生物电化学辅助原位沼气提纯机制及其优化调控研究

In recent years, the in-situ/biological biogas upgrading methods have emerged as a promising alternative or complement to the commonly used ex-situ/physiochemical techniques, due to their low cost, simple configuration and environmentally friendly nature. Bioelectrochemically assisted in-situ biogas upgrading was proposed in this project, in which the bioelectrochemical methane production (BEMP) pathways were employed in anaerobic reactors to convert CO2 into CH4 for simultaneously biogas upgrading and CH4 increment. However, the mechanism involved in bioelectrochemically assisted in-situ biogas upgrading has remained unclear so far, mainly due to difficulty in identifying pathways for BEMP, which hinders its further development. In this project, the antibiotics inhibition plus CO2 depletion method, in combination with metabolic pathway analysis for functional microbes, will be tested for identifying pathways for BEMP. Then, the basic research on bioelectrochemically assisted in-situ biogas upgrading will be conducted, in terms of its mechanism analysis, process optimization and control, and long-term performance characterization. The results from this project will provide important scientific value for the further development and application of bioelectrochemically assisted in-situ biogas upgrading.

新型原位/生物法沼气提纯技术是对传统异位物化类沼气提纯技术的重要补充，具有成本低和环境友好等优点，已成为当前环保与能源领域内的一个研究热点。本项目拟开展生物电化学辅助原位沼气提纯技术研究，即在有机废水/固废厌氧消化反应器中引入生物电化学产甲烷（BEMP）过程，将沼气中的二氧化碳原位转化为甲烷，同步低成本实现沼气提纯与甲烷增量。然而，BEMP途径识别困难导致生物电化学辅助原位沼气提纯机制不明确，极大地限制了其发展与应用。针对该技术瓶颈，本项目拟对BEMP生物阴极进行抗生素抑制和二氧化碳贫化处理，并结合功能菌代谢途径分析，建立BEMP途径识别方法。在此基础上，从BEMP/厌氧消化耦合作用机制解析、过程优化调控、长期运行特性三方面着手，系统深入地开展生物电化学辅助原位沼气提纯技术的基础理论与应用性能研究，以为其推广应用提供技术支撑。

新型原位/生物法沼气提纯技术是对传统异位物化类沼气提纯技术的重要补充，具有成本低和环境友好等优点，已成为当前环保与能源领域内的一个研究热点。本项目开展生物电化学辅助原位沼气提纯技术研究，即在有机废水/固废厌氧消化反应器中引入生物电化学产甲烷（BEMP）过程，将沼气中的二氧化碳原位转化为甲烷，同步低成本实现沼气提纯与甲烷增量。本项目重点对BEMP机理以及其用于强化沼气提纯性能开展了研究，取得良好效果。我们发现抗生素预处理有效地降低了与生物阴极生物膜相关的产氢细菌和利用氢的产甲烷菌的比例，并显著促进了Methanosarcina 和 Methanosaeta的生长（其中一些菌群目前已知能参与直接种间电子转移）。微生物群落结构变化与阴极捕获效率提高 14%-36% 相对应。这些结果表明，通过抗生素预处理抑制 H2 的产生可能是富集一些可以有效地将生物阴极电子转化为 CH4的产甲烷菌。为了将其应用扩展到高效厌氧废水处理中，我们采用了一种采用“电化学异位产氢+嗜氢UASB”系统。我们发现，在本实验所考察进水COD负荷范围内（1-5 g·L-1·d-1），两级UASB反应器产生的沼气中CH4都能稳定在90%以上，而H2和CO2含量则均保持在5%以内，达到了预期沼气提纯目的。