厌氧甲烷的产生量分析
生活垃圾厌氧堆肥产甲烷及古细菌多样性分析
生活垃圾厌氧堆肥产甲烷及古细菌多样性分析闫江１，江娟２（１．华中科技大学生命科学与技术学院；２．华中科技大学环境科学与工程学院，武汉４３００７４）摘要：通过厌氧堆肥试验，对厌氧堆肥产甲烷的基本特征进行了研究，结果表明：在厌氧堆肥开始阶段，气体中只有８％的甲烷，二氧化碳产率是甲烷产率的４倍左右；而随着反应的进行，二氧化碳产率呈下降趋势，甲烷产率逐渐升高，并于３个月时达到最高值４５％；此后二氧化碳及甲烷产率都逐渐降低。
对３个月时的垃圾堆肥渗出液取样，提取总ＤＮＡ，对古细菌片段进行限制性片段长度多样性分析（ＲＦＬＰ），在６０个随机选出的古细菌ｒＤＮＡ克隆子中，可以划分１５个不同的谱型。
对深入了解产甲烷厌氧微生物过程，加快垃圾稳定化具有重要意义。
关键词：生活垃圾；厌氧；堆肥；甲烷；古细菌；ＲＦＬＰ分析中图分类号：Ｘ１７２；Ｘ１３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－６５０４（２００６）０４－０００９－０３我国城市垃圾年产量目前已达１．９亿ｔ左右，并以年均近９％的速度增长［１］。
本研究采用厌氧堆肥法处理城市生活垃圾，垃圾在厌氧发酵过程中，会发生水解、酸化和甲烷化等一系列复杂的生物化学反应，并最终被分解成以甲烷和二氧化碳为主的气体－沼气。
Ｃｈｕｇｈ等［２］研究认为，１ｔ含水率为４５％、有机物含量为５５％的垃圾可产甲烷５７．５ｍ３，相当于甲烷含量６０％的沼气９５．８ｍ３。
因此，厌氧堆肥的产ＣＨ４较高而且容易回收利用；所以厌氧堆肥不仅较好地回收了能源，还可以获取有机肥。
本研究着重对生活垃圾厌氧堆肥过程中产气变化进行了分析。
在介绍模拟试验的基础上，对厌氧堆肥工艺产甲烷特征进行了研究。
同时，通过提取厌氧垃圾堆肥渗出液的总ＤＮＡ中选择性地ＰＣＲ扩增古细菌群落的１６ＳｒＤＮＡ片断，在此基础上建立古细菌１６ＳｒＤＮＡ克隆文库，并利用ＲＦＬＰ法对其进行分析，从而获得有关产甲烷时期垃圾堆肥内部古细菌群落的结构及其多样性的初步信息。
基于mcrA基因的厌氧颗粒污泥产甲烷菌群分析_刘春
Analysis of Methanogenic Community of Anaerobic Granular Sludge Based on mcrA Gene
LIU Chun 1 ，LI Liang 1 ，MA Jun-ke 1 ，WU Gen 2 ，YANG Jing-liang 1
，而 且 多 数 研 究 都 是 基 于
16S rRNA 基因 . 有研究认为， 基 于 16S rRNA 基 因 的 PCR 引物对 产 甲 烷 菌 群 的 特 异 性 会 受 到 产 甲 烷 菌 群自身系统发育多样性的影响， 因而 mcrA 基因在产 甲烷菌群分析中逐渐受到关注
［ 14 ， 15 ］
fish厌氧颗粒污泥是高效厌氧反应器稳定和高效运行的关键产甲烷菌群是厌氧颗粒污泥中的主要功能菌群uasb颗粒污泥中的产甲烷菌数量可达10目前现代分子生物学技术已经广泛应用于包括厌氧颗粒污泥在内的不同环境样品中的产甲烷16srrna基因
第 32 卷第 4 期 2011 年 4 月
环 境 科 学 ENVIRONMENTAL SCIENCE
厌氧颗粒污泥是高效厌氧反应器稳定和高效运 行的关键， 产甲烷菌 群 是 厌 氧 颗 粒 污 泥 中 的 主 要 功 UASB 颗 粒 污 泥 中 的 产 甲 烷 菌 数 量 可 达 能菌群， 10 9 / mL［1 ］. 目前， 现代分子生物学技术已经广泛应 用于包括厌氧颗粒污泥在内的不同环境样品中的产 甲烷 菌 群 分 析
.
