乙醇预发酵对餐厨垃圾与酒糟混合甲烷发酵的影响

为了解决餐厨垃圾两相干式厌氧发酵产甲烷过程中的挥发酸抑制问题,该试验在酸发酵阶段添加产乙醇菌分别进行12、24和48 h的预发酵,然后在相同条件下进行甲烷发酵,考察不同乙醇预发酵时间对餐厨垃圾与酒糟混合发酵产甲烷的影响,考察其甲烷发酵过程中的pH值、总挥发性有机酸(total volatile fatty acid,TVFA)、乙酸、丙酸、乙醇等参数的变化,并与未经乙醇预发酵的对照组比较,以期为相关领域的理论与实践研究提供参考经验。结果表明:各组乙醇浓度和pH值从高到低的顺序依次为:预发酵48 h组24 h组12 h组对照组,而乙酸和TVFA则呈现相反的顺序;由于乙醇为中性物质,且比丙酸容易转化为乙酸,故可缓解由有机酸累积而导致的酸抑制,使乙醇预发酵12、24、48 h组的累积产甲烷量分别比未经预发酵对照组高9.1%、31.6%、19.9%左右,其中,乙醇预发酵24h时厌氧消化效果较好。研究为厌氧发酵产甲烷过程中的解决酸抑制问题提供参考。     

挥发性有机酸对产沼气效果的模拟试验

两相厌氧生物处理工艺在废弃物资源化利用中得到广泛应用。为了摸清产酸相的主要产物在产气过程中的效应,该文利用甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等4种有机酸模拟产酸过程中的主要酸化产物,以活性污泥为接种物,设计单因素试验和正交试验,研究了在中温条件下,4种有机酸单一作用条件下和混合作用条件下,甲烷日产气量和累积产气量的变化。结果表明：单一有机酸作底物时,存在一个浓度阈值,高于此值会抑制甲烷产生,低于此值,产气效果随着酸浓度增大而提高;有机酸共同存在时,可以产生协同优势,其中乙酸的产气优势高于丁酸,丙酸具有抑制作用;4种单一酸中,单位浓度下乙酸产气效果最好,甲酸产气量最大,甲酸积累不易对发酵过程产生抑制作用,而丙酸累积最易造成抑制。因此,建议在沼气工程中适当调整产甲酸、乙酸和丁酸较多的发酵物料浓度,从而提高产气效率。     

分层接种对猪粪厌氧干发酵产气性能及微生物群落结构的影响

为避免厌氧干发酵酸抑制,提高产气效率,以猪粪和玉米秸秆为发酵原料,采用中温批式试验,在总固体(Total Solid,TS)为20%、接种比为25%的条件下研究分层接种和混合接种对猪粪干发酵厌氧消化性能的影响。结果表明:2种接种方式下的发酵体系内挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids, VFAs)均发生明显积累,其中,分层接种在第15天的TVFAs质量浓度达到33.0mg/g,之后明显降低,至发酵结束时VFAs消耗殆尽。混合接种从第15天至发酵结束,TVFAs质量浓度维持在29.2～38.5 mg/g高水平范围内。分层接种的累积挥发性固体甲烷产率为211.5 mL/g。高通量测序结果显示,氢营养型产甲烷途径在2种接种方式下均占主导,但分层接种增加了发酵体系中微生物的丰富度和多样性,且群落结构更加稳定。进一步分析表明,乙酸和pH值是影响厌氧干发酵中微生态结构的主要环境因子。该研究结果为解除畜禽养殖废弃物酸抑制、提高产气效率提供理论依据与有益借鉴。     

华南地区稻秸常温干式厌氧发酵试验研究

该文将经过预处理后的稻秸，进行厌氧干式发酵，研究了稻秸发酵过程中的生物气产量、pH值、乙酸及甲烷含量的变化。结果表明，稻秸经过调节C/N和白腐菌预处理后，C/N从37.18降低到28.01，前45d的累积产气量约占总产气量的80.4%；发酵原料总固体产气率为0.457 m³/kg，与常规湿式厌氧发酵相比，不仅提高了池容效率，而且缩短了发酵周期，同时提高了单位原料产气率。发酵液的pH值稳定在6.8～7.5；当发酵前期甲烷含量长期处在较低水平时，可以通过再接种的方法提高甲烷含量。实验结果表明厌氧干发酵产沼气是一种技术上可行的农业废弃物资源化方式，该实验结果为稻秸的大规模生物气化提供重要的工艺设计依据。     

