CN113564209B - 利用电信号与化学信号耦合提高混菌体系甲烷产量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用电信号与化学信号耦合提高混菌体系甲烷产量的方法。首先利用双室微生物燃料电池（MFC）在阳极驯化获得富集电活性生物膜的电极。随后在厌氧发酵装置中构建双电极体系：即插入驯化好的电活性生物膜电极作为阳极，无生物膜的电极作为阴极，并在双电极两端外加直流电压；在厌氧发酵体系中通过投加化学信号分子定向富集不同功能的微生物菌群。本发明的方法用于混菌体系甲烷生产可增强菌群间的信息交流，有利于菌群间的互利共生，使得发酵产酸、产氢产乙酸、产甲烷的微生物作用阶段代谢匹配，最终提高甲烷合成效率。该方法为有机废弃物的资源化处理提供了一条新的技术途径，在环境保护以及低劣生物质利用方面具有广阔的应用前景。

Description

利用电信号与化学信号耦合提高混菌体系甲烷产量的方法
技术领域
本发明涉及能源，环境，电化学领域，具体涉及利用电信号与化学信号耦合提高混菌体系甲烷产量的方法。
背景技术
随着当今社会的经济与科技快速发展，人类对能源依赖愈演愈烈，对自然的破坏也愈来愈重。随着化石能源渐趋枯竭和温室效应的不断加剧，能源紧张和环境污染问题对全球影响日益突出。畜禽粪便和农作物秸秆是我国两大主要的生物质资源，每年畜禽粪便约产生20亿吨(湿重)，农作物秸秆的产量可达8亿多吨，资源丰富，分布广泛。但若没有得到有效利用，既造成环境污染又浪费资源。如大量秸秆被随意堆放、焚烧，许多畜禽粪便未经处理就随意排放，既造成环境污染又浪费资源。如果将蕴含如此丰富生物质能的废弃物合理利用，将会对改善生态环境和节约能源产生巨大的意义。
生物制甲烷技术即厌氧发酵是低劣生物质资源化利用的重要途径之一，厌氧发酵反应过程是一个将复杂有机物转变为可被利用的甲烷气体的复杂的、多菌群的混合反应过程。因其反应过程涉及的菌群众多，不同菌群之间既相互依存又相互制约，构成复杂的互作网络，且厌氧消化过程中生物化学反应繁多，有固、液、气多相参与，代谢过程复杂，传质传热困难，所以其底物利用率较低、甲烷合成效率一直不高。目前，大多数研究致力于通过优化厌氧发酵体系的运行条件、添加功能材料介导和生物强化等方式来提高厌氧消化产甲烷，但是效果不明显，依然解决不了厌氧消化技术存在的有机底物降解利用率低、启动周期长、菌群代谢不适配等一系列关键问题。因此，通过增强菌群间信息通讯交流从而优化菌群间的互作和代谢匹配度，有望为解决这些关键问题提供一条新路径。
发明内容
为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下：
利用电信号与化学信号耦合提高混菌体系甲烷产量的方法，包括：
在厌氧发酵底物中加入驯化好的发酵菌源接种物，构成厌氧发酵体系；
将富集了电活性生物膜的电极插入厌氧发酵体系作为阳极，插入无生物膜的电极作为阴极，并在双电极两端外加直流电压；
在厌氧发酵体系中添加化学信号分子对不同功能的微生物菌群进行定向富集。
作为本发明的进一步改进，所述富集了电活性生物膜的电极的制备方法为：向双室微生物燃料电池装置阳极室投加菌源接种物与阳极液，阴极室投加阴极液，待双室微生物燃料电池产电稳定后，阳极即为富集了电活性生物膜的电极；
其中，所述阳极液为有机废水，阴极液为含有电子受体的磷酸盐缓冲液。
进一步的，所述富集方法还包括定期更换阳极液、菌源接种物和阴极液。
进一步的，阳极电子供体为碳水化合物、蛋白质、油脂、木质纤维素等有机物；阴极电子受体为铁氰化钾或氧气；优选50mM铁氰化钾。
进一步的，所述菌源接种物与阳极液的体积比为1：2。
进一步的，所述的菌源接种物为厌氧活性污泥、沼液或畜禽粪便。
电子受体的浓度以能维持阳极电极生物膜的稳定驯化为准。
阳极电极生物膜驯化稳定即MFC产电稳定，即至少连续两个周期电压达到已有的最大值。
作为本发明的进一步改进，所述发酵菌源接种物为沼液；所述发酵底物为低劣生物质，如秸秆和畜禽粪便；
驯化好的发酵菌源接种物占发酵体系总质量的30％。
作为本发明的进一步改进，所述阳极或阴极的电极材料为碳基材料、不锈钢网、镍网、铜网材料等廉价稳定的导电材料，优选的为碳基材料。
