秸秆发酵产氢的影响因素研究

以加热预处理的厌氧活性污泥为接种物,以秸秆（稻草、麦杆）为发酵底物进行微生物产氢实验,研究了不同秸秆粒径、纤维素酶用量、预处理方法、发酵液pH值对秸秆发酵产氢速率以及产氢气量的影响.其中颗粒粒径为170 μm的稻草经过NaOH预处理,按照底物与纤维素酶用量1∶1的比例酶解,进而发酵产氢的单位总产氢量为90.5 mL/g,最大单位产氢速率为0.58 mL/(h·g).     

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%。     

稀酸水解玉米秸秆两步发酵联产氢气和甲烷

在批式试验中以牛粪堆肥为天然产氢菌源,分别以蔗糖和稀酸水解玉米秸秆为底物,通过厌氧发酵考察不同牛粪堆肥处理方式对发酵产氢性能的影响,并在此基础上构建了稀酸水解玉米秸秆两步发酵联产氢气-甲烷体系。当以蔗糖为底物时,牛粪堆肥处理方式对产氢影响不显著,产氢量均较高;当以稀酸水解玉米秸秆为底物时,室温浸泡处理的牛粪堆肥产氢效果最好,氢气最大产量达到213.8 m L/g TS。以稀酸水解玉米秸秆产氢发酵液为底物进行甲烷发酵,使秸秆的综合能量回收率达到41.2%,较单一发酵产氢时的能量回收率13.2%显著提高。     

高温(70℃)玉米秸秆水解液产氢行为及群落结构

考察了高温条件下(70℃)牛粪堆肥、土壤、厌氧污泥、腐烂秸秆种接种物利用玉米秸秆水解液的产氢行为。结果表明:牛粪堆肥接种时达到最大的产气量(1355.7mL/L)和氢气产量(608.4mL/L),随后依次为腐烂秸秆、厌氧污泥和土壤。修改的Gompertz方程可以较好描述产氢量随时间变化趋势(R2>0.99)。牛粪堆肥接种时达到最大的产氢潜力(676.0mL/L),而土壤接种时的迟滞时间最小(9.8h)。DGGE图谱显示:不同接种物对应不同的微生物群落结构。Bacillus thermozeamaize,Enterobacter sp.JDM-19和Thermoanaerobacterium polysaccharolyticum strain,KMTHCJT和可能分别是牛粪堆肥,厌氧污泥和腐烂秸秆接种条件下的关键产氢微生物。     

玉米秸秆发酵浸出液模拟废水发酵产氢的放大实验研究

在20L的半连续流发酵罐中,以牛粪堆肥为产氢菌源,按照玉米秸秆发酵浸出液的主要成份配制模拟废水,考察和分析了几个关键环境因素对发酵产氢的影响。结果表明,HRT、C/N、Fe2+浓度和模拟废水浓度对发酵产氢均有不同程度的影响。在本实验条件下,秸秆模拟废水的氢产量、氢浓度和产氢速率分别为11.80mol/kg、56%和8.81L/(L?d),底物转化率大于90%,废水中COD去除率为39.40%。在整个发酵产氢过程,液相主要发酵副产物为丁酸、乙酸和丙酸以及少量的乙醇和丁醇。     

玉米秸秆发酵浸出液模拟废水发酵产氢的放大实验研究

在20 L的半连续流发酵罐中,以牛粪堆肥为产氢菌源,按照玉米秸秆发酵浸出液的主要成分配制模拟废水,考察和分析了几个关键环境因素对发酵产氢的影响.结果表明,HRT、C/N、Fe²⁺浓度和模拟废水浓度对发酵产氢均有不同程度的影响.在本实验条件下,秸秆模拟废水的氢产量、氢浓度和产氢速率分别为11.80 mol/kg、56%和8.81 L/(L·d),底物转化率大于90%,废水中COD去除率为39.40%.在整个发酵产氢过程,液相主要发酵副产物为丁酸、乙酸和丙酸以及少量的乙醇和丁醇.     

改性麦草秸秆对水中磷酸根吸附效果的研究

为实现农作物秸秆资源化,解决水体富营养化问题,将麦草秸秆化学改性成一种可以有效吸附水体中磷酸根的阳离子型吸附剂.考察了吸附剂投加量、磷酸根溶液初始pH、温度等因素对吸附效果的影响,分析了改性麦草秸秆对磷酸根的吸附动力学过程和吸附机理.结果表明,在吸附剂投加量为4 g·L-1和磷酸根溶液初始pH为4.0～7.5条件下,改性麦草秸秆对磷酸根的吸附效果最好,去除率均高于90%;改性麦草秸秆对磷酸根的吸附符合Freundlich等温模式,饱和吸附容量为2.38 mmol·g-1;吸附过程符合一级反应动力学方程,为快速反应过程;反应活化能为12.6 kJ·mol-1,反应速率对温度的变化不敏感.     

