外源葡萄糖对麦秸厌氧发酵产沼气的影响

为进一步阐释混合厌氧发酵的内在机制,在中温(35±1)℃条件下,以麦秸为原料,以葡萄糖为外源易分解有机碳,采用批式发酵方式,进行了葡萄糖不同添加量和不同添加方式对秸秆厌氧发酵产沼气影响试验。结果表明,在试验初始添加葡萄糖可提高日产气量,但葡萄糖添加量太少对提高秸秆总固体(TS)产气量无促进作用,当葡萄糖添加量为秸秆TS质量的6%时获得最大秸秆TS产气量,为303.13 m L·g-1,继续增加葡萄糖添加量,秸秆TS产气量反而降低;在秸秆厌氧发酵日产气量下降阶段一次性或者分次添加葡萄糖对促进秸秆厌氧发酵产沼气均无效果,仅在试验初始一次性添加秸秆TS质量6%的葡萄糖时对秸秆厌氧发酵产沼气有促进作用,秸秆TS产气量较对照提高9.24%;添加葡萄糖对秸秆厌氧发酵过程产气中甲烷含量无明显影响,但提高累积产气中甲烷平均含量,且在日产气量下降后添加葡萄糖的效果更好,但这种促进效果与对照间差异并不显著。综合以上结果,在试验初始一次性添加秸秆TS质量6%的葡萄糖可以获得最佳的产气效果。     

添加蚓粪对玉米秸秆厌氧发酵产气特性的影响

以玉米秸秆为原料,总固体(TS)含量为50g.kg-1,采用中温35℃批式发酵,考察了添加蚓粪对玉米秸秆厌氧发酵产气的影响。结果表明:玉米秸秆单独发酵时,单位TS产气量为333.3mL.g-1,甲烷产量为202.0mL.g-1,并在反应初期出现酸化现象;蚓粪与玉米秸秆TS质量比为1:1进行发酵时,单位TS产气量为400.0mL.g-1,甲烷产量为269.6mL.g-1,相对于玉米秸秆单独厌氧发酵分别提高了20.0%和35.5%,且反应过程中未出现酸化现象。说明蚓粪适合作为玉米秸秆厌氧发酵产气的添加剂。     

不同时间NaOH预处理对玉米秸秆中温厌氧发酵的影响

通过自行设计的厌氧发酵装置,采用0‰、4‰和12‰的NaOH溶液对玉米秸秆预处理3、7、14、21 d和28 d,研究不同时间NaOH预处理对玉米秸秆中温(35℃)厌氧发酵的影响,旨为玉米秸秆在沼气生产中的高效应用提供理论依据。结果表明,采用NaOH预处理可以提高玉米秸秆中温厌氧发酵时的产气量和产气速率,其中4‰NaOH预处理的效果好于0‰和12‰,而且以预处理7 d的效果最好。以16.0 g玉米秸秆为发酵原料时,111 d产气停止,总产气量为7 411.00 m L,若以累积产气量达到总产气量的90%以上作为发酵完成标准,则78 d发酵完成,可累积产气6 672.60 m L,日均产气85.55 m L,干物质累积产气量为417.04 m L·g~(-1)。最优组合预测模型同样显示,4‰NaOH预处理效果最好,最佳预处理时间为9.48 d,84.00 d发酵完全,产气速率为60.29 m L·d-1,最大干物质累积产气量为316.52 m L·g~(-1),这与实测值具有良好的一致性。综合判断,在玉米秸秆中温厌氧发酵时,通过适当延长预处理时间来减少碱液用量是可行的,其中以4‰NaOH预处理9.48 d效果最好。     