序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵影响因素研究

为提高中国农业废弃物序批式厌氧干发酵工艺的产甲烷效率,该文研究了不同因素作用下玉米秸秆-牛粪混合原料序批式厌氧干发酵特性及微生物群落特征,探明重要影响因素及其相互作用关系。研究发现,喷淋频率、接种物浓度对促进序批式厌氧干发酵容积产甲烷率具有关键作用,贡献度分别为30.84%和24.96%,细菌群落对序批式厌氧干发酵产气特性影响显著(P0.05),喷淋频率、接种物浓度提高促进了Ruminofilibacter、Hydrogenispora、Ruminiclostridium丰度,提高了体系容积产甲烷率,并具有明显的协同作用关系,对改善序批式厌氧干发酵环境具有重要的调节作用。该研究为优化农业废弃物序批式厌氧干发酵产甲烷工艺关键因素把控提供理论参考。     

基于微好氧同步预升温的序批式厌氧干发酵特性

序批式厌氧干发酵是规模化处理农业农村废弃物生产清洁能源的重要技术,存在物料分解速率低、运行能耗高、传质传热不均匀等突出问题,制约甲烷产率的提高。该研究通过调节发酵初期反应器溶氧浓度,建立微好氧同步预升温高效序批式厌氧干发酵体系,进一步研究微好氧状态下物料自升温、分解、中间产物性质,以及关键微生物群落对促进物料升温及甲烷生产的作用机制。结果表明:微好氧环境使物料升温速率提高27.12%,产甲烷过程不依靠外源加热温度仍可保持在42.48℃以上。发酵初始阶段的少量曝气使厌氧发酵过程中间产物转化效率显著提升(P0.05),特别是丙酸积累含量下降了82.63%,累积沼气和甲烷产量分别提高了56.76%和41.79%。细菌Bacteroidales、Clostridiales和古菌Methanosarcina、Methanobacterium有利于促进微好氧同步预升温和甲烷生产效率提升,并与降解率和有机酸浓度具有显著的相关性。该研究可为探索序批式厌氧干发酵实际工程高效调控工艺提供理论基础。     

复合菌系MC1预处理对玉米秸秆厌氧发酵产甲烷效率的提高

采用高效纤维素分解菌复合系MC1对玉米秸秆进行预处理,以提高玉米秸秆厌氧甲烷发酵的效率和产气量。复合菌系预处理的结果表明,预处理发酵液的pH值呈先下降后升高的趋势,与以往的复合菌系发酵产物pH值特性相似。在14 d的预处理过程中,秸秆质量减少了59.0%,其中纤维素减少了53.1%,半纤维素减少了76.4%。发酵液中的可溶性糖含量最大值出现在第2 d,为1.44 g/L。化学需氧量（COD）和挥发性产物最大值均出现在第4 d,监测到的5种挥发性产物的量分别为乙醇2.38 g/L、乙酸0.57 g/L、丙酸0.11 g/L、丁酸0.62 g/L和甘油0.22 g/L,因此,处理4 d后最适合甲烷发酵。厌氧发酵的结果表明,与未处理的玉米秸秆的厌氧发酵相比,预处理后的秸秆总产气量和总甲烷量分别了提高了33.0%和58.1%。结果表明,MC1对玉米秸秆预处理后,可明显提高甲烷产量,具有较高的利用潜力。     

