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。     

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。     

基于改进秸秆床发酵系统的厌氧发酵产沼气特性

为同时解决农业秸秆和分散式畜禽养殖废水的资源化问题,以打捆秸秆为固定相,以猪粪废水为流动相,构筑秸秆床厌氧反应器,并在反应器后部连接废水二级厌氧反应器,研究秸秆床发酵系统的产气特性及可行性。结果表明:秸秆床发酵系统可同时处理打捆秸秆和猪粪废水,且不影响各发酵原料的厌氧生物转化率,秸秆床发酵系统中秸秆干物质产气量为394.96 mL/g,略高于秸秆单独发酵(382.11 mL/g);秸秆床发酵系统产气稳定性大幅提高,避免了单一发酵原料日产气量波动较大的问题,对产气中平均甲烷体积分数影响明显,秸秆床发酵系统、纯猪粪废水和纯秸秆发酵产气中平均甲烷体积分数分别为57.40%、60.37%和47.32%;与各物料单独发酵相比,秸秆床发酵系统平均容积产气率大幅提高,纯秸秆和猪粪废水单独发酵容积产气率仅为秸秆床发酵系统的69.42%和66.94%;试验35 d后,秸秆机械强度和孔隙度明显降低,秸秆互相粘结导气性下降,造成秸秆上浮严重及进水短流,反应器出水化学需氧量浓度快速增加并稳定在较高浓度,故在秸秆床反应器后部必须连接废水二级厌氧反应器以进一步处理秸秆床反应器出水。综合以上结果,采用秸秆床发酵系统同时处理打捆秸秆和猪粪废水是可行的,但需解决发酵后期秸秆上浮、导向性下降和进水短流等问题。     

稻草与猪粪混合厌氧消化特性研究

在中温条件下（35℃）,研究了稻草中添加猪粪对厌氧消化过程的影响,分析了消化过程中日产气量、累积产气量、甲烷含量、pH、挥发性脂肪酸以及硝态氮和氨态氮的变化。结果表明,将猪粪与稻草混合厌氧消化产沼气可以顺利进行,混合物的Vs产气量为330．14L·kg^-1 VS,沼气中甲烷含量为62．88％,添加猪粪对稻草产气量和有机酸的影响不明显,但对发酵过程中可能出现的酸积累有一定的缓冲作用。添加猪粪可以大幅提高发酵液中NO3-N含量,较稻草的处理提高34．53％,对提高消化液的肥料价值有重要意义。因此,将稻草与猪粪混合厌氧消化产沼气是完全可行的。     

玉米秸秆与巢湖蓝藻混合厌氧发酵的产沼气性能

为了提高蓝藻的资源化利用效率,该研究利用玉米秸秆和蓝藻混合厌氧发酵制备沼气。结果表明,与单一的玉米秸秆或蓝藻发酵过程相比,玉米秸秆和蓝藻混合发酵能够有效促进沼气的生成。当玉米秸秆、蓝藻和接种污泥混合挥发性固体(volatile solid,VS)质量比是2:8:1,产气效果最佳,挥发性固体产气量为687.3mL/g,其中甲烷体积分数达到63.3%。同时该体系液相磷酸盐含量、总碳、总有机碳也最高,表明该系统内发生为了蓝藻的有效降解。研究结果对于农业废弃物和巢湖蓝藻的资源化利用具有一定的意义。     

餐厨垃圾与污泥高固体联合厌氧产沼气的特性

该文在12%高固体质量分数和中温（35±1）℃条件下,开展了餐厨垃圾与污泥不同比例联合厌氧发酵对产气性能及发酵过程限速步骤影响的研究。结果表明,当餐厨垃圾与污泥二者比例为30∶30时,累积沼气产率、累积甲烷产率、生物转化产甲烷效率和VS（挥发性固体）去除率分别为612、327 mL/g、76.9%和63.6%,皆高于其他原料比例。混合底物中餐厨垃圾为主时,发酵前5 d为产气高峰阶段,甲烷含量在整个发酵期间低于60%,挥发性脂肪酸（VFAs）抑制显著;而混合底物中污泥所占比例较高时,产气的高峰期多出现在第10～25 d,甲烷含量于发酵前5 d迅速上升至50%后,缓慢提高并最终稳定在70%左右。混合底物中污泥所占比例的增加可提升沼气中甲烷含量,亦可明显缓解VFAs抑制作用。累积沼气产率随污泥比例的提高呈先上升后下降的变化。     