作为本发明的进一步改进，根据发酵体系的体积大小来调节阳极电极和阴极电极之间的间距，进而得到最优发酵效率，例如对于总体积为500mL的发酵体系，优选两电极间距为6cm。
作为本发明的进一步改进，双电极两端外加0.5～4.0V的直流电压；优选0.8V。
作为本发明的进一步改进，所述的化学信号分子为人工合成或微生物原位合成的信号分子；人工合成的化学信号分子通过外源投加，微生物原位合成的信号分子通过原位设置可自身分泌信号分子的微生物调节器获得。
进一步的，所述可自身分泌信号分子的微生物为铜绿假单胞菌或其他筛选出的细菌，微生物调节器由可透过信号分子的渗透性膜包裹可分泌信号分子的微生物组成。
作为本发明的进一步改进，所述的化学信号分子为N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)和/或呋喃硼酸二酯(AI-2)。AHLs主要包括C4-HSL，C6-HSL，C7-HSL，C8-HSL，C10-HSL，C12-HSL，3-oxo-C6-HSL，3-oxo-C8-HSL，3-oxo-C10-HSL，3-oxo-C12-HSL等信号分子，优选的为C6-HSL、C7-HSL、C12-HSL。
作为本发明的进一步改进，所述的化学信号分子在产气延滞期、产气高峰期或产气衰退期加入厌氧发酵体系；优选在产气衰退期加入。
作为本发明的进一步改进，所述化学信号分子添加浓度为5～50μM；优选10μM。
本发明的另一目的在于提供一种利用电信号与化学信号耦合提高混菌体系甲烷产量的装置，包括：
发酵装置、富集电活性生物膜的电极、无生物膜的电极、直流电源和集气装置；
所述发酵装置包括发酵瓶和发酵瓶内的发酵液混合物，富集电活性生物膜的电极作为阳极电极，无生物膜的电极作为阴极电极，分别插入发酵液混合物中；阳极电极和阴极电极外接直流电源；
所述发酵瓶上设有进样口，用于添加化学信号分子；
发酵瓶顶端通过输气管道连接集气装置；
所述集气装置为长短管集气装置，通过排水法收集气体。
所述发酵液混合物由厌氧发酵底物和驯化好的发酵菌源接种物组成；优选的，发酵菌源接种物按照总体系质量的30％添加。
发酵菌源接种物由沼液和发酵底物按比例混合，其中沼液按照总体系质量的30％加入，厌氧发酵驯化8-10天，待驯化体系单日甲烷含量达到总沼气含量的50％以上，总产气量与发酵体系体积相当时视为驯化结束。
进一步的，所述实验装置，其特征在于，所述阴极电极和阳极电极通过导线连接直流电源；导线间接有负载。
利用电信号与化学信号耦合提高混菌体系甲烷产量的方法，其原理是：
首先利用双室MFC在阳极驯化电活性生物膜的电极。随后在厌氧发酵装置中构建双电极体系，进行电化学调控：即插入驯化好的电活性生物膜电极作为阳极，无生物膜的电极作为阴极，并在双电极两端外加直流电压。驯化好的阳极电活性生物膜有助于强化有机底物的降解和发酵产酸，缩短发酵的启动时间。进一步通过外加微小直流电压进行电化学调控可以刺激阳极生物膜的产电代谢，有助于产电微生物与其他微生物(水解发酵、产氢产酸、甲烷菌)的种间电子传递，促进不同功能菌群的代谢匹配。同时，外加直流电压调控可以促进阴极电解产氢，有助于嗜氢型产甲烷菌在阴极电极的富集，使得甲烷合成的代谢途径多样化。化学信号调控则为在厌氧发酵体系中通过不同发酵阶段投加不同类型、不同浓度的化学信号分子定向富集不同功能的微生物菌群对发酵效率进行调控。例如，在厌氧发酵中常见的AHLs特征信号分子有C4-HSL、C6-HSL、C8-HSL、C12-HSL等。C4-HSL的加入有利于嗜氢产甲烷菌群的富集，C6-HSL的加入有利于嗜乙酸产甲烷菌群的富集，C8-HSL的加入有利于促进EPS的分泌，C12-HSL有利于嗜乙酸、嗜氢产甲烷菌群的富集，因此使得产气高峰期提前或者产气量增加。当在厌氧发酵体系中进行电信号和化学信号耦合调控时，能发生协同效应：一方面增强了菌群间的信息通讯交流，使得菌群间信息交流途径多样化，有利于不同功能菌群的互利共生，另一方面可以特异性富集产甲烷古菌，提高产甲烷古菌的丰度，如甲烷短杆菌、甲烷杆菌、甲烷八叠球菌、甲烷袋状菌等。最终提高甲烷合成效率。
