秸秆厌氧发酵产沼气技术现状进展

秸秆是世界上数量最大的可再生资源,但是秸秆内木质纤维素的复杂结构和难降解性限制了秸秆的应用,因此秸秆预处理成为秸秆发酵产气的重要一环。本文介绍了木质纤维素预处理物理技术、化学技术、生物技术、联合处理技术和秸秆厌氧发酵研究进展,并对秸秆预处理技术前景进行展望。     

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%.     

酱糟与醋糟混合发酵产沼气研究

酱糟、醋糟是我国食品酿造行业产生的废弃物,通过厌氧发酵不仅可以解决废糟处理问题又可获取能源.因此本研究在中温(35±1)℃的条件下,根据C/N比的不同,进行了酱糟/醋糟干物质(TS)比分别为1∶0(N1)、1∶1.5(N2)、1∶3(N3)、1∶7(N4)、1∶18(N5)和0∶1(N6)的混合发酵实验.结果表明,单一酱渣的延滞期为17.46 d,混合发酵明显缩短了延滞期,为3.00-3.83 d;混合发酵组(N2～N5)累计产甲烷量的实验结果比计算结果分别提高了1％、16％、14％和10％,其中,N3组C/N比为25.7∶1,提高最为明显;各组发酵产生的沼气的甲烷体积分数在65％～ 70％之间;Gompertz模型拟合可以用于酱糟和醋糟混合发酵产甲烷的过程;酱、醋糟发酵的产酸类型以乙酸型发酵为主.     

低温下玉米秸秆与牛粪混合厌氧发酵产气特性研究

通过静态试验,探究在15℃的低温条件下,经过预处理的玉米秸秆和牛粪,在不同混合配比下厌氧发酵的产气特性。试验结果表明:将牛粪与秸秆按1∶1配比的产气效果最好,相对于配比为2∶1、3∶1的累积产气量分别高出52.66%和73.60%。随着发酵过程进行,COD波动很大。发酵过程中碳源主要由玉米秸秆提供,秸秆所占比例越大,COD降解率越高。日产气量达到高峰的时间稍滞后于VFA,秸秆比例越大的组别,VFA整体处于越高水平。而辅酶F420与产气量之间关系不显著。发酵初期CMC酶活力变化显著,且以玉米秸杆与牛粪配比为1∶1为配比的一组CMC酶活力高于其余2组,最高值达到了15.042 U/g。     

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。     

接种比例对酒糟与餐厨垃圾混合厌氧发酵产沼气的影响

采用酒糟与餐厨垃圾作为混合发酵物料,并接种消化污泥进行厌氧干式发酵,比较接种比例(inoculum to substrate ratios,ISRs)(VS质量比)分别为0.5、0.8、1.0、2.0时的甲烷产率和产量、体系VFA、碱度、游离氨等指标。结果表明:接种比例的提高可有效提高甲烷产生速率,缩短发酵周期,减弱较高浓度VFA引起的抑制作用。当ISRs=1.0时产甲烷效果较好,累计产甲烷率为222.58mL/g,VS去除率达83.4%,继续增加接种比例对发酵效果影响不显著。此外,试验中适宜的VFA/碱度值为0.3～1.2,过大或过小都有可能抑制产甲烷过程。     

水稻秸秆及茶饼粉厌氧发酵产沼气的研究

以活性污泥为接种物,以茶饼粉和水稻秸秆为发酵原料,在严格控制发酵温度(37±1℃)的条件下进行厌氧发酵产沼气的研究。研究结果表明:以茶饼粉为发酵原料厌氧发酵的累积产气量和甲烷含量最高(分别为5305 mL,66.13%),以水稻秸秆为发酵原料的各项指标次之(分别为3759 mL,63.24%),对照组的最低,实验组的累积产气量比对照组提高124.1%,58.81%,甲烷含量分别比对照组提高20.30%,15.04%。分析秸秆及茶饼粉发酵前后各种料液成分,发现秸秆中木质素和纤维素降解率达到28.74%和11.18%;茶饼粉中糖脂类蛋白的含量相比原料减少了26.79%、37.79%和40.12%。     