光照强度对猪粪、牛粪厌氧发酵的影响研究

研究光照强度对猪粪、牛粪厌氧发酵的影响,为沼气池的改进、提高产气量提供参考。试验以猪粪、牛粪为发酵原料,设置0、6、12、24h4组光照梯度处理,在恒温35℃和料液总固体质量分数为8%的条件下进行厌氧发酵。结果显示,不同光照强度下同一发酵原料的产气量差别较大,猪粪、牛粪在12h光照条件下的累积产气量分别是0h光照条件下的（黑暗）1.80、2.34倍;相同的光照强度不同发酵原料产气量存在差别,0h光照条件下（黑暗）猪粪的累积产气量为8136mL,牛粪的累积产气量为3282.5mL;光照条件改变发酵料液的理化性质,使累积产气量与发酵料液的碱度、挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids,VFA）、pH值、氨态氮的相关性呈动态变化。     

切割稻秸发酵产沼气性能影响因素优化

为了替代秸秆沼气湿式发酵的需进行粉碎预处理,探索切割颗粒秸秆的发酵工艺,简化工程操作流程,降低能耗。该文以稻秸为研究对象,研究发酵温度、发酵液浓度、稻秸粒度和堆沤时间对产气性能的影响,并进行试验验证。结果表明:温度与原料挥发性固体(volatile solid,VS)产气率的相关性显著(P0.01),最优组合为:40℃、堆沤2 d、粒度1 cm、总固体(total solid,TS)质量分数为8%,最优组合VS产气率为385.9 mL/g;40℃厌氧消化产沼气的速率快,各试验组前20 d累积产气量都达到总产气量的73%以上;正交试验中,40℃试验组均有发酵液温度高于水浴锅现象,以及生化培养箱验证试验组发酵液温度高于对照,2种现象说明水稻秸秆厌氧消化可能有少量放热。研究结果为秸秆沼气工程发酵工艺改进和运行提供参考。     

稻草与鸡粪配比对混合厌氧消化产气率的影响

为获得稻草与鸡粪混合厌氧消化较佳的原料配比,以稻草和鸡粪为原料,在初始挥发性固体(VS)负荷为6%和中温(37℃)条件下,考察不同的稻草与鸡粪VS配比(0:1、1:2、1:1、2:1、1:0)对混合厌氧消化过程的影响。结果表明,不同配比条件下厌氧消化均没有出现挥发性有机酸或氨氮抑制,整个发酵过程的pH值稳定在6.8～8.2;与稻草和鸡粪单独厌氧消化相比,混合厌氧消化能够显著提高原料产气率;在稻草与鸡粪VS比分别为0:1、1:2、1:1、2:1、1:0时,实际挥发性固体甲烷产率分别为212.43、240.45、250.28、206.09和178.03mL/g,实际平均甲烷体积分数分别为58.8%、50.5%、50.8%、49.2%和50.1%;C/N在11.2～47.5,甲烷产率和沼气产率的实际值与理论值之比(Ya/Ym)呈现先上升后下降趋势,在C/N为17.8时,Ya/Ym达最大值。在中温厌氧消化工程应用中,建议稻草与鸡粪VS比为1:1,或控制配比后混合原料的C/N约为17.8,设计发酵停留时间为23d,挥发性固体产气率为446mL/g。     

粪草比对猪粪与稻草干发酵产沼气及古菌群落的影响

为获得猪粪与稻草联合厌氧干发酵较佳原料配比,采用批次试验在进料有机负荷(organic loading rate,OLR)为90 g/(L·d)和中温((37±1)℃)的条件下研究猪粪与稻草挥发性固体(volatile solid,VS)质量比(1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、0∶1)对干发酵厌氧消化性能的影响。结果表明,猪粪与稻草不同配比累积VS甲烷产率分别为188.8、204.0、213.4、198.1、168.5、169.6和124.7 mL/g,猪粪与稻草配比为2∶1时累积VS甲烷产率最高,与猪粪单独发酵处理相比甲烷产率提高13.0%。协同效应分析表明,猪粪与稻草不同配比联合厌氧干发酵均存在协同作用,当配比为2∶1时协同效应最大,增率达到27.5%。古菌群落分析表明,发酵前后各配比古菌Shannon指数下降幅度与累积甲烷产率变化规律一致,当配比为2∶1时Shannon指数下降幅度最大,达到29.1%;Methanosphaerula为试验中优势菌属,其相对丰度与累积甲烷产率呈正相关。在中温厌氧干发酵工程应用中,建议猪粪与稻草VS配比为2∶1,设计水力停留时间为36 d。     

