复合微生物预处理玉米秸秆提高其厌氧消化产甲烷性能

为促进微生物预处理方法在提高玉米秸秆高效厌氧消化产甲烷方面的应用效果,该文研究了由黑曲霉(Aspergillus)、木霉(Trichoderma)、草酸青霉(Penicillium)和白腐真菌组成的复合微生物菌系HK-4,对玉米秸秆预处理及厌氧消化产气性能的影响。将复合微生物菌系加入到粒径为0.7~1 cm玉米秸秆中,在28℃恒温条件下190 r/min震荡培养15 d,测得纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别可达64.52%、51.06%和3.89%。使用经HK-4处理过的玉米秸秆,用于沼气生产,发酵32 d,复合微生物菌系组共产生7364 m L气体,比未处理组提高了27.4%;预处理4 d,复合微生物处理组甲烷体积分数即可提升到40%以上,之后20 d在45%~53%之间波动,而未经HK-4处理过的玉米秸秆,甲烷体积分数在第6天才稳定到36.7%。     

复合菌系预处理稻秆半连续厌氧发酵产甲烷性能

利用复合菌系预处理稻秆进行半连续厌氧发酵,通过高通量测序和宏基因组技术,研究复合菌系降解稻秆产酸效果,并对微生物菌群结构及功能进行解析,进而将其用于半连续厌氧发酵产甲烷。结果表明:复合菌系对稻秆的降解主要发生在前3 d,稻秆的降解率达到64.05%,复合菌系预处理稻秆12 d,稻秆的降解率达到89.02%,半纤维素、纤维素和木质素的降解率分别达到88.73%、80.51%和62.68%;复合菌系预处理稻秆的代谢产物以乙酸和丁酸为主,其含量分别占总VFAs挥发性脂肪酸的54.51%和29.02%。复合菌系主要由Cellulosilyticum、Prevotella、Pseudomonas、Mobilitalea、Lysinibacillus、Clostridium和Oscillibacter等组成,它们对碳代谢的相对贡献度均在45%以上,其中,Prevotella和Cellulosilyticum对果糖、甘露糖代谢和戊糖转化的相对贡献度最大,分别达到20.90%和11.98%,Pseudomonas对木质素降解的相对贡献度最大,达到7.5%。利用复合菌系预处理稻秆进行半连续厌氧发酵,日产气量、甲烷含量和日甲烷产量分别较对照增加了11.34%、25.24%和34.10%,日甲烷产量始终保持在200 mL/d左右。复合菌系预处理稻秆能有效提高稻秆厌氧发酵产甲烷的效率。     

哈茨木霉和黑曲霉粗酶液预处理改善秸秆产甲烷性能

为提高玉米秸秆甲烷产率,该文研究了酶对玉米秸秆预处理后厌氧发酵的指标性质和对微生物的冲击。研究发现,哈茨木霉粗酶液(酶T)和黑曲霉粗酶液(酶A)预处理后,发酵体系中初始挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)显著增加,主要体现在乙酸的积累。发酵1 d后,酶T处理组和酶A处理组的碱度/VFA比值及可溶性化学需氧量/VFA(s COD/VFA)比值较CK组显著增加,该变化主要体现在VFA的大量减少。发酵20 d,酶T处理组和酶A处理组的累积产甲烷量分别比CK组提高了7.79%和10.06%。厌氧发酵24 h,酶T处理组中9个属的细菌丰度显著高于CK组,其中Clostridium,vadin BC27,Ruminofilibacter与纤维素的降解有关。发酵系统中古菌主要为Methanosaeta,Bathyarchaeota,Methanosarcina,Methanobacterium等。预处理影响了发酵系统中微生物的菌群结构,对改善发酵条件具有重要的调节作用。该研究为木质纤维素的沼气转化提供参考。     

