温度底物浓度和微量元素对牛粪厌氧发酵产沼气的影响

洱海流域畜禽奶牛粪便的无序堆置和不合理处置对洱海入湖污染具有较大贡献,为了控制畜禽养殖污染,该研究在结合洱海流域现有中温沼气工程产气率低、运行不稳定、易结壳等问题的基础上,通过取样当地奶牛粪为原料,研究温度、接种量和微量元素等3种因素对中温厌氧发酵产沼气过程的影响,并运用响应面法优化微量元素的添加量,以筛选出适于高原地区奶牛粪便中温厌氧发酵的沼气工程操作参数。试验结果表明:发酵温度为35℃条件下原料产气量大于30和45℃;35℃的发酵温度有利于挥发性脂肪酸(volatile fat acids,VFA)的产生与甲烷菌再利用;发酵温度为35℃时,发酵各个阶段4类菌群的数量多于30和45℃;因此,发酵温度为35℃时,牛粪厌氧发酵系统微生物区系中各类功能微生物数量与比例最佳,适合于中温厌氧发酵微生物菌群的生长、代谢;接种量越大发酵启动越快,接种量10%总产气量最大,未接种试验组,发酵启动较慢,总产气量也较低;通过中心复合试验设计和响应曲面回归分析确定得出,添加微量元素Fe2+质量浓度5.00 mg/L、Ni2+质量浓度21.40μg/L、Co2+质量浓度28.82μg/L时,可刺激厌氧发酵过程的作用酶以促进产气。本研究在资源化利用养殖废物的同时,提高了沼气工程产气率,试验结果为洱海流域农村养殖粪便厌氧发酵沼气工程正常运行提供理论依据。     

产甲烷复合菌剂的性能评价及中试试验产气效果

产甲烷菌对环境变化的敏感性很容易导致厌氧发酵失败,如何保证产甲烷菌的活性是厌氧发酵稳定进行的关键。在考察RY3、SH4、G1、G2和G3产甲烷菌株主要生理生化特征和拮抗作用的基础上,构建了产甲烷复合菌剂,并对产甲烷复合菌剂的pH值耐受性、温度耐受性和不同接种量进行了性能评价。结果表明：5株互补共生构建的产甲烷复合菌剂可在pH值5.5～10.5的范围内生长,且在pH值5.5～9.5的范围内培养3 d后甲烷总产量在1 706.7～2 026.7 ?mol之间,具有较优良的耐酸碱性能;产甲烷复合菌剂的生长温度范围在15～70℃,且在30～55℃范围内培养3d后甲烷总产量在1 906.9～2 028 ?mol之间,温度适应范围宽泛。产甲烷复合菌剂接种量试验表明,在低温20℃下,接种产甲烷合菌剂的试验组比未接种复合菌剂对照组在产甲烷的时间上平均缩短14 d,在高温50℃下,接种产甲烷复合菌剂的试验组比未接种产甲烷复合菌剂的对照组在产甲烷的时间上平均缩短5 d,无论低温还是高温下,复合菌剂的接种均可明显促进产甲烷过程的启动,缩短启动时间。中试产气效果及动力学分析表明,20℃低温下,接种10%复合菌剂的试验组21 d内沼气总产量和甲烷总产量均为接种10%活性污泥试验组的1.6倍;50℃高温下,接种10%复合菌剂的试验组21 d内沼气总产量为接种10%活性污泥试验组的2.7倍,甲烷总产量为2.8倍,无论低温20℃还是高温50℃下,接种复合菌剂的可显著提高厌氧发酵产沼气效率,缩短产甲烷进程,为厌氧发酵系统优化调控提供一种新的技术途径。     

海带渣与养殖固体废弃物混合发酵产沼气试验

废弃物的高效和资源化利用是现代渔业发展面临的重要课题。该文以海带渣和养殖固废为原料开展了两相发酵产沼气效果试验研究,探讨了中温条件下(35±1℃)料液TS浓度和接种率对混合水解酸化特性以及厌氧发酵产沼气效果的影响。结果表明,海带渣与养殖固废混合水解酸化过程启动很快,第2天乙酸浓度即达到峰值,5 d后丙酸和丁酸浓度增幅较快,水解酸化过程中甲酸产量相对较低。不同TS浓度(6%、8%和10%)和不同接种率(10%、20%和30%)的料液水解3 d,乙酸的酸化度分别为42.6%、50.0%、49.8%和50.7%、44.3%、40.3%;主要有机酸(乙酸+丁酸+甲酸)的酸化度分别达到61.7%、68.7%、62.2%和69.4%、57.5%、58.0%。料液TS浓度为8%~10%、接种率为10%~20%和p H值为6.0~7.0时,海带渣与养殖固废在中温条件下混合水解2~3 d,即可获得后期发酵产沼气所需的酸化料液。此外,发酵产沼气结果表明,每天按与产沼气接种污泥质量比为1:7~1:9的比例添加酸化料液,在p H值为7.0~8.0和35±1℃的条件下厌氧发酵产沼气,产气系统启动很快,而且8~13 d即进入稳定产气阶段,产气率保持在489.4~581.5 m L/g VS,所产沼气中的甲烷体积分数达到82.7%~84.9%,而且料液不会出现酸化现象。海带渣与养殖固废混合水解酸化、批量填料发酵产沼气工艺明显提高了产气效率和系统稳定性。     

