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。     

序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵过程物料理化及渗滤特性

序批式厌氧干发酵技术在规模化处理农业废弃物方面具备优势,通过工艺调控优化使产气效率得到明显改善,但对其物质转化特性的综合研究尚待深入。该文在发酵温度和秸秆粒径交互因素下,对不同干发酵环境理化特性及微生物群落进行比较,探寻提高物质转化效率机制、物料形态及渗滤液流动特性。结果表明,高温和细粒径条件显著改善生物转化效率,通过加速有机酸转化,使物料降解率和沼气产量提升了22.61%和56.17%。发酵10 d,细粒径物料结构-渗滤液流动规律基本稳定,形成渗滤液由反应器中区向外区流动趋势,并与Clostridiales、Bacillales、Methanosarcina、Methanoculleus丰度呈正相关（P＜0.05）,形成最佳转化状态。该研究可为评价和改善不同序批式厌氧干发酵体系运行效率提供理论依据。     

工艺措施对猪粪秸秆混合厌氧干发酵产气性能的影响

为避免挥发性脂肪酸积累、提高产气效率,研究猪粪单独发酵、猪粪秸秆混合发酵、猪粪秸秆混合原料分层接种和猪粪秸秆混合原料渗滤液回流等工艺措施下,中温(37℃)厌氧干发酵(总固体含量为20%)的产酸及产气性能。结果表明:猪粪秸秆混合原料分层接种厌氧发酵启动快,产气效果最佳,累积挥发性固体含量VS产甲烷量可达139.2mL/g;混合发酵渗滤液回流可有效降低总挥发性脂肪酸(total volatile fatty acids,TVFAs)质量浓度(维持在0.66 mg/g),累积VS产甲烷量比分层接种低16.7%;猪粪秸秆混合发酵与猪粪单独发酵的反应器中TVFAs质量浓度分别达到19.08和19.83 mg/g,前15 d日产甲烷量为0.1 mL/(g·d),基本不产气。通过不同工艺措施对比,获得产气量最高和启动期最快的发酵方式,提高猪粪厌氧干发酵产气效率,为猪粪等高固体含量有机废弃物的资源化处理利用提供参考。     

秸秆批式和半连续式发酵物料浓度对沼气产率的影响

为比较秸秆批式发酵和半连续发酵工艺的产沼气效果,以水稻秸秆为单一发酵底物,开展了室内中温批式发酵和半连续发酵对比试验,以容积产气率和原料产气率为特征指标,研究不同料液浓度对秸秆批式和半连续发酵产沼气的影响,以期获得秸秆沼气工程适宜的运行参数。结果表明,批式发酵容积产气率随着TS浓度的增加而增加,但增幅逐渐减少;与静态批式发酵相比,间歇搅拌有助于提高批式发酵容积产气率,特别对高TS浓度处理容积产气率的提升效果更加明显;而半连续进料条件下更有利于高TS浓度处理容积产气率的提高,但各处理原料产气率均随着固物滞留时间(solid retention time,SRT)缩短而逐渐降低。综合考虑产气情况及工程应用实际,建议秸秆批式发酵底物质量分数不超过8%,而半连续发酵TS质量分数8%时SRT设计为20 d(容积产气率1.00 m3/(m3·d)),若发酵TS质量分数6%时,SRT设计为15 d,容积产气率0.75 m3/(m3·d),该运行参数为秸秆沼气工程发展提供了理论依据。     

牛粪添加量对油菜秆半固态发酵产甲烷特性的影响

为了提高油菜秸秆厌氧发酵产甲烷效率,该研究以油菜秸秆和牛粪为原料,采用批次发酵工艺,在半固态(含固率为15%)条件下,通过在油菜秸秆中添加不同量(0、20%、40%、60%、80%和100%)的牛粪(按挥发性固体的质量比计),系统研究不同添加量牛粪对油菜秸秆产甲烷效率的影响,并用修正的Gompertz方程分析各处理产甲烷过程的动力学特性,旨在为油菜秸秆高效产甲烷提供可靠的工艺参数。结果表明,增加牛粪添加量有助于平衡发酵体系的C/N和提高缓冲性能,物料产甲烷效率随牛粪添加量的增加而增加,但单一牛粪的发酵物料产甲烷效率较低;当牛粪添加量为80%时,发酵物料的C/N为33.60,特殊产甲烷效率(239.87m L/g)和容积产甲烷效率(1.01L/(L·d))最高,分别是其他各处理的1.2~2.0倍和1.3~3.6倍;修正的Gompertz方程能较好地反映各处理产甲烷动力学过程,在牛粪添加量为80%处理中,模拟预测的最大产甲烷速率Rm、延滞期λ和最短工艺发酵时间T80分别为31.19 m L/(d·g)、1.21d和8.59d,与实验值极其接近。该研究对实际产甲烷工程具有指导意义。     

