高温混菌发酵定向生产甲烷和乙酸及其强化的机理研究

Mixed culture fermentation (MCF) is an important environmental biotechnology for the utilization of organic wastes. In order to avoid the complicated metabolites of MCF, a new concept is proposed for directional production of acetate with methane, in which hydrogenotrophic methanogens are selectively enriched by high temperature in order to reduce hydrogen content and control the VFAs distribution. In this project, we aim to study directional methane and acetate production in thermophilic MCF. Firstly, glucose is utilized as the substrate to illustrate the effects of temperature on selective enrichment of hydrogenotrophic methanogens, and realize directional methane and acetate production which metabolites are simplified. Secondly, conductive carbon materials are added to enhance the reactor performance by the interspecies electron transfer. Their impacts on the competition between aceticlastic methanogens and hydrogenotrophic methanogens are also evaluated. Thirdly, excess activated sludge is utilized as the substrate to extend the application of this technology. Meanwhile, a mathematical model based on ADM1 is established to describe directional methane and acetate production in thermophilic MCF and optimize the reactor operation. The research outcomes will provide new insight and technology to the removal of organic wastewater and utilization, which have important scientific value and practical benefit for society and science.

混菌厌氧发酵是一项重要的环境生物技术，并且由废弃物的处理逐步拓展到废弃物的资源化利用。针对混菌发酵存在产物复杂的问题，本申请提出采用高温条件抑制嗜乙酸产甲烷菌而定向富集嗜氢产甲烷菌，利用氢气分压对代谢产物分布的控制，在生产甲烷的基础上实现乙酸的定向生产。本项目以高温混菌发酵过程为研究对象，首先以葡萄糖为底物，阐明高温对嗜氢产甲烷菌的筛选作用，实现定向产甲烷和乙酸，简化发酵产物；然后通过添加导电性碳材料强化菌群间的电子传递，促进发酵速率，同时考察其对嗜氢产甲烷菌和嗜乙酸产甲烷菌竞争的影响，揭示强化高温混菌发酵定向产乙酸和甲烷的机理。最后将该技术拓展至剩余污泥发酵体系中，并且通过建立基于厌氧消化1号模型（ADM1）的混菌发酵定向产甲烷和乙酸的数学模型，指导反应器的优化运行。因此，通过本项目的研究能够为有机废弃物的处理和资源化利用提供新的技术和理论依据。

混菌厌氧发酵是一项重要的环境生物技术，并且由废弃物的处理逐步拓展到废弃物的资源化利用。针对混菌发酵存在产物复杂的问题，本申请提出采用高温条件抑制嗜乙酸产甲烷菌而定向富集嗜氢产甲烷菌，利用氢气分压对代谢产物分布的控制，以葡萄糖、甘油和豆腐生产废水等为底物，在生产甲烷的基础上实现乙酸的定向生产。菌群分析表明，嗜氢产甲烷菌占古菌的比例均高于90%。在中温产甲烷反应器中，以乙醇为底物，添加活性炭颗粒之后，反应器产甲烷速率提高了30%。形成的生物膜上存在一定量的产电菌Geobacter，比例占总菌量的2%。然而对照试验中没有发现产电菌Geobacter。同时通过长期富集得到高温产电菌群，其产电性能与中温菌群相似，为今后通过添加导电性碳材料强化菌群间的电子传递，促进产甲烷提供了菌群。在高温和强高温CSTR反应器中，考察了反应器运行条件对代谢产物产布和菌群的影响，主要结果表明代谢产物产布和菌群随部分试验条件的变化而变化。以厌氧发酵过程的热力学分析和代谢路径为基础，拓展之前的中温发酵代谢模型至高温和强高温产氢反应器中，并模拟了代谢产物随pH的变化趋势。模型的初步模拟结果能够体现高温和强高温反应器pH变化对代谢产物的影响。因此，通过本项目的研究能够为有机废弃物的处理和资源化利用提供新的技术和理论依据。