傳統(tǒng)厭氧水處理的能源化過程主要依賴于產(chǎn)甲烷古菌利用乙酸/氫氣作為電子供體驅(qū)動二氧化碳還原產(chǎn)生甲烷。在該過程中,主要涉及到嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌和嗜氫產(chǎn)甲烷菌,前者在生長速率上要顯著小于后者,然而在傳統(tǒng)厭氧消化過程中,嗜氫產(chǎn)甲烷菌擁有較高的產(chǎn)甲烷速率,但是該途徑只占30%左右,而嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的貢獻(xiàn)則接近70%。因此如何強(qiáng)化嗜氫產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷過程對于強(qiáng)化厭氧消化過程產(chǎn)甲烷的能力起著至關(guān)重要的作用。針對甲烷形成過程中甲烷菌群落結(jié)構(gòu)上的限制,本研究通過電極內(nèi)置形成了陽極以胞外電子傳遞過程為主,陰極以二氧化碳還原為主的產(chǎn)甲烷過程,形成了嗜氫甲烷菌為主要功能菌的,耦合了微生物電解與厭氧消化過程的強(qiáng)化型厭氧生物反應(yīng)器。該反應(yīng)器在處理剩余污泥發(fā)酵液進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)甲烷過程中,其甲烷產(chǎn)生速率從0.0259 m3甲烷/m3反應(yīng)器/d提高到0.0564 m3甲烷/m3反應(yīng)器/d,速率提高了2.18倍,發(fā)酵過程中產(chǎn)生的揮發(fā)酸,其降解速率也得到了明顯的提高。群落結(jié)構(gòu)在外加電壓的刺激性形成了胞外電子傳遞菌為主要的陽極功能區(qū)及嗜氫產(chǎn)甲烷菌主導(dǎo)的陰極產(chǎn)甲烷功能區(qū)。針對嗜氫產(chǎn)甲烷菌實(shí)現(xiàn)富集的機(jī)制及產(chǎn)甲烷過程電子傳遞機(jī)制尚不明... 

【文章頁數(shù)】：137 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題來源
    1.2 厭氧消化過程的研究背景及意義
        1.2.1 水處理的能耗分析
        1.2.2 水處理過程能源轉(zhuǎn)化及利用
    1.3 厭氧消化系統(tǒng)的微生物群落及機(jī)理
        1.3.1 厭氧消化系統(tǒng)中厭氧微生物食物鏈
        1.3.2 厭氧消化系統(tǒng)中的甲烷菌及其作用分析
        1.3.3 乙酸型甲烷菌和嗜氫甲烷菌的功能差異
    1.4 甲烷菌代謝路徑
        1.4.1 典型產(chǎn)甲烷代謝路徑
        1.4.2 嗜氫甲烷菌產(chǎn)甲烷代謝路徑
        1.4.3 甲基產(chǎn)甲烷途徑
        1.4.4 胞外電子傳遞驅(qū)動的產(chǎn)甲烷過程
    1.5 胞外電子傳遞強(qiáng)化厭氧產(chǎn)甲烷過程
        1.5.1 導(dǎo)電介體強(qiáng)化厭氧產(chǎn)甲烷過程
        1.5.2 外電壓驅(qū)動的厭氧產(chǎn)甲烷過程
    1.6 胞外電子傳遞驅(qū)動產(chǎn)甲烷過程強(qiáng)化與調(diào)控
        1.6.1 材料改進(jìn)對胞外電子傳遞路徑強(qiáng)化作用
        1.6.2 群體感應(yīng)對胞外電子傳遞路徑的調(diào)控作用
    1.7 本研究主要內(nèi)容及技術(shù)路線
        1.7.1 主要研究內(nèi)容
        1.7.2 技術(shù)路線
第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法
    2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料
        2.1.1 微生物電解反應(yīng)器
        2.1.2 強(qiáng)化型厭氧生物反應(yīng)器裝置
        2.1.3 剩余污泥來源及性質(zhì)
    2.2 新型電極材料的制備
        2.2.1 石墨烯修飾泡沫鎳復(fù)合材料的制備
        2.2.2 磷化鎳的制備
    2.3 微生物群落分析
        2.3.1 微生物取樣
        2.3.2 微生物DNA的提取
        2.3.3 微生物DNA的擴(kuò)增及測序
        2.3.4 熒光定量PCR分析
        2.3.5 DNA探針熒光原位雜交實(shí)驗(yàn)
        2.3.6 高通量測序分析
    2.4 電化學(xué)分析
        2.4.1 電流-電勢曲線
        2.4.2 電化學(xué)阻抗分析
        2.4.3 塔菲爾曲線
        2.4.4 電化學(xué)活性面積
        2.4.5 TOF計(jì)算
    2.5 化學(xué)分析檢測方法
        2.5.1 水質(zhì)化學(xué)分析檢測方法
        2.5.2 氣體成分分析檢測方法
    2.6 材料特性分析
        2.6.1 材料晶體結(jié)構(gòu)分析
        2.6.2 材料的形貌分析
        2.6.3 XPS分析
    2.7 微電極分析方法
        2.7.1 pH微電極測定方法
        2.7.2 氫氣微電極測定方法
    2.8 計(jì)算方法
第3章 胞外電子傳遞路徑強(qiáng)化對厭氧消化反應(yīng)器產(chǎn)甲烷效能及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響
    3.1 引言
    3.2 胞外電子傳遞路徑強(qiáng)化對厭氧消化反應(yīng)器效能的影響
        3.2.1 產(chǎn)甲烷效能分析
        3.2.2 碳源轉(zhuǎn)化分析
        3.2.3 能量效率分析
    3.3 胞外電子傳遞路徑強(qiáng)化對厭氧消化反應(yīng)器微生物群落結(jié)構(gòu)的影響
        3.3.1 微生物群落多樣性的變化分析
        3.3.2 陰陽極功能微生物的定向富集作用解析
        3.3.3 空間結(jié)構(gòu)上微生物群落差異分析
        3.3.4 產(chǎn)甲烷路徑解析
    3.4 本章小結(jié)
第4章 胞外電子傳遞驅(qū)動形成的陰極生物膜特征解析
    4.1 引言
    4.2 陰極生物膜關(guān)鍵參數(shù)測定
        4.2.1 反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷效能分析
        4.2.2 陰極生物膜微環(huán)境下pH值測定
        4.2.3 陰極生物膜微環(huán)境下氫氣濃度測定
        4.2.4 陰極生物膜微環(huán)境下碳源測定
    4.3 陰極生物膜產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)解析
        4.3.1 陰極生物膜產(chǎn)甲烷菌分布
        4.3.2 陰極生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)解析
        4.3.3 陰極生物膜產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)解析
        4.3.4 陰極生物膜內(nèi)產(chǎn)甲烷菌定量分析
    4.4 陰極生物膜產(chǎn)甲烷電子介體解析
        4.4.1 陰極生物膜電化學(xué)響應(yīng)分析
        4.4.2 最大氫氣濃度衰減規(guī)律分析
        4.4.3 陰極生物膜內(nèi)氫氣作為電子介體的證明分析
    4.5 本章小結(jié)
第5章 基于陰極材料改性和生物膜群落調(diào)控強(qiáng)化胞外電子傳遞效率
    5.1 引言
    5.2 石墨烯修飾泡沫鎳強(qiáng)化胞外電子傳遞效率研究
        5.2.1 石墨烯修飾泡沫鎳復(fù)合材料形貌表征
        5.2.2 石墨烯修飾泡沫鎳復(fù)合材料強(qiáng)化電子傳遞速率的表征分析
        5.2.3 石墨烯修飾泡沫鎳復(fù)合材料對電子回收效率的影響分析
    5.3 磷化泡沫鎳強(qiáng)化胞外電子傳遞效率的研究
        5.3.1 磷化鎳的表面及晶體結(jié)構(gòu)表征
        5.3.2 磷化鎳強(qiáng)化電子傳遞動力學(xué)表征
        5.3.3 磷化鎳強(qiáng)化電子傳遞速率及回收效率分析
        5.3.4 磷化鎳穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性分析
    5.4 信號分子強(qiáng)化胞外電子傳遞效率研究
        5.4.1 不同碳鏈信號分子篩選
        5.4.2 特定信號分子強(qiáng)化電子傳遞效率作用及其機(jī)制
    5.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝
個人簡歷


