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。     

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。     

喷淋次数和接种量对序批式秸秆牛粪混合干发酵产气性能的影响

序批式干法厌氧发酵产沼气技术可明显提高有机废弃物处理能力,但在提高以秸秆为主的农业废弃物发酵效率核心工艺及产气性能方面还缺乏系统的研究。该文通过调节喷淋次数和接种量研究了以玉米秸秆为主要原料的序批式干法厌氧发酵产气性能,并通过模型拟合、水解产物分析等手段揭示了影响水解和甲烷生产的制约因素。结果表明,调节喷淋次数和接种量均对沼气产量具有显著性影响（P<0.05）。喷淋次数为4次/d,接种量不低于质量分数20%时,沼气产量最大为251.6 L/kg。而且,产气高峰期甲烷体积分数平均为55%左右。增加接种量、提高喷淋次数可有效促进底物的水解。但是,甲烷产量、最大产甲烷率却呈现先增加后降低的趋势,并明显受到有机酸（丙酸）、氨氮积累浓度的制约,水解产物高效转化对提高产气效率具有重要作用。该研究可为改善秸秆序批式干法厌氧发酵工艺优化提供理论指导。     

猪粪对秸秆一体化两相厌氧产气的影响

为了研究秸秆与猪粪混合物在一体化两相厌氧消化工艺中的可行性,该文研究了中温条件下,在玉米秸秆原料中添加不同比例的猪粪,对秸秆一体化两相（combined two phase）厌氧消化工艺的影响,同时研究CTP反应器中上、中、下部发酵后物料的产气潜力,以解析CTP中不同部位物料的发酵情况。试验结果表明：添加猪粪可将以纯秸秆为原料的产气量从314 L显著提高至500 L左右,但会影响反应过程中的pH值、产气和产酸的稳定性,添加体积比为20%的猪粪更能促进发酵性能;CTP反应器不同部位产气潜力试验表明,中部产气量最低,以水解酸化过程为主,下部的产气量最高,以产甲烷过程,20%的猪粪体积添加量在满足CTP工艺要求的同时,更好地促进了两相分区,强化了CTP的优势。     

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。     

接种物耐酸驯化对菌糠厌氧干发酵产气的影响

为了提高厌氧干发酵体系运行稳定性,使中间产物酸及时转化为甲烷,避免出现酸抑制现象,该研究采用逐步提高乙酸浓度降低pH值的方式对接种物进行驯化,得到了在乙酸浓度10200mg/kg、pH值6.0条件下仍能快速产气的耐酸接种物,并以易水解酸化的菌糠为原料进行了厌氧干发酵试验。结果表明,驯化过程中产甲烷古菌类群的多样性下降,乙酸营养型甲烷八叠球菌丰度大幅提高,乙酸转化率和甲烷浓度逐渐提高;耐酸接种物的脱氢酶活性下降,辅酶F420和纤维素酶活性升高;添加耐酸接种物可以加快菌糠厌氧干发酵启动速度,避免酸抑制现象的发生;接种物含有75%耐酸接种物的试验组甲烷产量提高了56.1%。该研究成果能够为有效解决厌氧干发酵过程酸抑制现象提供一定的理论指导。     

玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵产沼气工艺优化

该研究针对农村户用沼气发酵中粪便类发酵原料不足、影响沼气池利用率的问题,为弥补沼气发酵原料单一及不足,将秸秆、粪便混合作为发酵原料,对秸秆粪便混合原料厌氧发酵产沼气的工艺条件进行优化研究,旨在为农村户用沼气工程的健康、稳定运行提供一定的科学依据。在前期单因素试验的基础上,采用二次回归正交旋转组合设计,以产气量为响应值,研究玉米秸秆与猪粪质量比、温度、pH值、接种物质量分数4个因素对玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵的影响,得出产气数学模型,并对数学模型进行了理论分析。通过上述试验研究,得到最佳工艺条件为:玉米秸秆与猪粪质量比为1∶1、pH值为7.5、接种物质量分数为50%、温度30℃,预测产气量为18.51 L。4因素影响主次顺序依次为原料玉米秸秆与猪粪质量比、温度、接种物质量分数、pH值;通过验证分析,模型预测值与试验值之间相对误差小于5%,方差分析不显著,模型拟合较好,为提高粪便秸秆混合原料发酵产气量和提高发酵效率提供参考。     

