1。介绍
全球变暖已经证明的结果增加了大气中二氧化碳浓度产生的主要温室气体排放二氧化碳(有限公司2 )来自人类活动。根据最新的可用数据(
1 ),中国是最大的生产国的有限公司2 109亿吨当量的有限公司2 每年公布的,其次是美国(每年5.1 Gt)和欧盟(每年3.2 Gt)。在欧洲国家(EU28),意大利是全球排名第三(0.36 Gt)和18。因此,实施城市污水处理厂日益严格的限制(WWTPs),以及需要减少化石能源的使用,要求植物成为能源自给自足
2 ]。能源是通过沼气生产从传统恢复厌氧消化(广告)。CH沼气,主要由55 - 70%4 ,30 - 45%的股份有限公司2 和其他微量气体(氮气、氧气、水、碳氢化合物、氨、和硅氧烷)(
3 ),可以利用在结合热力和电力引擎,或者删除后有限公司2 (沼气升级)和其他杂质,如甲烷。在这最后的情况下,市场已经提供了各种化学/物理升级技术。然而,一个主要的缺点在于简单分裂有限公司2 沼气通量。尽管如此,考虑到在能源消费/化学方面相当大的挑战,研究人员正在调查替代方案(
4 ]。其中,生物有限公司2 转换成甲烷(CH4 )(方程(
1 )是有吸引力的。
(1)
4
H
2
+
有限公司
2
⟶
CH
4
+
2
H
2
O
∆
G
0
=
−
135.6
kJ
∙
摩尔
−
1
。
它允许同时减少有限公司2 和增加的CH4 沼气产量,向更可持续升级技术,将生物有限公司2 与负一种能源,碳排放足迹化石的有限公司2 (
5 ]。外生的高生物升级要求H2 允许有限公司2 转换可以利用多余的非高峰能源自然波动的可再生能源(风能、太阳能)维持水电解过程气体的权力(P2G) [
6 ]。此外,在WWTP配备污泥广告治疗,生物沼气升级介绍另外两个优点:(i) O2 联合与H2 通过电解水可以用于活性污泥处理,这需要WWTP能源需求总量的50%左右(
2 ];(2)废水的水从WWTP可以作为源对电解水,虽然可能需要预处理[
7 ]。
生物有限公司2 methanization过程是由古生菌属于的命令<我talic>
Methanobacteriales,<我talic>
Methanomicrobiales,<我talic>
Methanococcales被归类为hydrogenotrophic产甲烷菌(
8 ]。Hydrogenotrophic产甲烷菌普遍存在于每一个厌氧消化池中扮演重要作用清除H2 为了保持一个较低的分压(<我nline-formula>
p
H
2
<
10
巴勒斯坦权力机构
)。
到目前为止,这本小说的三个主要应用升级技术在实验室规模进行了研究:<我talic>
原位,<我talic>
非原位(
9 - - - - - -
11 ),而<我talic>
混合动力(
12 ]。在<我talic>
原位H2 被送入沼气反应器是用于公司在哪里2 由有机基质降解。的主要缺点<我talic>
原位系统:(a)积累中间体由于增加H2 分压(pH值2 )[
13 ),(b)增加内源性的pH值由于进步的消耗溶解有限公司2 (
9 ,
12 ,
14 ),和(c)低氢溶解度极限分布均匀、高效的气体在液相
13 ,
15 - - - - - -
18 ]。
关于对有机物降解的影响链,Corbellini et al。
21 测试了一个新颖的方法,在半连续执行生物反应器,包括在逐步增加H2 剂量专门的生物为了适应和发展。其他一些研究在文献中可以找到有关<我talic>
原位沼气升级治疗污水污泥和特别关注H2 /公司2 率流程优化(
19 ,
20. ]。事实上,它是至关重要的获得更深入的知识的影响2 /公司2 比在塑造一个财团的细菌和古生菌能够稳定,同时最大化有限公司2 methanization和降解有机基质。
在这项研究中,生物<我talic>
原位沼气升级操作在两个实验室规模连续搅拌釜反应器(装运箱)并行工作,以评估过程的可重复性,实验结果:后者方面是重要的,因为它很少解决测试生物沼气升级时,和绝大多数的文献报道在单一操作反应堆。实验计划是决定有两个主要目的:调查的影响H2 /公司2 比沼气升级的效率和稳定性的过程和学习的特定微生物的进化与发展的宏观尺度的过程。根据这次调查的结果,进一步的知识已经获得有关(1)产生的沼气率之间的关系和主要操作参数;(2)H2 /公司2 比之前的系统可以将遇到不稳定;(3)H增加的影响2 /公司2 比例上的微生物群落,分析在不同试验阶段;和(4)过程的可重复性。
2。材料和方法
2.1。实验装置和设计
两个相同的实验室规模装运箱(总量,<我nline-formula>
V
合计
=
16
l
;工作高度,<我nline-formula>
H
w
=
31.3
厘米
;直径,<我nline-formula>
D
=
30.
