不同菌群对黄姜废渣厌氧消化产沼气的性质研究

该研究以探索不同菌群对黄姜废渣厌氧消化产沼气的性质为目的,分别以酵母废水活性污泥和实验室驯化的秸秆分解产甲烷菌群为产沼气菌源进行发酵,通过监测厌氧发酵过程中的甲烷生产效率、纤维素酶活性等指标,评价黄姜废渣厌氧发酵产甲烷的能力,同时考察纤维素分解菌群WDC2的加入对黄姜废渣产沼气的影响。该研究对有效处理黄姜皂素生产废渣、促进区域环境安全具有重要意义。结果表明:黄姜废渣在产甲烷菌群的作用下均能生成大量沼气,最高日产气量为可达到2 701 m L/d,最大产气效率为855 m L/g。酵母废水活性污泥产气效率明显优于秸秆分解产甲烷菌群。加入WDC2菌群能显著提高厌氧消化的前期纤维素酶活力,最高酶活分别为达到1.22 U/m L和9.42 U/m L,但WDC2的加入并没有对发酵体系的产甲烷效率产生明显的促进作用。     

外加氨氮对玉米秸秆厌氧发酵的影响

以玉米秸秆为例,研究了氨氮浓度对农业废弃物厌氧发酵产甲烷性能以及沼渣特性的影响,并利用Gompertz方程对沼气及甲烷产生过程进行了数学拟合。实验结果表明:外加氯化铵浓度(1¹0 g/L)对秸秆厌氧产累计产气量影响不显著;但对累计甲烷产量、玉米秸秆中挥发性组分(volatile solid,VS)的去除率、沼渣组分等有显著影响。在外加氯化铵浓度为5 g/L时,即碳氮比(C/N)为15∶1时,产气组分中甲烷含量最高为1 039 mL,当外加氯化铵浓度为10 g/L时,产气组分中甲烷量最低仅为833 mL。此外,用修正的Gompertz方程能够很好地拟合各反应器的厌氧发酵产气产甲烷过程。高浓度氯化铵(10 g/L)对产甲烷量、VS去除率有抑制作用。氯化铵浓度对沼渣中纤维素含量影响不显著,对半纤维素及木质素含量影响显著。     

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.     

敌敌畏对玉米秸秆产甲烷潜力影响研究

不同浓度敌敌畏影响下,玉米秸秆厌氧发酵产甲烷潜力有所差别,该文结合修正的Gompertz方程研究其厌氧消化的产甲烷动力学过程,为判明敌敌畏对玉米秸秆厌氧发酵的影响提供基础依据。未添加敌敌畏(CK)时玉米秸秆的累积甲烷产量为2 720.18 mL,添加浓度分别为30 mg/L(T1)、60 mg/L(T2)、120 mg/L(T3)的敌敌畏后,其累计甲烷产量分别为2 753.586、2 906.476、2 603.86 mL。根据实际所测的产气量变化曲线,依照Gompertz模型来方程拟合,相关性系数均达到0.99,且拟合得到CK组的最高产甲烷速率和延滞期时间分别为130.14 mL CH4/(g VS·d)和10.24 d。T3组玉米秸秆的延滞期较CK组降低,T1、T2组则有升高。这表明一定浓度的敌敌畏残留对玉米秸秆的厌氧发酵有促进作用,反映为提高了秸秆的产甲烷潜力,而当残留的敌敌畏浓度高于120 mg/L时,发酵过程会受到抑制。     

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)。     

玉米秸秆厌氧消化性能评价

为提高农作物秸秆产沼气的效率,突破季节性限制问题。探讨了新鲜、青贮、干黄3种玉米秸秆,在30℃的恒温条件下,以牛粪液为氮源的厌氧消化产沼气潜力。通过p H、产气量、化学需氧量(COD)、甲烷含量、挥发性有机酸(VFA)、主成分(PCA)分析和修正Gompertz模型等综合评价玉米秸秆的厌氧消化性能。结果表明:新鲜秸秆的产沼气效率比青贮秸秆和干黄秸秆的产沼气效率分别高46.55和68.75 mg/L;新鲜秸秆的最大沼气速率和甲烷生产速率最高分别是537.8和57.05 m L/(g·d),其次是青贮秸秆和干黄秸秆;发酵时间与甲烷含量、产气量、有机酸、累积产气量等因子均呈正相关关系。为合理利用农作物秸秆为原料生产生物天然气具有重要经济意义。     