填埋场生物炭-甲烷氧化菌改性覆层的甲烷氧化特性

填埋场覆盖层是一种控制甲烷逃逸的最简单可行办法,然而一般的土质覆盖层工程特性差,与微生物甲烷氧化菌的甲烷氧化效能低。生物炭施加到土体中能够改变土体的微环境和微生物活性,进而可影响生物氧化甲烷的效能。为了研究生物炭-甲烷氧化菌改性土的甲烷氧化效率,使用甲烷检测仪,测定不同pH、甲烷浓度、土样干密度和生物炭掺量下,有菌和无菌土样的甲烷降低率的变化规律。结果表明：当无机盐培养液的pH值为7时,甲烷氧化菌具有较高的氧化效能;pH值为9时,甲烷氧化菌的甲烷降低小于pH值为7时。在一定初始甲烷浓度下,甲烷氧化菌的氧化效能随着初始甲烷浓度的增大而增大,但当初始甲烷浓度超过一定值时会抑制甲烷氧化菌的氧化效能,生物炭掺量和干密度均会影响甲烷氧化菌甲烷削减效能。随着生物炭掺量的增加,生物炭-甲烷氧化菌改性土的甲烷氧化效率是逐渐增大的;在干密度和生物炭掺量为1.20 g/cm³和15%时,无菌和有菌两种工况的甲烷降低率降幅较明显,分别为10.38%和39.72%。由此表明添加生物炭改变了填埋场覆盖层土体的微环境,提高了甲烷氧化菌的甲烷氧化效能,该研究对填埋场温室气体减排、大气污染防治及土体固碳减排具有重要学术意义和实际价值。     

高盐高油对餐厨垃圾厌氧发酵酶活性及产VFAs的影响

为探究高盐高油对厌氧发酵产酸及相关酶活性的影响,该研究以餐厨垃圾为发酵原料,在接种物质量为30%、TS(Total Solids)为8%、温度为35℃、初始pH值为7的条件下进行批式厌氧发酵试验,研究盐、油质量浓度为5、7、9、11、13、16 g/L的6个条件对发酵过程中的SCOD(Solluted Chemical Oxigen Demand)、VFAs(Volatile Fatty Acids)、淀粉酶、蛋白酶、辅酶F420和脱氢酶活性的影响。结果表明:随着盐油浓度的提高,SCOD峰值下降了23%～38%,并出现了2～3 d的延迟;高盐高油条件下产酸以丁酸为主,丙酸、乙酸和异戊酸含量次之,正己酸、异丁酸、正戊酸的含量最低,不同盐油条件下VFAs各组分比例差距较小;相关酶活性峰值均降低了5%～35%,相关酶活性峰值均推迟了3～6 d出现,盐油浓度越高抑制现象越明显。研究结果可为高盐高油对厌氧发酵的影响和后续试验提供参考。     

蔬菜废弃物厌氧发酵制取沼气的试验研究

该文以废弃的甘蓝菜叶为发酵原料,在实验室自行设计的小型沼气发酵装置上进行了厌氧发酵试验,通过测定发酵过程中发酵液和沼气的各项指标,对蔬菜废弃物厌氧发酵的可行性及接种物浓度对发酵过程的影响进行了研究.结果表明,蔬菜废弃物用厌氧发酵工艺处理是可行的;在试验采用的20%,30%,50%三个水平的接种物浓度中,接种物浓度为30%的实验组的挥发酸含量、氨态氮含量以及pH值都在正常范围内,总产气量和沼气中最高甲烷含量分别为7790.81 mL和42.814%,明显高于其他两组及空白组实验.该项研究对蔬菜废弃物的资源化利用提供了有益的参考.     

预发酵方式对餐厨垃圾酸化抑菌及甲烷发酵的影响

餐厨垃圾水分和有机物含量高,在收集储运过程中易酸腐变臭,影响其资源化利用。该文在新鲜餐厨垃圾中分别接种酵母菌和乙酸菌进行乙醇和乙酸预发酵,预发酵后的餐厨垃圾与酒糟混合进行甲烷发酵,并与不接任何菌种的对照组比较,考察2种预发酵方式对餐厨垃圾酸化抑菌及其与酒糟混合甲烷发酵的影响。研究结果表明,乙酸和乙醇预发酵对餐厨垃圾均具有良好的酸化抑菌效果,其大肠杆菌和金黄葡萄球菌数均比对照组降低了2个数量级以上;累积甲烷产量由高到低的顺序是:乙醇预发酵对照乙酸预发酵组,前者累积产甲烷量比对照组和乙酸预发酵组分别提高21.3%和49.8%;乙醇预发酵组乙醇浓度最高,而乙酸和丙酸浓度均最低;相反,乙酸预发酵组挥发性脂肪酸浓度积累导致产甲烷菌活性较低,其产气效率最低。因此,乙醇预发酵是一种既能实现餐厨垃圾酸化抑菌,又能维持发酵系统的稳定性,提高其后续产甲烷效率的有效预发酵方式。     

