芦苇秸秆厌氧联产氢气甲烷过程中细菌群落演替规律

基于PCR-DGGE技术研究芦苇秸秆氢气-甲烷厌氧联产过程中,细菌微生物群落结构特征和演替规律。结果表明,厌氧联产过程中细菌群落结构分布存在明显的阶段性差异。产氢阶段初期,细菌群落相似性较小,随着厌氧联产的进行,细菌种类逐渐增多并在产氢高峰期保持稳定,群落相似性较高,戴斯系数(Cs)为83.6%(第12、24小时,泳道H3和H4)。产甲烷高峰期Cs值达到87.4%(第210、258小时,泳道M6,M7),群落结构稳定,产甲烷末期Cs值降低至51.5%(第210、432小时,泳道M6,M9)。序列分析表明,Enterobacter aerogenes产气肠杆菌是具有高效产氢潜力的兼性厌氧细菌,Sedimentibacter产氢产乙酸菌是产氢阶段的优势微生物。Clostridium thermocellum嗜热纤维素菌是厌氧联产过程的优势微生物,具有降解纤维素功能,对芦苇秸秆的能源化利用起到重要作用。     

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。     

餐厨垃圾半连续乙醇型酸化两相厌氧消化产甲烷性能研究

为了解乙醇型两相厌氧消化系统性能,该研究构建了以接种酵母菌产乙醇同时产酸为特征的餐厨垃圾两相厌氧消化系统(乙醇型两相),并开展系统的进料有机负荷率由2.0 g/(L·d)逐渐提高至6.0 g/(L·d)的半连续厌氧发酵产甲烷试验。结果表明:乙醇型两相在5.0 g/(L·d)时甲烷产率为421.52 mL/g,比传统两相厌氧消化系统的394.48 mL/g,提高了6.8%。乙醇型的醇化/酸化相的水解产物中乙醇占33.4%,这有利于水解物料进入甲烷相后保持该相pH值及厌氧消化的稳定运行。与传统两相相比,乙醇型两相系统的醇化/酸化相水力停留时间减少了60%,系统的有效容积减少了10.6%,容积产甲烷率提高了18.3%。说明乙醇型两相比传统型两相系统在产甲烷性能方面具有明显的优势,且有提高系统稳定性的潜力。     

微氧预处理对有机废水厌氧消化产甲烷的影响

为了考察微氧预处理对有机废物厌氧消化产甲烷过程的影响,论文以合成废水为试验材料进行了试验研究。结果表明,在厌氧消化反应前进行一定时间的微氧预处理,可以强化水解产酸菌的作用,促进有机底物的水解酸化,从而有效促进甲烷的产生。微氧预处理4 h可以提高甲烷产量28%,提高最大产甲烷速率57.5%。10 h的预处理则对产甲烷菌具有毒害作用,甲烷产量显著降低,预处理时间过短,促进效果不明显。最佳的预处理时间为4～6 h。微氧预处理在控制好处理时间时可促进有机物水解酸化,因此可应用于复杂有机物如厨余垃圾等的厌氧发酵。     

农村生活垃圾厌氧发酵产沼气潜力研究

旨在对农村有机生活垃圾厌氧发酵产沼气的潜力进行研究。对江苏省徐州市沛县大屯街道王庄村生活垃圾分类处置中心每月一次采集样品,并对一周年十二个月份的生活垃圾样品进行批式中温厌氧发酵产气潜力研究,考察农村生活垃圾作为发酵原料周年沼气产量和甲烷产量的变化,各月份试验组的累积沼气产气量范围为447～1 398 mL、累积甲烷产气量范围为215～865 mL。并用SPSS数据分析发现农村生活垃圾含水率、TP、TK、TN、有机质、C/N、半纤维素、纤维素、木质素的含量均对产沼气潜力有影响,其中纤维素含量会对产沼气潜力有显著的正向影响关系,而TP会对产气潜力产生显著的负向影响关系,最后,该研究根据生活垃圾理化性质数据基础上建立了多元线性逐步回归最优方程,可根据农村有机生活垃圾的含水率、纤维素和木质素的含量预测其厌氧发酵产沼气潜力。     