猪粪中温半干法连续厌氧发酵产气性能

为改善猪粪在连续型沼气工程中的容积产气效率和降低其进出料过程的热损失,该研究拟采用高浓度和小体积喂料方式进行,将新鲜猪粪分别稀释成总固体质量分数(total solid,TS)为10%、12%和14%3个水平,通过逐级缩短水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)(HRT:25 d→20 d→18.5 d)的方式来改变各组反应器的负荷。试验结果表明,当HRT:25 d时,各组平均日产气量均表现最高,约为460 m L/g,此阶段可获得85%以上的沼气转化效率;当HRT:20d时,各组均获得最大容积产气率,最高达到2.29 L/(L·d)(TS:14%);当HRT下降至18.5 d时,各组产气量均呈下降趋势,表明有机负荷已超出反应器的最大转化能力。通过综合原料产气转化效率和容积产气效率2个指标,发现进料TS为14%和HRT为25 d为较优组合条件。该研究可为在实际沼气工程中如何协调进料浓度和HRT的关系提供参考。     

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。     

高含固率秸秆和牛粪混合物料发酵产甲烷工艺

该研究针对高含固率纤维质物料难以连续厌氧发酵、甲烷产率低的问题,利用所研制的一套能连续进出料、具有高有机负荷承载力的新型反应器,以玉米秸秆和牛粪为原料,通过调控搅拌强度和投料强度在反应器内建立了"分区发酵"体系,比较了3种高含固率(10%、15%和20%)物料在不同有机负荷下的甲烷容积产率,系统研究了物料含固率、搅拌强度和投料强度对"分区发酵"体系形成功能分区的高度、各功能区的pH值和甲烷容积产率的影响,旨在为纤维质物料产甲烷提供高效的发酵工艺和可靠的运行参数。结果表明,含固率为10%和15%的反应器,甲烷容积产率随有机负荷的增加而增加,平均甲烷体积分数稳定在52%左右,二者在有机负荷分别为13.44和20.17 kg/(m3·d)时,甲烷容积产率最高,分别为1.62和1.66 m3/(m3·d),在有机负荷分别为20.17和30.0 kg/(m3·d)时,甲烷产量明显下降;含固率为20%的反应器,甲烷容积产率随有机负荷的增加基本保持不变且较低(0.98 m3/(m3·d)),当有机负荷达到30.0 kg/(m3·d)时,发酵体系酸败,甲烷产量明显下降。双因素优化结果表明,当物料含固率为10%和15%、搅拌强度为6~12 h/d、投料强度为6.5~10 d时,发酵体系可形成高效的酸化区和产甲烷区,二者的高度之比为1.1~1.6:1,甲烷容积产率可达1.63~1.69 m3/(m3·d)。综上,该反应器可实现含固率为10%~20%的纤维质物料连续进出料,并在含固率为10%和15%时能高效、稳定地产甲烷,通过调控搅拌强度和进料强度能提高其甲烷容积产率。该发酵工艺有规模化应用的前景。     

香蕉秸秆与牲畜粪便固体联合厌氧发酵产沼气的特性

为了探讨香蕉秸秆与牲畜粪便的组合对固体厌氧发酵产沼气特性的影响,该文在20%的固体质量分数和中温(35±1)℃条件下,分别开展了不同质量分数的牛粪或猪粪与香蕉秸秆的联合厌氧发酵产气性能的比较研究。结果表明,与香蕉秸秆单独厌氧消化相比较,分别组合质量分数为75%的牛粪和猪粪,沼气累积产量可提高1.3～2.0倍。虽然组合猪粪或牛粪皆可改善底物厌氧消化产气性能,促进产气量的提高,但二者对改善底物的厌氧产气特性的影响不同,组合猪粪可以显著增强产气效率。对于猪粪与香蕉秸秆的组合底物,当猪粪的质量分数为50%时,甲烷产率和累积甲烷产量达到最高值,分别为191 mL/g和12.7 L,较牛粪与香蕉秸秆的组合底物分别提高了69%和92%。而沼气产率和累积沼气产量最高值出现在猪粪的质量分数为75%时,较牛粪与香蕉秸秆的组合底物分别提高了18%和32%,达到365 mL/g和23.9 L。此外,2种牲畜粪便的组合亦可显著增强底物中纤维素和半纤维素降解,它们的降解率相较于香蕉秸秆单独厌氧消化最高可提高1.2和3.6倍。该文研究结果可为香蕉秸秆和牲畜粪便固体厌氧产沼气工程提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