一组中温厌氧消化菌群高温启动过程中的菌群多样性变化研究

该研究利用37℃培养的中温厌氧消化菌群为菌源,直接提温至50℃驯化培养,获得连续处理高浓度糖蜜废水的厌氧消化产甲烷菌群,并考察高温驯化过程中菌群结构及多样性的变化特征.结果表明,中温厌氧消化菌群直接转入高温培养后,在高浓度有机废水连续进料的条件下,厌氧消化过程能够快速启动生成甲烷,并在22 d后形成稳定的高温厌氧消化产甲烷菌群,平均甲烷生成效率为162.3 m L CH_4/g COD.乙酸和丙酸是厌氧发酵液内的2类主要有机酸,产气稳定期间的质量浓度分别为25.3和145.3 mg·L~(-1).转入高温培养后,菌群结构产生巨大变化,细菌变异程度强于古菌,并逐渐稳定成为以代谢糖、多种有机酸的细菌和产甲烷古菌为主要优势菌群的高温厌氧消化菌群.克隆结果显示细菌菌群以Thermacetogenium和Acetomicrobium faecal为主要优势菌群,分别占细菌克隆文库的33.44%和20.99%;古菌菌群以Methanosaeta和Methanoculleus为主要优势菌群,占古菌克隆文库的56.40%和39.75%.转入高温培养后,产甲烷古菌的总生物量下降,含量约为7.6×106拷贝/g活性污泥.研究结果对阐明温度选择压力对厌氧消化菌群结构与功能影响,改进高温厌氧消化菌群富集方法具有重要意义.     

外加纤维素酶和α-淀粉酶对猪粪厌氧发酵的促进机制

为有效缩短有机物厌氧发酵限制阶段的反应时间,提高发酵底物的生物产甲烷效率,以猪粪为发酵底物,添加外源纤维素酶和α-淀粉酶,应用一级动力学模型和Gompertz模型拟合厌氧发酵过程.结果表明:适量添加纤维素酶和α-淀粉酶对厌氧发酵系统的水解反应具有积极的促进作用,当两种酶的总添加量为40 mg/g、纤维素酶和α-淀粉酶配比为1:3时促进作用最为显著,其多糖浓度、TVFAs（乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的统称）浓度峰值、累积沼气产气量、甲烷产率（基于猪粪中挥发性固体含量计算）分别为4 494 mg/L、8 666 mg/L、187 688 mL、392.1 mL/g,与CK（对照）组比分别提高了171.0%、23.3%、23.5%、24.3%.相关性分析表明,外源酶的添加对厌氧发酵系统中微生物可利用的C/N具有显著影响,可有效促进TVFAs转化产甲烷,当纤维素酶和α-淀粉酶配比为1:3时,厌氧发酵过程具有最大反应速率〔32.95 mL/（g·d）〕,与CK组相比水力停留时间（HRT）缩短了2.5 d,生物产甲烷效率提高了24.3%,厌氧发酵过程符合Gompertz模型（R2=0.999 2）.研究显示,纤维素酶和α-淀粉酶对促进猪粪厌氧发酵有协同作用,当α-淀粉酶添加量不超过30 mg/g时,α-淀粉酶添加量与甲烷产率呈正相关;当纤维素酶添加量超过10 mg/g时,纤维系酶添加量与甲烷产率呈负相关.      

外源Cu、Zn对猪粪与玉米秸秆混合物料产甲烷特性影响机理分析

为了探讨重金属Cu、Zn对有机废弃物产甲烷的影响机制,研究了在55℃条件下添加外源Cu、Zn对猪粪和玉米秸秆质量比为2∶1混合物料厌氧发酵过程产甲烷特性的影响.结果表明:当厌氧发酵液的NH_4~+-N含量低于706.7 mg·L-1时对厌氧发酵未产生明显的抑制作用.厌氧发酵液中的VFA下降幅度与累积甲烷产生量呈正相关.随着混合物料中Cu、Zn浓度的增加,累积产甲烷量总体上均呈现降低趋势(除Zn100处理外),当Cu413.7 mg·kg-1或Zn500.6 mg·kg-1时,对厌氧发酵的影响不明显,当Cu513.7 mg·kg-1、Zn600.6 mg·kg-1时,对厌氧发酵产生显著的抑制作用,且Cu对厌氧发酵的抑制作用强于Zn.不同浓度Cu、Zn与发酵料液中纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性均呈显著负相关(p≤0.05),Cu处理发酵料液中纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性与累积产甲烷量均呈显著正相关(p≤0.05);Zn处理的纤维素酶活性和蔗糖酶活性与其呈显著正相关(p≤0.05),但脲酶活性与其相关性不显著.表明Cu、Zn可能通过影响酶活性而对厌氧发酵过程和累积甲烷产生量产生影响.     

