有机废物厌氧消化处理研究进展
微生物降解和有机物在厌氧条件下的稳定产生的沼气是二氧化碳和甲烷的混合物。水解、酸生成、醋酸生成和甲烷生成是最终生成甲烷和二氧化碳的主要步骤。厌氧消化由于其低生物量产量和沼气产量等优点，被广泛用于许多农业、食品、工业和市政部门处理各种废水来源。然而，操作稳定性差仍然阻碍了厌氧消化的广泛商业化。在厌氧消化中，形成酸和甲烷的微生物及其组成存在显著差异。这主要受许多因素的影响，如生理条件、营养需求、生长速度和其他环境胁迫因素。微生物组成之间的最佳平衡对消化过程的稳定运行至关重要。厌氧消化工艺的失败主要是由于废水源中的化学产物和有毒化合物的抑制作用造成的。
抑菌物质及条件可列示如下：高浓度的氨、pH、温度、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等离子的存在、重金属、硫化物、厌氧菌(水解菌、产酸菌、醋酸菌、氢养菌和产醋菌)与硫酸盐还原菌之间的竞争、氯酚等有机物、卤代脂肪族、纤维素及木质素相关化合物。
微生物电化学厌氧消化领域目前的研究进展
1.微生物电化学系统的基本原理
近年来，将微生物和电化学相结合的生物处理技术，即微生物电化学系统（BES）己引起广泛关注。该系统是一种前景广阔的微生物降解污染物的方法，将电化学引入到微生物系统中，一方面，系统中存在电化学作用，另一方面，外加电流可对微生物的生长代谢、细胞活性等产生促进作用，通过电化学和生物代谢等联合作用提高对污染物的去除效率。
在微生物电化学系统中，阴极可以为细菌提供电子供体和较低的还原电位。EMS中的污染物降解是电化学反应与生物代谢的耦合，从而增强了生物降解效率。微生物可利用由阴极提供的电子并增强其活性。另外，在EMS中可以观察到阳极氧化反应，因此可以提高废水中的污染物降解效率。
微生物与电极之间的电子传递已有广泛的研究。细胞外电子转移机制主要包
括直接传递和非直接传递。直接传递是通过细胞色素Ｃ蛋白（MHCs）或纳米导
线传递电子，非直接传递涉及可溶性氧化还原活性介质。具体如下：（１）利用
细胞色素进行的直接电子传递。细胞色素进行的直接电子传递。如四聚体细胞色素c3和Qre复合体是Desulfovbrio alaskensis G20进行电子传递的关键组分。而铁还原菌Geobocter sulfurreducens则以不同氧化还原电势的细胞色素复合体为基础构成电子传递链，c型细胞色素OmcZ能直接促进电子由细胞向电极转移，使得电子传递能够进行。Sacaromees ceisise可作为微生物燃料电池中的阳极催化剂，而不需要电子中介体。Dsulfubcae、Dsufovbrio dsuricans等菌属都可直接
将电子传递到电极表面。(2)利用导电菌毛的纳米导线进行的电子传递。如
Shewanella oneidensis菌属在O2受限时会产生纳米导线，该纳米导线被证实是有效的电导体。利用微生物自身产生的电子介体进行的电子传递。如Geothrix
fermentans 能够利用更高的氧化还原电位环境，通过分泌核黄素辅助还原不溶性Fe(lII)，并且存在涉及胞外电子传递的高电位氧化还原活性化合物。表1.2总
结了一些文献中已报道的电活性菌。
表１ 具有已知电子传递中介体的电活性菌
电子传递方式 |
微生物 |
涉及电子传递的蛋白质／化合物 |
利用细胞色素进行的直接电子传递 |
Desulfovibrio alaskensis Geobacter sulfurreducens Saccharomyces cerevisiae Desulfobulbaceae Desulfovibrio desulfuricans |
四聚体细胞色素c3 c型细胞色素OmcZ c型细胞色素 c型细胞色素 c型细胞色素 |
利用导电菌毛的纳米导线进行的电子传递 |
Shewanella oneidensis |