厘米
;工作容积,<我nline-formula>
V
w
=
11
l
R1和R2),以下简称为并行操作和日常用0.5 L的初级和二级污泥混合物。有机加载速率的污泥(OLR引用SL )是<我nline-formula>
1。5
±
0.1
gCOD∙(L·d)1 和水力停留时间(HRT) 22天。这两个反应堆(客观世界GmbH)配备污泥装卸蠕动泵和控制pH值<我nline-formula>
7.4
±
0.2
通过添加酸或基本解决方案(0.5 M盐酸,1 M氢氧化钠)。H2 在每个反应堆注入额外的蠕动泵(Velp Scientifica, SP-311/2类型,意大利)通过一个铝管(<我nline-formula>
Ø
=
6
毫米
)沉没在总数的3/4污泥高度。
有力的保证混合在120 rpm的垂直轴搅拌器。外部加热外套保持内部温度<我nline-formula>
36.7
±
1
°
C
。沼气流是由一个气表量化(RITTER Apparatebau GmbH & Co . KG)和分析在线气体分析仪(AwiFLEX酷+ Awite Bioenergie GmbH)有限公司2 (范围0 - 100%),CH4 (范围0 - 100%)和O2 内容(由压力范围0 - 25%)和红外补偿方法,而H2 年代(1500 ppm)是衡量一个电化学传感器。分析了氢,每周两次,使用气相色谱法(DANI主GC)加上一个火焰离子化检测器(FID Nukol石英)。反应堆运行211天,分为八世时期(表
1 )。时期我(初创时期),核反应堆都是美联储在污水污泥混合物。然后,同时保持一个恒定的OLRSL H2 是逐步美联储反应堆增加H2 /公司2 比率:时间从第二到第六致力于浓缩(H2 /公司2 从0.5到4);在七世和八世时期,H2 /公司2 比率高于化学计量值,等于6和7,。表
1 报告其他相关操作条件为每一个时期,因为OLR合计 是贡献的总和的污水污泥混合物(OLR吗SL )和H2 鳕鱼的基础上,计算(转换因子8 gCOD∙gH2 1 )。时间的长度的化学计量H2 /公司2 比被认为是在Corbellini et al。
21 ),这样的持续时间被定义为了同时达到一个稳定的响应扰动和缩短启动时间需要适应生物质越来越H2 供应。
表1
在实验期间操作参数;在括号中,周期数,H2 /公司2 采用比例。
Period-H2 /公司2
持续时间(d) 进步的天(起止)OLRSL 鳕鱼(g·L1 ·d1 )OLR合计 鳕鱼(g·L1 ·d1 )
我
97年(一)
0-20
1。3
±
0.6
1。3
±
0.6
2−0.5
20.
21-41
1。5
±
0.2
1。5
±
0.1
III-1
7
42-49
1。5
±
0.1
1。6
±
0.3
IV-2
8
- 58
1。6
±
0
1。6
±
0.4
对3的
8
59 - 67
1。6
±
0
1。7
±
0.2
VI-4
26
68 - 94
1。4
±
0.2
1。7
±
0.3
VII-6
12
95 - 107
1。5
±
0.8
1。8
±
0.8
VIII-7
33
108 - 141
1。5
±
0.4
1。9
±
0.6
(一) 在所有的数据,只有过去的20天的期间我所示。
H的数量2 每天给每个反应堆期间<我talic>
我(剂量(H2 )period_<我talic>
我 基于H)计算2 /公司2 率和平均速率有限公司2 过程中产生的<我nline-formula>
我
1)th 期间,根据(
21 ]。每日H2 数量是由激活H2 泵20脉冲/天,调整泵速度以达到H2 每个实验时间。
2.2。剂和原料准备和特征
喂养污泥和培养液来自全面市政WWTP位于Bresso(米兰,意大利)。喂养污泥(0.5 L∙d1 )是一个主要和废弃活性污泥的混合物(是),直接从主沉降槽是循环。培养液(10 L)收集全面嗜中温消化池。污泥混合物渗(2 mm)的散列,以防止堵塞泵的管;然后,它是存储在-20°C,解冻后使用。基板的主要特点是在桌子上
2 。两个生化甲烷潜力测试(BMP)进行污泥混合物在实验开始和结束时,在这最后的情况下使用反应器流出物作为接种体。
表2
化学特性(<我nline-formula>
的意思是
±
标准
偏差
)的培养液和污泥混合使用。
参数 污泥混合物培养液
总固体(TS) (gTS∙公斤调频 1 )(一)
26
±
6
20.