有机负荷对厨余垃圾常温厌氧发酵产甲烷的影响

为了考察在不同有机负荷下厨余常温厌氧发酵产甲烷的特性,试验以厨余垃圾为原料,在常温（27℃）条件下,采用40L厌氧反应器进行连续式厌氧消化。结果表明,当有机负荷率控制在3.89～6.49 kg/(m3·d)之间,池容产气率可稳定在2.5～4.5 L/(L·d),原料挥发性固体产甲烷率为300.59～488.52 L/kg,平均甲烷体积分数为54.05%～56.04%,挥发性固体物去除率为55.12%～89.58%;因此,将有机负荷率控制在3.89～6.49 kg/(m3·d)之间,厨余垃圾在常温下厌氧消化可达到较高的原料产甲烷率和稳定的产甲烷过程。     

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。     

接种率及尿素添加量对农村生活垃圾厌氧发酵产甲烷的影响

为了解接种率及尿素添加量对农村生活垃圾厌氧发酵产甲烷的影响,选取3个水平的接种率(0.3、0.5、1.0)和3个水平的尿素添加量(1%、3%、5%)进行农村生活垃圾厌氧发酵实验。结果表明,在相同尿素添加量的条件下,接种率(0.3~1.0)越高越有利于甲烷产生,同时挥发性脂肪酸降解速率越快;而在相同接种率的条件下,随尿素添加量(1%~5%)的增加,甲烷产量呈先升高后降低的趋势。Gompertz动力学模型拟合结果表明,在接种率为1.0、尿素添加量为3%的条件下,厌氧发酵产甲烷延滞期较短(12 d),70 d累积甲烷产量最高(0.44 L·g~(-1)TS),发酵过程未发生酸化现象。     

组合酶催化体系产氢气的研究进展

氢是一种燃烧值高无污染的燃料。无细胞组合酶催化体系是以碳水化合物和水为底物,通过13种酶协同催化,生成2种产物：氢气和二氧化碳。该体系理论上1 mol葡萄糖可生成12 mol氢气,是微生物厌氧发酵的3倍。该文介绍了无细胞组合酶催化体系的发展历程、组成酶的特征、酶催化的步骤,最后对该体系优缺点和工业化应用进行了探讨。     

以猪粪为发酵底物厌氧发酵产氢工艺的优化

为了建立发酵工艺参数与氢气产量之间的数学模型, 以期获得较优的工艺参数,从而提高氢气产量,该文在单因素试验的基础上,采用三因素三水平的二次回归正交旋转组合设计及响应曲面分析法,建立了厌氧发酵产氢工艺中氢气产量的二次多项式数学模型,并以氢气产量为响应值作响应面和等高线,考察了以新鲜猪粪为发酵底物发酵产氢时初始pH值、水力停留时间和发酵底物中猪粪浓度3个因素及其交互作用对氢气产量的影响。分析结果表明,猪粪厌氧发酵产氢的较优工艺条件为：初始pH 5.98,水力停留时间4.123 d,猪粪干物质浓度 51.98 g/L;在此工艺条件下,氢气产率为32.4 mL/g。     

城市生活垃圾高温厌氧转化生物质能研究

城市生活垃圾的处理与处置问题已成为研究热点,在国内外已有的研究基础上,对城市生活垃圾高温厌氧(批量)发酵实验进行一些初步探索,研究了在55℃的高温条件下累积产气量与消化时间的关系,C/N与产气量的关系;消化过程中pH值变化的关系,并研究了垃圾高温发酵实验过程中沼气中的CH₄和CO₂的含量变化,其中甲烷含量可达75.3%.实验结果表明,城市生活垃圾高温消化的降解效果较好,产气量较高,启动时间短.     

