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科学研究

张无敌研究员团队在Bioresource Technology, Science of the Total Environment, Renewable Energy等高水平期刊上发表论文

发布时间:2021年06月24日 09:07 点击量:[]

张无敌研究员团队在Bioresource Technology, Science of the Total Environment, Renewable Energy等高水平期刊上发表论文

近期,云南师范大学张无敌研究员团队在Bioresource TechnologyIF7.5)上发表了题为“Novel start-up process for the efficient degradation of high COD wastewater with up-flow anaerobic sludge blanket technology and a modified internal circulation reactor”的研究论文(DOI: 10.1016/j.biortech.2020.123300),在Science of the Total EnvironmentIF6.5)上发表了题为“Comparison of different reactors in response to increasing loadings of water hyacinth juice: long-term energy efficiency, maximum treatment capacity limits and microbial community dynamics”的研究论文(DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.140812),在Renewable EnergyIF6.2)上发表了题为“Novel technique for sustainable utilisation of water hyacinth using EGSB and MCSTR: Control overgrowth, energy recovery, and microbial metabolic mechanis”(DOI: 10.1016/j.renene.2020.10.093),等一系列研究论文,以上论文均以澳门新莆京4996app官网为第一通讯单位,刘健峰博士研究生为第一作者,张无敌研究员为通讯作者(wootichang@163.com)。

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刘健峰 博士研究生

 

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张无敌 研究员

 

水污染已经成为亟待解决的重大环境问题,对人类的健康造成加大的威胁。厌氧消化技术作为工业化的分解者,可以加速人类生活中有机废弃物的分解,促进生态系统中物质循环和能量流动,对实现碳中和环境可持续发展具有重要意义。厌氧消化技术具有运行成本低、清洁能源回收利用、生产有机肥的优势,已经成为高浓度有机废水处理的必要手段。高效厌氧反应器是实现高浓度有机废水处理的高效能手段。但是,在传统的启动工艺方面,初始进水COD浓度控制在2506500 mg / L的范围内,启动有机负荷较低,因此,必须通过逐步增加进水有机负荷率来启动高效厌氧反应器,以避免造成挥发性脂肪酸的积累和pH值的降低。因此,在传统的启动过程中,针对高浓度有机废水必须通过使用市政废水或自来水将高COD浓度的废水稀释至所需值。例如,如果废水的COD20 000mg / L,则废水处理量为1000 m3 / d,如果启动阶段的进水COD2000 mg / L,则至少需要9000 m3的水来稀释进水的COD浓度。常规的启动过程将直接导致运行成本的增加和水资源的浪费。因此,高效厌氧反应器高COD启动方法的研究,具有重要的科学和实践意义。

BITE上发表的研究,以水葫芦汁液为基质(COD = 15 630-23 500 mg/L),采用UASBMIC高效厌氧反应器在中温30℃条件下进行了高COD启动工艺方法研究。通过工程数据测试,对两种高效厌氧反应器的污染物降解性能和能源回收效率进行比较分析,结果表明COD启动工艺方法是可行的,UASBMIC高效厌氧反应器均成功启动,且MIC反应器性能优于UASB反应器。通过高通量测序分析,探究了微生物群落演化机理,结果表明反应器结构对微生物群落装配机制影响较大,且水葫芦汁液厌氧消化产甲烷主要通过乙酸型代谢途径进行。

本研究开发了一种高效厌氧反应器新型启动工艺方法,该方法操作简单,节约水资源,运行成本低,弥补了传统启动过程的不足,对实际工程应用具有重要意义。而且,该工作揭示了不同高效厌氧反应器的微生物群落装配机制和水葫芦汁液的微生物代谢通路,为后续的研究奠定了理论基础,具有良好的科学研究价值和工程应用前景。

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张无敌研究员团队长期致力于生物反应器开发与工程应用、有机废弃物资源化利用工艺研究与产业化应用、“三沼”综合利用与区域生态循环模式构建、CO2捕捉与沼气提纯技术开发、生物天然气工程与工艺研究、微生物装配机制与代谢通路研究、沼气工程增温保温技术开发、生物质转化液体燃料技术研究、生物质颗粒燃料加工技术开发等研究工作。


