基于近红外光谱的沼液挥发性脂肪酸含量快速检测

挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFA)作为厌氧发酵过程的重要中间产物,其在厌氧反应器中的累积能够反映出产甲烷菌的不活跃状态或厌氧发酵条件的恶化。为了实现对农牧废弃物厌氧发酵进行过程分析和状态监控,将近红外光谱(Near Infrared Spectroscopy,NIRS)与偏最小二乘(Partial Least Squares,PLS)相结合构建玉米秸秆和畜禽粪便厌氧发酵液乙酸、丙酸和总酸含量快速检测模型。将竞争自适应重加权采样法(Competitive Adaptive Reweighted Sampling,CARS)与遗传模拟退火(Genetic Simulated Annealing,GSA)算法相结合构建CARS-GSA算法对沼液中的乙酸、丙酸和总酸进行特征波长优选,原始光谱数据1 557个波长点经预处理和波长优选后,得到乙酸、丙酸和总酸特征波长变量分别为135、101和245个,建立的回归模型验证决定系数分别为0.988、0.923和0.886,预测均方根误差(Root Mean Squared Error of Prediction,RMSEP...     

基于近红外分析技术检测大豆脂肪酸含量的研究

为探索近红外光谱技术在大豆脂肪酸测试中的应用,寻找一种快速的检测方法。以黑龙江省各地的25份大豆品种为材料,采用Perten8620型近红外光谱仪对搜集到的样品进行扫描并得到光谱数据,采用多元线性回归(MLR)和偏最小二乘法(PLS)对试验数据进行了多元统计分析。结果表明：在1700～2300 nm范围内检测大豆脂肪酸含量是可靠的,并且PLS模型的性能优于MLR模型。该文还对近红外仪中的滤光片组合作了初步探讨,表明不同的滤光片组合对测量精度有一定影响。     

近红外光谱式联合收割机谷物蛋白质含量检测系统设计

为了实现谷物联合收割机收获时实时在线检测谷物的蛋白质含量并记录采样地理位置信息,研发了一种基于近红外光谱原理的谷物蛋白质含量在线检测系统,系统主要由近红外光谱传感器模块、螺旋采样输送机构、控制模块、GPS/北斗定位模块、工控显现一体机等组成。谷物联合收割机近红外光谱式蛋白质含量在线检测系统工作时,当联合收割机出粮搅笼排出的谷物经过螺旋采样输送机构,采样机构的步进电机根据检测速率要求由控制器控制并间断进行谷物输送,控制器同时控制近红外光谱传感器在步进电机停止转动时进行光谱采样,谷物的近红外光谱和GPS/北斗定位模块位置信号等数据由RS485总线传输至上位机。编制了近红外传感器和采样机构等的控制与数据处理分析软件,经谷物蛋白质含量预测模型处理后,将谷物蛋白质、采样位置信息等实时显示在终端上并保存。为了验证谷物蛋白质含量预测模型及在线检测系统的性能,开展了室内标定和田间系统动态测试试验,小麦蛋白质含量预测模型的决定系数R2为0.865,绝对误差范围为-0.96%～1.22%,相对误差范围在-7.30%～9.53%,预测标准差值为0.638%;水稻蛋白质含量预测模型的决定系数R2为0.853,绝对误差范围为-0.60%～1.00%,相对误差范围为-8.47%～9.71%,预测标准差值为0.516%。系统田间测试试验表明,小麦蛋白质含量的最大相对误差为-6.69%,水稻蛋白质含量的最大相对误差为-8.02%,采样分析时间间隔对系统测试精度的影响不显著,系统稳定性和检测精度达到田间谷物蛋白质在线检测需要,为精准农业作业提供了科学依据。     