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]生物被膜的形成及其電化學(xué)阻抗檢測[J]. 劉露露,徐溢,王人杰,崔飛云,劉海濤,陳李.  生物工程學(xué)報(bào). 2018(03)
[2]微生物直接電子傳遞:甲烷代謝古菌研究進(jìn)展[J]. 周婷,余林鵬,符力,周順桂.  應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào). 2018(05)
[3]直接二氧化碳還原成甲烷的研究進(jìn)展[J]. 唐韻,李福健,成少安.  能源工程. 2017(05)
[4]微生物電化學(xué)污水處理技術(shù)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)[J]. 何偉華,劉佳,王海曼,馮玉杰.  電化學(xué). 2017(03)
[5]基于直接接觸的微生物胞外電子傳遞[J]. 孔冠楠,許玫英,楊永剛.  微生物學(xué)報(bào). 2017(05)
[6]單室微生物電解池強(qiáng)化混合脂肪酸產(chǎn)甲烷[J]. 向元英,楊暖,孫霞,張磊,李大平,梁程.  應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào). 2016(05)
[7]微生物電解池構(gòu)型和電極材料研究綜述[J]. 胡凱,賈碩秋,陳衛(wèi).  能源環(huán)境保護(hù). 2016(05)
[8]基于陰極材料優(yōu)化的微生物電解池研究進(jìn)展[J]. 靳捷,劉奕梅,邵俊捷,徐向陽,朱亮.  化工進(jìn)展. 2016(02)
[9]電子穿梭體介導(dǎo)的微生物胞外電子傳遞:機(jī)制及應(yīng)用[J]. 馬金蓮,馬晨,湯佳,周順桂,莊莉.  化學(xué)進(jìn)展. 2015(12)
[10]生物電化學(xué)系統(tǒng)還原二氧化碳產(chǎn)甲烷研究進(jìn)展[J]. 蔣海明,季祥,司萬童,潘建剛,蔡祿.  土木建筑與環(huán)境工程. 2015(03)

碩士論文
[1]城市污泥水熱碳化產(chǎn)物的厭氧消化特性研究[D]. 劉秋彤.大連理工大學(xué) 2017
[2]生物炭介導(dǎo)對PE-MFC電化學(xué)與產(chǎn)甲烷特性的影響[D]. 陳瀟.西北農(nóng)林科技大學(xué) 2017
[3]微生物電合成系統(tǒng)還原二氧化碳產(chǎn)甲烷的性能研究[D]. 鮑白翎.合肥工業(yè)大學(xué) 2017



本文編號：3723898