本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
(1)本发明针对厌氧发酵面临的关键技术难题—有机底物降解利用率低、启动周期长、菌群代谢不匹配，通过电信号和化学信号耦合调控应用于厌氧发酵体系中，通过丰富菌群间信息交流途径，增强菌群间信息通讯交流从而优化菌群间的互作和代谢匹配度，促进菌群间的互利共生，提高有机底物的降解利用率和缩短发酵启动周期。
(2)电信号和化学信号耦合调控可以特异性富集产甲烷古菌，提高产甲烷古菌的丰度，提高甲烷合成效率。
(3)本方法具有普适性，适用于各种有机废弃物的厌氧发酵，如畜禽粪便、低劣生物质、污泥、高浓度有机废水等，具有广阔的应用前景。
(4)本发明所述方法所涉及的电信号调控只需要提供微小直流电压，该直流电压可由绿色能源如太阳能或处理废水的MFC自身产生的微小电压提供，所涉及的外加化学信号分子可由微生物原位分泌提供，成本低廉，且该方法操作简便，能兼容进任何厌氧发酵装置，更适应于实际应用。
附图说明
图1为本发明厌氧发酵装置图。
其中，1是发酵液混合物；2为发酵瓶；3为导线钛丝；4为进样口；5为取样口；6为富集好的电活性生物膜；7为阳极电极；8为阴极电极；9为参比电极；10为负载；11为外加直流电源；12为集气装置；13为排水收集装置；14为导管；15为外源添加的信号分子。
图2为阳极有无生物膜的电化学调控对厌氧发酵产沼气和甲烷的影响。
图3为不同电压调控对厌氧发酵调控产沼气和甲烷的影响。
图4为不同信号分子调控对厌氧发酵调控产沼气和甲烷的影响。
图5为电信号及化学信号耦合调控对厌氧发酵产沼气和甲烷的影响。
图6为不同信号分子调控在耦合条件下对厌氧发酵调控产沼气和甲烷的影响。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步具体详细描述。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
本实施例说明利用电信号对厌氧发酵进行调控时，本发明采用的已富集电活性生物膜阳极电化学调控(简称0.8V+生物膜)和未富集电活性生物膜阳极电化学调控(简称0.8V)对厌氧发酵的影响。
构建如图1所示的厌氧发酵装置，厌氧发酵体系外连接外加直流电源(0.8V)，并分别设置阳极电极和阴极电极，电极通过导线钛丝与外加电源连接，阴阳电极为碳毡，外接电阻为10Ω。
阳极电活性生物膜富集：在38±2℃下，利用双室MFC在阳极富集产电菌，当MFC的输出电压值趋于稳定，则视为生物膜驯化完成。其中，以厌氧活性污泥(取自南京市江心洲污水处理厂，下称污泥)作为接种菌源，接种比例为1:2(污泥：阳极液)，阳极液为COD＝1000mg/L的葡萄糖模拟有机废水(0.31g/LNH4Cl；2.452g/LNaH2PO4·H2O；4.576g/LNa2HPO4；0.13g/L KCl；1g/L C6H12O6·H2O；pH 7.0)，以含有50mM的铁氰化钾的磷酸缓冲溶液(2.452g/LNaH2PO4·H2O；4.576g/LNa2HPO4；0.13g/L KCl；pH 7.0)作为阴极液。
发酵接种物菌源富集：在38±2℃下，以沼液作为接种物，利用厌氧发酵装置驯化富集发酵菌群和产甲烷菌群，当驯化体系单日甲烷含量达到50％以上，单日排水量与发酵体系体积相当时，则视为接种物驯化完成。
将驯化好的菌源接种物按照总体系质量的30％加入发酵体系，发酵底物为秸秆和牛粪按照1：3比例加入体系，然后将驯化好的电活性生物膜的阳极和无生物膜的阴极插入体系通过导线与外加直流电源连接。同时设置无电化学调控的传统发酵体系为空白对照组。各个实验组均在38±2℃、发酵体系体积为500mL的条件下进行厌氧发酵30d。
不同条件下厌氧发酵累积沼气和甲烷产量情况如图2所示，0.8V+生物膜组的累积沼气和甲烷产量均为最大，分别是2418mL和1513.1mL；其次是0.8V组，累积沼气和甲烷产量分别为2388mL和1506.9mL；而空白对照组累积沼气和甲烷产量分别为2054mL和1280.7mL。其中0.8V+生物膜组相比较空白对照组累积沼气产量提高了17.7％，累积甲烷产量提高18.1％。实验结果表明，0.8V+生物膜组对厌氧发酵产甲烷效率提高最为明显。