本研究以阿维菌素废水处理工业化厌氧颗粒污 泥为研究对象， 以 mcrA 基因为 PCR 的 目 标 基 因， 利 用 变 性 梯 度 凝 胶 电 泳 （ denaturing gradient gel electrophoreses ， DGGE ） 技 术， 对厌氧颗粒污泥中的 优势产 甲 烷 菌 群 的 系 统 发 育 进 行 了 分 析， 并基于 mcrA 基 因 利 用 荧 光 原 位 杂 交 （ fluorescence in situ hybridization ， FISH ） 技 术 对 产 甲 烷 菌 群 进 行 了 原 位 分析 . 同 时， 对 基 于 mcrA 基 因 和 16S rRNA 基 因 的 PCR-DGGE 及 FISH 检测结果进行了比较分析 . 1 1. 1 材料与方法 污泥样品 本研究所用厌氧颗粒污泥样品取自河北石家庄 某阿维 菌 素 废 水 处 理 工 业 化 UASB 反 应 器 （ 500 m ）， 其平均 VSS / SS 值为 0. 882. 1. 2 污泥样品总 DNA 提取 采用改进后的工业化废水处理反应器污泥样品 总 DNA 提取方法对厌氧颗粒污泥样品总 DNA 进行 提取
废弃物微藻厌氧消化产氢气和甲烷的优化研究
废弃物微藻厌氧消化产氢气和甲烷的优化研究原林虎;原雨桐【摘要】本文探究了影响微藻厌氧消化的因素(有机负荷、酶预处理、温度)并优化了工艺参数.结果表明:微藻生物质的最佳有机负荷为10.0 g/L,相应的氢气最大产量为18.8 mL/g(以单位挥发性有机质计算),挥发性脂肪酸最大产量为789 mg/L.蛋白酶预处理能够强化微藻水解酸化,且蛋白酶最佳剂量为1.0 g/L,氢气最大产量为20.5 mL/g,pH最低值为5.4.最后在产甲烷相中优化微藻厌氧消化的温度,35℃是产甲烷相最佳温度,甲烷的最大产量为238.9 mL/g,高温环境产生的过程产物反馈抑制了产甲烷菌的活性从而导致甲烷产量下降.【期刊名称】《工业安全与环保》【年(卷),期】2018(044)011【总页数】4页(P80-83)【关键词】微藻;两段式发酵;水解;酸化;氢气【作者】原林虎;原雨桐【作者单位】太原城市职业技术学院城建系太原030027;上海应用技术大学鲁班书院上海201418【正文语种】中文0 引言微藻含有丰富的有机质(碳水化合物4%～57%，蛋白质8%～71%和脂类2%～40%)，是厌氧消化产氢气和甲烷的理想原料[1]。
然而在实际工程中多种因素共同作用导致微藻厌氧消化获取的氢气和甲烷远低于理论计算值[2]。
近年来，应用两相厌氧消化系统处理生物质废物受到广泛关注，两段式厌氧消化将水解酸化相和产甲烷相分离开，从而控制每个阶段中微生物处于优势动态[3]；此外，与单一相消化系统相比还解除了挥发性脂肪酸(VFA)迅速积累或过度酸化引起的pH值下降而导致产甲烷过程终止的现象[4]。
因此，生物质两段式厌氧消化产氢气和甲烷得到越来越多的研究。
生物质厌氧消化制取甲烷主要包含4个连续的生化过程：水解、酸化、同型产乙酸和甲烷化[5]。
在水解过程中，难降解的有机物在特定功能的转性厌氧或兼性厌氧微生物分泌水解酶的作用下水解为溶解性或大分子有机物。
水解过程是有机物厌氧消化的限速步骤，预处理常用于提高有机物的水解速率[6]。
有机砷对固态厌氧消化产甲烷的影响和动力学研究-论文
ｅ ｓ ｉ ｓ ｋ ｉ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｓ ＺＨＥＮＧ Ｙｕ ａ ｎ ｗｕ１ ， ２ ， ＰＥＮＧ Ｓ ｈ ｕ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ ， ＨＵ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｈ ｕ 。， ＬＩ Ｊｉ ａ ｎ。 ， ＣＨＥＮＧ Ｙｉ ｎ ｇ ｙ ｉ ｎ ｇ。 ． （ １ ． Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ
郑 元 武 等 有 机 砷 对 固态 厌 氧 消化 产 甲 烷 的 影 响 和 动 力 学 研 究
有机砷对 固态厌氧 消化 产 甲烷 的影 响和 动力学研 究 ＊
郑 元 武 ， 。 彭 书传 胡 真虎。