±
2
挥发性固体(VS)(问∙公斤调频 1 )
18
±
5
12
±
3
VS / TS (%)
70年
59
±
1
鳕鱼合计 (gCOD∙公斤调频 1 )
12
5.5
TVFA (mgCOD∙L1 )
1254年
±
130年
224年
碱度(mgCaCO3 ∙L1 )
1629年
±
261年
5666年
±
148年
(一) FM:新鲜的事。
2.3。监控策略
总挥发性固体和总COD测量每10天喂养污泥。总和挥发性固体、挥发性脂肪酸、可溶性COD,碱度的测定废水digestate每周两次。根据结果,两个索引计算每个实验时间:(i)的H2 消费(<我talic>
H2,滚开 根据(),
21 ),和(2)的挥发性固体比例以监控H的效果2 注入有机基质降解,根据方程(
2 )。
(2)
VS
%
=
VS
在
−
V
年代
出
VS
在
·
One hundred.
,
在哪里<我nline-formula>
V
年代
在
和<我nline-formula>
V
年代
出
(问∙L1 )的挥发性固体浓度影响和污水污泥。
2.4。分析方法
VS和挥发性固体(TS)根据标准方法测定2540
22 ]。碱度测定的滴定与H2 所以4 pH值4.3,使用一个自动滴定仪(美国哈希兰格沼气滴定经理)。可溶性COD (sCOD)测量使用光谱光度测量的测试套件(由Hach-Lange DR6000紫外可见与RFID)后过滤(0.45<我talic>
μ米)。挥发性脂肪酸(VFA,乙酸,丙、异丁酸丁,异戊,和戊)浓度测定根据5560年标准方法(
22 ),使用气相色谱仪(DANI主GC)加上一个火焰离子化检测器。下文中,TVFA表明VFA的总浓度表示为等价的鳕鱼。总COD决心根据5220年标准方法(
22 ]。沼气成分(有限公司2 ,CH4, H2 阿,2 和N2 )特点是每周两次使用气相色谱法(DANI主GC分析仪配备两列HayeSep Q和Molesieve 5 a)。自动甲烷潜力测试系统II(阿姆普特II,生物过程控制®)是用于BMP决定。测试是在重复执行,嗜中温条件(<我nline-formula>
35
±
0
。
5
°
C
),采用基质培养液(S / I)的比率0.5 VS基地根据意大利BMP标准方法(
23 ]。
2.5。统计分析
使用SPSS统计分析进行了v。25software in order to assess: (i) the repeatability in the operation of the two reactors, R1 and R2, and (ii) the significance of the differences observed between the eight experimental periods. Data distributions were firstly verified, both graphically (results not shown) and numerically. The Kolmogorov-Smirnov and Shapiro-Wilk tests (<我nline-formula>
意义
水平
=
0.05
)被用来测试变量对常态。在正常条件下并不总是满意,非参数Mann-Whitney<我nline-formula>
U
测试和克鲁斯卡尔-沃利斯测试(<我nline-formula>
意义
水平
=
0.05
)被用来比较选择因变量独立分类变量的兴趣(反应堆或时间)。
2.6。采样、16 s rRNA基因的扩增,测序和序列分析
总共16个样本取自R1和R2反应堆高吞吐量的16 s rRNA基因测序的微生物群落分析。根据以下方案:采样点选择一个样本收集的第四期(R1-IV和R2-IV)和V (R1-V和R2-V),两个期间VI (R1-VI和R2-VI),一个第七期结束时(R1-VII和R2-VII),和三个在过去八世时期(R1-VIII_a;R1-VIII _b;R1-VIII _c;R2-VIII _a;R2-VIII _b;R2-VIII _c),总结在图
1 。
图1
R1和R2反应堆产生的甲烷速率在实验;箭头表示DNA提取采样点:标签包括反应堆采样的名称(R1和R2),罗马字母的实验时间,和需要时,字母区分样本相同的反应堆和时期(a、b或c)。
![]()
样本离心机(7000 rpm, 10分钟在4°C)获得约2 g细胞颗粒。总微生物DNA提取土壤使用FastDNA旋转工具(MP生物医学,梭伦,美国)根据制造商的协议。细菌V5-V6变异度高的地区的16 s rRNA基因扩增使用783 f - 1046 r菌进行基因引物(
24 ,
25 ),而对于古社区16 s rRNA的片段基因扩增使用IA_349F-IA_571R菌进行基因引物(
26 ]。多路复用库是准备使用双重PCR扩增的协议。细菌PCR中执行<我nline-formula>
2
×
50
μ
l
体积的反应与GoTaq®绿色主人混合(Promega公司麦迪逊,WI)和1<我talic>
μM的底漆,循环条件的初始变性为30年代在98°C;20在98°C周期10年代,47°C 30年代,5 s和72°C;在72°C和最后一个扩展2分钟。古细菌PCR中执行<我nline-formula>
