28-31
• 2.2.1 序批式静态实验28-29
• 2.2.2 半连续流式实验29-31
• 2.3 实验方法31-35
• 2.3.1 化学分析测试方法31-33
• 2.3.2 修正Gompertz方程33-34
• 2.3.3 微生物分析测试方法34-35
• 第3章Fe_3O_4NPs对厌氧消化产甲烷作用的影响35-49
• 3.1 Fe_3O_4NPs对模拟废水CODCr吸附去除作用35-36
• 3.2 Fe_3O_4NPs对厌氧降解CODCr的影响36-38
• 3.3 Fe_3O_4NPs对系统环境参数的影响38-40
• 3.3.1 Fe_3O_4NPs对系统p H的影响38
• 3.3.2 Fe_3O_4NPs对系统ORP的影响38-40
• 3.4 Fe_3O_4NPs对产气量、产甲烷量的影响40-46
• 3.4.1 Fe_3O_4NPs对累积产气量的影响40-42
• 3.4.2 Fe_3O_4NPs对产甲烷量的影响42-46
• 3.5 厌氧产气、产甲烷过程动力学参数拟合46-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第4章Fe_3O_4NPs赋存状态对厌氧消化系统影响49-62
• 4.1 最优投配条件对厌氧产甲烷反应器运行状态的影响49-50
• 4.2 Fe_3O_4NPs对系统中Fe赋存形态的影响50-56
• 4.2.1 Fe_3O_4NPs对消化液中Fe2+/Fe3+的影响50-52
• 4.2.2 Fe_3O_4NPs对厌氧污泥中不同形态铁分布的影响52-56
• 4.3 Fe_3O_4NPs对种间电子传递作用影响分析56-57
• 4.4 厌氧体系红外光谱谱图分析57-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第5章Fe_3O_4NPs对厌氧消化产甲烷微生物的影响62-71
• 5.1 Fe_3O_4NPs对厌氧污泥中辅酶F420、CoM含量的影响62-63
• 5.2 Fe_3O_4NPs对厌氧产甲烷体系影响的荧光光谱分析63-65
• 5.3 Fe_3O_4NPs对厌氧微生物多样性与丰度的影响65-70
• 5.4 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果80-82
• 致谢82

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

微量金属元素对厌氧污泥颗粒化的影响    潘云锋;李文哲;

有机垃圾组分中温厌氧消化产甲烷动力学研究    李东;孙永明;袁振宏;孔晓英;张宇;

Fe~(2+)对太湖蓝藻厌氧发酵产甲烷过程中关键酶的影响    马素丽;刘浩;严群;

水解酸化—两级厌氧工艺处理甲醇废水的试验研究    马文成

富里酸与几种金属离子的相互作用及影响因素研究    翟莹雪

Fe_3O_4磁性纳米颗粒用于Aβ的免标记检测及Aβ解聚药物的筛选    张彦峥

基于ORP的控制策略在废水生物处理中的应用    苏高强;彭永臻;

厌氧消化过程中微量营养物的作用研究新进展    曾武;郎建峰;

国内外厌氧消化模型研究进展    杨双春;邓丹;梁丹丹;潘一;

微量元素Fe~(2+)对EGSB反应器处理含SO_4~(2-)废水的影响    庞星杰;常薇;杨国锐;

天然和水热合成针铁矿对有机物厌氧分解释放CH_4的影响    姚敦璠;陈天虎;王进;周跃飞;岳正波;

改进型外循环厌氧反应器处理蓝藻启动与颗粒污泥特征    余亚琴;吕锡武;李靖;

沈阳地区城市有机垃圾季节变化特性及其对产气影响    冯磊;张旭东;李润东;

Fe~(2+)、Co~(2+)、Ni~(2+)对渗滤液厌氧过程的影响    唐铭;冼萍;徐英博;刘鑫垚;郭孟飞;杨龙辉;

餐厨垃圾和牛粪联合厌氧消化动力学探讨    冯磊;徐杰;李润东;

餐厨垃圾和稻草两相厌氧发酵及其动力学    陈雪;袁海荣;邹德勋;刘研萍;朱保宁;Chufo Akiber;Jaff Muhammad;魏域芳;靳晓宇;冷静柠;林均衡;李秀金;

生物预处理玉米秸秆厌氧干发酵特性及沼渣基质利用的研究    赵玲

腐殖酸与多环芳烃的非共价结合机制研究    何盈盈

稀硝酸作用下玉米秸秆热水解及水解液生物酸化的研究    张蕊

剩余污泥碱性发酵产酸性能与优化    苏高强

蔬菜废弃物厌氧消化产酸特性及回流调控研究    左壮

餐厨废弃物厌氧发酵特性研究    刘丹

太湖及玄武湖甲烷气体产生、释放及影响机制研究    祝栋林

溶液环境对金属氧化物/水界面上NOM吸附过程中疏水效应的影响研究    吴思

生物填料的研制及应用研究    周鹏飞

改良UASB反应器处理有机废水的实验研究    崔兴果

餐厨垃圾与污泥高固体浓度厌氧发酵产沼气研究    赵云飞

几种胡敏酸和富里酸分子结构模型的三维可视化与特性研究    姚丽晶

腐殖酸对重金属的吸附作用及金属竞争吸附特征    胡书燕

溶解态腐殖酸与Cu~（2+）的络合作用及影响因素研究    李丽

厌氧颗粒污泥特性和应用研究    朱邦辉

不同原料及其配比对厌氧发酵过程中脱氢酶、辅酶F_(420)以及微生物群落结构的影响    张洪宾

铁腐蚀析氢强化甲烷产率实验研究    赵丹

中温UBF与UASB两相厌氧系统处理垃圾渗滤液的实验研究    黄继国;黄国鑫;聂广正;魏海娟;吕爱民;王雪松;