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。     

膨润土改善鸡粪厌氧消化产酸产甲烷特性

为探究膨润土对鸡粪厌氧消化过程中产甲烷特性和可溶性有机酸代谢特性的影响,采用L8(23)正交试验设计,以鸡粪添加量(有机负荷率)、膨润土添加量和接种量为三因素,每个因素设置2个水平,研究了中温条件下(35±1)℃膨润土添加对鸡粪厌氧消化过程中产酸和产甲烷特性的影响。结果表明:与对照组相比,低有机负荷条件下,膨润土添加能显著(P0.05)提高鸡粪挥发性固体(volatile solid,VS)产甲烷量,添加量为3.0%和1.5%时VS产甲烷量分别提升了22.72%、27.72%(膨润土添加量不同的组差异不显著(P0.05));高有机负荷条件下,膨润土添加能极显著(P0.01)提高鸡粪VS产甲烷量,添加量为3.0%和1.5%时VS产甲烷量分别提升了78.68%和55.41%(膨润土添加量不同的组差异显著(P0.05))。当鸡粪添加量为19.91 g挥发性固体,膨润土添加量为3.0%(占干基比)和接种量为80 m L(体积分数20%)时,单位挥发性固体产甲烷量最高为301.92 m L/g,比对照组高87.8%,此时可变成本也最低为2.43元/m~3,比两对照组分别低1.29和1.68元/m~3。方差分析表明:膨润土添加可提高鸡粪厌氧消化过程中挥发性脂肪酸,pH值,可溶性有机碳和可溶性无机碳的稳定性。膨润土可加强鸡粪厌氧消化系统的稳定性,降低产甲烷的可变成本,为膨润土强化鸡粪厌氧处理提供了试验验证据。     

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。     

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。     

三价铁离子促进玉米秸秆厌氧发酵

厌氧消化是农业废弃物资源化利用的有效途径之一。微量元素是影响有机废弃物厌氧产沼气性能的重要生态因子,其中铁对有机废弃物的厌氧发酵过程的效率和稳定性作用最为显著,而通常秸秆的含铁量很低。因此,该试验以玉米秸秆为例,研究了初始FeCl3加入量分别为0.1%、0.2%、0.5%、1.5%、3%、6%（基于秸秆的挥发性组分）时秸秆厌氧发酵产沼气、产甲烷过程以及沼液沼渣特征。结果表明初始FeCl3加入量为3%,秸秆的厌氧产甲烷效率相对于对照（加入量0%）提高了14%。X射线衍射分析结果表明FeCl3存在时,沼渣中纤维素的结晶度显著降低。沼渣的组分分析结果表明FeCl3的存在有助于提高玉米秸秆中纤维素及半纤维素的分解效率,从而提高了秸秆产甲烷效率。该研究可为农业废弃物甲烷化利用提供参考。     

鲜水葫芦与其汁液厌氧发酵产沼气效率比较

为开发高效处理水葫芦的厌氧发酵产沼气技术,该文在35℃中温条件下,分别以鲜水葫芦和经固液分离的水葫芦汁为发酵底物,应用实验室自行设计的2套完全混合搅拌反应器(CSTR)进行了厌氧发酵比较研究。结果表明,以水葫芦为底物直接进行厌氧发酵,最大容积负荷为2.0kg/(m3·d),挥发性固体(VS)产气率为267mL/g,容积产气率为0.61m3/(m3·d),滞留期为27d,平均甲烷体积分数为58%,而以水葫芦汁为底物,COD(化学需氧量)容积负荷可达6.0kg/(m3·d),原料(COD)产气率为231mL/g,容积产气率可达1.4m3/(m3·d),平均甲烷体积分数为66%,滞留期仅需2.4d,COD平均去除率达85%,MLVSS(挥发性悬浮物浓度)平均去除率可达88%。因此,对水葫芦进行固液分离,以水葫芦汁作为厌氧发酵原料可大大提高处理效率,为水葫芦资源化利用提供了一条新途径。     

葡萄酒生产废弃物与剩余污泥厌氧共消化研究进展

厌氧消化技术被广泛应用于多种行业废弃物的处置。然而,葡萄酒生产废弃物浓度高、pH值低以及季节性变化的特性容易造成负荷冲击,导致反应器微生物流失、运行不稳定。同时,剩余污泥组分复杂、水解率低导致产气效率低。厌氧共消化具有均衡营养素、减缓抑制效应、丰富菌群多样性和提高甲烷产量等优势,也逐渐成为一种重要的葡萄酒生产废弃物与剩余污泥的处置方式。尽管已有二者在不同运行策略下共消化性能的研究,但仍未有报道阐明其共消化的影响因素以及基于葡萄酒生产废弃物特性建立直接种间电子传递的研究进展。因此,该文介绍了葡萄酒生产废水与剩余污泥、葡萄酒生产固体废弃物与剩余污泥的共消化进展,并分别归纳了2种体系中影响消化效能的主要因子;随后总结了共消化体系中基于乙醇建立的直接种间电子传递的研究进展;最后,围绕以上内容展望了共消化技术在葡萄酒生产废弃物与剩余污泥协同处理的前景。