（ １ ． 合肥工 业大学资源与环境工程学 院， 安徽
李 建 。 程 莹莹。
洛 克沙 胂 （ Ｒ ＯＸ） 是一 种 有 机 砷 饲 料 添 加 剂 ， 广 泛 应用 于 家禽饲 养 业 。Ｒ ＯＸ 具有 促 进 畜禽 生 长 ， 提
对植 物和 土壤 中生 物 的抑 制 和毒 性 已有 研 究 ， 如 当 添加砷 达 到 ９ ０ ｍｇ ／ ｋ ｇ时 ， 二 甲基 砷 和 无 机 砷 酸 盐
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｉ ｎｆ ｌ ｕｅ ｎｃ ｅ ｏ ｆ ｏ ｒ ｇ ａ ｎｉ ｃ ａ ｒ ｓ ｅ ｎｉ ｃ ｏｎ ｍｅ ｔ ｈａ ｎｅ ｐｒ ｏ ｄｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ａ ｎａ ｅ ｒ ｏ ｂｉ ｃ ｄ ｉ ｇ ｅ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐｒ ｏｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｍｅ ｔ ｈａ ｎ ｏ ｇ ｅ ｎ。
Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｈ８ ｆ ｅ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， Ｈｅ ｆ ｅ ｉ Ａｎ ｈ ｕ ｉ ２ ３ ０ ０ ０ ９ ； ２ ． Ｎｉ ｎ ｇ ｂ ｏ Ｄ ｅ ’ ａ ｎ
厌氧消化理论
2.厌氧消化的原理厌氧消化是指在厌氧(无氧)条件下,利用厌氧微生物将复杂的大分子有机物转化成甲烷、二氧化碳、无机营养物质和腐殖质等简单化合物的生物化学过程。
在厌氧消化过程中,多种不同微生物的代谢过程相互影响、干扰,形成了非常复杂的生化过程。
20世纪70年代以来,大量学者和研究人员对厌氧消化过程中的微生物及其代谢过程进行了深入研究,并取得了很大的进步。
经研究探索，厌氧消化复杂有机物的厌氧消化过程可以分为两段理论、三段理论以及四段理论。
接下来我们将分别介绍各理论。
1).两段理论：该理论是由Thumm.Reichie(1914)和Imhoff(1916)提出，经Buswell.NeaVe完善而成的，它将有机物厌氧消化过程分为水解酸化(酸性发酵)阶段和产甲烷(碱性发酵)两个阶段，相应起作用的微生物分别为产酸细菌和产甲烷细菌。
在第一阶段，复杂的有机物(如糖类、脂类和蛋白质等)在产酸菌(厌氧和兼性厌氧菌)的作用下被分解成为低分子的中间产物以及生成能量，这些中间产物主要是一些低分子有机酸(如乙酸、丙酸、丁酸等)和醇类(如乙醇)，并有氢、CO2, NH4＋、H2S等气体。
在这一阶段里，由于有机酸的大量积累，使发酵液的pH值降低，pH值可下降至6，甚至可达5以下。
所以此阶段被称为酸性发酵阶段，又称为产酸阶段。
在第二阶段，产甲烷菌(专性厌氧菌)将第一阶段产生的中间产物继续分解成CH4、CO2等。
由于有机酸在第二阶段的不断被转化为CH4、CO2等，同时系统中有NH4＋存在，使发酵液的pH值迅速升高达到7～8，所以此阶段被称为碱性发酵阶段，又称为产甲烷阶段。
厌氧消化的两阶段理论，几十年来一直占统治地位，在国内外厌氧消化的专著和教科书中一直被广泛应用。
图7.2.1二阶段理论示意图2).三段理论：随着厌氧微生物学研究的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程的认识不断深化，厌氧消化理论得到不断发展。
1979年，M.P.Bryant(布赖恩)根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，在两阶段理论的基础上，提出了三阶段理论。
5-BMP全自动甲烷潜力测试仪串联测试甲烷含量
无需气相色谱仪或沼气分析仪，直接测量甲烷含量物料产甲烷潜力（biochemical methane potential, BMP）是指单位有机物料在厌氧条件下发酵产生甲烷气体的数量。
BMP分析对了解沼气发酵的效率及其过程稳定性、沼气工程的规模及工艺设计、生产优化策略及沼气工程收益评估等都具有重要的意义。
