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.     

不同原料厌氧发酵及其微生物种群的研究

使用PCR-DGGE技术,对以鸡粪、猪粪、牛粪、秸秆为发酵原料的发酵体系的微生物群落多样性进行了研究.在发酵不同时间取样,进行了日产甲烷量、日产甲烷浓度的变化分析和DGGE分析.结果表明,日产甲烷量整体趋势为猪粪>鸡粪>秸秆>牛粪,日平均产甲烷量分别为2.67、2.24、0.99、0.49L;猪粪、鸡粪、秸秆的日产甲烷浓度在整个发酵周期大多可维持在50%以上,牛粪的日产甲烷浓度大部分时间低于30%;细菌的优势菌群有拟杆菌属(Bacteroidetes)、密螺旋体属(Treponema)、厌氧绳菌科(Anaerolineaceae)等,新增优势菌群有梭菌属(Clostridium)、脱硫叶菌属(Desulfobulbus)、毛螺旋菌科(Lachnospiraceae)、醋弧菌属(Acetivibrio);古菌的优势菌群有甲烷鬃菌属(Methanosaeta)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales),新增优势菌群有斯氏甲烷球菌属(Methanosphaera stadtmanae).     

低热值污泥与油脂共消化强化甲烷产量及微生物组分探究

低热值污泥由于有机质含量低而限制了其厌氧消化甲烷的产量。研究报道了一种强化低热值污泥厌氧消化产甲烷的新方法,即低热值污泥与油脂共消化。结果表明:低热值污泥与油脂共消化能够促进甲烷的产量,并且污泥和油脂的最佳比例为1∶1,且投加0.5 L混合物时,其相应的甲烷产量为1 250 m L。进一步研究发现污泥和油脂共消化能够促进挥发性脂肪酸的积累和有机质的减量。微生物群落结构组分分析表明:污泥和油脂共消化可促进Methanosarcina的丰度,而降低Methanoculleus的丰度。在污泥和油脂最佳混合比例下,Methanosarcina和Methanoculleus的丰度分别为64.8%和2.3%。     

热处理对猪粪高固厌氧消化产甲烷能力的影响

畜禽粪便属于有机物含量高、卫生风险大的污染物.本研究探寻不同热处理时间下,猪粪(含固率27.6%)不稀释直接进行70℃热处理的情况及热处理对中温高固厌氧消化的影响.结果表明,热处理能够去除猪粪的部分有机物,并能明显提高高固厌氧消化的产甲烷能力和产甲烷速率.热处理时间为1、2、3和4 d时,热处理对猪粪的VS去除率分别为15.1%、15.5%、17.8%、20.0%,甲烷产率(以CH4/VSadd计)分别为284.4、296.3、309.2、264.4 m L·g-1,相比原粪的甲烷产率分别提高49.7%、55.9%、62.7%、39.2%.热处理时间为3 d时,猪粪的甲烷产率最高.热处理对猪粪产甲烷的促进效果显著,能耗适中,并能够起到巴氏消毒的作用,具有较好的工程价值.     

低温沼气发酵影响因子初探

在8℃低温条件下,研究了青海高寒地区的沼气发酵的最适底物配比,pH、TS浓度、盐度等发酵因子。结果如下:猪粪∶牛粪∶羊粪∶油菜秸秆配比为1∶1∶2∶1时,沼气产量最高;低温沼气发酵试验最显著影响因子为pH,其次是TS浓度和盐度,沼气发酵最佳条件为pH 7.2,TS浓度为8%,盐度为4%,产沼气量最高可达80.1%,因此优化甲烷菌低温发酵条件能够促进产气量的增加。     

游离亚硝酸预处理强化剩余污泥和烟草废物共消化产甲烷

为了提高污泥厌氧消化产甲烷的效率,本研究报道了一种通过向污泥中添加烟草废弃物(TW)和游离亚硝酸(FNA)的新方法.实验结果表明污泥和TW的最佳混合比例为1:1,相应的甲烷产量为203.6m L/g每克挥发性悬浮固体(VSS),是污泥单独消化的1.3倍.污泥和TW混合消化有助于消化基质中蛋白质,多糖和纤维素的消耗.进一步应用FNA提高污泥和TW混合消化效率,FNA的最佳浓度为1.5mg/L,相应的甲烷最大产量为286.4m L/g VSS.FNA预处理能够促进有机物的水解和酸化过程进而为产甲烷古菌提供了充足的消化基质.此外,FNA预处理还强化了功能微生物Bacteroidetes和Firmicutes的相对丰度.     