纳米导线 |
利用微生物自身产生的电子介体进行的电子传递 |
Pseudomonas aeruginosa Geothrix fermentans Desulfovibrio alaskensis Thermincola ferriacetica Shewanella oneidensis Shewanella putrefaciens |
绿脓素，吩嗪-1-甲酰胺 核黄素 跨膜复合物(QrcA) 蒽醌-2，6-二磺酸盐 黄素，核黄素 FAD转运蛋白 |
2.微生物电化学系统的主要影响因素
影响微生物电化学系统处理效率的因素有很多。包括影响微生物生长的因素、
电流强度、电场作用方式、电极材料、微生物种类和反应器构型等。目前己报道
的主要影响因素包括以下几个方面：
（1）电流强度。研究表明，电流大小对微生物电化学系统影响最大，相关研研究也较多。对于不同类型废水和底物，微生物电化学系统具有不同的最佳电流强度，但均较小（小于100 mA）。杨金水等研究了5 mA、10mA和20mA的弱直流电场对铜绿假单胞菌PKE117产酶及降解性能的影响，结果表明，不同电流强度对微生物产生不同的影响，弱电流可使细胞膜通透性发生变化。在适当的电流强度下，可以有效调节微生物的代谢，对微生物的生长有利。但超过最适电流强度时，微生物的生长受到抑制，细胞失去活性，严重时造成微生物的死亡，从而使系统丧失处理能力。
（2）电场作用方式。电场作用方式会对微生物活性、能量代谢、群落结构等产生影响。据报道，间歇电流减少了细菌直接暴露于电场的时间，从而降低了对微生物群落的负面影响。适当的间歇电流能够提高微生物活性，提高对污染物的降解效率。连续直流电场下微生物细胞膜可能遭到破坏，最终导致整个细菌死亡。研究表明[1]，连续式电场会引起细胞破裂，使得ATP含量降低。研究人员[2]利用生物电化学反应器处理模拟苯酚废水，结果发现，间歇式优于连续电场运行方式，且在间歇直流电场运行方式下，生物膜中Zoogloea和Desulfovibrio等菌属的相对丰度显著增加。
（3）电极材料。电极材料在微生物电化学系统中主要功能为传递电子，对于促进电活性菌的富集具有重要作用。同时，电极材料可以参与电化学反应并生产电解产物。因此，电极材料对微生物电化学系统的处理效率影响较大。电极应具有高导电性、无腐蚀性、高比表面积、无污染、价格低廉等特点，材料必须适合细菌生长。微生物电化学系统中常用的电极材料包括碳材料（如石墨、碳毡、碳布、碳纸和碳纤维刷等）和金属材料（如铁板、铝板、钛板、不锈钢板和泡沫镍等）。不同电极材料对微生物生长和群落结构存在不同程度的影响。
表2 微生物电化学系统中典型电极材料及其特性和底物类型
电极 |
材料 |
特性 |
底物类型 |
阳极 |
铁皮、铝皮 |
不仅存在电解作用，还存在电絮凝作用，水解生成的胶体颗粒可吸附废水中游离的染料分子 |
活性艳红 X-3B |
石墨电极 |
是典型的多孔介质，存在大量的孔径从纳米级到毫米级的气孔，比表面积大 |
萘、菲 |
碳毡阳极 |
比表面积大，利于微生物附着 |
海水 |
PbO2/Ti电极 |
催化活性好 |
硝基苯酚 |
泡沫镍电极 |
活化阻抗小，性能较好 |
模拟尿液 |
中空纤维膜、石墨纤维毡三维复合生物电极 |
比表面积大，空隙多，系统的持菌能力强；石墨碳纤维较易脱落；膜孔阻塞现象不明显 |
硫酸盐 |
阴极 |
导电过滤活性炭膜与氨掺杂碳纳米管膜 |
两者均具有较小的孔径、较高的孔隙率和比表面积以及良好的氧气还原催化活性 |
模拟废水 |
泡沫镍电极 |
比表面积大，过电位低 |
电镀废水 |
石墨柱 |
稳定性好，损耗小 |
偶氮染料 |
(4)pH。不同的pH范围会影响废水的处理效果。阳极有机物氧化产生的