4
×
25
μ
l
体积的反应与Phusion高保真聚合酶(热科学)和2<我talic>
μM的底漆,自行车在96°C条件初始变性4分钟;10在96°C周期30年代,30年代,68°C和72°C 25 s;然后30周期在96°C 30年代,58°C 30年代,和72°C 25 s;在72°C和最后一个扩展5分钟。扩增子与向导®SV凝胶纯化PCR清理系统(美国WI Promega公司(麦迪逊)根据制造商的指示。净化后,DNA质量评估spectrophotometrically, DNA量化使用量子位®(生活技术,卡尔斯巴德,CA)。Illumina公司Miseq测序进行每il Centro Consorzio di Biomedicina Molecolare(意大利的里雅斯特)。根据索引读取从测序de-multiplexed然后过滤质量。过滤站读取被组装成error-corrected扩增子序列变异(asv)使用DADA2 v1.4.0 [
27 ],它代表独特的细菌和古细菌类群。组装asv被分配分类法(门物种)使用核糖体数据库项目(RDP)。
稀疏曲线进行使用PAST3软件。热图是邮票生产软件。非度量多维标度(nmd)分析基于Bray-Curtis不同指数进行了使用素食包R (R版本3.6.0)。数据的讨论重点是社区中最丰富的细菌和古细菌属相对丰度至少0.5%的古生菌和细菌> 1%。
3所示。结果与讨论
3.1。反应堆操作之间的可重复性
反应堆有统计学之间的重复性测试,以评估组输出数据是否可靠。为此,5变量使用:三个“气态”变量,沼气率,及其组成(CH4 和有限公司2 )和两个“液态”变量,碱度,TVFA。他们一起在池所有数据进行评估,独立的时期(情况下)或分离测试变量周期的周期(案例B)。至于情况下,数据分布的变化被发现之间的R1和R2如果考虑沼气率(<我nline-formula>
U
=
15
”
727年
;渐近意义,<我nline-formula>
ASig
<
0.001
;意思是,原因就是:<我nline-formula>
R
1
=
103年
;<我nline-formula>
R
2
=
182年
)。结果证明当测试CH相反4 (<我nline-formula>
U
=
1
”
009年
,<我nline-formula>
ASig
。
=
0.097
原因就是:<我nline-formula>
R
1
=
55.3
;<我nline-formula>
R
2
=
45.7
)和有限公司2 内容(<我nline-formula>
U
=
1
”
416年
,<我nline-formula>
ASig
。
=
0.252
原因就是:<我nline-formula>
R
1
=
47.2
;<我nline-formula>
R
2
=
53.8
)以及碱性(<我nline-formula>
U
=
1
”
148年
,<我nline-formula>
ASig
。
=
0.054
原因就是:<我nline-formula>
R
1
=
38.3
;<我nline-formula>
R
2
=
48.7
)和TVFA (<我nline-formula>
U
=
387年
,<我nline-formula>
ASig
。
=
0.352
原因就是:<我nline-formula>
R
1
=
32.6
;<我nline-formula>
R
2
=
28.4
)。虽然条件在R1和R2被发现统计上相似,不同分布的数据观察沼气利率但统计显示类似的气体成分。这可能是被认为不仅要开发不同的微生物群落之间的两个核反应堆(见标准。3.5)但也到特定的当地的环境条件。经过一段时间的H2 剂量,生物反应器可能改进或相反有限的特定的降解途径或特定酶的分泌。这方面需要进一步研究,采用面向目标的实验计划专注于这个目的。期之间的时期比较(例B)反应堆提供更准确的结果(见表
S1 补充材料):不同沼气率分布反应堆被观察到的所有8个时间之间意义值低于0.05。相反,公司2 和CH4 内容分布是相同的在所有时期R1和R2,除了时间我(确切的意义,<我nline-formula>
团体
。
=
0.021
)和六世(<我nline-formula>
团体
。
=
0.008
)。结果碱度和TVFA证实了观察到测试的整个数据集,从我期期八世:R1和R2内化学条件总是统计比较,除了第六期(<我nline-formula>
团体
。
=
0.004
)和八世(<我nline-formula>
团体
。
=
0.004
)。应该注意的是,第六期对应的化学计量剂量H2 :从这一时期开始,显著的变化。在此基础上统计分析,所有结果都分别提出和讨论了两个核反应堆,尤其是沼气的引用率。
3.2。统计学意义的沼气升级
三个“气态”变量是使用非参数统计检验,克鲁斯卡尔-沃利斯检验来验证所观察到的差异的意义之间的八个时期(见表
S2 在补充材料)。意义值低于0.001发现三个变量,然后提供强有力的证据的区别的平均排名至少一对。克鲁斯卡尔-沃利斯拒绝后测试,事后程序成对进行多重比较来确定这双是不同的。邓恩的成对测试进行了使用Bonferroni调整调整总数的拒收标准测试(结果总结在表