互花米草不同部位厌氧发酵特性

在中温条件下(35±1)℃,对互花米草茎、叶和整株分别进行批式中温厌氧消化实验,分析发酵过程中日产气量、累积产气量、甲烷含量、pH值、VFA、TS、VS及固形物的元素变化.结果表明:在TS负荷为6%的条件下,互花米草茎、叶、整株厌氧发酵均具有很好的产气特性.产气率为:叶(399ml.g-1TS)整珠(374m.lg-1TS)茎(366ml.g-1TS),甲烷含量为:茎(69.11%)整珠(68.87%)叶(66.21%).pH值、VFA、TS、VS及固形物的元素的变化特征差异不大.叶中可能含有更多被微生物利用的物质,成分的差异是造成这种结果的重要原因.     

pH值调控对秸秆两阶段厌氧发酵产沼气的影响

两阶段厌氧发酵产沼气是秸秆沼气化利用的重要方式之一。秸秆厌氧发酵过程包括水解产酸和产甲烷两个阶段,水解产酸是秸秆沼气化的限速步骤,也是目前的研究重点。pH值是影响物料水解产酸的重要因素,目前的研究多集中于酸性环境对物料水解产酸的影响,碱性环境对物料水解产酸的影响还未见研究报道。在实验室条件下,每天调节水解产酸反应器发酵液pH值至8.0(T1)、9.5(T2)和11.0(T3),CK在实验过程中不调节水解产酸反应器发酵液pH值,水解产酸反应器排出的水解酸化液直接用蠕动泵泵入产甲烷反应器内产甲烷,分析了发酵过程中水解产酸反应器日产气量、甲烷含量、水解酸化液pH值、COD浓度以及产甲烷反应器产气特性的变化。结果表明:在不调节水解产酸反应器水解酸化液pH值条件下,秸秆两阶段厌氧发酵可以正常进行,秸秆干物质(TS)产气量为281.28mL·g-1,平均甲烷含量为47.36%;T1水解产酸反应器内水解酸化液pH值稳定在7左右,系统累积产气量、总产甲烷量和平均甲烷含量分别较CK大幅增加了24.51%、29.39%和2.5个百分点;T2和T3水解产酸反应器产气明显受到抑制,水解酸化液后续产甲烷亦受到明显抑制,产甲烷反应器累积产气量分别仅为CK的89.97%和17.48%,总产气量仅为T1的67.67%和10.20%;维持水解产酸反应器至碱性条件促进了秸秆中半纤维素的溶出和木质素的破坏,但不利于纤维素的溶出,TS损失率的结果与产气的结果一致。综合以上结果,调节水解产酸反应器水解酸化液pH值至8.0对提高秸秆两阶段厌氧发酵产沼气有明显的促进作用。     

水葫芦不同部位的厌氧消化特性

对水葫芦整株、茎和根分别进行批式中温厌氧消化实验,分析发酵过程中pH值,VFA,TOC,TS,VS和固形物的元素及其红外光谱特征.结果表明:在TS负荷为2.0%的条件下,水葫芦整株具有很好的产气特性,TS产气量和VS产气量分别为173.80 ml·g~(-1)和262.40 ml·g~(-1)VS,茎和根的TS产气量仅为整株的84.23%和36.03%,VS产气量仅为整株的79.13%和42.05%;整株的甲烷含量、生物转化率和固形物中H的分解率均较茎和根高;TS和VS分解率均以茎最高,整株次之,根最低;发酵过程中各处理的pH值,VFA,TOC以及固形物中的C,N的分解率差异不大.固形物的红外光谱表明,水葫芦整株直接厌氧发酵更有利于碳水化合物的分解,发酵后根产生最多的碳酸盐类物质,这与根的物质组成有关.因此,将水葫芦整株直接厌氧发酵是完全可行的,且较茎和根具有更好的发酵效果.     