质子会使生物膜酸化，影响反应器的性能。当微生物转化有机物质时，pH值降低，当有机物耗尽后，pH保持不变。MFC中的阴极氧还原和MEC中的阴极氢形成都是质子消耗反应，导致阴极室中的pH值升高，从而导致MFC的电能输出降低，MEC运行需要更多的能量输入。研究发现中性pH下的细菌产甲烷活性高，其中电子和H+被还原形成甲烷。限制产甲烷细菌活性的pH范围是5.5~ 6.0。
（5）电流类型。目前，应用于微生物电化学系统的电流类型主要有直流电和交流电。据报道，直流电场可以使微生物保持良好的生长环境，适当的电流强度能够提高微生物活性，使微生物能够在较长时间里保持活性稳定，从而提高对污染物的降解效率，因此被广泛地应用于微生物电化学系统中。然而，交流电则会对微生物产生一定的危害作用。一方面，交流电会使悬浮液中的微生物失活。另一方面，交流电场也会破坏细胞原有的双电层，使之重新形成非均匀的电荷分布，从而导致细胞界面极化。据报道，振幅13~35 kV的超高压和低频的交流电(振幅5~15 V，频率1~10 Hz)可以杀死细菌，这是由于超高压交流电可以提供强大的电场力，低频交流电则会产生·OH、O3、H2O2和Cl2等消毒剂。研究表明，无欧姆电流或形成自由基的弱交流电场(0.1~4.5V.cm-1)会抑制浮游金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的生长。
（６）其它因素。溶解氧、废水负荷、水力停留时间、电流作用时间、反应器构型等均会影响微生物电化学系统的效率。
3. 直流电场对微生物的影响机制
3.1直流电场对微生物生理生化特征的影响
电场强化是指在弱电流下进行的微生物过程３见代污水处理设施中的生物处理依靠微生物群落去除废水中的有机物和营养物质（Ｎ和Ｐ），因此，电流对细菌活性的影响是应用微生物电化学技术的主要问题之一。
直流电场对细胞生长、葡萄糖消耗、脱氢酶活性和生物高分子的合成具有刺激作用。通过直接（从电极到细菌的电子转移）和间接刺激（通过水电解反应的
电子转移）提高了基质的利用率。相关研究报道，反硝化速率与外加电流之间存在线性关系。外加电流应用在好氧处理，在0.57~1.14V·cm-1的直流电场下，COD去除率升高。
直流电场对细胞表面特性、形态、渗透性等产生影响。研究发现低、中、高电流条件下苯酚降解菌的细胞表面特性。发现在低电流（<20mA）下，细胞表面性质如表面疏水性、静电荷和细胞形状没有显著变化。暴露于超过20mA（高达40mA）的直流电场中时，细胞表面性质则产生了显著变化，并导致了细胞表面疏水性的增加和扁平化。在嗜酸乳杆菌培养基上施加了适度的电场，观察到由电场引起的应激诱导了细菌素（由细菌产生的蛋白质毒素）的产生，并导致了营养物质、表面活性剂、细菌素和自体诱导剂的跨膜电导率和扩散渗透性的增加。
3.2直流电场对微生物群落结构的影响
由于电流作用，一方面，能够进行胞外电子传递的微生物（产电菌）在微生物电化学系统中得到富集。在阳极上富集的细菌群落中没有主导菌属，这可能是因为几种不同的细菌均能够产电，并且操作条件、系统结构、电子供体和电子受体（阴极）等不同。MFCs中的电化学活性细菌为铁还原菌，如Shewanella和Geobacter属等。研究表明，变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）
和酸杆菌门（Acidobacteria）等菌门中均有产电菌的存在。
引用文献
[1] Wang K ， Sheng Y ， Cao H ， et al. A novel microbial electrolysis cell (MEC) reactor for biological sulfate-rich wastewater treatment using intermittent supply of electric field[J]. Biochemical Engineering Journal， 2017：10-17.
