生物电化学-厌氧消化耦合系统缓解高浓度氨氮抑制并实现沼气纯化的过程及机制研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51908245
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E1006.固废资源转化与安全处置
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Anaerobic digestion of cyanobacteria is a technology by which the treatment of cyanobacteria and the recovery of clean energy could be both achieved. However, ammonia inhibition could be occurred during the anaerobic digestion process of cyanobacteria, which is the main challenge for application of this technology. Nowadays, the strategies applied for alleviation of ammonia inhibition are economically unattractive or environmentally unfavorable. Moreover, the application of biogas produced during anaerobic digestion could be highly limited due to the low content of methane. .Therefore, a novel three chambers bioelectrochemical system (BES) coupled with anaerobic digestion (anode chamber for producing electricity, desalination chamber for ammonia removal, cathode chamber for producing hydrogen) would be used for alleviation of ammonia inhibition, recovery of nutrients and hydrogen assisted biogas upgrading. In order to improve the efficiency of ammonia recovery and hydrogen production, the cathode electrode would be modified for increasing electron transfer efficiency in this study, which could be the foundation of achieving conquering ammonia inhibition and hydrogen assisted biogas upgrading. Moreover, the composite cathode electrode was characterized by XPS, FTIR and SEM. The results would reveal the mechanism of improving electron transfer efficiency by modifying cathode electrode..After increasing the hydrogen production in cathode chamber, hydrogen would be added into the anaerobic digestion chamber (desalination chamber) to achieve hydrogen assisted biogas upgrading. Afterwards, the acidic solution in anode chamber would be pumped into the anaerobic digestion chamber to neutralize the increasing pH during the hydrogen assisted biogas upgrading process. Moreover, by selecting different hydrogen partial pressure and stirring speed in anaerobic digestion chamber, the detail process and the interaction between anaerobic digestion and hydrogen assisted biogas upgrading would be explored. The key factors that improve the reaction process would also be identified and the efficiencies of anaerobic digestion and hydrogen assisted biogas upgrading in anaerobic digestion chamber could be further increased. In addition, by extracting DNA from microbial samples in anaerobic digestion chamber and high-throughput sequencing, qPCR analysis, the coexisted mechanism of anaerobic digestion and hydrogen assisted biogas upgrading process in this system would be also revealed. Finally, different applied voltages, initial ammonium concentrations and other ionic species would be used to identify the optimal parameters for the entire system. Furthermore, the energy balance of this system could also be calculated and the results would be used to evaluate the advantages of this novel system in energy cost compared with other anaerobic digestion and biogas upgrading process. Overall, this study could offer new insights for treatment of cyanobacteria by using BES coupled with anaerobic digestion technology in future.
高浓度氨氮的抑制作用是制约对太湖蓝藻进行厌氧消化的一大瓶颈,而厌氧消化产生的沼气因为其甲烷纯度不足、热值较低,被极大限制了用途。因此,本课题拟采用一套新型三极室生物电化学(BES)-厌氧消化耦合系统(阳极室产电、中间室脱氮、阴极室产氢)来同时解决缓解蓝藻底物高浓度氨氮毒性、营养物质回收与沼气纯化的难题。为促进阴极室的氨氮回收与产氢效率,本研究通过改性修饰阴极电极材料来提高电子传递效率,也为本系统高效缓解氨氮抑制与实现沼气纯化奠定了基础。阴极室所产氢气导回中间室进行沼气纯化后,本研究将通过调控不同氢分压等因素促进中间室厌氧消化与沼气纯化反应效率的提升;随后采用分子生物学手段进一步揭示中间室两个反应的共存机制。最后,采用不同参数来优化系统的最佳反应条件,并进行能量衡算,评估本系统相比于其它工艺在能耗方面的优势。综上,本研究将为厌氧消化与BES的耦合系统高效处理太湖蓝藻底物提供新思路。

结项摘要

高浓度氨氮的抑制作用是制约对太湖蓝藻进行厌氧消化的一大瓶颈,而厌氧消化产生的沼气因为其甲烷纯度不足、热值较低,被极大限制了用途。因此,本课题采用了一套新型三极室生物电化学(BES)-厌氧消化耦合系统(阳极室产电、中间室脱氮、阴极室产氢)来同时解决缓解蓝藻底物高浓度氨氮毒性、营养物质回收与沼气纯化的难题。通过实验发现当初始氨氮浓度为1000 mg NH4+-N/L,外接电压为0.4 V时,BES-厌氧消化耦合系统中的甲烷产量可达到发酵瓶反应器的3.18倍。微生物分析的结果表明在高浓度氨氮环境条件的胁迫下,厌氧消化过程的产甲烷阶段由嗜乙酸产甲烷途径向嗜氢气产甲烷途径进行了转化,而嗜氢气产甲烷菌也成为了产甲烷阶段的优势菌种。研究结果表明BES-厌氧消化耦合系统可以有效缓解高浓度氨氮对厌氧消化过程的抑制作用。此外,本研究运用BES-厌氧消化耦合系统将迁移至阴极室的氨氮作为阴极产氢微生物的氮源加以利用,并将阴极室所产氢气通入中间室实现了沼气纯化。实验结果显示在反应第0天通入0.25 bar氢气的反应器比对照组反应器中的甲烷产量提高了22.98%,甲烷组分浓度较对照组反应器也提升了14.04%;同时相比于发酵瓶反应器内提纯效果最佳的甲烷纯度(53.63%),第0天通入0.25 bar氢气的反应器的甲烷纯度也提高了22.10%。另外,我们还通过高通量测序分析以及PICRUSt的关键酶与功能基因预测发现,外源氢气的添加量和通入时间均会对中间室厌氧消化过程中的各个阶段(水解、产酸和产甲烷阶段)产生重要影响;在反应第0天就通入0.25 bar氢气可以有效促进厌氧消化中的水解过程以及胞外电子的传递过程,进而实现反应器内甲烷产量的提升。综上,本研究将为厌氧消化与BES的耦合系统高效处理太湖蓝藻底物提供新的思路。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Enhanced nitrate removal by biochar supported nano zero-valent iron (nZVI) at biocathode in bioelectrochemical system (BES)
在生物电化学系统 (BES) 的生物阴极上通过生物炭支持的纳米零价铁 (nZVI) 增强硝酸盐去除
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2021.133535
  • 发表时间:
    2021-11
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Siqi Zhang;Ziang Kong;Han Wang;Qun Yan;Dimitris V. Vayenas;Guangsheng Zhang
  • 通讯作者:
    Guangsheng Zhang
Primary insight into the cathode strengthened electrons transport and nitrous oxide reduction during hydrogenotrophic denitrification in bioelectrochemical system (BES)
生物电化学系统(BES)氢营养反硝化过程中阴极增强电子传输和一氧化二氮还原的初步见解
  • DOI:
    10.1016/j.jece.2020.104723
  • 发表时间:
    2021-02
  • 期刊:
    Journal of Environmental Chemical Engineering
  • 影响因子:
    7.7
  • 作者:
    Han Wang;Qiuyu Yang;Qun Yan;Qinxue Wen
  • 通讯作者:
    Qinxue Wen
Electrochemical and biochemical profiling of the enhanced hydrogenotrophic denitrification through cathode strengthening using bioelectrochemical system (BES)
使用生物电化学系统 (BES) 通过阴极强化增强氢营养反硝化的电化学和生化分析
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2019.122686
  • 发表时间:
    2020-02
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Qiuyu Yang;Nan Zhao;Han Wang;Bin Huang;Qun Yan
  • 通讯作者:
    Qun Yan

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    申琦

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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