生物复合菌剂处理秸秆产沼气研究

利用农作物秸秆作为产沼气的原料,解决了农村产沼气发酵原料缺乏的问题。用生物复合菌剂预处理后的秸秆直接作为产沼气的发酵原料,加快了产沼气的启动时间,启动时间只需2~7 d;其产气量比对照提高了42.15%~52.35%。     

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。     

不同预处理和发酵条件对浒苔沼气产率的影响

为了有效利用绿潮海藻资源,该文开展了浒苔厌氧发酵产沼气潜力及其特性的试验研究。探讨了浒苔不同预处理、发酵温度和料液浓度对产气量和所产沼气的甲烷体积分数的影响。结果表明,粉碎粒度对浒苔厌氧发酵沼气产率有一定影响,相同条件(发酵温度为35℃和料液总固体(TS)质量分数为3%)下,粗粒(1.50mm)比细粒(0.15mm)的单位质量挥发性固体(VS)产气率高,分别为327.1和458.5mL/g;发酵温度对浒苔厌氧发酵产沼气产率的影响是,随着温度的提高沼气产率先增加而后降低,当粉碎粒度为1.5mm的浒苔在发酵料液TS质量分数为3%条件下,分别在25℃、35℃和55℃温度下发酵时,35℃的料液单位质量VS产气率比25℃和45℃分别高31.3%和7.5%;随着料液TS质量分数的提高,沼气产率先增加而后降低,利用粒度为1.50mm的浒苔制备TS质量分数分别为3%、6%和10%的料液在35℃温度发酵时,TS质量分数为6%的料液产气率最高,达到465.2mL/g,所产沼气的甲烷体积分数比3%的料液高5.3%,且与10%的料液相当。因此在浒苔粉碎粒度为1.50mm,料液TS质量分数为6%以及温度为35℃的发酵条件下,对提高浒苔产气量、甲烷体积分数和发酵系统稳定性比较有利。该研究可为浒苔厌氧发酵产沼气技术和设备研发以及其他大型海藻产沼气技术的研究提供参考。     

汽爆预处理青玉米秸秆厌氧发酵特性

为了研究青玉米秸秆未汽爆和汽爆预处理后厌氧发酵产沼气特性,该文采用汽爆压力为2.5MPa,保压时间为90s,加入质量分数为30%的沼液,未气爆青玉米秸秆的TS(总固体物)质量分数为6%,汽爆预处理青玉米秸秆厌氧发酵的TS质量分数分别为1%、2%、3%、4%、6%、8%、10%和15%,考察了厌氧发酵过程中pH值和产气量随时间和TS质量分数的变化。结果表明:未汽爆秸秆在TS质量分数为6%时能够顺利厌氧发酵,但汽爆秸秆厌氧发酵液极易酸化,且无法调节,适宜的TS质量分数最大为4%;未汽爆秸秆挥发性固体产气率为214.6mL/g,汽爆秸秆在TS质量分数为3%时产气率最大,为334.8mL/g,比未处理秸秆提高了56%;未汽爆秸秆的产气速率为3.3mL/(g·d),汽爆秸秆产气速率随TS质量分数增大而减小,在TS质量分数为1%时最大,为14.8mL/(g·d)。青玉米秸秆经汽爆预处理后其厌氧发酵产沼气的产气率和产气速率大大提高,可以节约发酵时间,缩短发酵周期,有利于秸秆能源化利用的工业化生产。     