玉米秸秆固态和液态厌氧发酵产气性能与微生物种类比较研究

厌氧发酵产沼气是中国绿色农业发展过程处理农业废弃物的重要手段,该文以玉米秸秆为研究对象,开展液态、固态厌氧发酵产气性能、微生物系统多样性及演替规律的比较研究,得出如下结论:固态发酵总固体(TS)产气率及甲烷转化率略低于液态发酵,发酵结束后,前者沼液中N、P、C的含量要低于后者;乙酸是两发酵体系挥发性脂肪酸(VFAs)的主要组成,占总VFAs的70%以上。高通量测序结果发现,2个发酵系统中细菌主要以Bacteroidetes、Firmicutes、Proteobacteria、Cloacimonetes、Synergistetes及Verrucomicrobia为主,这6类菌群占总克隆数的80%以上。而Methanosaeta,Methanospirillum,Methanocorpusculum以及Methanoculleus是两系统优势古菌,并且随消化过程的进行,古菌群落呈现由乙酸型向氢营养型转变的趋势。发酵结束后,上述2类古菌在群落中的占比基本持平。对微生物多样性的聚类分析结果显示,在发酵第4天和第8天后,2个系统中细菌与古菌群落结构的差异逐渐明显。进一步分析表明,影响玉米秸秆液态发酵微生态结构的主要环境因子为乙酸,秸秆纤维素水解可能是制约物能转化率的关键过程;总磷(TP)是影响固态发酵系统微生态结构的关键环境因子,而如何增加产甲烷古菌的生物量是提高原料产气率的关键。该研究结果为调控玉米秸秆厌氧发酵过程、提高其生物降解效率提供了科学依据。     

生物反应器模拟生活垃圾填埋降解产甲烷性能

该文采用生物反应器模拟生活垃圾填埋降解过程,跟踪测试了垃圾在厌氧消化过程中产甲烷进程及渗滤液特性,并探索两者之间的关系,旨在筛选出可以预测垃圾厌氧消化产甲烷进程的指标。结果表明渗滤液pH值、TOC/TN(total organic carbon/total nitrogen)、乙酸/戊酸(HAc/HVa)的变化对系统产甲烷进程及稳定性有一定的指示作用。消化系统产甲烷初期,渗滤液pH值稳定在5.77~5.91。产甲烷高峰期,渗滤液pH值会迅速升高达到峰值。渗滤液中TOC/TN≥11时,垃圾厌氧发酵系统稳定,产甲烷正常。而当渗滤液中TOC/TN11时,发酵系统因氨积累失稳,产气量小。戊酸在垃圾厌氧消化过程中生成与转化较为活跃,HAc/HVa变化较大且有明显的拐点,拐点处可预测消化系统进入产甲烷期。此外,采用16S r RNA基因标记技术对反应器中3个阶段的垃圾渗滤液样品(水解酸化期A、产甲烷高峰期B、产甲烷末期C)以及试验结束时垃圾样品和覆盖土样品进行群落评估。聚类树分析得出生活垃圾(municipal solid wastes,MSW)样品与渗滤液样品其微生物种类及丰度都较为接近,有较近的亲缘关系,且反应期越长相似度越高。测定渗滤液样品的微生物群落组成可一定程度反映出系统内垃圾的群落结构。覆盖层是系统进行硝化反应的主要场所。垃圾厌氧消化末期,系统中氨积累抑制产甲烷菌活性,是导致系统产甲烷能力下降的主要原因。     

产乙酸复合菌系Th3培养及其在沼气厌氧发酵中的应用

为有效提高厌氧发酵过程中乙酸转化率和甲烷产量,将CD-2(Clostridium sordellii)、ZY-3(Clostridium bifermentans)和ZQ-1(Clostridium butyricum)3株利用不同底物的产乙酸菌混合培养,人工构建一个高效产乙酸复合菌系Th3,通过试验确定其最佳发酵条件为:初始pH值为7.0-8.0,按ZQ-1、ZY-3、CD-2顺序接种,CD-2:ZY-3:ZQ-1接种比例(体积比)为1:2:1,总接种量6%,30°C静置培养,乙酸产率达0.65g/(L·d)。经过代谢稳定性测定,Th3连续培养10代,乙酸产量维持稳定。复合菌系Th3应用于室内沼气发酵,(26±1)°C,在发酵初期和中期加入复合菌系Th3均能显著提高沼气日均产气量和产气率,初期添加可缩短发酵启动时间2～3d。在发酵末期加入复合菌剂对整个发酵产气过程没有显著影响。该研究不仅为构建高效微生物菌剂、提高厌氧发酵效率和发酵过程优化提供基础参数,而且表明该复合菌在沼气生产中有一定的应用价值。     