霉变稻谷脂肪酸含量的光谱检测模型构建与优化分析

为了实现霉变稻谷脂肪酸含量无损、快速检测,该文研究应用可见/近红外光谱技术检测霉变稻谷的脂肪酸含量。考虑到直接选用霉变稻谷可见/近红外光谱数据构建脂肪酸含量预测模型存在建模费时、预测失准等问题,研究提出了霉变稻谷脂肪酸含量的可见/近红外优化校正模型。研究中通过光谱-理化值共生距离(sample set partitioning based on joint xy distance,SPXY)算法结合偏最小二乘法初步分析了不同校正集样本预测霉变稻谷脂肪酸含量的差异;利用连续投影算法(SPA)提取了反映霉变稻谷脂肪酸含量变化的特征波段;采用偏最小二乘法(partial least square,PLS)和多元线性回归法(multivariable linear regression,MLR)分别建立了基于特征波段光谱反射值的霉变稻谷脂肪酸含量预测模型,并对比分析了采用SPXY样本集划分的模型预测效果。结果表明:采用SPXY法筛选出的65个校正集样本分布与初始校正集相近,脂肪酸含量变化范围为18.55~127.26 mg,其标准差为32.39;SPA算法最终从256个全光谱波段中优选出9个特征波段,实现了光谱数据的压缩;分别建立的SPXY-SPA-PLSR模型和SPXY-SPA-MLR模型预测霉变稻谷脂肪酸含量相关系数RP为0.922 1和0.915 9,预测均方根误差RMSEP为13.889 3和14.261 0;SPXY筛选校正集所构建模型预测精度与初始校正集所建模型相当,但校正集样本数量减少为初始校正集的41%,运算时长缩短为初始样本集的32%,提高了模型的校正速度。     

基于dbiPLS-SPA变量筛选的固态发酵湿度近红外光谱检测

为了提高基于近红外光谱技术的固态发酵关键过程参数——湿度快速检测的精度和稳定性,研究采用动态反向区间偏最小二乘（dbiPLS）法结合连续投影算法（SPA）进行最佳光谱子区间和特征组合变量的筛选,通过交互验证法确定偏最小二乘（PLS）模型的主成分因子数,并以预测均方根误差（RMSEP）和相关系数（Rp）作为模型的评价标准。试验结果显示,最佳dbiPLS-SPA模型筛选的组合变量个数为8,其RMSEP和Rp分别为1.1795%（质量分数）和0.9430。试验结果表明,dbiPLS-SPA是一个有效的波长组合变量筛选方法,可简化模型结构、增强模型精度和稳健性。     

膨润土对猪粪厌氧发酵重金属铬钝化的影响

随着饲料工业的发展,铬(Cr)等重金属元素作为饲料添加剂在规模化养猪场中广泛应用,且由于猪对重金属吸收利用率低,Cr等重金属元素积累在猪粪中.厌氧发酵是中国政府倡导的处理畜禽粪污的有效途径,但经厌氧发酵,重金属仍残留在沼肥中.重金属的危害与其形态密切相关.因此,为减少沼肥中重金属污染、提高其资源化安全利用提供科学依据,...     

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。     

牛粪好氧发酵挥发性物质排放特征及恶臭物质分析

不同原料好氧发酵产生的臭气物质组分和浓度存在差异。以牛粪和玉米秸秆为原料研究好氧发酵过程挥发性有机物（Volatile Organic Compound,VOCs）的产排特征及主要致臭物质,开展牛粪好氧发酵试验,采用气相色谱-质谱法分析测定发酵升温期、高温期、降温期及腐熟期等不同发酵阶段的VOCs组分和浓度,硼酸溶液吸收,盐酸滴定法测定NH3,便携式检测器（Tion NH3-H2S 300 G）测定H2S,3点比较式臭袋法测定不同发酵阶段臭气浓度。结果表明,牛粪好氧发酵过程中共检出31种VOCs,其中含硫化合物4种,醇类1种,酯类1种,酮类1种,卤代烃4种,苯系物9种,烷烃类8种,烯烃3种;在好氧发酵高温期臭气浓度最高为724（无量纲）,VOCs产生与排放主要在高温期。基于恶臭污染排放标准和恶臭物质气味活度值,并结合各物质检出率、GS-MS图谱及相关性分析,发现NH3、H2S、甲硫醚是牛粪好氧发酵过程的主要致臭物质;其次芳香族化合物对臭气浓度贡献也相对较大,应进行重点监测与控制。该研究可为牛粪好氧发酵过程臭气物质减控提供理论支撑。     