实施例2
本实施例说明利用电信号对厌氧发酵进行调控时，本发明采用不同电压调控下对厌氧发酵的影响。
构建如图1所示的厌氧发酵装置，厌氧发酵体系外连接外加直流电源，直流电源电压分别设置为0.5V、0.8V、1.0V，并分别设置阳极电极和阴极电极，电极通过导线钛丝与外加电源连接，阴阳电极为碳毡。
发酵接种物菌源富集如实施例1中所述。
将驯化好的菌源接种物按照总体系质量的30％加入发酵体系，发酵底物为秸秆和牛粪按照1：3比例加入体系，然后将无生物膜的碳毡作为阴阳电极加入体系通过导线与外加直流电源连接。分别设置外加电压为0.5V、0.8V和1.0V，同时设置无电化学调控的传统发酵体系为空白对照组。各个实验组均在38±2℃、发酵体系体积为500mL的条件下进行厌氧发酵30d。
不同条件下厌氧发酵累积沼气和甲烷产量情况如图3所示，0.8V组的累积沼气和甲烷产量均为最大，分别是2288mL和1307.5mL；其次是1.0V组，累积沼气和甲烷产量分别为2145mL和1267.8mL；0.5V组的累积沼气和甲烷产量分别为2120mL和1247.2mL；而空白对照组累积沼气和甲烷产量分别为2054mL和1151.1mL。其中0.8V组相比较对照组累积沼气产量提高了11.3％，累积甲烷产量提高了13.5％。实验结果表明，0.8V组对厌氧发酵产甲烷效率提高最为明显。
实施例3
本实施例说明利用化学信号对厌氧发酵进行调控时，本发明采用不同类型化学信号分子、化学信号分子的不同浓度以及化学信号分子在不同发酵阶段投加调控下对厌氧发酵的影响。
发酵接种物菌源富集如实施例1中所述。
将驯化好的菌源接种物按照总体系质量的30％加入发酵体系，发酵底物为秸秆和牛粪按照1：3比例加入体系。实验均在38±2℃、发酵体系体积为500mL的条件下进行厌氧发酵30d。
将10μM不同类型的化学信号分子即C6-HSL、C7-HSL、C12-HSL在第0d添加入体系中，同时设置无化学信号调控的传统发酵体系为空白对照组，考察不同类型化学信号分子的添加对厌氧发酵的影响。将C7-HSL按照低、中、高三个浓度(5μM、10μM、50μM)投加入厌氧发酵体系中，考察化学信号分子不同浓度的投加对厌氧发酵的影响。将10μM C7-HSL在不同发酵阶段(0d、5d、15d)投加入厌氧发酵体系中，考察化学信号分子在不同发酵阶段的投加对厌氧发酵的影响。
不同类型化学信号分子对厌氧发酵累积沼气和甲烷产量的影响如图4(a)所示，与空白对照组相比C7-HSL组的累积沼气和甲烷产量提高均为最大，分别是3619mL和1497.3mL；其次是C6-HSL组，累积沼气和甲烷产量分别为3379mL和1413.3mL；C12-HSL组累积沼气和甲烷产量提高最小，分别为3369mL和1403.4mL。C7-HSL组相比较空白对照组累积沼气产量提高了16.6％，累积甲烷产量提高了18.0％。
化学信号分子不同浓度投加对厌氧发酵累积沼气和甲烷产量的影响如图4(b)所示，10μM组的累积沼气和甲烷产量均为最大，分别是3619mL和1497.3mL；其次是50μM组，累积沼气和甲烷产量分别为3487mL和1445.5mL；5μM组累积沼气和甲烷产量最低，分别为3412mL和1417.5mL。
化学信号分子不同发酵阶段投加对厌氧发酵累积沼气和甲烷产量的影响如图4(c)所示，15d组的累积沼气和甲烷产量均为最大，分别是3654mL和1524.2mL；其次是5d组，累积沼气和甲烷产量分别为3631mL和1506.2mL；而0d组的累积沼气和甲烷产量最低，分别为3619mL和1497.3mL。
实施例4
本实施例说明利用电信号与化学信号及两者耦合对厌氧发酵进行调控时，本发明采用化学信号—C6-HSL、电信号—0.8V及两者协同耦合—C6-HSL和0.8V调控下对厌氧发酵的影响。
阳极电活性生物膜富集和发酵接种物菌源富集如实施例1中所述。