油菜秸秆厌氧消化产沼气特性研究

该研究以探索油菜秸秆厌氧消化产甲烷潜力为目的,利用一组高效纤维素分解产甲烷菌群在CSTR厌氧反应器内分解定量油菜秸秆41 d,通过监测厌氧发酵过程中的甲烷生产效率,以及纤维素酶活性等指标,评价油菜秸秆厌氧发酵产甲烷的能力。结果表明:油菜秸秆在发酵菌群的作用下能够大量产生沼气,50 g干秸秆厌氧发酵后总产气量为13 200 m L,产气效率达到264 m L/g。在发酵过程中,秸秆纤维素被有效分解,纤维素酶活性和半纤维素酶活性分别达0.63、0.81 U/m L。纤维素酶活性与沼气产量具有良好的相关性,相关性系数达到0.95,表明秸秆纤维素类厌氧发酵产沼气体系内,具有良好纤维素酶活性的菌群对甲烷生产具有重要的意义。     

鸡粪厌氧消化接种物对沼气产气率的影响

探讨鸡粪厌氧消化采用不同接种物时几个主要微生物生理群的相对数量对产气率的影响。结果表明，接种物中厌氧氨化细菌，产甲烷细菌含量皆较高不仅有利于缩短发酵启动期而且能提高产气率；如何利用葡萄糖的厌氧产酸细菌含量较高，氨化细菌和产甲烷细菌含量低，则发酵难以启动，产气率不高。     

鸡粪与麦秆混合厌氧发酵环境中各因子响应关系研究

为了探究发酵过程中各因子之间的相互响应关系,以鸡粪和麦秆为发酵原料,利用Canoco4.5软件对鸡粪/麦秆不同比例混合发酵条件下不同发酵阶段内各因子进行分析,以阐明各发酵阶段内因子间的相互影响关系.结果表明:当鸡粪/麦秆以5∶5的比例混合时,能获得最佳单位甲烷产量(90.56 m L·g-1,以VS计).在整个发酵过程中甲烷产气速率表现为先升高再降低的趋势,将其根据产气速率的大小划分为3个阶段,分别为第Ⅰ阶段(预备期)、第Ⅱ阶段(高峰期)、第Ⅲ阶段(消退期).不同发酵阶段影响单位甲烷产量的主效因子有一定的差异性,其中,第Ⅱ阶段的主效因子为发酵基质的C/N,第Ⅲ阶段为p H值.各发酵阶段因子间相关性各异,第一阶段因子间相关性最强,此后相关性逐渐降低.因此,针对不同阶段各主效因子分别进行控制,能够有效提高发酵效率.     

厌氧发酵产沼气研究趋势的文献计量分析

沼气作为一种可再生生物质能源,对于解决世界能源紧缺问题具有重要意义,因而厌氧发酵产沼气技术受到人们越来越多的关注。文章从文献计量角度定量分析厌氧发酵产沼气研究趋势。数据来源于Web of Science中Science Citation Index-Expended以及Derwent Innovations Index数据库,并对1992-2009年间该库收录的相关文献及相关专利进行计量分析。结果表明:近年来,厌氧发酵产沼气领域发文量显著增长。统计时间范围内,美国发文量居榜首。研究机构中,俄罗斯科学研究院发文量位列第一。环境、生物、能源相关学科是厌氧发酵产沼气的主流领域。学术期刊主要有Bioresource Technology、Water Research、Applied and Environmental Microbiology。此外,关键词分析结果表明:反应过程、反应器、预处理、混合发酵等研究方向成为近18年内的研究热点。     

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。     

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.     

