活性炭在中高温条件下对玉米秸秆厌氧发酵的影响

为提高玉米秸秆厌氧发酵的产气效果,本文研究活性炭在中温(38℃)和高温(50℃)条件下对玉米秸秆厌氧发酵产甲烷的效果及微生物学机制.结果表明,添加活性炭能显著促进秸秆厌氧发酵产甲烷,中、高温试验组(添加活性炭)的累积产甲烷量分别比对照提高了63%和96%;DGGE的结果显示,高温试验组(添加活性炭)和对照组(未添加活性炭)的发酵液中的优势细菌菌群分别是Clostridiale bacterium和Bacillus,中温对照组发酵液和中温试验组发酵液未发现明显优势菌种.添加活性炭分别有利于氢营养型的甲烷鬃毛菌(Methanosaeta concilii strain)和乙酸营养型的醋酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans strain),在中温、高温试验组的发酵液中形成优势古菌菌群.中温试验组活性炭载体上的优势古菌菌群为甲烷鬃毛菌(Methanosaeta concilii strain),而高温试验组活性炭载体上的优势古菌菌群主要为甲烷八叠球菌嗜高温菌属(Methanosarcina thermophila strain).     

城市污水管网中产甲烷菌的分布特性规律

实验通过一套1 200 m的PVC管式反应器来模拟城市污水管网,利用气相色谱法、液相色谱法和454高通量测序等手段,研究了城市污水管网中产甲烷过程中的物质变化和产甲烷菌分布特性规律.结果表明,管网中甲烷含量沿程升高,说明管网中存在产甲烷菌;产甲烷菌主要包含甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、广古菌门中的菌属(Euryarchaeota_unclassified)和甲烷杆菌科中的菌属(Methanobacteriaceae_unclassified)这3种优势菌属,且在管网800~1 000 m处有广古菌门中的菌属(Euryarchaeota_unclassified)取代甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)成为第一优势菌属的演替现象;管网中产甲烷可利用基质有甲酸、甲醇、甲胺、乙酸,其中乙酸为主要基质,这些基质在管网中先增加后降低的变化趋势导致了管网中产甲烷菌演替现象的发生.     

蔬菜秸秆与牲畜粪便共消化特性及关键微生物分析

采用批式发酵方式,考察了黄瓜秸秆、番茄秸秆、茄子秸秆和辣椒秸秆分别与猪粪、牛粪和羊粪共消化产甲烷特性及关键微生物变化情况.结果表明:蔬菜秸秆与牲畜粪便共消化均发生了协同促进作用,且4种蔬菜秸秆与猪粪混合的产甲烷效果最好,其次为与牛粪混合,最后则是与羊粪混合.其中,黄瓜秸秆和茄子秸秆与猪粪配比为1:2时累积甲烷产量最大,分别为338.28和283.00mL/g VS,较各自秸秆单消化分别提高了65.15%和67.36%;番茄秸秆和辣椒秸秆与猪粪配比为1:4时最大,分别为317.90和251.17mL/gVS,较各自秸秆单消化分别提高了69.07%和92.93%.微生物分析结果显示,Syner-01在添加猪粪的样品和所有共消化样品中相对丰度较高;添加猪粪的共消化样品中产甲烷菌类群更丰富,甲烷囊菌属(Methanoculleus)和甲烷盘菌属(Methanoplanus)相对丰度更高,而添加牛粪后甲烷粒菌属(Methanocorpusculum)丰度更高,说明在蔬菜秸秆中添加不同粪便进行共消化时会引起氢营养型产甲烷菌的富集.     

温度分化对APBR反应器性能及产甲烷菌群落的影响

为了研究温度分化对固定床厌氧反应器(anaerobic packed bed reactor,APBR)牛粪发酵处理效果及产甲烷菌群落的影响,反应器发酵温度从室温(22℃±1℃)阶梯式分化到低温(15℃±1℃)、中温(37℃±1℃)和高温(55℃±1℃).温度变化的过程中,温度越高COD(chemical oxygen demand)去除率和日总产气量越高,分化后COD去除率分别为25%、45%、60%,相应的日产气量为2.3、4.0、8.5 L·d-1,但是甲烷含量基本保持不变(~60%);温度突然变化造成挥发性脂肪酸含量骤然增加,并处于波动状态.16S r RNA基因克隆文库法分析表明,室温时包含广古菌门中的常见重要产甲烷菌MBT(甲烷杆菌目)、Mst(甲烷鬃菌科)、Msc(甲烷八叠球菌科)和MMB(甲烷微菌目),以及嗜热菌,也有少部分泉古生菌门,发酵温度分化后,产甲烷菌多样性减少,中温条件下产甲烷菌种类相对较少.定量PCR表明Mst、MMB和Msc总基因浓度都有所减少,并且温度越高减少越多,各菌数量相对比例变化较大,但Mst仍为优势产甲烷菌.     