皇竹草厌氧发酵产沼气特性

在中温(35℃)条件下,采用批量厌氧发酵对生长期为35 d和68 d的皇竹草的发酵特性进行研究.实验结果表明,两组不同生产期的皇竹草C/N均较低,分别为14.75和17.52.经过45 d的厌氧发酵处理,生长期为35 d的皇竹草产气率为243.77ml.g-1VS,在第1天和第15天出现两个产气高峰,第45天的产气结束;生长期为68 d的皇竹草产气率为247.06 ml.g-1VS,出现4次产气高峰,第45天日产气量为512ml.生长期为35 d和68 d的皇竹草发酵液中乙酸、丙酸、丁酸含量分别为48.48%—72.71%、5.64%—22.99%、6.84%—26.71%和42.51%—64.17%、5.83%—34.20%、10.98%—34.41%,丙酸型发酵和丁酸型发酵交替进行.发酵液的pH值均先降低后升高最后保持相对稳定.皇竹草适合作为沼气发酵的原料加以利用.     

不同预处理方式对玉米秸秆结构及产气特性的模拟研究

以玉米秸秆为原料,在25℃条件下,分别采用沼液及不同含量的NaOH溶液对秸秆进行预处理,研究NaOH投加量与秸秆纤维结构、预处理料液理化性质以及产能特性之间的关系。结果表明,采用4 mg·g-1NaOH溶液预处理7 d后,料液中COD浓度已基本稳定,溶液pH值在7~8之间,可直接装罐发酵。利用扫描电镜观测预处理后秸秆结构变化状况,发现经4 mg·g-1NaOH溶液预处理后的秸秆表层结构粗糙、多孔,有助于厌氧微生物与可发酵底物的接触,产气量是未经预处理玉米秸秆的5.5倍,其干物质产气率为225.8 mL·g-1。综合考虑产气效率、生产成本及工程操作,采用4 mg·g-1NaOH溶液预处理秸秆更利于工程推广应用。     

麦秸与奶牛场废水高固体混合厌氧发酵产甲烷研究

在实验室条件下,以麦秸和奶牛场废水为原料,设计麦秸与奶牛场废水质量比1∶4(T1)、1∶3(T2)和1∶2(T3)以及对照(麦秸与水质量比1∶4(T4))4个处理,研究发酵过程中日产气量、甲烷含量、发酵前后麦秸理化特性和结构的变化.结果表明,奶牛场废水与麦秸在中温、高固体条件下,厌氧发酵可以正常进行,且产气期延长2周以上,对甲烷含量的影响不大;厌氧发酵初始TS浓度对系统产气的影响较大,麦秸产气量随TS浓度的增加而降低,以T1的产气效果最好,麦秸TS产气量为0.41 L.g-1,较T4提高了17.14%,平均甲烷含量为48.78%;厌氧发酵后,麦秸半纤维素含量大幅降低,纤维素含量少许降低,降低幅度均为T1>T2>T4>T3,木质素含量稍有增加,各处理间无显著差异(P>0.05);FTIR和XRD的结果表明,厌氧发酵后,麦秸纤维素结晶区的相对含量增加,混合发酵可以促进厌氧微生物对麦秸纤维素结晶区的破坏.将麦秸与奶牛场废水(质量比)1∶4混合发酵产沼气是可行的,且促进了厌氧微生物对麦秸有机物的分解破坏,提高了麦秸产气量.     