S3 、补充材料)。这个测试显示,两个反应堆,期间我成为统计不同产生的沼气率从时期当接近化学计量剂量H V2 ;然后,观察R1和R2之间不同的行为:至于R1,期间产生的沼气率七世(<我nline-formula>
团体
。
=
0.109
)和八世(<我nline-formula>
团体
。
=
0.878
)返回统计期间产生的是什么一样。相反,期间产生的沼气利率从V八世在R2提供强有力的证据(<我nline-formula>
团体
。
<
0.026
)的统计上的不同生产阶段I和II。为公司观察到类似的结果2 和CH4 内容,相反:沼气成分的变化成为统计不同于二世时期,从第六期(<我nline-formula>
团体
。
<
0.043
);增加H2 /公司2 比率高于化学计量,然而,并没有改变显著,从统计的角度来看,沼气成分。
3.3。反应器的性能
3.3.1。期间我:Pre-H 2 <子> < /订阅>阶段
如图
S1 期间我在补充材料,观察初始甲烷产量的变化在两个反应堆。然而,97天后,对应于三个荷尔蒙替代疗法,稳态达成了在这两个反应堆,和甲烷产量的0.26和0.28 NLCH4 ∙问1 分别为R1和R2,导致与BMP的值(<我nline-formula>
0.229
±
0.001
和<我nline-formula>
0.210
±
0.002
NLCH4 ∙问1 )测量的开始和结束时的实验。表
3 报告平均气体流动的甲烷,二氧化碳和氢在整个时期的两个平行实验反应堆。年初以来,高有限公司2 和CH4 生产速度是在反应堆R2, R1相比,虽然类似的沼气成分检测。之间的这种偏差沼气利率R1和R2增加实验期间,尽管同样的喂养维护所有时期:这可能是由于小意外的变化环境条件的两个反应堆可能导致微生物群落(即不同的物种形成。、碱度、营养成分和浓度,这可能,例如,确定不同特定酶的分泌)。在正常情况下,这种差异导致的影响可以忽略不计,如稍高的不改变的VFA浓度在R1第四阶段。此后,开始压力系统与H2 剂量,可能甚至是更敏感的小变化,然后导致反应堆更加明显差异(见碱度和VFA浓度从阶段V,当接近化学计量H2 /公司2 比),导致报告的不同利率产生的沼气表
3 。
表3
总结核反应堆的气体质量流量(有限公司2 ,CH4 ,和H2 实验期间)。
Period-H2 /公司2
有限公司2 (NmL∙d1 ) CH4 (NmL∙d1 )H2 (NmL∙d1 )
R1 R2R1R2R1R2
我
788年
894年
2597年
2772年
0
0
2 - 0.5
955年
1054年
2813年
3137年
27
33
III-1
962年
1034年
2985年
3319年
42
28
IV-2
953年
1094年
3161年
3612年
43
38
对3的
1004年
1307年
3628年
4404年
54
65年
VI-4
605年
1147年
3454年
4542年
203年
349年
VII-6
575年
864年
3597年
4329年
134年
229年
VIII-7
297年
440年
3353年
4970年
235年
348年
图
2 所示,两个反应堆,意思是监控每个段的参数值。
图2
平均值的参数测量在每个8实验时间(在括号中H2 /公司2 比):(a)箱形图的甲烷速率(圆圈表示异常值);(b)沼气成分;(c) TVFA成分和醇;(d)框块碱性浓度(圆圈表示异常值)。
(一)
![]()
(b)
![]()
(c)
![]()
(d)
![]()
反应堆表现同样期间我,高甲烷(76.2%)和较低的公司2 (23.8%)沼气(图中的内容
2 (b) 碱度(图)和可比性
2 (c) (图)和TVFA浓度
2 (d) ),醋酸盛行。
3.3.2。时期族化合物:Hydrogenotrophic产甲烷菌的富集
期间二世VI(天21 - 94),H2 被逐渐递增剂量注射。由于非常低的浓度检测输出气体,可以得出结论,H2 完全消耗的过程,而观察甲烷产生率略有增加,如图
2 (b) 。这证实hydrogenotrophic产甲烷菌通常低于H工作2 率消耗能力(
28 ),然后能够消耗更多的氢气就可以接触到它。此外,厌氧降解的底物并没有受到影响,和vfa很容易消耗过程中没有观察到积累:沼气生产稳定以及挥发性固体退化,报道在表
4 。然而,如图
2 (c) 3.2和1.4的,乙醇峰gCOD∙L1 在反应堆R1和R2被报道在第二阶段,立即针对H2 注入。据作者的知识,在最近的文献<我talic>
原位沼气升级,乙醇积累尚未报道。它也许可以归因于H的监管作用2 在厌氧消化器的正常运行。乙醇是由糖在acidogenesis步骤(
29日 ),它通常是由syntrophic氧化细菌和产甲烷菌(
30. ,
31日 ]。低氢2 醇类和脂肪酸的浓度允许热力学退化H2 第syntrophic细菌(
30. ];因此,额外的H2 提供一种生物质没有正确地适应酒精氧化的影响,可能导致乙醇积累。然而,尽管H2 供应不中断,乙醇下降到0.2 gCOD∙L1 在这两个反应堆在第三期(H2 /公司2 1:1),在第四期几乎完全耗尽。这可能是由于活动的增加H2 及时清除微生物,减少外源性H2 ,然后允许酒精退化。
表4
总结反应堆碱度和VS去除实验时期。