将驯化好的菌源接种物按照总体系质量的30％加入发酵体系，发酵底物为秸秆和牛粪按照1：3比例加入体系，然后将驯化好的电活性生物膜的阳极和无生物膜的阴极插入体系通过导线与外加直流电源(0.8V)连接，此为0.8V组；将10μM C6-HSL在第0d加入体系，此为C6-HSL组；将驯化好的电活性生物膜的阳极和无生物膜的阴极插入体系通过导线与外加直流电源(0.8V)连接，同时将10μM C6-HSL在第0d加入体系，此为C6-HSL+0.8V组；将驯化好的电活性生物膜的阳极和无生物膜的阴极插入体系，此为开路对照组；同时设置无电信号与化学信号调控的传统发酵体系为空白对照组。各个实验组均在38±2℃、发酵体系体积为500mL的条件下进行厌氧发酵30d。
不同条件下厌氧发酵累积沼气和甲烷产量情况如图5所示，由此可见，C6-HSL+0.8V组对厌氧发酵产甲烷效率的提高效果最明显，累积沼气和甲烷产量均为最大，分别是4245.5mL和1828.42mL；而C6-HSL组和0.8V组相差不大，其中C6-HSL组累积沼气和甲烷产量分别为3633mL和1469.98mL；0.8V组累积沼气和甲烷产量分别为3849.5mL和1561.5mL；开路对照组累积沼气和甲烷产量分别为3541mL和1380.4mL；空白对照组累积沼气和甲烷产量分别为3341mL和1325.75mL。C6-HSL+0.8V组相比较对照组累积沼气产量提高了27％，累积甲烷产量提高了37.9％。实验结果表明，电信号和化学信号耦合对厌氧发酵产甲烷提高效果最为明显。
实施例5
本实施例说明利用化学信号对厌氧发酵进行调控时，本发明采用种内化学信号分子—C7-HSL和种间化学信号分子AI-2分别与电信号—0.8V耦合调控下对厌氧发酵的影响。
发酵接种物菌源富集如实施例1中所述。
将驯化好的菌源接种物按照总体系质量的30％加入发酵体系，发酵底物为秸秆和牛粪按照1：3比例加入体系，将驯化好的电活性生物膜的阳极和无生物膜的阴极插入体系通过导线与外加直流电源(0.8V)连接，分别将10μM的C7-HSL和AI-2在反应进行的第0d和15d投加入发酵体系中，同时设置无电信号和化学信号调控的传统发酵体系为空白对照组。各个实验组均在38±2℃、发酵体系体积为500mL的条件下进行厌氧发酵30d。
不同条件下厌氧发酵累积沼气和甲烷产量情况如图6所示，C7-HSL+0.8V/15d组的累积沼气和甲烷产量均为最大，分别是4288mL和1921.2mL；其次是C7-HSL+0.8V/0d组，累积沼气和甲烷产量分别为4094mL和1886.6mL；接着是AI-2+0.8V/15d组，累积沼气和甲烷产量分别为3725mL和1895.4mL；最后为AI-2+0.8V/0d组，累积沼气和甲烷产量分别为3243.5mL和1714.8mL；而空白对照组累积沼气和甲烷产量分别为3087mL和1381.9mL。C7-HSL+0.8V/15d组相比较空白对照组累积沼气产量提高了38.9％，累积甲烷产量提高了39.0％。实验结果表明，C7-HSL+0.8V/15d组对厌氧发酵产甲烷提高效果最为明显。

Claims (9)

1.利用电信号与化学信号耦合提高混菌体系甲烷产量的方法，其特征在于，包括：
在厌氧发酵底物中加入驯化好的发酵菌源接种物，构成厌氧发酵体系；所述发酵菌源接种物以沼液作为接种物，利用厌氧发酵装置驯化富集发酵菌群和产甲烷菌群得到；所述发酵底物为秸秆和牛粪按照1：3比例加入体系；
将富集了电活性生物膜的电极插入厌氧发酵体系作为阳极，插入无生物膜的电极作为阴极，并在双电极两端外加0.8V直流电压，构建得到厌氧发酵装置；所述电活性生物膜的富集方式为：以厌氧活性污泥为接种菌源，利用双室MFC在阳极富集产电菌；
在厌氧发酵体系中添加化学信号分子对微生物菌群进行定向富集；所述的化学信号分子为N-酰基高丝氨酸内酯和/或呋喃硼酸二酯；所述化学信号分子添加浓度为5~50 μM。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述阳极和阴极的电极材料为碳基材料、不锈钢网、镍网或铜网。