褐水厌氧共消化中DOM荧光光谱特征及效应研究

文章以褐水(粪便)为底物,研究了不同共基质添加对厌氧消化甲烷产量的影响,并对过程中溶解性有机物(DOM)的三维荧光特征进行探究,研究了有机组分的变化对产甲烷的影响关系。结果表明,花生秸秆共消化组和褐水单消化组的累积甲烷产量分别为649和309 mL/g VS。采用三维荧光光谱结合平行因子分析发现,褐水单独消化和共消化过程的DOM均以微生物内源性产生为主。厌氧消化后,各反应器中色氨酸类蛋白荧光峰强度均显著降低,褐水单消化组的类腐殖质有所增加。4组条件消化全过程的DOM含有4个组分:紫外腐殖酸类、微生物源腐殖酸类、色氨酸类和酪氨酸类。褐水单消化组的类蛋白质组分(色氨酸、酪氨酸类)荧光强度综合较低,腐殖质类组分荧光强度相对较高,难以生物降解,这导致了厌氧效率不佳。共基质添加可以调节体系碳氮比和溶解性有机物含量,降低褐水厌氧消化中的类腐殖质的比例,并提高甲烷产率。     

零价铁与磁铁矿促进半干式猪粪厌氧产甲烷的效能与机理研究

本实验探究了相同剂量（5 g·L^-1）的零价铁、磁铁矿和两者的混合物对半干式猪粪厌氧消化过程的影响,重点揭示了零价铁和磁铁矿对甲烷生产的协同促进效能与机理.结果表明,与无添加剂的对照组相比,零价铁、磁铁矿和混合添加剂分别使系统的甲烷产量提高了32.8%、21.8%和35.1%.与单独添加零价铁或磁铁矿相比,混合添加剂对产甲烷的提升效果更佳.零价铁与磁铁矿对厌氧消化的协同促进效应体现在以下4个方面：①能更好地维持低氢气分压环境,推动产甲烷种间电子传递;②可使反应器的总碱度维持在相对较高的水平,提高系统缓冲 能力;③能增加厌氧体系中溶解性铁离子浓度,进一步提高厌氧微生物的活性;④同时富集能够介导种间氢传递和种间直接电子传递的细菌和古菌,提高有机底物转化为甲烷的效率.     

生物炭缓解餐厨垃圾厌氧消化酸化的效果及机制

研究了在高有机负荷(30 g VS/L,VS为挥发性固体含量)下生物炭缓解餐厨垃圾厌氧消化酸化,促进产甲烷的效应及机制。结果表明:碱性多孔生物炭在最优添加量下(1 g/g VS),反应20 d时,累积产甲烷量达到312.40 mL/(g·VS),与对照组相比提升了101.7%,同时产甲烷停滞期缩短62%。并在酸化最严重时挥发性脂肪酸(VFA)含量降低1151.28 mg/L。研究结果表明:生物炭的多孔结构是促进挥发性脂肪酸分解的关键因素,碱度和营养物质可以起到促进作用。高通量测序结果表明:最佳添加量下甲烷丝菌属(Methanothrix)、拟杆菌(Bacteroidales)、梭菌(Clostridiales)的相对丰度分别由26.12%、43.08%和9.95%提高到46.05%、56.25%和12.20%。生物炭缓解餐厨垃圾消化酸化的机制是为微生物提供反应场所,增强了微生物间的电子传递,提高了厌氧微生物的呼吸速率。     