厌氧互营苯甲酸降解菌 Sporotomaculum syntrophicum对玉米秸秆沼气发酵的生物强化作用

木质素的有效降解是提高秸秆等木质纤维素原料沼气发酵效率的有效途径。木质素很难被厌氧微生物分解利用,然而有研究表明木质素可以经由苯甲酸、苯酚等芳香族化合物被微生物分解利用。采用批次试验探究厌氧苯甲酸降解菌Sporotomaculum syntrophicum FB对秸秆沼气发酵的影响。强化菌株S.syntrophicum接种比例的结果表明,接种比例为5%、10%和20%时,甲烷产量分别为252.2,244.9,234.8 mL/g TS,比对照组提高了20.5%、17.0%和12.2%,TS去除率提高了2.9%、3.1%和3.4%。投加5%~20% S.syntrophicum后的玉米秸秆中纤维素、半纤维素、木质素的去除率,比对照组提高了12%~13%,3%~5%和38%~46%。进一步试验结果显示,添加S.syntrophicum使甲基纤维素、木聚糖和碱木质素(纤维素、半纤维素和木质素的模式物)的甲烷产量分别提高了15.7%、11.4%和7.8%。     

NaOH预处理对香蕉秸秆厌氧发酵产沼气的影响

以农村废弃资源香蕉秸秆为原料,采用试验室自制的厌氧发酵装置,在恒温35℃和发酵料液总固体质量分数为6%的条件下进行沼气发酵试验,研究不同质量分数(2%、4%、6%、8%) NaOH的预处理对香蕉秸秆厌氧发酵产气效果的影响。研究结果表明:香蕉秸秆经过NaOH预处理后与对照组(未经NaOH预处理)相比产气量明显增加,其中,NaOH预处理浓度为6%的处理组,发酵58 d时的总产沼气量、总产甲烷量、总固体(TS)产气量、总固体(TS)产甲烷量均最高,分别为21581. 00 mL、11878. 30 mL、548. 87 mL/g、302. 10 mL/g。经过NaOH预处理后的香蕉秸秆发酵过程中pH值在适宜的范围内波动,发酵前后发酵液中COD的降解率均达到60%以上。故综合来看,NaOH预处理能缩短香蕉秸秆厌氧发酵的启动时间,增加发酵体系的缓冲性和稳定性,提高产气效果,且NaOH预处理浓度为6%时,香蕉秸秆厌氧发酵效果最优。     

热水解对农业废弃物-厨余共发酵产气的影响

水热解预处理农业废弃物可有效改善其在厌氧发酵时易出现的纤维素类物质难以降解和产气效率低等问题,文章在研究了预处理温度对农业废弃物单独厌氧发酵产气的基础上,利用中心组合设计试验考察原料预处理温度、初始有机负荷(OLR)和原料质量比(厨余∶农业废弃物)3个因素在中温(35℃)条件下对农业废弃物和厨余垃圾共发酵时负荷产甲烷率的影响,并运用响应面法对其工艺参数进行优化。结果表明,单因素试验中预处理温度达到180℃时产气效率是未处理组的2.77倍;根据多因素试验结果建立的数学模型具有高度显著性(P0.001),通过响应曲面最优化分析得到农业废弃物与厨余共发酵的最优条件为:预处理温度为170℃,初始有机负荷为0.02 g VS/m L,厨余垃圾与废弃物的质量比为2∶1,负荷产甲烷率的预测值最大为521.05 m L/g VS,验证试验平均值为511.35 m L/g VS,二者相对偏差为1.86%,可用于实际应用中。各因素对负荷产甲烷率的影响程度依次为初始有机负荷餐厨秸秆质量比预处理温度。通过红外光谱检测和扫描电镜对预处理前后的废弃物粉末进行定性分析,结果表明,热水解预处理农业废弃物,对纤维素、半纤维素、木质素及其含有的官能团均有一定程度的破坏,是预处理后的废弃物作为共发酵底物产气效率更高的原因。     