AFMBR处理生活污水的功能菌群特性研究

厌氧流化床膜生物反应器(AFMBR)作为一种低耗产能的高效厌氧反应器,在处理生活污水中有着巨大的潜力.本研究主要利用宏基因组测序技术对AFMBR系统内的微生物菌群进行探究,结果表明:与接种菌群相比,AFMBR经过一段时间的连续运行后,在属水平上古菌优势菌属由接种时的甲烷囊菌属变为甲烷八叠球菌属、甲烷杆菌属,细菌的整体菌属结构发生了较大变化;在种水平上,系统内不存在较明显的优势菌种.从相对丰度比例≥1%的菌种来看:水解发酵菌群产氢产乙酸菌群产甲烷菌群,但各菌群之间相对丰度的差距较小.从基因水平来看,系统内与碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢相关的基因丰度较高,二氧化碳、乙酸转化为甲烷是系统产甲烷的主要途径.     

长江口沉积物甲烷产生潜力与产甲烷菌群落特征

采用室内培养与高通量测序技术,研究了长江口沉积物产甲烷潜力及其产甲烷菌群落组成特征.结果表明,研究区沉积物甲烷排放速率为4.15～7.12 nmol·g~(-1)·d~(-1),且表现出厌氧区高、丰氧区低的特点.甲烷产生潜力为丰氧区大于厌氧区,说明甲烷在水体中氧化是减少甲烷排放的重要环境过程.研究区沉积物中产甲烷菌群落组成具有明显的差异.厌氧区沉积物产甲烷菌的优势群落为Methanococcoides(拟甲烷球菌属)、Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)和Methanosaeta(甲烷鬃菌属),丰氧区沉积物为Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)、Methanosaeta(甲烷鬃菌属)和Methanocella(甲烷胞菌属),因而缺氧过程会对产甲烷菌群落产生重要的影响.通过估算发现,研究区甲烷的排放量为2487～6819 t·a~(-1),表明长江口是甲烷排放的净产生源.因此,由缺氧过程导致的河口环境因子变化会影响甲烷的代谢循环过程及其微生物群落组成,进而对河口生态系统甲烷排放产生重要的影响.     

固定化甲烷八叠球菌研究—─甲烷八叠球菌富集分离和固定化

用亨盖特（Hungate）厌氧技术,以甲醇为唯一碳源获得了甲烷八叠球菌的富集培养物,以甲醇或乙酸钠（或两者各50％）为碳源滚管培养,获得了以甲烷八叠球菌的分离培养物。用聚乙烯醇（PVA）为包埋剂对甲烷八叠球菌sp固定化,并对其特性进行了研究。结果表明：固定化甲烷八叠球菌与非固定化甲烷八叠球菌的总产气量相似,但两者的产气特性有明显不同。固定化甲烷八叠球菌产气迟于非固定化甲烷八叠球菌,固定化甲烷八叠球菌的产气集中,在产气的6天中,平均日产气量30.88mL甲烷,最高产气量可达2.80mL甲烷/h,在产气高峰两天中的产气量占总产气量的66.0％。非固定化甲烷八叠球菌产气平稳,平均日产气量为8.91mL甲烷。固定化甲烷八叠球菌的电子显微镜观察结果表明,细胞在固定介质中多呈较大包囊存在,包囊直径30～50μm。     

沼气产生菌的低温筛选及其复配研究

采用厌氧培养技术、低温培养技术(8℃)及多种菌群的混合培养技术,分别通过限制性培养基,分离筛选出产甲烷菌(MPB)、纤维素降解菌(FDB)、蛋白酶产生菌(PPB)、硫酸盐还原菌(SRB)以及产氢细菌(HPB),以猪粪、油菜秸秆、牛粪为发酵底物,进行复合发酵沼气试验。结果表明:当MPB、FDB、PPB、SRB、HPB混合比例为4∶3∶3∶1∶2时,甲烷的产量最高,其得率达200.13 m L/L,明显高于未添加复合菌剂时的甲烷产量(仅48.02 m L/L)。     

硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群驯化及其群落特征

甲烷的温室效应是二氧化碳的26倍,高浓度硫酸盐废水对水体、土壤和植物均有危害.硫酸盐为氧化剂的甲烷厌氧氧化是减少甲烷的主要途径之一.本研究以硫酸盐作为电子受体,驯化培养硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群,采用PCR-DGGE技术分析细菌和古菌菌群多样性和群落结构特征,并对其中的优势菌进行系统发育分析.DGGE指纹图谱结果表明,硫酸盐的加入使微生物群落结构和优势种群数量发生了明显的改变,其增强了甲烷氧化古菌和硫酸盐还原细菌的丰度,加入硫酸盐驯化的菌群,其细菌群落多样性增加而古菌群落多样性略微减少.典型条带测序结果显示,驯化后菌群的优势菌种主要包括螺旋体门(Spirochaetes),除硫单胞菌目(Desulfuromonadales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)和甲烷丝状菌属(Methanosaeta)等.驯化菌群的甲烷厌氧氧化研究结果显示,甲烷厌氧氧化的同时伴随硫酸盐的还原,甲烷的氧化产物为二氧化碳,硫酸盐的转化产物为硫化氢和硫单质.     

甲烷八叠球菌扩大培养及固定化方法

以首都师范大学生物系实验室富集的甲烷八叠球菌浓缩物作为接种物,用10L反应器对其进行扩大培养,得到了含甲烷八叠球菌为2.31010个/mL扩大培养浓缩物.设计正交试验,以固定化甲烷八叠球菌菌球的成球性、菌球在产气高峰时的沉降性、产甲烷活性、寿命为指标,选择出聚乙烯醇(P)、海藻酸钠(A)和充填物(F)混合包埋载体的最佳配比P8A1F40,P8A1F40法制备的固定化甲烷八叠球菌成球容易、具有高的产甲烷活性、良好的脱气性和沉降性,较高的机械强度(发酵过程中不胀、不黏)和较长的寿命.     

水稻秸秆厌氧发酵制氢技术研究

以水稻秸秆为研究原料,用牛粪为接种物,采用稀硫酸预处理方法来提高秸秆纤维素的降解率,从而提高其发酵产氢的能力,并且进一步考察了发酵初始pH、发酵温度、牛粪与秸秆的质量比和底物浓度四个条件对发酵产氢的影响。实验结果表明:在接种100g/L牛粪的条件下,以1.8%的硫酸加热30min预处理秸秆产氢效果最佳,为19.64mL/gTS,是未经过预处理的秸秆产氢量(0.1mL/gTS)的196倍,粗纤维含量由未处理前的36.7%下降到酸处理后的31.5%。在pH8.0、温度为37℃、牛粪与秸秆质量比为2.5∶1、底物浓度为50g/L时的产氢效果最好,累计产氢量为29.14mL/gTS,此时生物气中没有检测到甲烷气体,氢气浓度达到63.88%。     

鸡粪中高温厌氧甲烷发酵产气潜能与动力学特性

采用富含氮素的鸡粪为原料,包括原料鸡粪、鸡粪固相部分和鸡粪液相部分,选取以鸡粪为原料连续稳定运行超过90d的中高温厌氧反应器新鲜出料为接种污泥,在中温（35℃）和高温（55℃）条件下开展动力学和产甲烷潜能试验.采用Gompertz模型、一级动力学模型和两阶段模型对鸡粪中高温累积产甲烷量进行拟合.结果表明,鸡粪中高温甲烷发酵均呈现明显的快速产气期和慢速产气期两阶段特征,快速产气期的动力学常数K₁分别为0.4174和0.2104d^-1,快速产气分别在4.5和6.5d结束,快速产气量占到总产气量的69%和58%.原料鸡粪和液相部分的中温发酵动力学常数（K₁）分别为0.4177和0.2330d^-1,均高于高温的0.1721,0.2214d^-1,发酵产气速率较快.鸡粪固相部分中温发酵的动力学常数为0.1960d^-1,低于液相中温发酵的0.2330d^-1和固相高温的0.2310d^-1,中温条件下,水解过程是限制鸡粪甲烷发酵速率的主要因素之一.鸡粪固体和鸡粪液体高温发酵的动力学常数K分别为0.2310,0.22214d^-1,鸡粪固体发酵产甲烷的速率快于液相部分,水解过程不是限制鸡粪高温发酵产甲烷速率的最主要因素.产甲烷潜能试验表明鸡粪在中温和高温下产甲烷潜能分别为212,177mL/gTS.因此,仅从发酵效率的角度考虑,鸡粪中温发酵比高温发酵的产甲烷潜能更高,产甲烷速率更快.     