生物-非生物添加剂协同促进餐饮业厨余垃圾厌氧消化——产气效能及微生物菌群动态变化

围绕当前餐饮业湿热除油厨余垃圾(FORFW)厌氧消化甲烷产率不高、“酸积累”和“氨抑制”导致过程不稳定的问题,基于生物-非生物协同强化湿热除油餐饮业厨余垃圾厌氧消化的课题组的前期发现,通过三因素三水平中温厌氧消化正交试验系统探究并优化接种比、铁类添加剂添加量和酵母菌添加量3个条件参数,同时借助高通量测序阐明生物-非生物添加剂协同促进FORFW产甲烷的内在微生物机理.研究发现,3个条件参数对FORFW厌氧消化的甲烷产率影响由高至低为接种比>酵母菌添加量>铁类添加剂添加量.接种比1.5、铁类添加剂0.5%(质量分数)、活化酵母菌3%(质量分数)为较优的使用条件.在上述条件下,FORFW的挥发性固体(VS)去除率为40.1%,累积甲烷产率为237.5mL/gVS.体系中甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)、互营单胞菌属(Syntrophomonas)和Syner-01属相对丰度明显增加,实现了乳酸来源的丙酸高效转化.其中,甲烷鬃毛菌属与厌氧绳菌科细菌互营产甲烷,互营单胞菌属参与互营丁酸氧化,Syner-01属参与互营乙酸氧化和氨基酸氧化.因此,FORFW的甲烷产率得到了切实保...     

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.      

基于CSTR反应器鸡粪秸秆共消化产甲烷特性及菌群变化研究

基于实际工程通过控制有机负荷对不同配比鸡粪和玉米秸秆 （VS比分别为1：0、5：2、1：1）进行联合厌氧消化,分析了不同VS比变化对水解酶活性及微生物动态群落变化的影响,并确定了鸡粪秸秆联合厌氧消化的最优配比.结果表明,当VS比为1：1时,碳氮比 （C/N）为17,此时甲烷日产量峰值为31.46 L,累计产甲烷量为940.96 L,产甲烷效果最好,为最优配比;对比3组实验秸秆表面结构降解情况,C3 （VS比=1：1）组各水解酶活性均高于C1 （VS比=1：0）和C2 （VS比=5：2）组,且Megasphaera和Bacteroides作为纤维素酶主要分泌菌属相对丰度较高,纤维素酶活性峰值达到258.94 U·mL^-1,使秸秆中的纤维素和木质素得到有效降解;秸秆含量增加提高了水解细菌多样性,降低了古菌多样性,Lactobacillus属于Bacteroidetes门,由于其具有较好的抗逆性在C2和C3组丰度较高,能够作为水解产酸阶段的优势菌属;C3组产甲烷古菌丰度变化较为稳定,在实验中期以食氢产甲烷菌为主,优势菌属主要有Methanosphaera和Methanobrevibacter,实验后期以食乙酸产甲烷菌为主,优势菌属主要为Methanosaeta、Methanospirillum和Methanoregula.     

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.     

污泥与秸秆共基质中温两相厌氧消化特性

以污泥和秸秆为共基质,以沼气产量、ρ（VFA）（VFA为挥发性脂肪酸）和COD_Cr去除率等为指标,探究污泥与秸秆配比（以COD_Cr计,质量比分别为1:0、1:1、2:1、3:1）对中温两相厌氧消化工艺运行效能的影响,以及最佳配比时SRT（污泥停留时间）对产甲烷相厌氧消化稳态特性的影响.结果表明:与污泥试验组相比,添加秸秆试验组的厌氧消化效能均较好;污泥与秸秆的最佳配比为2:1,该稳定状态下产酸相COD_Cr的去除率最高,为17.5%,ρ（VFA）为752 mg/L;产甲烷相COD_Cr的去除率为33.5%,ρ（VFA）为250 mg/L,产气量为47.7 mL/d,总体运行效能较高.在最佳污泥与秸秆配比（2:1）并设定产甲烷相反应器的SRT为20 d时,稳定状态下产甲烷相各组分的变化情况:COD_Cr去除率为41.20%,ρ（VFA）为238 mg/L,产气量为51.3 mL/d,沼气产率为8.4 mL/（d·g）.研究显示,当控制污泥与秸秆配比为2:1、SRT为20 d时,中温两相厌氧消化工艺运行效果良好.      