pH对餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程的影响

餐厨垃圾具有含水率高、有机物含量高、易腐败等特点,若处理不当,必然造成资源浪费和环境污染。餐厨垃圾减量化、无害化、资源化处理是环境科学领域近年来关注的热点与难点。为解决餐厨垃圾的减量化问题,同时产生清洁能源——氢气,利用自制小型序批式厌氧发酵产氢反应装置,以蒸煮餐厨垃圾为发酵底物,接种污水处理厂剩余污泥进行厌氧发酵产氢,在底物与接种物质量比为4:1,温度为37℃的条件下,研究p H对蒸煮餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响。结果表明,厌氧发酵底物中乙酸和丁酸是挥发性酸(VFA)中主要的组成部分,占总挥发性酸的80%以上,同时含有少量的丙酸,属于典型的丁酸型发酵。初始p H为9.0时,厌氧发酵效果最佳,累积产气量和产氢量最大,分别为748 m L和371 m L;在整个厌氧发酵过程中氢气的体积分数最高可达80.5%,平均产氢速率为10.31 m L·h~(-1),单位产氢量(以VS计)为72.9 m L·g~(-1),总固体(TS)和挥发性固体(VS)的去除率分别高达26.6%和34.4%;脱氢酶的活性呈现出先增强后减弱的趋势,产氢速率与脱氢酶的活性呈正相关;发酵反应进行到16 h时,脱氢酶的活性最好,此时产氢速率最大,为19.2 m L·h~(-1)。因此,调节初始p H为9.0,可以提高餐厨垃圾产氢效率,实现餐厨垃圾减量化和产生清洁能源的双重目标。     

低浓度溶解氧下猪粪固体有机物水解产酸研究

本文以猪粪为发酵原料,通过批式实验研究不同溶解氧(DO)浓度(0—0.26 mg.L-1)、发酵时间(3—12 d)和挥发性固体(VS)浓度(11.14—111.35 g.L-1)对猪粪固体水解酸化过程的影响,确定了低DO浓度下固体有机物优化水解产酸工艺条件:中温35℃,初始VS浓度37.11 g.L-1,初期的DO浓度0.1—0.26 mg.L-1.在此条件下,发酵时间3 d,DO浓度下降到0.10 mg.L-1以下.猪粪发酵液pH值由7.45±0.10降低到5.86±0.17,VS降解率(25.67±1.20)%,挥发性脂肪酸(VFA)中乙酸(3895±91)mg.L-1、丙酸(2313±82)mg.L-1、正丁酸(1361±17)mg.L-1、正戊酸(540±11)mg.L-1.优化条件下的猪粪水解酸化液进行厌氧产甲烷发酵,发酵10 d内产气停止,低溶解氧水解酸化和厌氧产甲烷发酵累计时间仅为13 d,甲烷体积分数(69.5±0.2)%,VS产气率为(0.282±0.011)L CH.4g-1VS.研究结果表明,适当延长发酵时间能够增加VFA中乙酸的含量,初始VS浓度差异对发酵液VFA浓度和VS降解率的影响较显著,低溶解氧能够促进猪粪固体有机物水解过程.     

水华蓝藻厌氧发酵工艺技术研究

以太湖水华蓝藻为底物,用改进的CSTR(continuous stirred tank reactor)工艺,研究了不同有机负荷条件下蓝藻厌氧发酵相关参数与蓝藻藻毒素的去除效果.结果表明:在(35±1) ℃条件下,逐步提高有机负荷,系统运行稳定,有机负荷最高可达3.53 kg·m-3·d-1,此时最大容积产气率达0.89 m3·m-3·d-1,COD去除率在70%左右,甲烷体积分数达60%以上.不同负荷条件下,出料中藻毒素(MC-RR、MC-LR)检测均为阴性,已达无害化处理要求,表明该工艺可以有效处置水华蓝藻,实现能量回收与无害化处理的目标.     

压滤处理对水葫芦不同部位厌氧发酵的影响

为提高水葫芦的厌氧产气性能,将水葫芦整株、茎和根压滤,分别将压滤前后的水葫芦根、茎和整株以及压滤液接种进行中温批式厌氧消化实验,考察了发酵过程中产气量、pH值和挥发性脂肪酸的变化情况.结果表明,压滤处理明显提高了水葫芦各部位的厌氧产气能力,压滤后的水葫芦整株、根和茎的TS产气量分别为271.93、87.29和330.83 ml·g-1TS,较压滤前分别提高了75.33%、92.04%和72.95%;压滤处理对水葫芦各部位发酵过程中pH和挥发性脂肪酸含量的影响不大;水葫芦各部位压滤液的厌氧产气能力均较差,不适合进行厌氧发酵产气.因此,将水葫芦压滤后厌氧发酵是一种提高水葫芦厌氧生物转化率的可行的方法.     