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.      

秸秆烟尘和灰烬中元素碳的稳定同位素组成

选取稻草、麦草和玉米秸秆各6个品种,进行室内模拟焚烧试验,用同位素质谱计测定了灰烬和烟尘中元素碳(EC)的同位素比值.结果表明,稻草明火和闷烧烟尘中EC的δ13C平均值分别是-28.3‰、-28.7‰,比稻草总碳分别轻2.7‰、3.0‰.麦草明火和闷烧烟尘中EC的δ13C平均值分别为-28.5‰、-28.0‰,比麦草总碳分别轻0.1‰、重0.4‰.玉米秸秆明火和闷烧烟尘中EC的δ13C平均值分别为-17.2‰、-13.6‰,比秸秆总碳分别轻3.4‰、重0.2‰.在稻草明火和闷烧灰烬中,EC的δ13C平均值分别是-27.5‰、-27.3‰,比稻草总碳分别轻1.8‰、1.6‰.在麦草的明火和闷烧灰烬中,EC的δ13C平均值分别为-27.4‰和-26.0‰,比麦草总碳分别重0.9‰和2.4‰.在玉米秸秆的明火和闷烧灰烬中,EC的δ13C平均值分别为-15.0‰和-14.8‰,比玉米秆总碳分别轻1.2‰和1.0‰.3类秸秆,尤其是稻草和玉米秸秆,其烟尘和灰烬中的EC均发生了明显的同位素分馏.其同位素组成对于识别和估算大气气溶胶中此类秸秆燃烧来源的EC有参考意义.     

厌氧发酵生物制氢微生物及工艺开发的研究进展

厌氧发酵生物制氢在国内外受到了普遍关注,如何确保稳定、持续、高效的产氢率成为生物制氢研究的关键问题所在.本文在查阅国内外大量文献的基础上,重点介绍了产氢发酵微生物、产氢菌种的构建、产氢反应器及厌氧发酵产氢工艺的最新研究状况.同时,就两相循环高温氢/甲烷发酵工艺的进一步发展前景提出了建议.     

Investigation on emission factors of particulate matter and gaseous pollutants from crop residue burning

Emission factors of particulate matter (PM), element carbon (EC), organic carbon (OC), SO_2, NO_x, CO, CO_2, and ten ions (Na~ , NH_4~ , K~ , Mg~(2 ), Ca~(2 ), F~-, Cl~-, NO_2~-, NO_3~-, SO_4~(2-)) were estimated from the domestic burning of four types of commonly produced crop residues in rural China: rice straw, wheat straw, corn stover, and cotton stalk, which were collected from the representative regions across China. A combustion tower was designed to simulate the cooking conditions under which the peasants burned their crop residues in rural China, to measure the emission factors. Results showed that wheat straw had the highest emission factor for the total PM (8.75 g/kg) among the four crop residues, whereas, corn stover and wheat straw have the highest emission factor for EC (0.95 g/kg) and OC (3.46 g/kg), respectively. Corn stover also presents as having the highest emission factors of NO, NO_x, and CO_2, whereas, wheat straw, rice straw, and cotton stalk had the highest emission factors of NO_2, SO_2, and CO, respectively. The water-soluble ions, K~ and Cl~-, had the highest emission factors from all the crops. Wheat straw had a relatively higher emission factor of cation species and F~-, Cl~-, NO_2~- than other residues.     

蔬菜废弃物和小麦秸秆对堆肥过程中温室气体排放的影响

以蔬菜废弃物和小麦秸秆为原料,设二者体积比分别为1∶1(V1W1)、1∶2(V1W2)、2∶1(V2W1)3个处理,每个处理添加20%(体积比)的鸡粪并混合均匀,进行为期30 d的好氧发酵试验,以对好氧发酵过程中温室气体的排放特征进行研究.结果表明:在整个腐解过程中,V1W2处理堆体的高温阶段温度(68 ℃)最高且高温持续时间(13 d)最长.在堆肥结束时,与堆肥初期相比,V1W1和V1W2处理的w(TN)分别增加了7.44%、10.92%;3个处理的w(TOC)分别降低了12.44%、12.41%、13.44%;在堆肥的前期(1～15 d)w(NH₄+-N)增加,中后期NH₄+-N向NO₃--N转化.V1W1、V1W2和V2W1处理的CO₂累计排放量分别为13.21、13.04、15.93 g/kg;CH₄的累计排放量分别为215.72、171.83、249.80 mg/kg;N₂O的累计排放量分别为56.13、35.62、98.71 mg/kg.V1W2处理的CO₂累积排放量比V2W1处理显著降低了18.14%;V1W2处理的CH₄累积排放量分别比V1W1和V2W1处理显著降低了20.35%、31.22%;V1W2处理的N₂O累积排放量分别比V1W1和V2W1处理显著降低了36.54%、63.91%.研究显示,从腐解过程中碳氮转化和温室气体的排放考虑,蔬菜废弃物和小麦秸秆的配比为1∶2的处理更有利于堆肥保氮保碳和减少温室气体的排放.      