生物质秸秆静态与动态厌氧消化产甲烷潜能对比研究

中温(32~35℃)环境下,通过对固含率为15%三种不同粒径的发酵物料(0.5 cm以下、1~2 cm、3~5 cm)的厌氧消化过程分析,并且对固含率20%、25%、30%与带消化液回流的厌氧发酵实验研究,结果表明:三种不同粒径发酵物料产气量最大的是<0.5 cm,其次依次为1~2 cm,3~5 cm,考虑到粒径小容易酸化的原因,选择秸秆厌氧消化的粒径范围0.5~2.0 cm;小麦秸秆无回流间歇发酵的产气率可达到每立方米发酵物料2~3 m3/d,带消化液回流的厌氧发酵产气率达到2.2 m3/(m3.d);初始固含率8%的发酵物料经过消化液回流、排剩,最终发酵物的固含率为16.4%;小麦秸秆无回流间歇发酵产甲烷潜能最大达249.0 m3/t,对应的固含率为25%,带消化液回流的厌氧发酵产甲烷潜能达223.06 m3/t。     

基于仿生学的一体式两相厌氧反应器的运行研究

反刍动物瘤胃对纤维素类物质具有强大的消化能力,在厌氧发酵领域备受关注.为了增加秸秆等物质的资源化利用途径,本文基于仿生学的原理,设计了一体式两相新型厌氧反应器,并以秸秆、猪粪和河道底泥为底物进行干式共发酵,研究了该反应器的水解酸化和产甲烷性能.结果表明：反应器在1～6 d的产气速率较快,单位体积累积产气量的增长速率为366.87 mL/d,最快产气速率为22.3 mL/(g·d)(以每g挥发性固体每天产生的沼气体积计);发酵过程挥发性固体的产气量为0.13 L/g;发酵过程中pH在7.3～8.2之间变化,p H与挥发性脂肪酸(VFAs)浓度整体上呈现相反的变化趋势,说明反应器内未发生氨抑制现象;第1～21天,主反应室产生的溶解性化学需氧量(SCOD)在次反应室中被充分利用,实现了水解过程和水解产物利用过程的分离;厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)是反应器中最丰富的两个菌门,均具有水解和产酸能力.基于瘤胃设计的反应器既具有不同水解程度底物分层和持续吸收VFAs的效果,又有上部水解和产酸、下部产甲烷的一体式两相厌氧发酵效果.研究显示,该反应器可有效延长...     

D1菌株预处理水葫芦单相厌氧发酵连续产沼气试验

利用高效降解纤维素的菌株D1对水葫芦进行预处理,将其内部结构破坏后与活性污泥混合,在不添加任何底物情况下,对比经过预处理与未经预处理水葫芦厌氧发酵产沼气的优化条件,得出最佳优化条件。进一步将水葫芦厌氧发酵产沼气的最佳优化条件进行放大试验,结果表明:在10 L厌氧发酵罐内,100 g的水葫芦经5 mL含有107孢子的D1菌株菌悬液预处理48 h后,与厌氧活性污泥在30℃厌氧发酵60 d左右,其产气效率明显优于未经预处理的水葫芦,达15.52 L,平均产气量达155.2 mL/g,甲烷含量为63.5%。同时考察了反应器内的pH变化,结果表明pH值相对比较稳定,适合甲烷菌产气。     

芦苇酶解对氢气-甲烷联产过程微生物群落演替规律的影响

采用10 mg/g纤维素酶R-10预处理芦苇秸秆,研究了酶解预处理对芦苇厌氧产气潜力的影响,分析了氢气-甲烷联产过程中微生物群落结构演替规律. 结果表明:酶解预处理后,芦苇秸秆在产氢阶段的累积产气量和φ(H₂)分别达到42.5 mL/g和52.1%;在产甲烷阶段,累积产气量稳定上升,最高值可达137.5 mL/g,是对照组产气量的5倍. 由扫描电镜(SEM)观察可知,产氢阶段以短杆状和梭状菌为主,产甲烷阶段以长杆菌为主. PCR-DGGE(聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳)分析表明,芦苇在酶解预处理后,其厌氧联产过程中微生物群落呈规律性演替,产氢阶段的优势微生物分别为具有降解纤维素产氢气功能的嗜热纤维素菌Clostridium thermocellum(条带B20)、具有高效产氢潜力的兼性厌氧产气肠杆菌Enterobacter aerogenes(条带B28);在产甲烷阶段,其优势微生物为可利用氢营养途径合成甲烷的产甲烷古菌Methanoculleus bourgensis(条带A3)、Methanoculleus horonobensis(条带A13). 经纤维素酶预处理后,芦苇秸秆厌氧联产的累积产气量、φ(H₂) 提高显著,具有纤维素降解功能的细菌和可利用氢营养途径合成甲烷的古菌为主要优势微生物.      