热碱处理污泥协同餐厨垃圾两相厌氧消化的特性

以热碱处理后的污泥和餐厨垃圾为原料,采用中温两相厌氧消化工艺,研究不同配比的污泥与餐厨垃圾的基质转化规律、产甲烷性能及系统稳定性等特性。结果表明:溶解性多糖及蛋白质在产酸阶段被大量消耗,二者去除率最高分别可达97.2%和70.4%,而餐厨垃圾比例占优的实验组,固态蛋白质溶出速率大于溶解性蛋白质水解速率。热碱污泥与餐厨垃圾混合厌氧消化的产气性能及稳定性明显得到提升,其中混合比例为2∶3的混合组产甲烷性能最佳,甲烷产率达261.6 mL/gVS,比单独餐厨垃圾消化组提升了29.6%,产甲烷过程中8 d实现了80%的甲烷产量,VS去除率最高达45.7%,产甲烷阶段VFAs/碱度小于0.2,系统稳定未出现酸化现象。     

牛粪还田对土壤微生物群落特征的影响

畜禽粪便还田对土壤质量产生了深刻影响,而土壤微生物是反映土壤质量的敏感指标.基于稀释平板计数和高通量测序技术,研究了牛粪还田区土壤微生物群落特征及其影响因素.结果表明,与对照点相比,牛粪还田区土壤微生物群落β多样性发生了显著变化;牛粪还田增加了变形杆菌门(Proteobacteria)的相对丰度,而减少了放线菌门(Actinobacteria)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的相对丰度;牛粪还田显著改变了土壤微生物群落中的鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、PLTA13属、MSB-4B10属、盐单胞菌属(Halomonas)、CCD24属、Gaiella属、节杆菌属(Arthrobacter)、芽孢杆菌属(Bacillus)和Entotheonellaceae属的相对丰度;影响牛粪还田区土壤微生物群落组成的重要因素是土壤含水量和放线菌数量;牛粪还田增加了假单胞菌属(Pseudomonas)、梭状芽孢杆菌属(Clostridium)和链球菌属(Streptococcus)等病原菌的相对丰度,对土壤质量存在一定的生物污染风险.研究结果可为深入认识牛粪还田对土壤质量的...     

四环素类抗生素污染畜禽粪便的厌氧消化特征

应用间歇试验研究了外源添加四环素(TC)和金霉素(CTC)的猪粪中温(35℃)厌氧消化特征及抗生素的降解过程.结果表明,猪粪厌氧水解酸化过程中产生的挥发性脂肪酸以丙酸为主,乙酸次之;相比于CTC添加组,TC+CTC混合添加组对易降解有机物的水解酸化有明显的抑制作用;添加TC、CTC和TC+CTC组在45 d的消化期内累积产甲烷量分别为386.4、406.0和412.1 mL,与不添加TC和CTC的对照组(464.6 mL)相比,分别减少了16.8%、12.6%、11.3%.四环素和金霉素的降解过程符合一级反应动力学方程;四环素降解的半衰期为14～18 d,金霉素为10 d.经过45 d厌氧消化处理后,四环素的降解率达88.6%～91.6%,金霉素达97.7%～98.2%.因此,畜禽粪便厌氧消化处理不仅能回收生物质能源,还能降解残留的四环素类抗生素,有效地降低抗生素污染产生的生态风险.     

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.     

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).     

猪粪中有机成分对生物产甲烷潜力的影响研究

为研究不同生长期猪粪中有机成分对生物产甲烷潜力的影响关系,文章采用全自动甲烷潜力测试系统,研究了3种猪粪在中温厌氧发酵中的产甲烷潜力(BMP)。结果表明,保育猪粪便和生长猪粪便的BMP值分别为273 mL CH_4/gVS和272 mL CH_4/gVS,二者相接近,妊娠母猪的BMP为220 mL CH_4/gVS,是3种猪粪中最低的。利用傅里叶红外光谱仪和热重分析仪检测猪粪样品中的有机物,使紫外-可见分光光度计谱和荧光光谱仪检测了粪便DOM提取液中的有机组分。通过检测得出,保育猪粪便和生长猪粪便的有机物含量和组分相接近,而妊娠母猪的有机物含量低,且含有更多的纤维素、木质素和芳香族化合物等难降解有机物,这些物质高度腐殖化,生物难降解,因此导致其甲烷产生潜力低。