不同预处理玉米秸秆对猪粪厌氧发酵重金属镉钝化效果

由于养殖饲料中重金属添加剂的使用,使畜禽粪便中重金属含量增加。为减少畜禽粪便重金属的污染,该研究以猪粪为发酵原料,通过添加不同预处理(稀H2SO_4处理、Na OH处理)的玉米秸秆,在温度35℃,接种物量30%,总固体(Total Solid,TS)浓度为10%,pH值为7.0,C/N比为25的条件下进行90 d厌氧发酵试验,旨在研究添加玉米秸秆对重金属Cd钝化效果的影响。结果表明:猪粪厌氧发酵过程中添加玉米秸秆有利于重金属Cd从有效态转化为稳定态;猪粪在厌氧发酵过程中添加玉米秸秆能提高重金属Cd的钝化效果,添加碱处理玉米秸秆钝化效果最佳,为32.38%,添加稀酸处理玉米秸秆的处理钝化效果次之,为32.00%。显著性分析表明,猪粪厌氧发酵过程中添加酸碱处理玉米秸秆对重金属Cd的钝化效果显著高于猪粪单独发酵和添加不经过处理的玉米秸秆(P0.05),而添加稀酸处理秸秆与添加碱处理秸秆重金属钝化效果差异不显著(P0.05);傅立叶红外光谱法(Fourier Transform Infrared Spectrometer,FTIR)显示厌氧发酵后,沼渣中碳水化合物、蛋白质、脂肪族化合物等有机物含量减少,腐殖质含量增加,添加玉米秸秆后有机物腐殖化程度有所提高,且添加碱处理玉米秸秆时有机物腐殖化程度较好,其次是添加酸处理玉米秸秆的处理。因此在猪粪厌氧发酵过程中适量添加经过酸、碱处理的玉米秸秆,可以降低沼渣中重金属Cd的生物有效性。研究结果可为畜禽粪便厌氧发酵重金属钝化提供参考。     

典型粪污处理模式下规模养猪场农牧结合规模配置研究Ⅱ. 粪污直接厌氧发酵处理模式

粪污直接厌氧发酵模式是当前我国畜禽粪污处理的另一种主要模式。研究粪污直接厌氧发酵模式下规模养猪场农牧结合适宜规模配置对于减少畜禽粪便污染、促进畜牧业可持续发展具有重要意义。本研究以存栏万头猪场为例,采用分步逐级计算的方法估算典型粪便处理模式——粪污直接厌氧发酵模式下,规模养猪场废弃物完全消纳的不同种植模式农田匹配面积,并研究了基于作物养分需求的不同种植模式农田畜禽粪便承载量,以期为畜牧业废弃物减排、农牧结合生态模式建立提供理论依据。结果表明:粪污直接厌氧发酵处理模式,以沼渣和沼液全部在农田安全消纳为目标,万头猪场需要配置的最少农田面积分别为粮油作物地272.5~285.4 hm2,或茄果类蔬菜地149.4~188.2 hm2,或果树苗木地599.4~1 248.8 hm2;该模式下粮油作物地、茄果类蔬菜地、果树苗木地每公顷分别可承载35~37头、53~67头、8~17头存栏猪排放粪便的发酵沼渣和沼液。规模养猪场应根据猪养殖数量及其周边农田面积,选择适宜的粪污处理模式及种植作物类型,因地制宜,合理调控。为了确保作物养分需求,所有作物种植模式沼液施用后还需要补充一定量的化肥。本文中9种模式均需补充钾肥,其中,辣椒-黄瓜模式钾肥补充量最高,占其需求量的48.0%;黄瓜-蕃茄模式其次,占其需求量的34.4%;粮油作物、梨和茶叶还需同时补充氮肥,补充量为51.2~193.7 kg·hm-2;茄果类蔬菜、葡萄和桃则需要补充13.8~108.8 kg·hm-2的磷肥。     