农业固体废弃物发酵产氢的研究

为了探索不同农业废弃物发酵产氢的能力,研究选取了10种农业生产中的主要固体废弃物:稻草、玉米秆、小麦秆、大麦秆、蚕豆秆、黄豆秆以及猪粪、牛粪、鸡粪、马粪作为原料,采用批量发酵工艺,进行厌氧发酵产氢的研究。结果表明,以乳酸调控发酵料液pH值在4.7～5.5之间,控制体系温度在(25±1)℃可以产生氢气。其中,各原料产氢能力顺序为:猪粪>大麦秆>玉米秆>稻草>蚕豆秆>鸡粪>牛粪>马粪>黄豆秆>小麦秆。     

多元混合物料协同促进厌氧消化产甲烷性能试验研究

为评估农牧废弃物多元物料混合厌氧发酵对产甲烷性能的协同促进作用,研究了中温（37±1）℃和固体质量分数为12%时,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合原料的厌氧消化产甲烷性能,最后应用修正的Gompertz方程分析甲烷生产的动力学过程.结果表明：3种物料混合厌氧发酵发生了明显的协同促进作用,协同效应作用值为34.85%~70.39%,贡献效果显著（P<0.05）;当牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS混合比例为50：20：30时,甲烷产率、累计甲烷产量和VS降解率达到最大值,分别为286.0mL/g VS、20713mL和65.6%,比单一牛粪、蔬菜废弃物以及玉米秸秆厌氧消化甲烷产量分别提高了32.9%、229.9%和82.0%.修正的Gompertz方程能较好反映物料厌氧消化产甲烷过程,拟合结果的R²均大于0.99,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为50：20：30时具有最大产甲烷速率17.34mL/（d×g）和较短的迟滞时间2.97d.该研究结果可为农牧废弃物多元混合物料厌氧消化产沼气工程提供参考.     

鸡粪与互花米草沼渣混合发酵产甲烷的研究

在中温(35℃±1℃)条件下,采用批式发酵方式,进行了鸡粪与互花米草沼渣不同混合比例的厌氧发酵实验.实验设置鸡粪∶互花米草沼渣干物质(TS)比分别为5∶0(T1)、4∶1(T2)、3∶2(T3)、2∶3(T4)、1∶4(T5)和0∶5(T6)共6个处理.结果表明,经中温干发酵后的互花米草沼渣仍具有一定的厌氧产沼气能力,TS产气量为107.25 mL.g-1,甲烷含量为76.92%,厌氧微生物对互花米草沼渣纤维素的结晶区有一定的破坏作用,厌氧发酵后纤维素的相对结晶度指数CrI下降了5.55%;将鸡粪与互花米草沼渣混合发酵,明显提高了原料的厌氧产气性能,T2的产气效果最好,T1、T3～T6的累积产气量分别为T2的61.31%、62.09%、52.15%、39.74%和31.67%;鸡粪与互花米草沼渣混合发酵的产酸类型为混合型发酵,发酵过程中未出现酸化现象;混合发酵对破坏互花米草沼渣纤维素的结晶区有利,促进效果在1.13%～21.61%.     

规模化养牛场牛粪污综合利用研究

利用牛粪生产沼气,并将副产物有效利用是处理牛粪污的有效途径,为提高牛粪厌氧发酵的产气效率和副产物的利用率,整体工艺采用牛粪发酵前固液分离,固体进行好氧发酵回填牛卧床,分离液进行厌氧-好氧发酵,厌氧发酵产生沼气为系统增温,最后液体通过人工湿地处理达标排放。结果表明:对牛粪进行发酵前固液分离,降低了物料的粘度,利于微生物的传质,可以取得较好的产气效果,沼气通过沼气燃烧炉转化为热能为系统增温降低了其他能源的供给,同时湿地的利用也有效地改善了养牛场周边环境,为牛粪污生产沼气工程提供新思路。     