期 反应堆碱度(gCaCO3 ∙L1 )和删除(%)
我
R1
4.36
39%
R2
4.33
37%
二世
R1
4.04
44%
R2
4.07
42%
三世
R1
4.04
39%
R2
4.01
40%
四世
R1
3.96
45%
R2
4.02
47%
V
R1
3.99
41%
R2
4.37
42%
六世
R1
3.36
35%
R2
4.06
32%
七世
R1
3.48
39%
R2
3.92
34%
八世
R1
2.16
37%
R2
3.63
32%
此外,它通常是报告称,大约40%的总H2 提供通过homoacetogenesis + acetoclastic利用甲烷生成途径(
32 ]。尽管如此,在这项研究中,注册的醋酸浓度稳定在这两个反应堆(0.6 gCOD∙L1 在R1和0.4 gCOD∙L1 R2),这似乎与这个重要的H2 消费路线。
当达到化学计量H2 /公司2 (4:1)价值时期VI,沼气产量的高可变性在R1与甲烷产率从1.5到4 NLCH不同4 ∙d1 (图
2(一个) )。不管不稳定沼气,有限公司2 含量下降到14%,而CH4 升至81%。R2表现不同,有克制的沼气和甲烷的速率变化(3 4.46 NLCH4 ∙d1 减少),但较低的有限公司2 内容(从23日至19%)和CH4 增加(75%)(图
2 (b) )。作者认为,降低生产沼气的R1导致更高的H2 可用于较低数量的有限公司2 产生,从而允许更高的公司2 转换。
3.3.3。期VI-VIII: Overstoichiometric评估
在第七和第八,反应堆都在H2 /公司2 6:比1和7:1。在第一个overstoichiometric期间,有限公司2 进一步转换以达到CH4 在R1和R2含量84%和80%,分别。的浓度非常低,表明一个稳定的过程。当H2 /公司2 比例进一步增加到7:1、R1和R2显示最大甲烷产量NLCH 4和4.54 ∙d1 ,尽管R1显示高可变性。此外,浓度和乙醇几乎是常数。在这最后的时间里,R1达到最低的公司2 含量4.5%,最大CH4 90.3%(图的内容
2 (b) )。有机基质降解没有负面影响外生H2 注射。事实上,BMP在污泥混合物进行了测试(137天),作为接种体使用的混合物digestates来自两个核反应堆。这导致了<我nline-formula>
210年
±
1。5
NmLCH4 ∙问1 ,价值可比<我nline-formula>
229年
±
1
NmLCH4 ∙问1 开始时获得的测试使用digestate WWTP Bresso培养液。
3.3.4。与文学
表
5 总结了一些研究<我talic>
原位通过H沼气升级2 注射在不同的操作条件。可以看出,对有关的一些研究<我talic>
原位沼气升级过程和污水污泥在嗜中温条件允许直接与目前的工作。王等人。
33 利用合成焦炉煤气(SCOG 92% H2 和8%的公司),氢源注入,中空纤维膜(单位)模块,在装运箱应用化学计量biomethanation比(<我nline-formula>
H
2
/
C
O
2
=
4
:
1
)。沼气是完全升级(98 - 99 CH4 %)只有当pH值是固定在8。Agneessens et al。
19 )测试脉冲H2 注射在批处理模式H2 /公司2 不同比例从2:1到10:1。比8:1是最好的选择,最终有限公司2 内容的11.8%。后来,在一项研究中由Corbellini et al。
21 ),H2 /公司2 比例从1:提高最多1到4:1半连续模式,但CH4 沼气中分数达到最大值80%。目前的研究调查过程和卷(16 L)高于所有先前的研究,采用体积总是低于3.5 L [49]。H2 注入测试在更广泛的H2 /公司2 在装运箱比率和生物反应器。此外,过程评估两个平行的重复性操作反应堆,从未解决的主题。上述方面的影响生物H2 和有限公司2 methanization行为有非常重要的实际应用,对大规模的研究。
表5
总结的文学研究原位沼气技术升级与H2 注入。
底物 反应堆类型反应堆体积(左)OLR(问∙L1 ∙d1 )T (°C)pH值荷尔蒙替代疗法(d)H2 (LH2 ∙L1 ∙d1 )H2 /公司2
H2 转化率(%) 有限公司2 删除(%)CH4 (%)Ref。
马铃薯淀粉
UASB
1。4
2.79
55
8.4
7
3.5
4:1
67年
76年
82年
Bassani et al。
48 ]
牛的粪便
装运箱
0.6
1.85
55
8.3
14
1。8
4:1
> 90
N / D
65年
罗等。
13 ]
牛的粪便和奶酪乳清
装运箱
0.6
1.66
55
7.7 - -7.9
15
1.5 - -1.7
4:1
N / D
85年
75年
罗和Angelidaki [
49 ]
牛的粪便和奶酪乳清
装运箱
0.6
1.66
55
7.6 - -8.3
15
0.9 - -1.8
4:1
N / D
53 - 91
78 - 96
罗和Angelidaki, (
16 ]
污水污泥
装运箱
3
1,08年
37
8.0
10
0.6 - -1.3
4:1
96年
99年
99年
王等人。
33 ]
污水污泥
批处理
2
0.77
38
7.9 - -8.4
20.