[2]Nuerla， Ailijiang， Jiali， et al. Electrical stimulation on biodegradation of phenol and responses of microbial communities in conductive carriers supported biofilms of the bioelectrochemical reactor[J]. Bioresource Technology， 2016.
课题组内在该领域的研究成果介绍
需细化具体的研究内容、步骤、结果等
1.毕业论文《电助木质纤维素厌氧发酵的研究》
曾金花 2011年12月~2014年4月
研究内容
电化学辅助在纤维素酶在不同温度、pH值、电压和电极降解奶牛粪便的还原
糖得率的影响；
电化学辅助纤维素酶预处理对厌氧发酵的影响；
在不同电压下阴极电助厌氧发酵各指标影响规律；
联合电化学辅助纤维素酶预处理与电化学条件对奶牛粪便厌氧发酵过程各个指
标的影响规律；
电化学辅助酶降解木质纤维素作用机制作初步探讨；
结果
1、通过单因素实验确定电助酶预处理奶牛粪便最佳条件：固液比为1：15，温度为50°C，电压为0.8v，电极为阴极。在0v、0.8v阳极和0.8v阴极辅助纤维素酶的条件下产生还原糖得率分别为5.62%、6.43%和6.99%可知，电化学辅助酶能够促进还原糖的生成，并且阴极辅助效果好于阳极；无电压辅助纤维素酶、阳极有纤维素酶、阳极无纤维素酶、阴极有纤维素酶和阴极无纤维素酶得到的还原糖得率分别为5.62%、6.43%、 6.11%、6.99%和6.6%，由此可知，电辅助能够提高酶促进生成还原糖；从纤维素降解率来看，0v、0.8v 阳极和0.8v 阴极纤维素降解率分别为7.62%、14.15%和31.69%更加能说明，阴极比阳极效果好，电辅助能促进纤维素的降解。
2、酶预处理能促进木质纤维素降解并有效提高厌氧发酵的沼气质量；原料直接
厌氧发酵与酶预处理厌氧发酵的甲烷含量和总产气量分别为60%左右、9705.3mL 和65%左右、11272mL；酶预处理的甲烷含量和总产气量均高于原料直接厌氧发酵；由此说明酶预处理能够促进奶牛粪便中木质纤维素降解,提高厌氧发酵产沼气量及产沼气的质量。
3、在阴极条件下，0.3 V、 0.8 V、 1.5 V 和2.5 V辅助下的总产气量分别是11763mL、
10592mL、10436mL 和9106mL，甲烷含量在不同阴极电压下相差较大，但均高于直接发酵产甲烷量。在0.3 V条件下产甲烷量最多，但在0.8 V条件下的甲烷含量波动比其他三个电压条件下产的甲烷含量要相对要小，对木质纤维素的降解率效果最明显。
4、发酵过程中，酶预处理厌氧发酵0.8 V阴极(11321mL) >酶预处理厌氧发酵
(11272mL)>厌氧发酵中加0.8V阴极(10592mL)，纤维素降解率酶预处理发酵过
程中0.8v阴极(59.02%)>酶预处理发酵41.21%>原料直接发酵过程中加0.8v阴极
(41.05%)，木质素去除率酶预处理发酵过程中0.8V阴极(43.66%)>原料直接发酵
过程中加0.8V阴极(35.33%) >酶预处理发酵(30.52%), 酶与电化学共同作用比单
独电化学作用或酶预处理作用明显。
5.电助厌氧发酵机理的探讨可知，电化学条件是促进酶的活性，提高木质纤维素
的降解。
1.毕业论文《电磁协同强化生物降解奶牛养殖废物》
涂灿 2013年9月-2016年4月
研究内容：Fe-C、电化学+ Fe-C、电磁+电化学+ Fe-C组合对奶牛养殖粪便厌氧发酵的产气特性