外源添加剂对黄贮小麦秸秆产甲烷潜力及微生物群落的影响

为探讨添加不同外源添加剂对黄贮小麦秸秆产甲烷潜力和微生物群落结构的影响,该研究以小麦秸秆为黄贮原料,添加乙酸(3‰ACE组)和异型发酵乳酸菌复合系(3‰MI1组,6‰MI2组),调整含水率至50%,黄贮65 d后,以黄贮小麦秸秆为厌氧发酵原料,探究发酵过程中的指标性质和微生物群落结构。研究发现黄贮预处理后,发酵系统中的初始挥发性有机酸中的乳酸和乙酸增加、甲烷含量增加、可溶性化学需氧量(sCOD)增加。添加了外源添加剂的ACE组、MI1组、MI2组的累积甲烷产量较干黄小麦秸秆(WS组)提高了4.7%～10.6%,而未添加添加剂的CK组的累积甲烷产量较WS组降低了9%。发酵系统中的主要优势细菌为Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria,优势古菌为甲烷鬃菌属Methanosaeta,黄贮预处理改变了发酵系统微生物的群落结构,促进了小麦秸秆的甲烷转化,为木质纤维素的沼气转化提供参考。     

太阳能蒸汽爆破和微波预处理对玉米秸秆产沼气的影响

为提高秸秆沼气工程效率,该文以玉米秸秆为原料,分别采用太阳能蒸汽爆破和微波辐射2种方法对其进行预处理,考察中温(35℃)条件下2种预处理方法的产沼气效果。试验结果表明:在接种量200g、发酵温度35℃、启动负荷22.6g/L(以总固体TS计)的试验条件下,2种方法均可破坏玉米秸秆原有刚性结构,使其易与厌氧微生物接触而被降解,其纤维素、半纤维素、木质素含量分别降低7.82%、50.56%、36.33%和20.13%、20.97%、54.03%;2种方法预处理后玉米秸秆沼气发酵TS(总固体)产气率分别达到239.89和281.45mL/g,VS(挥发性固体)产气率分别达到296.02和332.28mL/g,日均产气量分别达到320和334mL(分别高于对照15.11%和20.14%),同时料液滞留时间比对照分别减少42.11%和31.58%。该研究为秸秆预处理及提高秸秆沼气工程发酵效率提供了参考。     

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。     

玉米秸秆厌氧产氢工艺参数优化

为解决玉米秸秆结构致密导致秸秆发酵难于直接降解的问题,首先分别采用0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的HCl溶液对其进行预处理,以厌氧活性污泥为接种物进行中温(38℃)发酵产氢试验。结果表明,玉米秸秆的累积产氢量和产氢速率随着盐酸质量分数的增大先增加后降低,0.6%HCl处理效果最佳,单位累积产氢量和产氢速率分别为87.90 m L/g和3.05 m L/(g·h)。再以0.6%HCl溶液预处理的玉米秸秆为底物进行发酵产氢的单因素和正交试验,研究了秸秆粒径、底物浓度、初始p H值对玉米秸秆厌氧发酵产氢过程的影响。结果表明:玉米秸秆粒径越小越利于发酵产氢;适度增加底物浓度可增加产氢量;适宜的发酵初始p H值有利于产氢细菌的生长繁殖;得到较佳的工艺参数组合为秸秆粒径150μm、底物浓度15 g/L、初始p H值为7,此时累积产氢量为112.87 m L/g。     

复合菌剂和NaOH预处理提高秸秆厌氧消化性能

为提高纤维素类原料厌氧消化性能,降低处理成本,该研究采用复合菌剂和2%、4%、6%、8%NaOH（以玉米秸秆干物质质量计）对以玉米秸秆为代表的纤维素类发酵原料进行预处理,研究不同预处理方式对纤维素等成分的含量、厌氧消化性能和生产成本的影响。试验结果表明,经复合菌剂和NaOH处理后,秸秆的木质素、纤维素和半纤维素总含量显著降低,产气量和产气效率提高,其中,添加6%NaOH的预处理方式效果最佳,复合菌剂次之,与未处理相比,单位干物质质量产气量从120.70 mL/g分别提高到374.30和334.76 mL/g,厌氧消化时间从大于30 d缩短到18和19 d。采用复合菌剂和2%、4%、6%、8%NaOH预处理生产沼气所需的可变成本分别为0.72、0.80、0.98、1.09和1.57元/m3。综合考虑产气效率和生产成本,复合菌剂预处理由于具有较低的处理成本、较高的产气效率和较短的消化时间更利于推广应用。     