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33.0 mg/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。     

接种比例对猪粪与蓝藻混合发酵产甲烷的影响

在35℃条件下,利用猪粪为接种物,对接种比例（inoculum to substrate ratios,ISRs）（质量比）分别为3.0,2.0,1.0,0.5和0.25时的猪粪与蓝藻混合发酵进行研究,通过对厌氧分批发酵过程中的甲烷产量及特定影响参数的研究,寻找发酵过程中参数变化的规律,结果表明,ISRs在2.0时,蓝藻发酵产甲烷的效果达到最佳。在不同ISRs情况下,整个产气过程符合Cheynoweth方程,决定系数R2都在0.97以上;对蓝藻的生物降解率（Biodegradabilities,BD）的研究结果表明,上述ISRs条件下,蓝藻的BD（%）值分别为46.5,68.5,44.8,29.2和14.2;最后对发酵液中的pH值、挥发性固体、挥发性有机酸进行了研究,初步总结了各参数的变化规律,为蓝藻的资源化利用提供依据。     

批式与连续两相发酵的果蔬废弃物厌氧产气性能

该研究采用批式试验与连续发酵试验探讨了苹果与蔬菜废物的厌氧发酵产气性能,结果表明:38℃下苹果与蔬菜废物混合进行厌氧发酵发生了协同促进作用,显著提高了混合原料的产气能力。在苹果废物与蔬菜废物的混合比例F:V=4:1时,混合原料的产沼气潜力达到了914.6 L/kg。利用修正的Gompertz模型能够很好的模拟果蔬废物批式厌氧发酵产气的累积产气过程,拟合结果的R2在0.983~0.999之间。果蔬废物连续进出料产气过程研究结果表明在HRT=24 d、35℃中温发酵条件下,果蔬废物为原料的一体化两相(combined two phase,CTP)反应器有机负荷OLR可达2.5 g/(L·d)时,此时CTP反应器的产气量最高可达12.9 L/d,反应器内物料比产气量为390 L/kg。这表明CTP反应器可以作为果蔬厌氧发酵产气的反应器。与全混式反应器相比,CTP反应器结构简单、成本低,但对果蔬废物的发酵效率低于全混式反应器。     

碳氮比对干黄秸秆贮存过程及后续甲烷产量的影响

采取一定技术手段实现秸秆的有效贮存,是保证秸秆沼气工程全年稳定运行的前提。干黄秸秆因其处于可溶性碳源与氮源双重缺乏状态,对贮存过程会有一定影响。该文以干黄玉米秸秆为原料,通过补充可溶性碳源（蔗糖）与蛋白氮源（豆粕）调节秸秆初始C/N比后,分析其对秸秆湿贮存过程及后续甲烷产量的影响。当原料初始C/N比分别为30:1、25:1和20:1时。经60 d湿贮存试验结果表明,与仅添加蔗糖处理组相比,对贮存过程的pH值和干物质损失无显著影响（P>0.05）,但有效降低了半纤维素含量,乳酸产量分别提高了19.0%、22.2% 和31.7%;通过分析贮存前后的细菌群落多样性,结果表明,可提高秸秆湿贮存过程中有益菌（乳酸菌）的相对丰度,腐败菌（梭菌属）的相对丰度降至0%;对湿贮存前后原料进行产甲烷潜力测试,结果表明,与贮存前相比,累积甲烷产量分别提高3.9%、6.1%和10.8%。综上所述,通过补充可溶性碳源与蛋白氮源调节干黄秸秆C/N比,可改善干黄秸秆湿贮存过程的品质、稳定性和生物可降解性,并有效提高后续甲烷产量。研究结果可为秸秆沼气工程的贮存环节提供技术支撑。     