步骤：共进行了五个实验，得出厌氧发酵最佳Fe-C组合，厌氧发酵最佳电压条件，厌氧发酵最佳电场兼弱磁场条件，分析了厌氧菌群在加铁，加碳，加铁碳，加铁碳电，加铁碳电磁条件微生物菌群的变化。测量指标有产气量，气体组分，木质素与纤维素。并使用SEM分析形貌，使用XRD分析了结晶度。
表3.1 Fe-C组合助发酵初探实验
编号 |
奶牛粪便（g） |
Fe（g） |
C（g） |
沼液（mL） |
去离子水（mL） |
A |
100 |
0 |
0 |
100 |
900 |
B |
100 |
30 |
0 |
100 |
900 |
C |
100 |
0 |
150 |
100 |
900 |
D |
100 |
15 |
150 |
100 |
900 |
结果：B和C组性能优于A组，说明Fe和C都有促进发酵的作用。D组性能优于B和C组，说明Fe和C在促进发酵的过程中存在协同作用。
表3.2 最佳Fe-C组合选择实验
编号 |
奶牛粪便（g） |
Fe（g） |
C（g） |
沼液（mL） |
去离子水（mL） |
E |
100 |
15 |
150 |
100 |
900 |
F |
100 |
30 |
150 |
100 |
900 |
G |
100 |
45 |
150 |
100 |
900 |
H |
100 |
60 |
150 |
100 |
900 |
I |
100 |
75 |
150 |
100 |
900 |
结果：固定了碳的质量，调整Fe的比例，筛选最优铁碳比。其中F组甲烷产量最高，可知Fe-C比为30：150为最优铁碳比。
表3.3 不同电压条件设计实验
编号 |
奶牛粪便（g） |
Fe-C比（g：g） |
沼液（mL） |
去离子水（mL） |
电压(V) |
J |
300 |
90：450 |
300 |
2700 |
0.3 |
K |
300 |
90：450 |
300 |
2700 |
0.5 |
L |
300 |
90：450 |
300 |
2700 |
0.8 |
结果：固定了铁碳比例，调整电压，筛选最优电压。其中L组甲烷产量最高，可知Fe-C比为90：450,最优电压为0.8V。
表3.4 电场兼弱磁场条件实验
编号 |
奶牛粪便（g） |
Fe-C比（g：g） |
沼液（mL） |
去离子水（mL） |
电压（V） |
磁场 |
M |
300 |
90：450 |
300 |
2700 |
0.3 |
+ |
N |
300 |
90：450 |
300 |
2700 |
0.5 |
+ |
O |
300 |
90：450 |
300 |
2700 |
0.8 |
+ |
结果：固定了铁碳比例，调整电压和施加磁场，筛选最优电压。其中N组甲烷产量最高，可知Fe-C比为90：450, 施加磁场时，最优电压为0.5V。
表3.4 厌氧菌群宏基因测序分析实验
编号 |
奶牛粪便（g） |
Fe-C比（g：g） |
沼液（mL） |
去离子水（mL） |
电压（V） |
磁场 |
1 |
300 |
0：0 |
300 |
2700 |
|
|
2 |
300 |
90：0 |
300 |
2700 |
|
|
3 |
300 |
0：450 |
300 |
2700 |
|
|
4 |
300 |
90：450 |
300 |
2700 |
|
|
5 |
300 |
90：450 |
300 |
2700 |
0.5 |
|
6 |
300 |
90：450 |
300 |
2700 |
0.5 |
+ |
结果：厌氧发酵的过程中，微生物广泛存在，没有微生物分析的厌氧发酵实验是不完整的。对具有代表性的厌氧发酵实验进行微生物16rDNA测序并分析，丰富了文章体系。