复合菌系XDC-2分解未经化学处理的水稻秸秆

利用最近筛选得到的一组木质纤维素分解复合菌系XDC-2分解未经任何化学方法预处理的水稻秸秆,结果表明,接种后第6 d,胞外木聚糖酶活达335 U/mL。经分解12 d,水稻秸秆总质量减少率达39.71%,其中半纤维素质量减少率为78.27%,纤维素质量减少率为14.08%。在分解第6 d,产物种类及含量均达到最多,共检测出4主要的物质分别为乙酸、丙酸、丁酸和甘油,这些有机物均可在工业生产中得到转化和利用。DGGE分析表明,复合菌系XDC-2在分解未处理水稻秸秆过程中的微生物组成结构稳定。结果表明,复合菌系XCD-2对于未经任何化学方法预处理的水稻秸秆分解能力强,极具开发利用潜力。     

蒸汽爆破预处理和微生物发酵对玉米秸秆降解率的影响

为了提高玉米秸秆的利用效率,首先对玉米秸秆进行蒸汽爆破预处理（压力2.5 Mpa,维压200 s）,然后再进行米曲霉发酵,研究物理和生物学处理对秸秆成分及相关酶活变化的影响。结果表明,蒸汽爆破使秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别达到8.47%、50.45% 和36.65% （p＜0.05）。爆破预处理的秸秆再经米曲霉发酵6 d后,秸秆中纤维素和半纤维素的降解率分别为27.89%和64.80% （p＜0.05）,发酵秸秆中的滤纸酶、羧甲基纤维素酶、淀粉酶和蛋白酶活力分别达到335.10、1138.92、1954.20和201.99 U/g。爆破预处理后进行米曲霉发酵,对于提高玉米秸秆的降解率具有非常重要的意义。     

NaOH处理玉米秸秆厌氧生物气化试验研究

提出通过NaOH化学处理以改善玉米秸秆的可生物消化性能、提高玉米秸秆厌氧消化产气量的方法。NaOH添加量为玉米秸秆干物质的8%。对未处理和经NaOH处理的玉米秸秆进行了厌氧消化对比试验研究，厌氧消化负荷率为35，50，65和80 g/L。分析并比较了两者在不同负荷率下的日产气量、累积产气量、单位TS和VS产气量等。结果显示，与未处理玉米秸相比，NaOH处理过的玉米秸的干物质消化率和产气量明显提高，在35，50，65，80 g/L负荷率下，产气量分别提高了13.1%，39.8%，48.3%和47.8%，单位TS、VS的产气率分别提高了13.1%～48.3%、23%～61.3%；两种玉米秸分别在35和65 g/L负荷率下获得了最高单位TS产气量。NaOH化学处理使玉米秸细胞壁结构和化学成分发生了明显的变化，分别有53.2%、46.9%和66.6%的木质素、纤维素和半纤维素被分解，其中1/2～2/3被转化成了易被厌氧菌利用的可溶性物质,这是产气量提高的主要原因之一。研究结果对提高玉米秸的产气效率、实现大规模应用具有重要指导意义。     

稻秸厌氧发酵产沼气预处理

秸秆厌氧发酵是一种有效的秸秆利用途径,秸秆预处理对发酵过程影响显著,为了探索合理的预处理方法,该文对秸秆预处理工艺进行了研究。以稻秸为原料,首先研究了不同浓度的Ca(OH)2溶液浸泡对秸秆有机物降解的影响,当采用9 g/L Ca(OH)2溶液时,5 d溶出化学需氧量（COD）可增加75.9%,说明碱处理能有效促进秸秆水解。但同时,碱处理容易导致厌氧系统酸化,在未调节pH值的情况下,碱处理的总产气量较对照组降低17.4%。然后通过二次正交旋转组合设计试验,研究了秸秆厌氧发酵预处理中秸秆粉碎粒度、C/N、堆沤时间3个因素的改变对产沼气量的影响。建立了沼气产量的二次多项式数学模型,得到了秸秆厌氧发酵预处理的优化工艺条件：秸秆粉碎粒度为4～6 mm,C/N为40,堆沤时间为8 d。表明预处理过程中秸秆无需过度粉碎,且预处理使得高C/N原料正常发酵,为利用秸秆等高C/N原料厌氧发酵提供了试验依据。     