BMP测试不仅关注甲烷的体积量，还关注各气体的成分，比如甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢的百分比含量。
通常情况下，客户可以用气袋收集气体，定期采用排水法测量体积，并且利用气相色谱仪或者沼气分析仪测量各气体成分。
图一：BMP全自动甲烷潜力测试仪
RTK公司自主研发生产的BMP全自动甲烷潜力测试仪，包含18个通道。
如果客户只是关注厌氧发酵过程中甲烷的产气量和含量比。
客户可以将两个通道进行串联测试，在两个通道之间接入高浓度碱液去除酸性气体如二氧化碳、硫化氢等，分别测量厌氧发酵产生的总气体量和甲烷气体量，二者比例即是甲烷含量比。
RTK全自动甲烷潜力测试仪，（1）测量精度1 mL，有利于微小量气体的准确测量，尤其利于细节机理研究。
（2）采用嵌入式WEB跨平台服务器，无需软件安装包，可使用电脑、手机等无线访问和控制系统，适用于长期测试。
（3）内置有温度和气压传感器，测量的气体体积实时换算成标况体积，避免了长期测试
温度和压力变化导致的数据误差。
欢迎大家垂询！。
厌氧甲烷的产生量分析
厌氧产生甲烷的过程以及产生量厌氧反应过程是对复杂物质（指高分子有机物以悬浮物和胶体形式存在于水中）生物降解的复杂的生态系统。
其反应过程可分为四个阶段：1 水解阶段——被细菌胞外酶分解成小分子。
例如：纤维素被纤维酶水解为纤维二糖和葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦牙糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽和氨基酸等，这些小分子的水解产物能被溶解于水，并透过细胞为细胞所利用。
2 发酵阶段——小分子的化合物在发酵菌（即酸化菌）的细胞内转化为更为简单的化合物，并分泌到细胞外。
这一阶段主要产物为挥发性脂肪酸（VFA）醇类、乳酸、CO、氢、氨、硫化氢等。
3 产酸阶段——上一阶段产物被进一步转化为乙酸、氢、碳酸以及新的细胞物质。
4 产甲烷阶段——在这一阶段乙酸、氢、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新细胞物质。
a、水解阶段——含有蛋白质水解、碳水化合物水解和脂类水解。
b、发酵酸化阶段——包括氨基酸和糖类的厌氧氧化，以及较高级脂肪酸与醇类的厌氧氧化。
产乙酸阶段一一含有从中间产物中形成乙酸和氧气，以及氢气和二氧化碳形成乙酸。
d、产甲烷阶段一一包括从乙酸形成甲烷，以及从氧、二氧化碳形成甲烷。
废水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原过程。
厌氧发酵以及氧化过程化学计算：甲烷菌只能利用有限的几种基质，如下所示，其反应定义为CO2型反应和甲基型反应，包括氢、甲酸、一氧化碳、甲醇、甲胺、和醋酸盐氧化反应。
2H2 CO2 CH4 2H2O4HCOO 4H CH4 3CO2 2H2O4CO 2H2O CH4 3CO24CH3OH 3CH4 CO2 2H 2O4CH33N H2O 9CH4 3CO2 6H2O 4NH3 CH3COOH CH4CO2发酵过程中COD的变化一般用COD平衡而不用氧的消耗进行计算。
利用厌氧反应器中甲烷产生量可算出COD损失量。
通过化学计算即可确定甲烷COD的当量，甲烷的COD值是降甲烷氧化变成二氧化碳和水时氧的需要量。
厨余垃圾厌氧消化产甲烷速率经验模型的修正研究
与环境科学学院， 庆 ４０３） 重 ０ ０ ０
摘要 ：分 别通 过单 相和 两相 厌 氧消 化 实验， 厨余 垃圾 产 甲烷 累积 产量 曲线进行 了拟 合 ． 对 结果表 明， 相 厌氧 消化 产 甲烷 累 积产 量 曲线符 合 单
二 次函数 关系， 关 系数（ ） Ｏ９ ８ ； 相 为 ． ２ 两相 厌氧 消化 产 甲烷 累 积产 量 曲线 符合线 性 函数关 系， 关系 数（ ） ０９ ７ ． ９ 相 为 ．９ ２ 以拟 合 函数为 基础 ， 在 考虑 系统 负荷 的 前提 下， 立 了基准 状态 下 的产 甲烷速 率 经验 模 型， 建 通过 引入 ｐ 抑制 系数 和氨 氮抑 制 系数对 建 立 的产 甲烷速 率经 验模 型 Ｈ 进行 了修 正． 经验 修正模 型 预测 结果 进行 了 实验验 证及 误差 分析 ． 对 结果 表 明， 检验 水平 ａ ０ ｌ 件下 ， 在 ＝． 条 Ｏ 单相厌 氧 第 １组和 第 ２组试 验数 据试验 数 据与模 型 预测值 的 显著性 检 验统 计量 Ｆ分别 为 ４ ６ ２和 ２ ８ ３ 远 大于 临界 值（ ０９１ ８＝ ． ） ８． ２ ６． ， ６均 Ｆ （， ） ７１ ； ９ ５ ２ 两相 厌氧 第 １ 组试 验数 据和第