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。     

猪粪秸秆不同物料比对固体产酸发酵效果的影响

在沼液回流的条件下,研究猪粪和秸秆固体产酸发酵过程中,不同原料配比（猪粪与秸秆质量比分别为4︰1、2︰1、1︰1、1︰3和0︰1即纯秸秆）对产酸发酵效果的影响。试验结果表明：增加发酵原料猪粪比例有利于调节发酵体系pH值,但酸化液中氨氮质量浓度较高;沼液回流能有效避免体系过酸现象;上述不同原料质量配比产酸发酵产物以乙酸为主,试验周期内,累积产乙酸质量分别占各反应器挥发性脂肪酸（VFAs）总质量的80.8%、81.8%、77.1%、78.3%和73.8%,酸化液中丙酸质量浓度均低于1.6 g/L,累积产生质量分别占各反应器VFAs总质量的4.8%、2.8%、7.2%、6.5%和8.4%。综合分析表明,猪粪与秸秆比为2︰1时,发酵过程中产酸效果优于其他配比试验。     

秸秆高固厌氧发酵回流液剖面渗滤特性

探明秸秆高固厌氧发酵回流液剖面渗滤特征,对提高秸秆高固厌氧发酵产气效率十分重要.该研究以搓揉麦秸为底物,在(37±1)℃、TS为14%的发酵条件下,通过隔板将发酵罐中物料均分成3层(T1)、2层(T2)与不分层(T3)3个处理,以氯化锂为示踪剂,分析了剖面上物料残留锂离子、物料胞外多聚物(extracellular polymeric substances,EPS)含量、各处理产气以及发酵前后物料湿容重的变化.结果表明:各处理总产气量、累积总固体产气量与甲烷含量差异不显著;不同处理纵剖面各层物料湿容重,呈现上低下高的趋势,其中T3处理物料湿容重随高度的降低先增加后基本稳定,稳定在0.6 g/cm3左右,大于初始发酵物料湿容重0.58 g/cm3;T1、T2、T3剖面残留锂离子质量分数低于2 mg/kg的区域面积占比为2.32%、12.69%、20.66%,表明3个处理回流液淋滤存在着"回流液死区",EPS等值线图与物料残留锂离子等值线图相互印证,表明秸秆高固厌氧发酵中,回流液的淋滤在剖面上表现出非均态性特性.该研究为改善秸秆高固厌氧发酵回流液回流技术提供了科学依据.     

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。     

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。     

水热预处理对猪粪厌氧消化系统中磺胺嘧啶降解的影响

为进一步了解水热预处理对猪粪连续厌氧消化过程中磺胺嘧啶（sulfadiazine, SDZ）降解机制的影响,以及对厌氧消化系统性能的影响效果。该研究以猪粪为对象,对比研究了水热预处理对厌氧发酵模式下SDZ的降解变化规律与途径及其对猪粪产气性能的影响。研究结果表明：水热预处理（150 ℃）使中温连续厌氧反应器中的SDZ的综合去除率显著提升（P <0.05）,由40.5%～58.5%提高到54.4%～75.2%;并且通过中间降解产物推测SDZ的生物降解途径主要包括SDZ水解、羟基化、硫脱氧、氨基氧化、嘧啶环裂解等;在厌氧消化性能方面,水热预处理使稳定运行后反应器的日产沼气量提高了约34.05%（P <0.05）。此外,对反应器中微生物群落分析后,发现Syntrophomonas、Sedimentibacter与SDZ的降解高度相关,并且经过水热预处理后Sedimentibacter的相对丰度较未水热预处理显著提升。因此,水热预处理耦合厌氧消化工艺具有同步提高SDZ降解和厌氧消化性能的作用,有助于进一步提高沼液的生态安全性。     

互花米草与土豆混合厌氧发酵产酸和产沼气特性（英）

研究了中温（35℃）批量发酵条件下互花米草与土豆VS配比分别为6∶1、7∶1和9∶1时混合厌氧发酵的产酸发酵和产沼气特性。试验结果表明：1）与互花米草单独发酵时的丙酸型产酸发酵不同,混合发酵的产酸发酵表现为丁酸型发酵;混合发酵时发酵液中总挥发性有机酸（TVFAs）的浓度比互花米草单独发酵时提高了1倍多;混合发酵时发酵液中各单一有机酸浓度依次为乙酸>丙酸>丁酸,而互花米草单独发酵时为丙酸>乙酸>丁酸;2）6∶1、7∶1和9∶1三种配比下的沼气产量分别为460、431和415 mL/g VS,比互花米草单独发酵时的361 mL/gVS分别提高了27.4%、19.3%和15.0%;3）6∶1、7∶1和9∶1三种配比下的沼气中的甲烷含量分别为60.3%、62.4%和62.7%,比互花米草单独发酵条件下57.4%的平均甲烷含量提高了大约3%～5%。总之,混合发酵显著改变了互花米草的产酸发酵特性,这些改变对促进互花米草的厌氧发酵和提高所产沼气的质量均具有积极的意义。