基于电子流守恒理论的秸秆厌氧发酵产气预测

目前关于厌氧产气的预测仍然较为粗略,该文综合考虑了物料成分及降解性能,微生物的同化异化,氮源,提出了一种基于电子流守恒理论的厌氧发酵产气预测方法。在假设秸秆各组分充分降解的情况下对秸秆厌氧发酵的最大产气量进行预测,并通过参考数据对其进行了验证,结果表明与试验值相比预测值最小误差为0.3%,平均误差10.2%,可以较准确的预测出秸秆厌氧发酵的最大产气量。该文进一步通过此方法对中国主要的3种秸秆的厌氧发酵最大产气量以及在实际工程条件下的秸秆产气量进行了预测。此方法的提出为预测秸秆最大产气量以及秸秆在工程中产气性能提供了参考,计算较为方便,也提高产气预测的准确性。     

酶法复合脱毒提高玉米秸秆水解液丁醇发酵效率

利用玉米秸秆发酵产丁醇在生物质转化领域具有明显优势。为解除玉米秸秆水解液中多种有毒物质对微生物生长的抑制及对发酵产量的影响,该研究摒除常用的理化脱毒法,选择高效环保的酶法脱毒以实现溶剂高产。研究结果表明:通过优化漆酶和甲酸脱氢酶添加量以去除水解液中酚类和甲酸,单独添加漆酶5 U/m L、甲酸脱氢酶1 U/m L,水解液发酵的丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol,ABE,总溶剂)产量分别为1.03和1.11 g/L。再在活性炭的辅助下形成高效酶法复合脱毒体系,经复合脱毒处理的水解液发酵后丁醇产量达2.90 g/L,总溶剂ABE产量达到4.4 g/L,比未作处理的对照组发酵产量高出约5倍,实现了生物质的高效转化。可为玉米秸秆水解液发酵生产燃料丁醇提供参考。     

微生物预处理油菜秸秆对提高沼气产量的影响

为研究微生物预处理技术对秸秆发酵制沼气的影响,采用混合菌剂对油菜秸秆进行预处理,利用红外光谱分析仪和扫描电子显微镜对预处理前后的秸秆进行分析。结果表明,混菌共发酵预处理11 d后油菜秸秆的纤维素、木质素、半纤维素降解率分别达到了37.4%、28.9%和29.9%。混菌共发酵预处理使油菜秸秆的木质纤维素内部结构发生较大改变,产生很多裂缝和空洞。以油菜秸秆为原料进行沼气发酵试验,发现预处理后的秸秆日产气量最高峰值较未处理的提高了37.6%,累计产气量提高了17.8%。由此可见,通过混合菌剂降解油菜秸秆中的纤维素、木质素和半纤维素,可促进秸秆生物质转化为沼气。     

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。     

秸秆干式厌氧发酵渗滤液回流技术研究

采用室内模拟试验方法,研究了秸秆干式厌氧发酵渗滤液回流量、回流方式对产气量的影响,分析比较了渗滤液的COD、VFA、pH变化以及其与产气率的相互关系。结果表明,在中温、底物浓度（TS）为18%条件下,发酵培养43 d,以0、0.2、0.4、0.6、0.8 L·d^-1的量回流,不同回流量处理间累积产气量差异不显著。底物浓度为20%、发酵84 d条件下,每天回流与产气趋势下降后回流以及两相法回流其总产气量较不回流对照分别提高了9.53%、23.13%、12.74%,其中以产气趋势下降后再回流的方式为最优。     

高温复合菌系WSC-6预处理稻秆对沼气生产的影响

为提高稻秆在沼气生产中的水解酸化效率,寻求复合菌系WSC-6生长的廉价氮源,降低稻秆酸化水解的运行成本,该试验利用高温复合菌系WSC-6,以未经处理的稻秆为碳源,分别以新鲜猪粪和干猪粪为氮源,对稻秆进行生物预处理。研究结果表明,高温复合菌系WSC-6对新鲜猪粪中的氮源利用更充分,总氮利用率达到81.5%,对稻秆的降解率也高于干猪粪,稻秆的总质量损失率达到48.3%,纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别达到67.3%、79.3%和27.9%。在稻秆的生物预处理中,无论采用哪种氮源方式,反应系统的pH值都在6.5～8.2之间变化,不会产生酸化现象。以新鲜猪粪代替蛋白胨作为稻秆生物预处理的氮源,既降低了稻秆生物预处理的运行成本,又消除了猪粪造成的环境污染,这对沼气的工业化生产具有重要的应用价值。