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，驯化好的发酵菌源接种物占发酵体系总质量的30%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的化学信号分子为人工合成或微生物原位合成的信号分子；人工合成的化学信号分子通过外源投加，微生物原位合成的信号分子通过原位设置可自身分泌信号分子的微生物调节器获得；所述微生物调节器由可透过信号分子的渗透性膜包裹可分泌信号分子的微生物组成。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的化学信号分子为C6-HSL、C7-HSL和/或C12-HSL。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的化学信号分子为C7-HSL。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的化学信号分子在产气延滞期、产气高峰期或产气衰退期加入厌氧发酵体系。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的化学信号分子在产气衰退期加入。
9. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述化学信号分子添加浓度为10 μM。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107964552A (zh) * 2017-11-23 2018-04-27 南京工业大学 一种厌氧消化与mfc耦合提高甲烷合成效率的方法
CN111170599A (zh) * 2020-01-21 2020-05-19 河海大学 一种污泥mfc-厌氧消化耦合系统及其性能强化方法
CN112852888A (zh) * 2021-03-31 2021-05-28 河南农业大学 一种提高甲醇甲烷发酵活性的方法及其应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
HUP0402444A2 (en) * 2004-11-26 2006-11-28 Univ Szegedi Process for enhancing the biogas production of thermophyl anaerobic fermenter
CN107142285B (zh) * 2017-06-30 2020-05-12 江苏大学 一种基于碳电极电解耦合厌氧发酵产沼气的方法
CN111285458B (zh) * 2020-03-31 2022-07-08 南京工业大学 用于抗生素废水处理的电活性生物膜的富集方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107964552A (zh) * 2017-11-23 2018-04-27 南京工业大学 一种厌氧消化与mfc耦合提高甲烷合成效率的方法
CN111170599A (zh) * 2020-01-21 2020-05-19 河海大学 一种污泥mfc-厌氧消化耦合系统及其性能强化方法
CN112852888A (zh) * 2021-03-31 2021-05-28 河南农业大学 一种提高甲醇甲烷发酵活性的方法及其应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Shanshan Chen等.Quorum sensing signals enhance the electrochemical activity and energy recovery of mixed-culture electroactive biofilms.Biosensors and Bioelectronics.2017,第97卷第369-376页. *
林超霸等.外加电压对污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的影响.生物加工过程.2020,第18卷(第3期),第303-311页. *

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