不同原料配比对厌氧发酵过程中产气量VFA和脱氢酶活性的影响

以牛粪和小麦秸秆为发酵原料,研究了不同牛粪（M）与小麦秸秆（S）的干物质配比（牛粪与秸秆的比例为1∶1、2∶1和3∶1）对厌氧发酵产气过程的影响。结果表明,添加小麦秸秆处理的产气量显著高于秸秆与牛粪单独发酵处理（P〈0.05）,其中牛粪与秸秆的配比是1∶1的产气量为（31823.7±691.2）mL,比秸秆、牛粪以及牛粪与秸秆比例为2∶1和3∶1四个处理的产气量分别提高了208.7%、11.5%、2.8%和5.2%。因此,以M∶S=1∶1进行混合厌氧发酵效果最好。挥发性脂肪酸（VFA）与日产量间呈极显著性正相关（P〈0.01）,但脱氢酶活性与产气量相关性不显著（P〉0.05）。     

果蔬垃圾重复批次发酵协同制备乳酸和短链脂肪酸

利用果蔬垃圾厌氧合成中链脂肪酸（medium-chain fatty acids,MCFAs）等化学品是厌氧技术高值化的重要方向。中链脂肪酸合成通常需要以乳酸/乙醇（电子供体）和短链脂肪酸（电子受体）为碳源进行碳链延长反应。因此,利用有机废弃物连续、稳定地协同制备乳酸和短链脂肪酸是中链脂肪酸合成的关键步骤。该研究考察了果蔬垃圾重复批次发酵协同制备乳酸和短链脂肪酸（short-chain fatty acids,SCFAs）的可行性,研究了不同置换率和进料浓度对果蔬垃圾重复批次发酵产酸特性的影响。结果表明,调控重复批次发酵的置换率和进料浓度是提高生产率、改善乳酸/SCFAs比例的有效方法。综合考虑酸化产物的生产率、乳酸/SCFAs比例和碳源浓度,在70%置换率和8%进料TS(total solid)浓度条件下获得的酸化产物相对更有利于MCFAs的合成。此时,酸化产物生产率达到（5.25±0.25）g/(L·d),乳酸/SCFAs的碳摩尔比例达到5±0.3,碳源浓度达到（985±29）mmol C/L。微生物群落分析显示,乳酸菌,如Lactobacillus和Enterococcus作为优势菌通过异型乳酸发酵协同制备乳酸和SCFAs。研究结果可为果蔬垃圾的高值化利用提供参考。     

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。     

猪粪好氧发酵过程中挥发性有机物组分分析及致臭因子的确定

为了控制猪粪好氧发酵中产生的挥发性有机物(volatile organic compounds)及主要致臭物质,开展了猪粪好氧发酵试验,通过连续监测猪粪好氧发酵过程中所排放的挥发性气体,研究猪粪好氧发酵中产生的VOCs组分及其致臭因子。研究表明,在猪粪好氧发酵过程中共产生33种挥发性物质,除氨气和硫化氢外,共有31种VOCs,包括芳香烃12种,醛类8种,硫醇硫醚类4种,卤代烃4种,酮类2种,胺类1种;猪粪好氧发酵中主要致臭物质为:二甲二硫、甲硫醚、二甲三硫、乙醛和硫化氢,并建议将甲硫醚作为猪粪好氧发酵中产生的恶臭污染指示物。该研究可为猪粪堆肥过程中恶臭物质的监测、制定控制策略提供参考。