市政污泥与玉米秸秆混合高温厌氧发酵产甲烷研究

以实验室自主驯化的二沉池污水为接种物,对我国天津、昭通、太原3个城市的市政污泥和玉米秸秆混合物进行了高温(55℃)厌氧发酵,考察了不同发酵体系下发酵液pH、单日产气量、累积产气量、甲烷产率等指标随发酵时间的变化情况。结果表明:污泥单独发酵几乎不存在酸化现象,稳定后的发酵液pH值高于混合发酵试验组;污泥单独发酵系统的最大单日产气量出现在第1,2天,发酵系统加入玉米秸秆后最大单日产气量出现的时间有所延迟;天津污泥单独发酵(20 g-TS)的累积产气量达到2004 mL,高于其他2组;所有发酵系统的VS去除率均达到40%以上;随着发酵过程稳定,甲烷含量维持在70~85 vol.%,天津污泥单独发酵的甲烷产率达到141.01 mL/g-VS;Modified Gompertz拟合表明污泥单独发酵不符合"S"曲线,该系统下发酵停滞期较短,污泥与玉米秸秆质量比为3:1或2:1时甲烷产率、产甲烷速率和发酵停滞期具有一定优势。     

几种农业有机废弃物沼气发酵工艺条件优化研究

以农业有机废弃物鲜猪粪、干稻草、青草、南瓜叶以及菜叶为原料,沼气产量和甲烷产量为指标,采用4因素3水平的正交实验设计方法对沼气发酵工艺参数优化配置进行了实验研究。结果表明反应器内原料碳氮比、原料固体浓度、反应环境温度以及投加微量元素对沼气发酵均有不同程度的影响,其中反应环境温度对沼气产量的影响显著。最优工艺条件为原料碳氮比25:1、固体浓度8%、温度35℃、投加微量元素Co。     

上推流厌氧反应器连续干发酵猪粪产沼气试验研究

为解决猪粪连续干发酵存在的氨抑制和出料难等难题,在温度(25±2)℃、有机负荷为干物质(TS)4.44 g.(L.d)-1的条件下,采用上推流式厌氧反应器(UPAR)对猪粪进行连续干式发酵试验,研究了猪粪干发酵过程的产气情况、氨抑制现象和出料流动性,并考察了上推流厌氧反应器进行猪粪干发酵的可行性.试验采用4种不同TS质量分数(20%、25%、30%、35%)的猪粪作为原料,经160 d的运行.结果表明,进料TS质量分数对发酵过程有很大的影响,4种不同进料TS质量分数稳定的池容产气率分别为2.40、1.73、0.89、0.62 L.(L.d)-1,进料TS质量分数为20%、25%和30%的产气效率明显优于进料TS=35%的产气效率.随着进料TS质量分数从20%增加到35%,氨氮质量浓度>2 300 mg.L-1会出现明显的产气抑制.在进料TS=35%时,氨氮质量浓度能达到3 800 mg.L-1,产气速率相对于进料TS=20%递减74.1%.当进料TS达到35%、出料TS质量分数达到17.1%、流速<0.002 m.s-1时,UPAR不能顺利出料.     

进料浓度对鸡粪长期高温甲烷发酵的影响

通过固定水力停留时间（HRT）为20d,逐步提高进料总固体（TS）浓度为5.0%,7.5%和10.0%的方式提高有机负荷（OLR）,在高温（55±1）℃条件下开展鸡粪长期甲烷发酵实验并测定了各阶段污泥的比产甲烷活性（SMA）,探究氨氮浓度对鸡粪高温甲烷发酵的影响.结果显示,当进料TS由5.0%增至10.0%,出料氨氮浓度由（2.5±0.3）g/L增至（6.1±0.2）g/L,挥发性脂肪酸（VFAs）由（0.4±0.1）g/L增至（26.1±1.5）g/L,pH值由（8.3±0.2）降至（6.9±0.1）,产气率由（267.2±12.5）mL/g TS_in降至49.8±8.2mL/g TS_in,甲烷浓度由（67.2±1.3）%降至（36.0±1.7）%.长时间采用TS 10.0%的进料浓度,发酵系统中氨氮浓度最高达到7.5g/L,VFAs浓度达到27.0g/L,产气下降明显.氨氮抑制鸡粪高温甲烷发酵产气的初始浓度为2.5~3.0g/L.进料TS大于7.5%,鸡粪高温甲烷发酵会受到氨氮抑制.氨氮浓度的升高导致高温发酵体系利用乙酸产甲烷的能力降低,氨氮浓度达到5.5g/L,SMA降低60.0%;氨氮浓度达到7.0g/L,污泥利用乙酸产甲烷的活动几乎停止.