0.3 - -1.7
2:1 - 10:1
58 - 99
43 - 100
79 - 92
Agneessens et al。
19 ]
污水污泥
断断续续的
2。4
1 - 1.12
35
7.0 - -7.4
15
0,0.62 - -0.2
1:1 - 4:1
96 - 100
13-49
80年
Corbellini et al。
21 ]
污水污泥
装运箱
16
1。5
36.7
7.4
22
0.4 - -5.5
鹿:1
94 - 99
96.5
90.3
本研究
装运箱:连续搅拌釜反应器;荷尔蒙替代疗法:水力停留时间;OLR:有机加载速率;UASB:上流式厌氧污泥层。
3.4。碱度趋势有限公司<子> 2 < /订阅> %
碱性浓度的平均值反应堆报道在图
2 (d) 。从二世时期,碱度是消耗在这两个反应堆的进步增加H2 /公司2 比率。这个证据是直接关系到公司2 消费在液相中,根据一项研究[
33 ]。整个公司2 减少,在实验的最后,在R1(-40%)显著高于在R2(-14%)(表
4 ),也证实了较低的有限公司2 注册内容输出沼气。厌氧消化器的缓冲能力是至关重要的维持中立和稳定的pH值。出于这个原因,全面的应用<我talic>
原位升级过程是有限的,如果影响有机底物不足以恢复碱度。
3.5。高通量基因扩增子16 s rRNA分析
如表所示
S4 在补充材料,514295(细菌)和495983(古生菌)读取来自16个样本。所有人,除了古R1-VIII_b R2-VIII_b,到达了一个高原,这表明asv覆盖样本的数量丰富(图
S2 在补充材料)。不满意的R1_VIII_b古生菌测序结果和R2-VIII_b(只有大约200读和5 ASV),这些样本不包含进一步的分析。微生物群落的发展随着时间的推移和对消化器是由nmd(图分析
3 )。
图3
非度量多维标度图基于Bray-Curtis距离的细菌(a)和古细菌(b)社区在ASV水平R1(浅灰色)和R2(深灰色)。
(一)
![]()
(b)
![]()
为细菌,不同集群无法观察到的,而同期收集的样本两个核反应堆关闭彼此暗示一个进化的社区由于不同的操作参数应用于不同实验时间。相反,古生菌,两个集群,其中包含大多数R1和R2的样本,可以确定。一个整洁的社区的转变发生在操作结束时间因为R1_VIIIc和R2_VIIIc完全脱离其他样本。
3.5.1。细菌群落组成
细菌社区由厚壁菌门(17% - -50%),变形菌门(12% - -26%),放线菌(9% - -25%),和拟杆菌(4% - -22%),而其他类群,如Unclassified_bacteria (8% - -15%), Cloacimonetes(1% - -11%),和Synergistetes(1% - -2%),不丰富(图
4(一) )。细菌的相对丰度在属级图所示
S3 的补充材料。在先前的研究中,厚壁菌门和拟杆菌门的主导地位在消化器经常被观察到
34 ),因为它们是水解细菌(
33 ,
35 ,
36 )负责分解聚合物基质,如蛋白质、脂类和多糖。变形菌门,被称为引起酸化的细菌,是这项研究的主要类群之一,与先前的研究在广告
36 ,
37 ]。可以看出,相关的细菌水解和acidogenesis过程构成一个大比例,超过60%,总细菌的
38 ]。与H增加的比例上升2 /公司2 比率表明增加H2 剂量促进了微生物的发展财团富含水解和引起酸化的细菌,这提高了甲烷产量和纯度。进一步讨论微生物分析结果都只关注最丰富的、相对的<我nline-formula>
丰富
>
1
%
。38、代表所有样品中含量最丰富的成员。最丰富的属的进化中发现两个反应堆是表示为热图图在属水平
4 (b) 。
图4
(一)细菌类群的相对多度两个平行的反应堆在多个采样点。(b)热图的相对丰度(> 1%)最丰富的细菌、R1和R2。规模限制从0(因为选择丰富等于1%)为8%。增加红色指示物种丰度相对更高的价值,和蓝色的颜色表明相对丰度较低。
(一)
![]()
(b)
![]()
Unclassified_Bacteroidetes Romboutsia,<我talic>
Unclassified_Candidatus_Cloacamonas,<我talic>
生丝微菌属,<我talic>
分枝杆菌被发现是两个反应堆的主要属<我talic>
。Unclassified_Bacteroidetes,参与广告过程中多糖和蛋白质水解步骤(
39 ),经常表现为平均7%的反应堆在实验阶段。<我talic>
Romboutsia被称为homoacetogens [
40 ),其相对丰度不断增加实验期间从5%降至9%。然而,增加的记录<我talic>
Romboutsia似乎并没有证实醋酸由低水平的实验中发现审判。这可能是由于更快的醋酸消耗动力学acetoclasts形成甲烷,而醋酸抽样和测量间隔。另一个最丰富的细菌属<我talic>