灌溉量和灌溉次数对紫花苜蓿耗水特性和生物量的影响

通过田间试验,研究了不同灌溉量和灌溉次数3年生紫花苜蓿的耗水特性、生物量和水分利用率,结果表明:不灌溉的GO处理的总耗水量显著低于不同灌溉量的G2-G6处理.但不灌溉更能充分发挥降水和土壤贮存水的作用.各个处理出苗至分枝期的耗水强度略大于分枝期至现蕾期和现蕾至开花期,3个生育期0-120 cm土层土壤体积含水量随着灌溉量的增加而增大,120-200 cm土层土壤体积含水量和灌溉量相关性很差.灌溉量超过175 mm和低于100 mm的处理对苜蓿生物量的形成产生负效应.灌溉量均为100 mm的G2和G3处理,G3的生物量要高于G2的27.37%,G5处理生物量最高,但是和G3处理没有显著差异.各处理间生物量水分利用效率和灌溉利用效率均以G3最高,分别高于G5的37.72%和64.76%,说明G3这种灌溉组合是兼顾高产和节水的最佳灌溉方式.     

水稻秸秆序批式干发酵产沼气中试及其动力学研究

干发酵处理有机废弃物或生物质废弃物等具有处理量大,用水量少,处理周期短等优势。该试验以水稻秸秆为原料(269 kg,TS为89.19%±0.24%),用沼液(500 kg)调节水稻秸秆含水率至67.58%,覆膜堆沤3 d,并以运行良好沼气池污泥为接种物(300 kg,接种量为28.06%,TS为1.88±0.07%),室温(30~35℃)条件下进行周期为55 d的干发酵中试试验。试验结果表明:反应55 d后,秸秆累积产气量为308.20 m3/t,累积产甲烷量为167.44 m3/t,最高甲烷体积分数达57.88%,最大日产气量为2.33 m3。通过Gompertz模型对水稻秸秆产甲烷曲线进行拟合,拟合出的产甲烷潜力值和实际的产甲烷潜力值很接近,R2为0.990 7,显示出较高的准确性。该研究可为序批式干发酵法处理水稻秸秆提供理论依据和指导。     

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。     

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。     

不同因素对秸秆两相厌氧消化的影响

两相法是有机固废物厌氧发酵的主要工艺,该文以稻秸为发酵原料,在实验室条件下比较了单相与两相法两种工艺下的产气量,研究了不同接种物对秸秆水解酸化的影响,pH值、曝气处理对相分离的效果,以期为秸秆两相法厌氧发酵工艺提供基础参数。研究结果表明,在总固体(TS)质量分数8%、35℃条件下,与秸秆单相厌氧发酵相比,采用两相工艺能将沼气中甲烷含量平均由50%提高至66%,但对秸秆原料产气量没有显著影响,接种毛头鬼伞菌（编号为0901）及厌氧污泥可以加快稻秸水解,与对照相比,稻秸半纤维素、纤维素降解率分别提高了2.11倍和8.91倍,间歇曝气不仅不能抑制产酸相产甲烷,还影响总产气量,调节酸化相pH值6.0,可以有效抑制秸秆产酸相的产甲烷,水解酸化相产气所占系统比例由79.52%下降到18.88%,甲烷相产气比例由20.48%提高到81.12%,以上研究为秸秆两相厌氧发酵控制技术提供有益参考。     

搅拌转速对稻草厌氧消化性能的影响

为了提高稻草厌氧消化效率,采用批式厌氧消化,研究了不同搅拌转速（高转速120 r/min、中转速80 r/min和低转速40 r/min）对稻草厌氧消化性能的影响。结果表明,搅拌转速对稻草厌氧消化的产气性能有很大影响。高转速搅拌时厌氧消化效果较好,单位挥发性固体VS产气量为451.6 mL/g,分别比中转速搅拌和低转速搅拌提高了20%和107%;高转速搅拌的消化时间T80为46 d,比中转速搅拌缩短了16 d。高转速和中转速搅拌时,厌氧消化反应器的混合效果良好,物料混合均匀,系统中适宜的pH值和较高的碱度有利于维持系统的稳定和较高的微生物活性,其总固体TS、挥发性固体VS降解率均高于低转速搅拌,产气性能明显优于低转速搅拌。因此,增加搅拌转速可以提高稻草的厌氧消化性能。     