2.毕业论文《奶牛粪便厌氧发酵产氢的探究》
张航 2015年9月-2018年5月
研究内容：纳米零价铁、活性炭投加量、铁炭组合、预处理方式联合铁炭组合、电压联合铁炭组合对奶牛粪便厌氧发酵影响。测量发酵过程中pH、COD、木质纤维素等指标来对其产气量及气体中氢气比例的变化趋势进行分析。
表3.5 纳米零价铁投加量对奶牛粪便厌氧发酵影响
奶牛粪便（g） |
纳米零价铁（g） |
发酵液（mL） |
去离子水（mL） |
温度（°C） |
120 |
0 |
100 |
400 |
36°C(土1°C) |
120 |
2 |
100 |
400 |
120 |
4 |
100 |
400 |
120 |
6 |
100 |
400 |
表3.6 活性炭投加量对奶牛粪便厌氧发酵影响
奶牛粪便（g） |
活性炭（g） |
发酵液（mL） |
去离子水（mL） |
温度（°C） |
120 |
0 |
100 |
400 |
36°C(土1°C) |
120 |
2 |
100 |
400 |
120 |
4 |
100 |
400 |
120 |
6 |
100 |
400 |
表3.7 铁炭组合作用对奶牛粪便厌氧发酵影响
奶牛粪便（g） |
活性炭：纳米零价铁（g：g） |
发酵液（mL） |
去离子水（mL） |
温度（°C） |
300 |
0：0 |
300 |
2000 |
36°C(土1°C) |
300 |
0：15 |
300 |
2000 |
300 |
15：0 |
300 |
2000 |
300 |
7.5：7.5 |
300 |
2000 |
表3.8 预处理方式对铁炭组合奶牛粪便厌氧发酵影响
奶牛粪便（g） |
活性炭：纳米零价铁（g：g） |
发酵液（mL） |
去离子水（mL） |
预处理方式 |
温度（°C） |
300 |
7.5：7.5 |
300 |
2000 |
热处理预处理 |
36°C(土1°C) |
300 |
7.5：7.5 |
300 |
2000 |
酸预处理 |
300 |
7.5：7.5 |
300 |
2000 |
碱预处理 |
300 |
7.5：7.5 |
300 |
2000 |
纤维素酶预处理 |
注：(一)热处理预处理：将牛粪原料在80°C条件下处理两个小时。
(二)酸预处理：配置1%的稀硫酸400mL,将牛粪原料在硫酸溶液中浸泡并在70 °C水浴锅中放置两个小时，取出并烘干。
(三)碱预处理：配置2%的氢氧化钠400 mL,将牛粪原料在硫酸溶液中浸
泡70 C水浴锅中放置两个小时，取出并烘干。
(四)纤维素酶预处理：纤维素酶/牛粪原料为0.25g/10g, pH为4.8，温度
为50 C、固液比为1：15、 阴极电压为0.8V条件下发酵3小时获得。
表3.9 电压对铁炭组合奶牛粪便厌氧发酵的影响
奶牛粪便（g） |
电压（V） |
发酵液（mL） |
去离子水（mL） |
预处理方式 |
温度（°C） |
300 |
0 |
300 |
2000 |
热预处理的含铁炭 |
36°C(土1°C) |
300 |
0.8 |
300 |
2000 |
300 |
1.0 |
300 |
2000 |
300 |
1.2 |
300 |
2000 |
300 |
1.5 |
300 |
2000 |
此实验主要是探究不同电压对热预处理过的含铁炭牛粪厌氧发酵产气量及
产氢的影响作用。并通过对其发酵过程中pH、COD、木质纤维素等指标来对其
产气量及气体中氢气含量的变化趋势进行分析。
结果：最后比较无添加组、铁碳组、热处理+铁碳，热处理+铁碳+1.2V的产氢比例，发现热处理+铁碳+1.2V的产氢比例最高。
