基于直接种间电子传递的导电生物膜制甲烷反应器的物质传递和转化特性研究

Methane production from organic wastes via anaerobic fermentation is one of the research hotspots in the field of energy conservation and environmental protection. The performance of methane fermentation can be enhanced when direct hydrogen transfer (DHT) is replaced by direct interspecies electron transfer (DIET). In this project, a novel packed bed reactor with conductive biofilm is proposed to facilitate DIET and methane fermentation by symbiotic microorganism biofilm formation on conductive solid matrix. Experimental research on the characteristics of the growth and metabolism of symbiotic microorganisms will be carried out in the DIET fermentation system for methane production. A growth and metabolism kinetic model integrating DIET will be created upon the experimental results. Subsequently, the characteristics of biofilm formation will be investigated, and the porous medium structure of biofilm will be obtained. A predicting model for biofilm growth and formation will be created. Finally, the characteristics of biofilm growth and formation, methane production, substrate degradation and flow resistance will be investigated in the reactor. A multiphase and multicomponent model describing the mass transfer and conversion in the porous medium biofilm and reactor will be created to simulate the impacts of flow and mass transfer on the biofilm formation, substrate degradation and methane production. A theoretical calculation method on the performances of substrate degradation and methane production will be obtained. This project will be advantageous for the development and application for the methane fermentation, waste treatment and bioreactor technologies.

厌氧发酵降解有机废弃物制甲烷是节能环保领域的研究热点，而通过直接种间电子传递替代种间氢传递可以显著增强厌氧发酵制甲烷效率。本项目提出一种新型的导电生物膜厌氧填充床反应器，通过产电/产甲烷共生菌在导电固体基质表面形成生物膜增强种间电子传递促进甲烷生成。针对具有种间电子传递的共生菌产甲烷体系的生长代谢及电子传递特性开展实验研究，建立反映种间电子传递的共生菌生长代谢动力学模型。研究共生菌在导电基质表面的成膜特性和生物膜多孔介质的结构特征，建立共生菌生长成膜的预测模型。在此基础上研究反应器内共生菌生长成膜、甲烷生成、底物降解及流动阻力特性，建立生物膜多孔介质和反应器内多相多组分传递与转化的理论模型，揭示反应器内流动和物质传递对共生菌成膜、底物降解及产甲烷特性的影响规律，获得反应器底物降解和产甲烷性能的理论计算方法。推动厌氧发酵制甲烷和相关的有机废弃物处理、生化反应器等技术的发展和应用。

生物质厌氧发酵制取甲烷过程存在种间氢传递效率低、甲烷生成速率慢等问题，而通过增强直接种间电子传递可以有效提高甲烷生成速率及底物利用速率。本项目针对产电/产甲烷共生菌厌氧代谢及电子传递机理及特性、产电/产甲烷共生菌在导电固体基质表面成膜及膜内物质传递特性、基于直接种间电子传递的生物膜厌氧反应器强化方法开展研究工作。首先，明晰了导电材料的氧化还原电位对不同发酵条件下直接种间电子传递产甲烷过程热力学特性的影响规律，阐明了导电材料类型、尺度和结构等因素对甲烷生成、底物降解、共生菌厌氧代谢的作用机理，获得了导电材料的添加下的厌氧发酵动力学特性与菌群分布特征；开展了甲烷八叠球菌在固体导电基质表面上生长成膜的实验研究，获得了微生物在导电基质表面吸附、生长和成膜的规律，建立了反映产电/产甲烷共生菌种间电子传递的扩散-反应三维多物理场模型，明晰了产电/产甲烷共生菌细胞间距、底物浓度及氧化还原电位等因素对直接种间电子传递速率的影响规律，获得了生物膜内复合菌群在基于直接种间电子传递降解有机底物产甲烷过程中的协同作用机理及代谢路径，提出了促进种间电子传递、提升厌氧发酵产甲烷的原理和方法；在此基础上，构建了基于直接种间电子传递强化的导电生物膜厌氧反应器，获得了混合强度、有机负载率等运行参数对反应器内共生菌生长成膜、菌群结构、生物膜电化学特性以及甲烷生成的影响规律，阐明了反应器内菌群结构、电子传递及生化转化的相互作用关系，明晰了电驱动条件下的厌氧发酵强化机理与特性，提出了基于直接种间电子传递的高效厌氧发酵反应器的构建方法，为基于直接种间电子传递的导电生物膜厌氧反应器的应用奠定了理论基础，促进有机废弃物处理、生化反应器等技术发展。