正交实验选择嗜碱细菌降解木质素的最优综合培养条件

在复合碳源的碱性液体培养条件下(pH≈10.5),用正交实验法对影响嗜碱木质素降解细菌6号菌株降解木质素的7种单因素培养条件进行了优化.结果表明,第1碳源用量等单因素在不同程度上对6号菌株产生的木质素降解酶Laccase和MnP以及木质素降解率都有一定促进作用.正交实验表明,其中第1碳源用量和T-80用量是显著性的影响因素,7种单因素的最佳综合水平为:37℃静置培养10d、第1碳源(蔗糖)1g/L、氮源NH₄NO₃1.2g/L、培养基70ml/250ml锥形瓶、初始pH值10.6和第2碳源接种后第4d加入、添加0.3%的表面活性剂T-80.     

小麦秸秆对Cr(Ⅵ)的吸附特性及动力学、热力学分析

为实现农业废料资源化,解决含铬废水的污染问题,研究了小麦秸秆对Cr(Ⅵ)的吸附性能.试验考察了pH,小麦秸秆投加量,温度和初始ρ〔Cr(Ⅵ)〕对吸附活性的影响,进而确定了小麦秸秆去除Cr(Ⅵ)的最优条件.结果表明:当pH=1.0,温度为50 ℃,固液比为40 g/L时,小麦秸秆对Cr(Ⅵ)的吸附效果最佳.在pH=1.0,温度为30 ℃,固液比为4 g/L的条件下,初始ρ〔Cr(Ⅵ)〕分别为50,100和150 mg/L时,吸附6 h达到平衡,饱和吸附量分别为6.281,11.942 和13.981 mg/g.吸附动力学反应符合准二级动力学方程.吸附热力学反应符合Langmuir吸附等温方程.结合FTIR谱图和SEM结果,推断小麦秸秆对Cr(Ⅵ)的吸附过程以化学吸附为主.      

Preparation1 and utilization of wheat straw anionic sorbent for the removal of nitrate from aqueous solution

In order to reduce the impact of eutrophication caused by agricultural residues (i.e. excess nitrate) in aqueous solution, economic and effective anionic sorbents are required. In this article, we prepared anionic sorbent using wheat straw. Its structural characteristics and adsorption properties for nitrate removal from aqueous solution were investigated. The results indicate that the yield of the prepared anionic sorbent, the total exchange capacity, and the maximum adsorption capacity were 350%, 2.57 mEq/g, and 2.08 mmol/g, respectively. The Freundlich isotherm mode is more suitable than the Langmuir mode and the adsorption process accords with the first order reaction kinetic rate equation. When multiple anions (SO42-, H2PO4-, NO3-, and NO2-) were present, the isotherm mode of prepared anionic sorbent for nitrate was consistent with Freundlich mode; however, the capacity of nitrate adsorption was reduced by 50%. In alkaline solutions, about 90% of adsorbed nitrate ions could be desorbed from prepared anionic sorbent. The results of this study confirmed that the wheat straw anionic sorbent can be used as an excellent nitrate sorbent that removes nitrate from aqueous solutions.     

正交实验选择嗜碱细菌降解木质素的金属离子最优综合培养条件

本文在复合碳源的碱性液体培养条件下 (p H≈ 10 .5 ) ,用正交实验法对嗜碱木质素降解细菌 6号菌株降解木质素的金属离子培养条件进行了优化。结果表明 ,各金属离子对 6号菌株产生的木质素降解酶 L ac-case和 Mn P以及木质素降解率都有一定促进作用。分析正交实验结果表明 ,其中 Mn2 +和 Cu2 +是最主要的影响因素 ,各种金属离子的最佳综合水平为 :Mn SO4 · H2 O0 .7g/ L、Cu SO4 · 5 H2 O1m g/ L、Fe SO4 · 7H2 O5 mg/L、Zn SO4 · 7H2 O 30 m g/ L、Ca Cl2 · 2 H2 O 5 0 m g/     