秸秆资源现状及秸秆沼气效益分析

介绍了农作物秸秆在我国的分布情况和秸秆的组成成分,阐述了将秸秆应用于沼气中的实际价值与研究进展,分析了秸秆沼气对环境、经济与社会的影响。     

厌氧发酵沼气提纯技术研究进展

厌氧消化产生的沼气主要成分是甲烷(CH4)50%～70%和二氧化碳(CO2)30%～50%,是一种可持续有价值的能量来源。随着矿石燃料的枯竭,沼气利用的需求不断增长,将沼气提纯到甲烷含量90%以上可取代天然气而受到广泛关注。目前沼气提纯在工业上主要通过变压吸附、吸收或膜分离等技术实现CO2的去除,也有研究者探索了原位沼气提纯技术,即在厌氧反应器中通过一定的措施实现沼气提纯,为现阶段沼气提纯技术提供新的思路和研究方向。     

接种物种类对玉米秸秆沼气干发酵过程的影响

以玉米秸秆为原料,分别以液态牛粪沼气发酵的剩余物及玉米秸秆沼气干发酵的沼渣为接种物进行沼气干发酵试验.秸秆与接种物之比(F/I,基于可挥发性固形物VS)分别为1、3、5,研究了接种物种类和接种量对沼气干发酵过程的启动速度、累积产气量以及微生物菌群结构变化等的影响.试验结果表明:接种液态牛粪沼气发酵剩余物的发酵罐的启动速度及累积产气量均明显优于以玉米秸秆沼气干发酵沼渣为接种物的发酵罐.以液态牛粪沼气的沼渣做接种物时,接种量F/I=1、3、5时的总产气量差异不显著(p0.05);用秸秆干发酵沼渣做接种物时,F/I=1的发酵罐能正常启动,但累积产气量为66.9 L·kg-1(以VS计),比接种液态牛粪沼气发酵剩余物的发酵罐低26%.而F/I=3和5的发酵罐则由于过度酸化而导致发酵失败.     

多菌种混合发酵转化秸秆技术的研究及应用进展

农作物秸秆是农业生产的副产品,也是一项重要的生物资源。利用微生物的广泛适应性和多功能性来转化秸秆已日益受到国内外科学研究者重视,特别是多菌种混合发酵是将秸秆纤维素转化为蛋白质、乙醇、乙酸等最具发展前景的方法。文章通过混合菌降解秸秆纤维,转化利用秸秆制蛋白饲料、燃料酒精、农用沼气等方面,对混合菌发酵转化秸秆技术的研究进展进行阐述。混合菌发酵转化秸秆已成为农业综合开发领域的一个亮点,正在朝着多元化,深层次的方向发展。     

沼气干式厌氧发酵技术研究

有机固体废弃物产量巨大,有机质含量高,直接排放将严重污染环境,采用厌氧发酵等生物手段可实现有机固体废弃物能源化利用,干式厌氧发酵技术在生物工程领域中起着尤其重要的作用,特别是在沼气和有机肥的生产利用方面。阐述了国内外干式厌氧发酵技术原理,分析了厌氧发酵过程中底物组成、底物预处理、接种物、有机负荷、p H、温度及搅拌等影响因素,探讨了该技术的应用现状,为深入研究干式厌氧发酵技术提供借鉴。     

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。     

堆肥预处理对麦秸与奶牛废水混合物厌氧产沼气的影响

为深入探讨堆肥预处理对秸秆厌氧发酵产沼气的影响,分别以堆肥0d(T1)、3d(T2)、6d(T3)和9d(T4)的麦秸与奶牛废水混合物(质量比1:2)为原料进行厌氧消化实验.结果表明,堆肥造成麦秸干物质(TS)大量损失,堆肥3,6,9d麦秸TS损失率分别为2.63％、11.46％和20.00％,各处理间差异显著,堆肥后麦秸纤维素结晶程度增强;厌氧发酵后,T1、T2、T3和T4的TS产气量分别为377.50,388.85,354.71353.65mL/g,考虑到堆肥过程中麦秸TS的损失,T2、T3和T4的TS产气量仅为T1的100.30％、83.19％和77.59％;各处理麦秸产气中甲烷含量差异不显著(P=0.3681);堆肥后麦秸产气速率和气峰值均增加,T2、T3累积产气量达到总产气量80％的时间较对照提前了8d和2d,T2产气峰值较对照增加了2.65mL/d,但堆肥9d麦秸产气速率和产气峰值反而降低;厌氧发酵后麦秸TS和挥发性固体损失率均随着堆肥时间的延长而降低.从提高麦秸产沼气量的角度看,堆肥预处理并不合适,但对加快反应器启动,提高麦秸产气速率有一定促进作用,以堆肥3d的效果最好.