NaOH预处理甘蔗叶与猪粪-牛粪混合厌氧消化工艺参数优化

为探究Na OH预处理甘蔗叶与猪粪、牛粪混合厌氧消化性能,该文在研究甘蔗叶分别与猪粪、牛粪不同配比厌氧消化性能及动力学特性的基础上,采用Box-Behnken试验设计方法开展3种物料混合厌氧消化试验,并运用响应曲面法模拟和优化温度、混配比、C/N 3个工艺参数。结果表明,甘蔗叶与动物粪便混合厌氧消化时产生了协同作用,累积沼气产量比假设未产生协同作用的理论计算值提高了8.13%～15.01%;修正的Gompertz模型可以较好地模拟2种物料混合厌氧消化的动力学过程,相关度系数大于0.998;甘蔗叶与猪粪/牛粪(1:1)混合(甘蔗叶与粪比为1)厌氧消化的最优工艺条件为:温度36.5℃,C/N比27∶1,该条件下混合物料的单位干物质产沼气量实测值为337.5m L/g,与预测值(331.92 mL/g)非常接近。     

海泡石对猪粪秸秆厌氧发酵产物中Cd的钝化效果研究

由于饲料添加剂的使用,畜禽粪便中重金属含量增加。因此,为降低厌氧发酵过程中的重金属污染风险,该文以猪粪和玉米秸秆混合为发酵原料,重金属Cd为研究对象,通过添加2.5%的海泡石作为钝化剂,在35 ℃的条件下进行为期60 d的发酵。利用H2O、KCl、Na4P2O7、NaOH、HNO3分级提取法对有机碳含量和重金属Cd在有机质中的分布变化情况进行分析,结果表明：随着发酵的进行,沼渣中有机质含量呈现前中期迅速降低,后期缓慢降低的趋势,且添加钝化剂后沼渣中有机质含量降低;总可提取态有机碳在10%～20%之间,发酵过程中胡敏酸（humic acid,HA）所占比例明显增加,富里酸（fulvic acid,FA）所占比例明显降低,HA/FA也随之增大,说明添加海泡石提高了腐殖质的腐殖化程度;沼渣中所提取的Cd含量达到总量的80%以上,其中大部分的重金属Cd存在于腐殖质中。水溶态和可交换态重金属Cd所占比例随着发酵过程的进行会逐渐降低,矿物质态和残渣态逐步增加,并且添加海泡石这种增加趋势进一步增强;沼渣中腐殖质大部分Cd主要与FA结合。随着发酵的进行,HA含量增加,FA含量降低,HA/FA也逐渐增大,增强了腐殖质中Cd的稳定性,从而降低了沼渣中重金属Cd的毒害作用。因此猪粪秸秆混合厌氧发酵或在这个过程中添加2.5%海泡石作为钝化剂可减少重金属污染的风险。     

温度与有机负荷对猪粪厌氧发酵过程的影响

为提高畜禽养殖场沼气工程能源利用效率,降低工程运行成本.该文通过全混式半连续试验,以猪粪为发酵原料,研究不同温度(20、28、38℃)和有机负荷(0.3、1.3、2.3、3.3、4.3 kg/(m3·d))条件下,甲烷产率、挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)及总无机碳(total inorganic carbon,TIC)的变化特征.结果表明:20℃条件下,反应器启动缓慢,甲烷产率低.当有机负荷增加全1.3 kg/(m3·d)以上时,反应器运行不稳定,需外加NaHCO3调节pH值;在28℃与38℃条件下,各有机负荷甲烷产率无明显差异,但是在较高有机负荷3.3和4.3 kg/(m3·d)下运行时,28℃条件下产生挥发性脂肪酸积累的现象,系统缓冲能力缺乏,VFA/TIC值分别达到0.4和0.6.当实际沼气工程低负荷率运行时,可选择28℃作为发酵温度,以达到节省能源、提高沼气工程经济效益的目的.该研究可为实际沼气工程运行管理提供数据参考.