水热液化水相中含氮杂环有机物对生物制氢烷的影响机制

Bio-oil production using hydrothermal liquefaction (HTL) is a promising technology for renewable fuel production. However, a highly concentrated N-heterocyclic compounds type aqueous phase is produced as a by-product during the HTL process. This post-HTL aqueous phase still contains a substantial amount of energy from feedstock and presents potential risk to the waterways if directly discharges. We propose to a novel approach to convert HTL aqueous phase to hydrogen and methane (hythane) using a two-stage fermentation. In the first stage, hydrogen will be produced, and inhibitors will be degraded. The effluent of the first stage will be converted to methane by acetogens and methanogens in sequence. The metabolic pathway of N-heterocyclic compounds in two-stage fermentation will be revealed. In addition, the co-effect of N-heterocyclic compounds and phenol on two-stage fermentation would be analyzed. Furthermore, the inter-relationship of microbial structure and gas production will be elucidated to guide technological development for the hythane production using HTL aqueous phase.

水热液化用于生物质能源的转化研究已引起了极大的关注。该反应过程会产生高浓度的水相产物，其性质复杂且存在环境安全风险。目前水热液化水相产物生化转化效率较低，其原因之一是水相中高浓度含氮杂环有机物的抑制作用。本课题拟在前期研究的基础上，探索建立两阶段发酵系统转化含氮杂环型水热液化水相产物制氢烷气（氢气、甲烷混合气）。第一阶段富集水解产酸产氢与含氮杂环降解微生物以实现同步脱毒与产氢；第二阶段通过产乙酸菌与产甲烷菌将酸、醇等中间代谢产物转化为甲烷。课题将着重研究两阶段发酵过程中含氮杂环及酚的转化机制以及与产氢、产甲烷代谢之间的相互作用效应；解析水热液化水相两阶段发酵产氢细菌、产甲烷古菌以及含氮杂环降解微生物种群物态演化规律；通过连续驯化、过程变量控制等方法人工构建优势菌群，强化含氮杂环型水热液化水相产物的转化，为两阶段发酵用于水热液化水相产物制氢烷提供理论基础与技术支撑。

水热液化用于生物质能源的转化研究已引起了极大的关注。该反应过程会产生高浓度的水相产物，其性质复杂且存在环境安全风险。针对目前水热液化水相产物高浓度含氮杂环有机物的抑制造成的生化转化效率低的问题，本项目采用了两阶段发酵系统转化含氮杂环型水热液化水相产物制氢烷气（氢气、甲烷混合气）。深入分析了水热液化过程中水相产物特性与水热液化过程参数与原料特性之间的关系，揭示了其关联机制；建立了暗发酵和水热液化耦合的新工艺，促进了水热液化过程中碳和氮元素向固相产物和生物油迁移转化，显著的降低了水相产物中碳和氮迁移分别达37%和18%，进而减少了水热液化水相中含氮有机物的生成；探究了炭基材料对含氮杂类抑制物降解途径以及功能微生物富集的影响，结果表明试验组甲烷产率可提升9.6%，产乙酸关键生化代谢得到了强化，对吡啶类衍生物的去除效果比对照组高50%以上，富集了与微生物直接电子传递功能相关的Thermovirga细菌与Methanosaeta产甲烷菌；阐明了含氮杂环型水热液化水相与粗甘油在两阶段发酵过程中协同代谢以及对产氢、产甲烷的影响，结果表明氢气的最高产量为30.0 mL/g COD，相对应的第二阶段甲烷产量为298.5 mL/g COD，是单阶段发酵的1.8倍，两阶段的净产能比单阶段提高了85%，对应的能量回收率比单阶段提高了40.1%；开发了多级厌氧氢烷反应器，实现了单一反应器内同步产氢和产甲烷，定向调控了目标微生物富集，增强了反应器内产乙酸代谢途径，有机负荷承载能力和能量回收率相比常见的厌氧高效反应器得到显著提升，水热液化水相产物尤其是含氮有机物的转化得到了强化。本项目的研究从水热液化过程控制到后续强化两阶段厌氧发酵强化两个角度解决了水热液化过程水相产生的潜在环境安全风险并实现清洁能源生产，为后续水热液化用于生物质的转化提供了重要的技术支撑和理论依据。