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。     

恩诺沙星对厌氧发酵过程中水解酶活性及 沼气产量的影响

兽用抗生素因其具有防病、促生长的作用被广泛应用于畜禽养殖业,而在畜禽粪便发酵生产沼气的过程中,残留在畜禽粪便中的抗生素可能会抑制沼气发酵过程。该文以猪粪和玉米秸秆为原料,采用自行设计的恒温厌氧发酵装置,研究了外源添加恩诺沙星(ENR)对猪粪厌氧发酵过程中水解酶活性及产气量的影响。结果表明,添加20 mg·kg?1、60 mg·kg?1和120 mg·kg?1恩诺沙星条件下,猪粪厌氧发酵初期不同浓度恩诺沙星对纤维素酶和脲酶活性有显著抑制作用(P0.05);厌氧发酵的前15 d,添加20 mg·kg?1恩诺沙星对蔗糖酶活性有一定的激活作用(P0.05),添加60 mg·kg?1和120 mg·kg?1的恩诺沙星对蔗糖酶活性有抑制作用(P0.05);猪粪厌氧发酵后期,恩诺沙星对纤维素酶、脲酶和蔗糖酶活性影响不显著(P0.05)。在发酵产气速率增长期的第5~11 d和21~31 d,添加20 mg·kg?1、60 mg·kg?1和120 mg·kg?1恩诺沙星对沼气产气速率有明显抑制作用(P0.05);而在发酵的第31 d后,添加各浓度恩诺沙星对沼气产气速率影响不大。在整个50 d的厌氧发酵过程中,与不添加恩诺沙星的对照相比,添加20 mg·kg?1、60 mg·kg?1和120 mg·kg?1恩诺沙星处理的总产气量分别减少7.38%、12.08%和15.77%。可见,恩诺沙星影响了猪粪厌氧发酵过程中水解酶活性和沼气产气速率及产气量,在厌氧发酵不同阶段,恩诺沙星对不同水解酶活性和产气速率影响也不同。该文研究结果可为无害化处理含恩诺沙星的畜禽粪便及提高厌氧发酵效率提供参考。     

户用太阳能恒温沼气生产系统全年产气性能试验

为满足北方农户全年生活燃气需求和研究户用恒温沼气池的产气特性,研发了发酵容积为3 m3的地上式太阳能恒温沼气生产系统。从沼气池的产气稳定性,不同发酵温度、不同发酵原料下的产气性能,全年产气特性4个方面对该系统做了试验研究。在兰州地区气象条件下,厌氧发酵试验结果发现:该太阳能恒温产气系统可全年稳定连续运行,全年累计产气398.52 m3;当最低环境温度分别高于-19.9、0.7和6.9℃时,系统可以实现26、28和37℃恒温厌氧发酵;当猪粪与农户常见的玉米秸秆、蒿草、莲花菜叶按一定比例混合发酵后,可显著提高沼气中甲烷体积分数并延长或缩短发酵周期。     

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。     

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。     

沼气发酵工艺参数对沼气及沼液成分影响的实验研究

本文是结合上海市科委的上海市重大科技攻关项目:崇明岛生物质能循环型应用技术的研究与示范(编号:05dz12010)展开。采用新鲜的猪粪为原料,以崇明前卫村沼气池中上次正常发酵的沼液为接种物,在上海交通大学生物质能研究中心自制的小型沼气发酵装置上发酵产气。同时对发酵过程中的沼液和沼气取样检测。本文对影响沼气发酵的接种物选择进行了研究。实验测定了发酵过程中沼液的全氮、水溶性磷和速效钾含量以及产气量和产气成分,发现使用驯化过的接种物有利于提高沼气产气量和产气中甲烷的含量,并能最大限度的保留沼液中的营养成分。本文通过上述这些研究为沼气的工业生产和市场化运作打下了一定理论基础。     

废弃食用油脂两相厌氧发酵酸化条件优化

油脂的水解和长链脂肪酸的降解是油脂厌氧发酵过程中的限速步骤,提高水解酸化阶段挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)的产率,有助于后续甲烷化反应的进行。利用响应面方法(response surface methodology,RSM)对废弃食用油脂两相厌氧发酵水解产挥发酸条件进行优化,考察了初始p H值、原料负荷、反应时间和接种量对产生挥发酸浓度的影响,提出采用该工艺的数学模型及优化后的工艺参数。结果表明,各影响因子对挥发酸的影响顺序为:接种量反应时间原料负荷初始p H值,方程的F值为15.65,相关系数为0.9359,调整相关系数为0.8761,说明数学模型可以较好地模拟真实的反应曲面。优化得到最佳的工艺参数为初始p H值6.2、负荷300 g/L、反应时间8 d、接种量40%,在该条件下,实际产挥发酸7 221.0 mg/L,与预测值7 224.0 mg/L吻合且重现性较好。厌氧产甲烷试验表明,酸化后废弃油脂较未酸化油脂在甲烷产量、甲烷含量、总化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率及挥发性固体(volatile solid,VS)去除率方面分别提高了44%、11%、28%和51%,经酸化处理比未酸化油脂的厌氧发酵时间(完成一个厌氧发酵周期内总产气量的80%的时间)缩短了28%。该研究结果为废弃食用油脂的两相厌氧发酵中试提供了参考。     