碳氮比对稻草和猪粪生物处理及厌氧消化的影响

以农业废弃物稻草和猪粪为发酵原料,首次采用纤维素降解复合菌系对稻草和猪粪混合物进行生物处理,通过考察不同碳氮比(25∶1、30∶1、35∶1和40∶1)条件下稻草和猪粪混合物生物预处理的发酵特征及后续的产甲烷能力,探讨了碳氮比对稻草和猪粪的协同生物预处理及厌氧消化效果的影响.结果表明,控制碳氮比为30∶1、料水比为11%时,稻草和猪粪混合物经纤维素降解复合菌系于55℃预处理30 h后其厌氧消化效果最佳.在此条件下,稻草和猪粪降解液中滤纸酶活和羧甲基纤维素酶酶活分别达到了2.18和2.31 IU,其失重率高达41.69%;随后经厌氧发酵后其甲烷产率和产甲烷速率分别可达318.14 m L·g-1(以VS计)和10.61 m L·d-1·g-1(以VS计),且总量为9.9 g的稻草和猪粪混合物的总甲烷产量可达1948 m L,上述结果相对于未经生物预处理的对照组均提高了38%.本研究结果可进一步为其它种类的农作物秸秆和畜禽粪便的高效资源化利用提供理论支撑,展现出了巨大的应用潜力.     

太湖蓝藻无害化处理资源化利用

针对太湖蓝藻打捞后难以处理并造成严重二次污染的问题,采用厌氧发酵方法研究了蓝藻发酵产生沼气的相关参数、发酵产物的成分、藻毒素降解特点;同时评估了太湖蓝藻无害化处理以及作为生物质能源、肥料的资源化利用可行性。研究结果表明,接种适量活性污泥后太湖蓝藻在厌氧状态下产生沼气达0.56L/g左右,比甲烷速率达189.73L/kg·d,调节碳氮比可以大幅度提高蓝藻产气量和比产甲烷速率。蓝藻发酵产生沼气的CH₄含量虽然处于动态变化,但平均含量较禽畜粪便发酵产生沼气的甲烷含量高,太湖蓝藻是一种有潜力的生物质能源材料。蓝藻藻毒素自然存降解极慢,但采用厌氧发酵后,藻毒素迅速降解。蓝藻发酵后沼液沼渣中含有丰富的氮、磷钾及氨基酸等营养,是一种优质的有机肥。     

中温碱解预处理促进剩余污泥厌氧产甲烷的研究

采用4 mol/L NaO H碱液在中温下处理城市生活污水处理厂剩余污泥6 h,对比原剩余污泥和中温碱解污泥厌氧消化产甲烷的能力,分析了中温碱解及厌氧消化过程中剩余污泥胞内物质的释放规律,结果表明:碱解预处理有效促进了有机物、氨氮的释放,对磷酸盐释放促进作用不明显。原剩余污泥的沼气转化效率为387.5 L/kg(以VS计,下同),中温碱解处理组的沼气转化效率为402.5 L/kg;中温碱解处理组沼气转化效率比原剩余污泥组高3.87%;中温碱解预处理提高了污泥减量化程度及甲烷产量。改进的Gompertz模型结果表明:碱解处理后剩余污泥最大甲烷产量为1 480.7 mL,最大产甲烷速率为77.8 mL/d,细菌产甲烷的延迟时间为3.38 d。     

物料比对木薯渣与污泥干式厌氧共发酵产沼气的影响

干式厌氧发酵处理固体有机物废弃物技术具有沼气产率高、无沼液处理和运行成本低的优势,但目前关于木薯渣的干式厌氧发酵工艺条件的研究较少。在0.5 L反应器内,分别在TS 15%、TS 20%条件下,进行物料配比为0、10%、20%、40%、100%的木薯渣与污泥的干式厌氧共发酵实验,持续时间42 d,研究总固体和物料比对木薯渣与污泥共发酵产沼气过程的影响。与TS 15%处理相比,TS 20%处理具有较高的日产气量。随着木薯渣比例的增加,TS 15%和TS20%处理中,甲烷含量最大值分别为56.14%和65.86%,木薯渣的甲烷比产率均先增加后降低。对于木薯渣和污泥干式厌氧共发酵,TS 15%适宜的物料比为20%~40%,木薯渣所贡献的甲烷比产率为0.245,0.318,0.303,0.097 m3/kg(VS);TS 20%适宜的物料比为10%~40%,木薯渣所贡献的甲烷比产率为0.334,0.434,0.329,0.271 m3/kg(VS)。