厌氧消化过程中Fe、Co、Ni对NH_4~+-N的拮抗作用    李亚新,董春娟,徐明德

糖蜜酒精废水两相UASB处理有机物去除特征    张仁江,张振家,谷成,张虹,戴树桂

厌氧消化中的产甲烷菌研究进展    公维佳;李文哲;刘建禹;

二级厌氧—SBR工艺处理酱油生产废水    王敦球,张学洪,解庆林,喻泽斌

两相厌氧/好氧工艺处理屠宰废水的工程应用    张学洪,王敦球,喻泽斌,陈宏

UASBAF工艺在龙涤集团废水处理中的应用    韩洪军

新型反应器-USSB处理有机废水的试验研究    肖利平,唐受印,戴友芝

产酸相稳定发酵类型微生物生态学研究    赵丹,任南琪,王爱杰,陈晓蕾

氯金酸-罗丹明S缔合纳米微粒体系的共振散射增强与荧光猝灭研究    蒋治良,刘凤志,刘绍璞,卢欣

腐殖酸-金属离子反应动力学特征与稳态指标的探讨    魏世强;R.sterberg;

二相厌氧—好氧处理中药生产废水技术研究    李东伟

甲醇工业污水深度处理及回用的研究    胡松涛

沼泽产甲烷能力和途径差异的机制    丁维新,蔡祖聪

采用微氧产甲烷技术降解水中的毒性物质    董春娟,吕炳南,马立,吕岩松

生物反应器填埋场产甲烷规律的模拟研究    吴泽;王海燕;程水源;

产甲烷菌的生理生化特性    祖波;祖建;周富春;汪林;

产甲烷菌的研究进展    李美群;邓洁红;熊兴耀;谭兴和;周红丽;李清明;苏小军;张喻;唐艳红;彭丹;张艳艳;

天然湿地土壤产甲烷菌及其影响因子研究进展    刘德燕;丁维新;

一种产甲烷优势菌群的筛选方法    张云茹;刘逸轩;沈庆涛;王永忠;

一株耐冷产甲烷菌的分离及其生长特性初步研究    李军;张雅南;邓娴;张文文;杨宏宇;

一株低温产甲烷菌的分离和鉴定    李会;马骏;崔薇薇;肇莹;王金艳;张淼;杨涛;

温度降低对产甲烷效能的影响    张冰;孔德勇;路阳;

低温产甲烷菌的研究现状    宋素琴;张志东;顾美英;房世杰;

蔗糖发酵产氢与产甲烷能源转换效率的研究    李秋敏;杨斌;张无敌;马煜;李建昌;刘士清;徐锐;尹芳;陈玉保;

不同pH缓冲液对乙酸降解产甲烷菌群结构的影响    麻婷婷;郑珍珍;代莉蓉;承磊;张辉;

稻鸭复合生态种养对产甲烷菌种群数量的影响    邓晓;李勤奋;

硫酸盐对中温厌氧乙酸产甲烷的影响    杨森林;周琦颖;苟敏;汤岳琴;木田建次;江霞;

高压胁迫对原油降解产甲烷菌群落结构的影响    黎霞;承磊;张辉;

糖蜜废水产氢-产甲烷耦合工艺启动特性研究    刘晓刚;丁杰;王豹;刘先树;

厌氧真菌活力及传代频率对真菌与产甲烷菌共培养液代谢与菌群的影响    成艳芬;毛胜勇;MK Theodorou;朱伟云;

有机负荷对厨余垃圾常温厌氧发酵产甲烷的影响    郭燕锋;孔晓英;刘婉玉;李东;王德汉;袁振宏;孙永明;

日本期待收获巨量天然气    况叶

农业资源快速再生模式    李新明 李瑛

铵影响厌氧反应器污泥丙酸和丁酸互营氧化产甲烷过程的机理    张琛

烷烃厌氧降解产甲烷体系菌群结构与功能的研究    王立影

基于代谢网络的产甲烷菌的耐热性研究    陈璟

污泥厌氧消化过程中乙酸累积的微生态机理研究    许科伟

水和乳化液对煤层产甲烷菌群活性影响研究    肖栋

厌氧真菌与产甲烷菌共培养系统的建立及其代谢与菌群变化的研究    成艳芬

挥发酸积累对干式厌氧产甲烷发酵的影响及其动力学研究    李红丽

晋南牛和山羊瘤胃产甲烷菌多样性研究    裴彩霞

污泥浓缩消化一体化反应器微生物群落结构与功能研究    孙兴福

厌氧折流板反应器应用技术及微生物群落生态学研究    朱葛夫

两相乙醇型厌氧的实现途径及其启动运行研究    刘光瑞

Fe_3O_4纳米颗粒对厌氧消化产甲烷过程的影响研究    钱风越

牛粪秸秆混合产沼气的菌种鉴定及发酵条件的研究    林丽莉

大型丝状藻类影响河滨湿地甲烷产生与排放的作用机制研究    孙乔

产甲烷条件下高效烃降解菌群的人工构建    刘海昌

不同生境产甲烷古菌分离鉴定及初步应用研究    仇天雷

温度降低对产甲烷效能的影响及培养条件优化    张冰

低温产甲烷条件下微生物的群落特征    刘全全

低温对沼气菌群产气能力的影响以及产甲烷菌的分离    杨光

电化学辅助微生物厌氧系统产甲烷性能研究    解明利