鸡粪与玉米秸秆混合发酵沼气产量影响因子研究

为探索物料配比、发酵温度、初始发酵浓度与产气量之间的关系以及各因素的重要性,通过自行研究设计的可控性恒温发酵装置,以玉米秸秆和鸡粪混合物为原料,在20、25、30、35、40℃下按不同干物质配比及初始发酵浓度分别进行厌氧发酵,分析不同物料配比、发酵温度、初始发酵浓度对发酵过程中pH值、累积产气量和TS产气量的影响,并对影响沼气发酵的各因子进行重要性排序。结果表明,物料配比、初始发酵浓度和发酵温度是影响产气量的重要因子,鸡粪与玉米秸秆2∶1、初始发酵浓度为20%时沼气产量最大;发酵温度在35℃左右时,各处理均能达到最优发酵效果;各因子对沼气产量影响的重要性依次为温度〉初始发酵浓度〉配比。因此,适当调整发酵温度以及初始发酵浓度将会有效提高沼气发酵利用效率。     

杂交狼尾草厌氧发酵的物质与能量转化率分析

为了解厌氧发酵过程中的C、N元素流动状况以及物质和能量的转化利用效率,以杂交狼尾草为原料,采用中温(35±1)℃批式厌氧发酵工艺,研究了杂交狼尾草厌氧发酵制备沼气的产气性能,在此基础上结合物质流分析方法分析了发酵过程中C、N元素的分布情况以及物质与能量的转化率.研究结果表明:C/N 167和25下,杂交狼尾草鲜料的VS(挥发性固体)产气量分别为280.02和242.33 mL/g,其中CH4体积分数分别为59.96%和61.46%;C/N 137和25下,青贮料的VS产气量分别为327.02和295.43 mL/g,其中CH4体积分数分别为58.49%和61.05%;C元素的流向分布:沼气33.1%,发酵液8.0%,发酵渣58.9%;N元素主要流入剩余物中:发酵液69.4%,发酵渣30.7%.杂交狼尾草厌氧发酵制备沼气的物质转化率和能量转化率分别为42.1%和33.1%.该研究为能源草本植物的资源管理和厌氧能源化利用提供了理论依据.     

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。     

人粪与不同原料配比对厌氧发酵产气影响

为提高人畜粪便和农作物秸秆资源化有效利用提供科学依据,研究了人粪与各种不同原料混合发酵的产气效率。试验通过自行研究设计的可控性恒温发酵装置,以人粪、牛粪、鸡粪和玉米秆为消化原料,以常温厌氧发酵池的底物为接种物,在总固TS质量分数为8%条件下,进行批量厌氧消化试验,研究人粪分别与牛粪、鸡粪和玉米秆按不同比例（干物质质量比为1∶1、2∶1、3∶1）混合发酵的产气速率、累积产气量的变化。结果表明,在25℃恒温条件下,人粪与3种原料的混合发酵,均能正常产气,均能在厌氧发酵开始后的5～14d达最大产气速率,在30d左右各自的累积产气量均能达到总产气量的87%～92%,其中人粪与牛粪的混合产气效率最好,各组物料的3种配比的平均累积产气量分别为26713、21281和21227mL,各组物料的最优配比的最高产气速率分别为1500、1260和1100mL·d^-1。在25℃下,人粪与牛粪混合发酵的最优配比为3∶1,人粪与鸡粪的为1∶1以及人粪与玉米秆的为3∶1,为人粪与不同原料配比的混合厌氧发酵提供了参考依据。     

蚓粪促进玉米秸秆厌氧消化产气效果的研究

以玉米秸秆为试验研究对象,比较添加蚓粪后对秸秆厌氧消化产气特性的影响。在接种污泥比例为20%、30%、50%时,添加适当蚓粪,使其在35℃下中温厌氧消化,试验中研究产气量、pH值和乙酸产生量等参数的变化趋势。结果表明,添加蚓粪后,各处理的产气量均显著增加,其中50%接种污泥的处理累积产气量达340mL,增幅达67.05%,添加蚓粪的物料发挥了最大的产气效果。试验过程中pH值相对稳定,乙酸累积量较低。蚓粪的添加抑制了酸的累积,使pH稳定在一定的范围。