直接种间电子传递对缓解厌氧消化抑制效应的研究进展

厌氧消化是将生物质废弃物进行资源化利用的有效途径之一。然而，复杂的原料性质以及反应器高负荷的运行条件会使厌氧消化过程产生多种抑制效应，易导致反应器运行不稳定，产气效率低等问题。因此，提升厌氧消化反应器运行性能、减缓抑制效应成为当前的研究热点。区别于以氢气和甲酸为媒介的间接种间电子传递（Mediated Interspecies Electron Transfer，MIET）过程，微生物间的直接种间电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer，DIET）能够在菌群间直接进行电子转移，传递效率更高。DIET的建立有助于强化厌氧反应的稳定性，提高反应效率，减缓抑制效应。基于此，本论文总结了DIET的研究进展，分析了主要的种间电子传递机制，探讨了DIET对不同类型抑制效应的缓解作用，归纳了DIET潜在微生物的富集效果；在此基础上展望了DIET在减缓厌氧消化抑制效应方面的重点研究方向和应用前景。     

低温产甲烷菌群对玉米秸秆低温厌氧消化的生物强化作用

为研究产甲烷菌群对秸秆低温厌氧消化的生物强化作用,试研究将长期驯化的低温产甲烷菌群投加至秸秆厌氧消化体系中,对比不同添加剂量(3%、6%、9%、12%、15%和18%)对低温(20℃)批式厌氧消化性能的影响。对产甲烷性能、中间代谢产物进行统计学和动力学分析,评价生物强化效果,确定最佳剂量,结合微生物群落分析揭示生物强化作用机制,结果表明：生物强化可促进秸秆低温厌氧消化,提高甲烷率1.27～2.24倍,促进乙酸和丙酸的降解,避免酸抑制,相比对照组缩短厌氧消化时间(T₈₀)12～19d;动力学分析表明：生物强化可缩短厌氧消化的延滞期;统计学分析表明：强化甲烷产量的最佳剂量为12%,单位质量菌群强化甲烷产量的最佳剂量为6%;微生物群落分析显示生物强化促进低温厌氧消化的主要原因是提高了产甲烷菌Methanothrix和Methanosarcina相对丰度。     

适宜原料压实度改善玉米秸秆厌氧干发酵特性

干发酵原料中固形物含量高,结构疏松,原料的压实度直接关系到发酵罐的利用率和生产成本。为了探讨原料压实度对厌氧干发酵过程的影响,该文以玉米秸秆粉为试验材料,研究了不同固形物含量(TS)条件下原料压实度对厌氧干发酵产气特性及物料特性变化的影响,结果表明:相同TS下,随着压实度的增加,日产气量(基于可挥发性固形物,VS)峰值降低且出峰时间略有滞后;原料压实度对累积产气量、日产气量变化趋势以及甲烷体积分数的影响不明显。基于发酵罐容积计算产气量时,原料压实度与日产气量峰值、累积产气总量以及累积甲烷产量均呈显著正相关。不同TS条件下的原料压实度对厌氧干发酵过程的影响程度不同,TS含量越高原料压实度对产气量的影响越明显。TS为20%和25%时,逐层压实发酵罐的单位容积累积产气量比自然填料罐分别提高了37.1%和60.2%。当发酵料初始TS为20%时,原料压实度的增加可促使物料中形成连续的液相,改善物料层间的传质,从而使发酵料上下层间的差异减小。当发酵料初始TS提高到25%时,原料压实度增加对传质特性无明显影响。综上所述,在该试验研究范围内,提高原料压实度可以保证玉米秸秆厌氧干发酵产气过程的正常进行,且可以显著提高发酵罐的容积利用率。该研究对厌氧干发酵原料压实度与发酵特性之间的关系进行了初步探讨,以期为有效提高厌氧干发酵罐的产能能力提供参考。