玉米秆与猪粪混合发酵产沼气及其古菌解析

为了解混合发酵系统不同发酵时间的古菌组成,采用批式全混发酵工艺进行预处理后的玉米秆和猪粪混合中温发酵产沼气研究,在不同发酵时间取样,利用454焦磷酸测序法测定各样品中古菌的组成.结果表明,该混合发酵启动迅速,第4天(d 4)达到产气高峰,料容产气率为1.46 L L-1 d-1,46 d原料产沼气率、产甲烷率分别为356.55 mL/g(VS)和208.0 mL/g(VS).454焦磷酸测序及分析表明,混合发酵系统中古菌都归属于广古菌门(Euryarchaeota,97.83%-100%)和泉古菌门(Crenarchae ota,0-2.17%);随着发酵时间的延长,甲烷杆菌纲(Methanobacteria)古菌含量由69.84%迅速下降到0.14%,杂色泉古菌(Miscellaneous Crenarchaeotic Group,MCG)和热原体纲(Thermoplasmata)古菌含量则分别由0%、1.05%逐渐上升到2.17%、20.68%,甲烷微菌纲(Methanomicrobia)古菌则从29.84%迅速上升到96.14%后保持高位.研究说明玉米秆和猪粪混合发酵可迅速启动,系统古菌多样性随发酵时间延长而逐渐上升.     

中温干式发酵对互花米草产气和结构特性的影响

利用渗滤床中温、干式发酵互花米草,考察其技术可行性和产气特性;通过元素分析、XRD和FT-IR分析,考察干式发酵及石灰堆沤预处理后互花米草物化性质的变化.研究结果表明,中温、干式发酵互花米草在技术上是可行的,60d单位累积产气最为178.4 mL·g-1VS(0℃,1.01×105Pa),总TS与VS去除率分别为59....     

牛粪和厨余垃圾联合厌氧消化试验

在37℃条件下对不同比例的牛粪和厨余垃圾进行为期50d的联合厌氧消化试验.结果表明:(1)牛粪与厨余垃圾质量比2/1和1/2联合厌氧消化的实际产气潜能为0.66和0.71L·g-1(以挥发性固体VS质量计),比加权计算值分别提高50%和29%;(2)4种比例物料的甲烷平均浓度约为50%～55%,其生物能范围为18.92～20.81MJ·m-3;(3)在联合厌氧消化过程中,牛粪和厨余垃圾质量比1/2物料的产气效率最高,反应前10d的产气量占总产气量的55.4%,前20d产气量占总产气量的92.2%;(4)纯牛粪、牛粪和厨余垃圾质量比2/1、牛粪和厨余垃圾质量比1/2及纯厨余垃圾4种比例物料厌氧消化的最终生物降解率分别为46.99%、53.31%、70.12%和66.25%.     

堆沤处理对稻草厌氧消化产气的影响

采用厌氧消化后的消化液对稻草进行堆沤预处理,设计正交试验L9(34),考察温度、含水率、混合液悬浮固体(MLSS)及时间对厌氧消化产气量的影响,并对堆沤处理前后的稻草进行了不同有机负荷率下的产气试验.结果表明,堆沤处理后稻草总产气量比未处理提高了3%～49.5%,最优条件组合为温度30 ℃、含水率900 g·kg-1、时间10 d、MLSS 1 500 mg·L-1.在此最优条件下,处理后稻草消化的单位挥发性固体产气量为804.8 mL·g-1,与未处理稻草相比提高51.2%,产气高峰提前10 d左右.     