餐厨垃圾与污泥、秸秆不同配比联合厌氧发酵对产气性能的影响

为分析不同配比的餐厨垃圾与污泥、秸秆联合发酵对产气性能的影响,采用产甲烷潜力试验（BMP）研究了餐厨垃圾与污泥、秸秆不同配比联合发酵的产气性能,并采用修正的Gompertz模型对产甲烷潜力进行模拟.结果表明:物料配比与物料种类对联合发酵的产气性能有显著影响,餐厨垃圾+污泥配比为1:2时,产气性能优于1:1、2:1两组,产气量为286 mL/g[以VS（挥发性固体）计,下同];餐厨垃圾+秸秆配比为1:1时,产气性能优于1:2、2:1两组,产气量为347 mL/g;餐厨垃圾+污泥+秸秆配比为1:1:1时,产气性能优于1:2:1、2:1:1两组,产气量为373 mL/g.两种物料配比中,餐厨垃圾+秸秆的产气性能优于餐厨垃圾+污泥;餐厨垃圾+污泥+秸秆3种物料混合后物料种类变丰富,元素配比更均衡,联合发酵的产气性能优于两种物料联合发酵,其最优配比为1:1:1,C/N值为13,接近最优C/N值（15~20）.研究显示,不同配比物料产气性能差异性较大,可为大中型沼气工程在获得不同物料的情况下选择最优的进料配比提供理论指导,以解决其在设计与投资收益评估方面所面临的物料选择问题.      

纤维素降解真菌Y5的筛选及其对小麦秸秆降解效果

为了利用纤维素降解菌促进作物秸秆快速腐解还田,解决秸秆资源浪费和污染环境问题,进行了高效秸秆纤维素降解微生物的筛选和降解效果研究.采用固体平板和液体摇瓶培养,从黑龙江黑土样品中筛选出1株能够降解羧甲基纤维素、秸秆木质纤维素、高产纤维素酶的丝状真菌Y5,通过形态学观察和ITS rDNA序列分析对该真菌进行了初步鉴定.利用DNS还原糖方法,对菌株在不同的培养时间、纤维素类型、氮源种类以及初始pH值情况下纤维素酶活力进行了研究.采用失重法、液体摇瓶法对菌株降解小麦秸秆的能力进行了研究.结果表明,筛选的秸秆降解菌株Y5经鉴定为赭绿青霉(Penicilliumochrochloron).菌株Y5液体培养4 d的全酶活(FPA)和内切酶活(EG)最高,分别为53 IU/mL和55 IU/mL,比对照菌株(绿色木霉AS3.3711)高出22.6%和18.2%;Y5菌株以小麦秸秆为作用底物时的酶活最高,2种酶活分别比对照菌株提高27.5%和24.8%;以NaNO3为氮源时酶活性最大,FPA和EG比菌株AS3.3711分别提高35.7%和14.9%;培养液初始pH为6时全酶活最大为51.4 IU/mL.菌株Y5培养10 d降解...     

秸秆生物碳的结构特征及其对17β-雌二醇的吸附性能

以小麦和水稻秸秆为原料,采用限氧裂解法在400 ℃下制备秸秆生物碳,利用热重分析、元素分析、FTIR(红外光谱分析)和BET-N₂比表面及孔径分布等手段表征生物碳的结构与组成,探讨其对天然类固醇雌激素E2(17β-雌二醇)的吸附特性. 结果表明:小麦和水稻秸秆在40~70、300~350 ℃有2个失重峰,分别为失水和纤维素热解所致;小麦秸秆生物碳中w(C)、w(H)、w(O)、w(N)分别为59.45%、2.81%、20.17%、1.20%,水稻秸秆生物碳中分别为51.14%、2.44%、17.02%、1.04%,2种秸秆生物碳均含有丰富的芳香性官能团及无机矿物组分;小麦和水稻秸秆生物碳比表面积分别为51.32和28.63 m2/g. E2在2种秸秆生物碳中的吸附动力学曲线均符合Elovich方程,吸附热力学曲线符合Freundlich方程,其中,非线性指数(n)分别为0.46和0.42,Freundlich系数K_f为2 526.15和4 368.23. 吸附过程可以被双模型方程很好地拟合,其中表面吸附的饱和吸附量(Q₀)与20 nm以下的总孔体积呈良好正相关,分配作用则因原料不同而呈很大差异,影响因素尚需进一步研究.      

纤维素酶液体发酵工艺条件的响应面分析优化

借助于MINITAB软件,采用Plackett-Burman试验设计法及响应面法分析,对纤维素酶高产菌康氏木霉Trichoderma koningii P12进行了发酵工艺条件的优化研究。首先利用Plackett Burman试验设计筛选出影响产酶的三个主要因素,即装液量、稻草粉浓度和麦麸浓度。在此基础上用最陡爬坡路径逼近最大响应区域,再利用Box-Behnken试验设计及响应面分析法进行回归分析。结果表明,装液量和稻草粉浓度与纤维素酶活存在显著的相关性,通过求解回归方程得到优化发酵条件:当装液量56.5mL、稻草粉浓度37.4g/L和麦麸浓度11.3g/L时,纤维素酶产量达到63.32U/mL。经三批培养验证,预测值与验证试验平均值接近,在此优化条件下纤维素酶活提高了96.7%。