３２５ ， ｏ ｄ ｉｎｔａ ｌ ｅ ｏ ｔｓ ｗ ｓ０ｏ ． ｈ ｓ ａｉｉｓ ｌｗ ｒ ｉｈｒ ｈ ｒ ｉ ｌ ａ ｅ［０９１ ８＝ ． ］Ｔ ｅ ７ ．６ｉ ｃ ｎ ｉｏ ｔｅ ｌ ｆｅｔ ａ ．１ Ｔ ｅｅｓ ｔ ｔ ｌ ｅｅｈｇ ｅ ａ ｃｉｃ ｌ Ｆ （， ）７１ ． ｈ ｎ ｔ ｈ ｖ ｔ ｓｃ ａ ｔｎ ｔａｖ ｕ ９ ５ ２
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厌氧产生甲烷的过程以及产生量
厌氧氧化阶段：
厌氧反应过程是对复杂物质（指高分子有机物以悬浮物和胶体形式存在于水中）生物降解的复杂的生态系统。
其反应过程可分为四个阶段：
1水解阶段——被细菌胞外酶分解成小分子。
例如：纤维素被纤维酶水解为纤维二糖和葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦牙糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽和氨基酸等，这些小分子的水解产物能被溶解于水，并透过细胞为细胞所利用。
2发酵阶段——小分子的化合物在发酵菌（即酸化菌）的细胞内转化为更为简单的化合物，并分泌到细胞外。
这一阶段主要产物为挥发性脂肪酸（VFA）醇类、乳酸、CO2、氢、氨、硫化氢等。
3产酸阶段——上一阶段产物被进一步转化为乙酸、氢、碳酸以及新的细胞物质。
4产甲烷阶段——在这一阶段乙酸、氢、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新细胞物质。
a、水解阶段——含有蛋白质水解、碳水化合物水解和脂
类水解。
b、发酵酸化阶段——包括氨基酸和糖类的厌氧氧化，
以及较高级脂肪酸与醇类的厌氧氧化。
c 、 产乙酸阶段——含有从中间产物中形成乙酸和氧气，以及氢气和二氧化碳形成乙酸。
d 、
@ e 、 产甲烷阶段——包括从乙酸形成甲烷，以及从氧、二氧
化碳形成甲烷。
废水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原过程。
厌氧发酵以及氧化过程化学计算：
甲烷菌只能利用有限的几种基质，如下所示，其反应定义为CO2型反应和甲基型反应，包括氢、甲酸、一氧化碳、甲醇、甲胺、和醋酸盐氧化反应。
()2433
2242332
243242224242246394234324234422CO CH COOH CH NH O H CO CH O H N CH O H CO CH OH CH CO CH O H CO O
H CO CH H HCOO O
H CH CO H +→+++→+++→+→+++→++→++-
发酵过程中COD 的变化一般用COD 平衡而不用氧的消耗进行计算。
利用厌氧反应器中甲烷产生量可算出COD 损失量。
通过化学计算即可确定甲烷COD 的当量，甲烷的COD 值是降甲烷氧化变成二氧化碳和水时氧的需要量。
O H CO O CH 222222+→+
有方程可知道：1mol 甲烷COD 为2（32g 2O /mol ），即等于
64g 2O /mol 4CH ,在标准状态下，1mol 甲烷的体积为，即等于
甲烷/gCOD 。
量4CH =gCOD LCH molCH gCOD mol L 44
35.064414.22 备注：氧的摩尔质量8。
按照这几天进水水质分析：理论值。
《
进水COD=8487mg/L
出水COD=2500mg/L
进水流量Q=53M
一天处理COD = (8487mg/L-2500mg/L ）*24h*53M
=5987mg/L*24h*53M
=718440g
根据目前厌氧池常温处理:
量4CH =(718440gCOD/d)*4CH gCOD
=2513M /d
注解：以上计算不考虑厌氧细菌本身代谢消耗的一部分COD 。
&
温度的变化对甲烷产生量的变化忽略不计。