生丝微菌属,在这两个反应堆从3.9%上升到7.1%在R1和R2中的2.1%到6.4%。本属细菌属于配合产甲烷菌(例如,<我talic>
甲烷八叠球菌属在同步脱氮和甲烷生成
41 和前面提到的<我talic>
Romboutsia(相对丰度从5.8%到8.7%)表明一个常数H2 消费也由homoacetogenesis。此外,属于成员<我talic>
Gordonia在这两个反应堆增加(从3%到9%在R2 R1and 3%到8%)。这些细菌能够降解环境污染物如多环芳烃(
42 )通常出现在废水活性污泥(
43 ]。
3.5.2。古细菌社区组成
在古社区模式,两个门,Euryarchaeota(98%)和Woesearchaeota(1.5%),和8个家庭被确定。在图
5(一个) 最丰富的家庭在所有样本Methanobacteriaceae (16% - -75%), Methanoregulaceae(2% - -74%),和Methanospirillaceae (3% - -76%)。根据总体水平的热图(图
5 (b) ),5个属,即<我talic>
Methanolinea(3% - -74%),<我talic>
甲烷细菌属(8% - -73%),<我talic>
Methanobrevibacter(0 - 15%),<我talic>
Methanospirillum(0 - 21%),<我talic>
Methanothrix(0 - 15%),可以被视为核心社区显示90%以上的每个样品和确认他们的关键作用在消化器(古生菌在属级的相对丰度图所示
S4 补充材料)。众所周知,<我talic>
Methanolinea,<我talic>
甲烷细菌属,<我talic>
Methanobrevibacter,<我talic>
Methanospirillum是最常见的hydrogenotrophic产甲烷菌(
38 ,
44 ),清除的能力H2 通过维持低pH值。
图5
(一)古细菌群落结构的相对丰度在家庭层面上。R1_III b和b R2_III贴上了“X”是没有考虑由于不完美的古生菌测序结果。(b)热图的相对丰度(> 0.5%)最丰富的古asv R1和R2。
(一)
![]()
(b)
![]()
在古社区,<我talic>
Methanothrix(也称为<我talic>
Methanosaeta有100%的相似度<我talic>
Methanothrix soehngenii(
45 ,
46 )是唯一acetoclastic产烷生物检测直到VIII_a R1和R2的4.5% (5.5%)。总的来说,这些发现强烈的主导地位确认hydrogenotrophic产甲烷菌在古社区在这两个系统,表明增加H2 剂量是一个有效的方法促进hydrogenotrophic而不是acetoclastic产甲烷菌的生长。
值得注意的是,hydrogenotrophic产甲烷菌在不同H2 剂量。更具体地说,最丰富的属<我talic>
Methanolinea在大多数样品除了R1_VIII_c和R2_VIII_c在场。ndm的结果显示,大多数样本聚集在一起,除了这两个样本。第二个最丰富的属<我talic>
甲烷细菌属,<我talic>
甲烷细菌属palustre这是众所周知的,利用H2 /公司2 ,其生长和/或甲烷生产(
47 ]。其丰度逐渐增加的增加H2 /公司2 在沼气升级比证明其作用。
4所示。结论
从实验可以得出以下结论:执行(i)与其他研究已经发现(
19 ),化学计量H2 /公司2 比率(4:1)不足以完成有限公司2 转换为CH4 并实现有趣的低比例的二氧化碳沼气;这也很可能影响H2 注入模式,确定液相中气体的扩散。还需要进一步的研究,以优化氢气转移过程;(2)通过增加H2 /公司2 比7:1,可以有效地最大化有限公司2 转换为沼气的生产主要由甲烷(马克斯·90.3%);(3)污水污泥降解没有负面影响的增量提供H2 ,而一个重要的观察碱度的消耗。为了不影响这个过程中,是至关重要的,以确保有机入渗是能够将碱度的消耗;(iv)的效率过程是由一个专门的社区的发展,确保主要由<我talic>
甲烷细菌属,<我talic>
Methanobrevibacter,<我talic>
Methanospirillum(hydrogenotrophic产甲烷菌),homoacetogens、水解和引起酸化的细菌,由于浓缩策略;在H (v)2 时期,两个平行的反应堆产生不同的甲烷率但显示类似的趋势。这个实验的结果是非常健壮的和可重复的,但还需要进一步的研究专注于这一主题为了评估过程的性能,同时引入高浓度的氢,是容易常见的小差异通常建立在厌氧消化器。