2种植物秸秆浸提液对水绵生长的抑制作用

研究了不同质量浓度(4、8、12、16和20 mg·L-1)水稻(Oryza sativa)和再力花(Thalia dealbata)秸秆水浸提液对水绵(Spirogyra sp.)生长的抑制作用。结果显示,试验96 h后各处理组浸提液对水绵的生长均有抑制作用,随着浸提液浓度的增大,水绵细胞叶绿素a含量逐渐降低,显示出明显的剂量-效应关系。再力花ρ(96 h,EC50)为6.85 mg·L-1,水稻ρ(96 h,EC50)为11.27 mg·L-1,表明再力花秸秆浸提液对水绵的毒性强于水稻。水绵细胞中MDA累积含量与水稻浸提液浓度之间呈显著正相关(P0.01,r=0.977),与再力花浸提液浓度之间亦呈显著正相关(P0.01,r=0.964)。各浓度再力花浸提液处理组水绵细胞中MDA累积含量均高于水稻处理组。当ρ(浸提液)为20 mg·L-1时,再力花处理组MDA累积含量最高,达1.884μmol·g-1,比相同浓度水稻浸提液处理组MDA累积含量高105.20%;电解质外渗率也呈现基本相同的变化趋势,即除ρ(浸提液)为0和4 mg·L-1以外,其他4个再力花浸提液浓度组水绵电解质外渗率均高于相应浓度水稻浸提液组。水绵的PSⅡ最大光能转换效率(F v/F m)、PSⅡ实际光能转化效率(ΦPSⅡ)和最大电子传递效率(ηe,t,max)的变化与浸提液浓度之间均呈负相关关系。将ρ(浸提液)为20 mg·L-1时与0 mg·L-1时相比,水稻处理组水绵F v/F m下降96.58%,再力花处理组下降82.24%;水稻处理组水绵ΦPSⅡ下降96.74%,再力花处理组下降96.17%;水稻处理组水绵ηe,t,max下降84.56%,再力花处理组下降43.40%。上述结果表明这2种植物秸秆浸提液对控制水绵的生长具有一定的潜在价值。     

秸秆干发酵沼气增产研究

研究了复合菌剂预处理秸秆和添加沼气发酵促进剂对秸秆干发酵的影响.结果表明,秸秆经菌剂预处理后的产气量比不加菌剂预处理(对照)提高29.54%;在菌剂预处理过的秸秆中加入促进剂,其产气量比对照提高35.28%,比单纯菌剂预处理提高4.43%.另外,菌剂预处理过的秸秆的TOC降解率和纤维素降解率分别比对照高136.32%和47.68%;秸秆经菌剂预处理后再添加促进剂的TOC降解率、纤维素降解率分别比对照高169.58%和49.62%,比单纯菌剂预处理高14.07%和3.36%.图2表1参8     

谷类秸秆接种瘤胃液的厌氧消化性能和三维荧光光谱特征

在全自动甲烷潜力测试系统中,以瘤胃液为接种物,研究了谷类秸秆(水稻、小麦和高粱)的产酸产甲烷性能和三维荧光光谱特征。结果表明,奶牛瘤胃微生物对谷类秸秆表现出很强的水解酸化能力。经过5 d厌氧消化,水稻、小麦和高粱秸秆单位质量挥发性固体(VS)的总挥发性脂肪酸(TVFAs)产率分别达410. 9、430. 9和472. 0 mg·g-1。谷类秸秆的产甲烷规律符合改进型Gompertz模型。经过55 d的厌氧消化,水稻、小麦和高粱秸秆(以VS计)的甲烷产量分别为66. 29、103. 79和76. 89 m L·g-1。通过三维荧光光谱耦合平行因子分析(PARAFAC)识别溶解性有机物的3个有效荧光组分,3个组分分别为酪氨酸类物质、色氨酸类物质和低分子量腐殖酸类物质。其中,色氨酸类物质的荧光强度与TVFAs浓度呈幂函数关系。谷类秸秆溶解性有机物的腐殖化指数(HIX)经过5 d厌氧消化后降低,而后呈现逐渐上升趋势。