Renewable Energy上发表的研究考虑到水生杂草一般具有快速繁殖和超强的再生能力,入侵性极强,由于其过度繁殖,会破坏当地生态系统,堵塞河流和湖泊,导致航线受阻,损坏灌溉和水电系统,带来了严重的环境污染、生态破坏和经济损失。我们团队多年来致力于水生杂草的生态防控及其“变废为宝”的资源化利用关键技术研究,旨在探索“以用促控”的新途径和新方法。

水葫芦技术路线图1

本研究重点提出了水葫芦资源化可持续利用新工艺技术。通过水葫芦固液分离进行厌氧消化处理,对水葫芦进行防控,并达到回收清洁能源的目的。通过建模计算,量化得出水葫芦汁液的能源回收率。并且,通过高通量测序分析,确定关键微生物群落及功能,揭示了水葫芦汁液和渣的微生物代谢机制,构建了其代谢通路图。

水葫芦可持续资源化利用新工艺技术不仅限于水生杂草的防控与处理,对高含水的有机废弃物(如:蔬菜废弃物、水冲式养殖废弃物、食品加工废料等)同样适用,具有广泛的适用价值,而且还可以产生肥料和清洁能源,具有很好的生态效益和经济价值。

 

STOTEN上发表的研究聚焦水葫芦这一入侵物种:水葫芦亦被称为凤眼蓝、浮水莲花、凤眼莲、布袋莲,属于被子植物门、单子叶植物纲、粉状胚乳目、雨久花亚目、雨久花科、凤眼蓝属、凤眼蓝种的一种多年生漂浮性水生植物。水葫芦可以进行无性繁殖和有性繁殖,在适宜的条件下,水葫芦的数量能呈几何级数增长。由于其过度繁殖,水葫芦破坏当地生态系统,堵塞河流和湖泊,导致航线受阻,损坏灌溉和水电系统,带来了严重的环境污染、生态破坏和经济损失,被列入世界百大外来入侵种之一。由于水葫芦具有快速繁殖和超强的再生能力,如果被资源化利用具有非常大的潜力。由于水葫芦含水量较高(约95%),水葫芦固液分离后,会产生大量的汁液,如何高效地实现水葫芦汁液的资源化利用,成为了另外一个挑战。

摘要图1

针对水葫芦汁液采用不断缩短水力滞留时间的方法,不断提升有机负荷,直至高效厌氧反应器达到处理能力极限,并采用数学模型计算得出各反应器的最大极限性能。在实验过程,采用高通量测序,分析各个阶段微生物的响应机制,探究微生物群落的装配过程对微生物多样性和群落结构的影响。结果表明:与UASB反应器相比,MIC反应器具有更高的处理性能和能源回收效率。经过长期的群落演替,两个反应器具有相似的产甲烷菌。

 

本研究重点探究了长期运行过程中,MICUASB反应器的运行性能,并揭示了进水原料对微生物群落演化的强选择性机制,为未来工程应用奠定了理论基础。

 

张无敌研究员团队长期致力于生物反应器开发与工程应用、有机废弃物资源化利用工艺研究与产业化应用、“三沼”综合利用与区域生态循环模式构建、CO2捕捉与沼气提纯技术开发、生物天然气工程与工艺研究、微生物装配机制与代谢通路研究、沼气工程增温保温技术开发、生物质转化液体燃料技术研究、生物质颗粒燃料加工技术开发等研究工作。

张无敌研究员作为全国先进工作者(全国劳动模范)、全国模范教师、教育部生物能源持续开发利用工程研究中心副主任、云南省沼气工程技术研究中心主任、云南省“万人计划”产业领军人才、云南师范大学二级教授、云南省中青年学术和技术带头人,主持国家级、省部级课题100余项、发表学术论文700余篇、出版专著18部、国家授权发明专利12件、实用新型专利30多件、获国家专利技术发明金奖、国家专利技术创新银奖、第18届全国发明展览会金奖、中国产学研合作创新成果优秀奖、云南省科技进步一、二、三等奖等。

欢迎有意向于该领域研究的同学报考课题组硕士和博士研究生,也欢迎对论文感兴趣的同学下载阅读及引用。

 

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