污泥厌氧消化过程硅酸盐矿物介导的碳酸盐和生物捕获CO2的耦合机制研究

Recently, the silicate mediated CO2 sequestration and the enhancement of CH4 production in the sludge anaerobic digestion has attracted more and more interests. This technology has wide prospect in the fields of reducing CO2 emission, improving the performance of anaerobic digestion and producing inorganic fertilizers. In this study, the wollastonite (CaSiO3) was used as the preventative of silicate to construct the anaerobic digestion system including silicate mediated CO2 sequestration. The specific microbial inhibitors will be used to construct anaerobic digestion models to investigate the role of different functional groups of anaerobic microorganisms on the silicate mediated CO2 sequestration. The method of isotope labeling CO2 will be used to explore the distribution of CO2 in the pathways of carbonation and biological CO2 sequestration. The occurring conditions and decisive factors affecting the silicate mediated CO2 sequestration in the anaerobic digestion will also be investigated. Finally, the impacts of silicate on the performance of anaerobic digestion will be studied. The results in this study will elucidate the microbial and chemical mechanisms of CO2 sequestration. The results also have important theoretical values and practical significance in improving the CH4 yield and reducing CO2 emission for the sludge anaerobic digestion.

近年来，硅酸盐强化污泥厌氧消化产甲烷和CO2捕获引起越来越多研究者的兴趣，该技术对削减CO2排放、改善污泥厌氧消化效果以及产生无机肥料都具有广泛的应用前景。本研究以钙硅石（CaSiO3）作为硅酸盐的代表，构建硅酸盐介导的CO2捕获的污泥厌氧消化体系，分别利用特异性抑制剂构建不同厌氧微生物功能菌群的作用模型，研究不同功能菌群对CO2捕获的影响机制、利用同位素标记法研究钙硅石介导的CO2碳酸盐捕获和生物捕获的定量分配、研究钙硅石介导的CO2碳酸盐捕获在污泥厌氧消化中的发生条件和影响因素以及钙硅石对污泥厌氧消化的影响等，探索硅酸盐介导的CO2碳酸盐捕获和生物捕获的耦合机制，研究结果将阐明CO2捕获的微生物和化学机制，对提高污泥厌氧消化的甲烷产率和削减CO2排放具有重要的理论价值和现实意义。

本项目构建了无机硅酸盐矿物介导的普通污泥厌氧消化CO2捕获系统和厌氧消化-微生物电解池系统（AD-MEC），通过检测厌氧消化过程的各项指标并利用同位素标记技术，揭示了硅酸盐矿物介导的厌氧系统固定CO2的物化和生化机制。项目资助期间，课题组认真按照任务书计划执行各项研究内容，共发表SCI论文16篇，中文核心论文7篇，培养研究生4名，获科技进步奖2项，组织国际学术会议2次。课题研究取得了以下重要成果：（1）研究了硅灰石投加的最佳加条件发现，pH值、硅灰石投加量和温度三种因素对硅灰石溶出速率及溶出量的影响力为硅灰石投加量>pH值>温度。经响应面曲线优化后最终确定参数选择为：温度35℃，初始pH值7.0，硅灰石粒径120目，投加量19.5 g/L，可达到较好的CO2固定效果，生成浅黄褐色壳状沉淀，结构呈多孔状。（2）研究了不同预处理对硅灰石介导的污泥厌氧消化CO2固定机制发现，硅灰石可提高污泥厌氧消化系统的稳定性，明显增加热预处理污泥厌氧消化的沼气产量和甲烷含量（27.49%），降低CO2含量。（3）研究了污泥厌氧消化系统长期运行条件下硅灰石的投加效应发现，可提高污泥厌氧消化系统的稳定性，对CO2的捕获效果也较为稳定。硅灰石介导CO2捕获对污泥厌氧消化系统中微生物群落的影响不大。（4）成功构建了AD-MEC系统，发现硅灰石耦合AD-MEC系统后，固定CO2生成了碳酸钙沉淀，CH4含量提高达到96%±0.5%，免去了CH4纯化等后续工艺。矿物碳酸化的耦合，提高了AD-MEC反应器中的 属微生物的相对丰度，属是一类已知的具有可以直接利用CO2和电子、质子合成CH4功能的微生物。（5）在硅灰石介导的厌氧消化系统中，高CO32-浓度可促进NH4+和PO43-形成磷酸铵镁(MAP)，实现CO2捕获和营养盐协同回收，当Mg2+/Ca2+比为1:1时，CO2固定及氮磷营养盐协同回收效果最佳。（6）AD-MEC可提升硅酸盐矿石溶出效果，明显促进有机质的水解酸化，进一步提升沼气产量和纯度，氨氮和磷酸根去除率最高可达49.21%、92.77%，沼气纯度92.43%，沼气循环可进一步提升沼气纯度至97.31%。以上问题的阐明进一步加深了硅酸盐介导的污泥厌氧消化过程CO2捕获的发生和耦合机制的理解，对于提高污泥厌氧消化的甲烷产率，发展新的污泥厌氧消化CO2减排技术具有重要意义。