粪草比对干式厌氧发酵产沼气效果的影响

弄清粪草比对干式厌氧发酵产气效果的影响,对改进干式厌氧工程具有重要意义。该文按A、B、C、D设计了4组试验：A组为单独猪粪,B组为单独稻草,C组为猪粪与稻草质量比2︰1,D组为猪粪与稻草质量比1︰2。试验进行了62 d,反应温度设定为（35±1）℃,各组反应的TS（总固体）浓度均为30%。结果显示,产气曲线出现拐点的时间A组在第48 d,B组在第40 d,C组在第26d,D组在第25 d。C、D两组总产气量分别为15715 mL和13186 mL。而根据A、B两组单独原料产气量推算,C、D两组的产气潜力分别为15168 mL和13838 mL。实际测量值与计算值没有显著差别。调节粪草比可以从原料转化速率方面促进发酵效率,并不能提高原料的产气潜力。因此,粪草比改善的优势可能是改良原料结构和调节原料营养,而不是改善发酵原料的转化潜力。     

玉米秸秆储存方式对其与牛粪混合厌氧消化特性的影响

农作物秸秆是沼气生产的主要原料,但因其季节性收获特点,必须妥善储存才能为沼气全年生产提供高质量原料。该研究以玉米秸秆为原料,探索了储存方式(风干或青贮)对其厌氧消化产沼气性能的影响。首先研究比较风干秸秆和青贮秸秆的化学成分和结构特性,然后分别考查两种秸秆与牛粪在不同总固体混合比(total solids mixing ratios,TMR)条件下的产气特性。结果表明,玉米秸秆青贮后的纤维素等可消化纤维组分保存良好,风干秸秆的可溶性糖和水分损失殆尽。扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)和X-衍射(X-ray differaction,XRD)结果显示,风干秸秆的木质纤维结构紧密,青贮秸秆表面则有很多裂缝和孔洞,木质纤维暴露,纤维素结晶度(0.42)低于风干秸秆(0.46)。厌氧消化结果表明,无论风干或青贮秸秆,当牛粪与秸秆TMR值为7∶3时,累积产气量、TS/VS产气量和TS/VS产甲烷量均高于其他4种比例,且青贮秸秆的产气性能优于风干秸秆。除1∶1比例外,其余TMR条件下青贮秸秆的累积甲烷产量均高于风干秸秆,当TMR值为7∶3时青贮秸秆的累积甲烷产量最高(1 816 mL)。秸秆青贮的储存方式不仅能良好保存化学组分和水分,还有利于提高沼气产量和品质,是适用于秸秆跨季节储存和预处理的一种可行方式。     

氨化预处理对稻草厌氧消化产气性能影响

为了节省秸秆厌氧消化阶段另加N源调配营养的运行成本,同时又要保持良好产气效率。本试验选用氨化法对秸秆进行预处理,研究了不同浓度的氨对稻草厌氧消化产气性能的影响。以NH3·H2O为预处理药剂,按2%、4%、6%（相对于稻草的干质量）的NH3质量分数对稻草进行氨化,分别以50、65、80 g/L 3个不同负荷进行厌氧消化。结果表明：不同浓度的氨化预处理中,4%NH3氨化预处理效果最好。在65 g/L负荷率下,4%NH3预处理的消化70 d累积产气量为37?010 mL,消化产气量达总体积的90%（计T90）时产气量为33?920 mL,分别比未预处理稻草、2%和6%NH3预处理稻草T90时产气提高了38.3%、14.6%和8.2%,甲烷总产量分别提高了34.8%、15.1%和9.6%,比未预处理稻草同期（45 d）累积产气量以及甲烷总产量分别提高了60.8%和60.3%,产气周期提前10 d结束。消化后总固体（TS）、挥发性固体（VS）的减少量分别由41.6%和46.6%提高到了46.4%和58.6%,半纤维素和木质素质量分数分别由27.7%和6.9%减少到20.8%和5.2%,粗蛋白质量分数从4.0%提高到10.1%。本研究提供了一个有效地提高产气量的方法,研究结果将为大中型秸秆沼气工程提供设计依据。