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,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1.27～2.35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）12～19 d;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。     

秸秆厌氧消化产甲烷的研究进展

近年来,随着国际能源紧缺与环境污染的日趋严重,秸秆厌氧消化产甲烷技术再次成为国内外学者研究生物质固废处理的热点之一。农作物秸秆厌氧消化产甲烷为大量廉价易得的生物资源转化为可再生能源提供了一个新机会。通过厌氧消化,不仅改善农村生态环境质量,还产生了清洁能源沼气,真正实现变废为宝,对解决农村用能和种植业污染问题有重要意义,也是目前中国最有希望实现产业化的生物质能源之一。然而,由于秸秆的特殊物理化学结构,使得微生物与酶很难对其吸附、降解,并因此限制了秸秆厌氧消化的推广、应用。尽管在当前中国的鼓励政策下,许多秸秆沼气示范工程建成并投入生产,但实际运行中依旧有些问题亟待解决。该文根据国内外关于秸秆厌氧消化产甲烷技术的最新研究成果,基于厌氧消化原理和原料特性分析的基础上,分析了影响秸秆产甲烷的因素及不足,总结了产气优化的方法,展望了秸秆厌氧消化产甲烷的发展方向。该项研究结果对推广秸秆厌氧消化产甲烷、加快生物质固废的资源化成果转化具有积极的推动意义。     

Anaerobic digestion of wastewater derived from the pressing of orange peel generated in orange juice production

A study of the anaerobic digestion of wastewater from the pressing of orange peel generated in orange juice production was carried out in a laboratory-scale completely stirred tank reactor at mesophilic temperature (37 degrees C). Prior to anaerobic treatment the raw wastewater was subjected to physicochemical treatment using aluminum sulfate as a flocculant and to pH reduction using a solution of sulfuric acid. The reactor was batch fed at COD loads of 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, and 5.0 g of COD. The process was very stable for all of the loads studied, with mean pH and alkalinity values of 7.5 and 3220 mg of CaCO3/L, respectively. The anaerobic digestion of this substrate was found to follow a first-order kinetic model, from which the specific rate constants for methane production, K(G), were determined. The K(G) values decreased considerably from 0.0672 to 0.0078 L/(g h) when the COD load increased from 1.5 to 5.0 g of COD, indicating an inhibition phenomenon in the system studied. The proposed model predicted the behavior of the reactor very accurately, showing deviations of <5% between the experimental and theoretical values of methane production. The methane yield coefficient was found to be 295 mL of CH4 STP/g of COD removed, whereas the mean biodegradability of the substrate (TOC) was 88.2%. A first-order kinetic model for substrate (TOC) consumption allowed determination of the specific rate constants for substrate uptake, K(C), which also decreased with increasing loading, confirming the above-mentioned inhibition process. Finally, the evolution of the individual volatile fatty acid concentrations (acetic, C2; propionic, C3; butyric, C4; isobutyric, iC4; valeric, C5; isovaleric, iC5; and caproic, C6) with digestion time for all loads used was also studied. The main acids generated were acetic and propionic for all loads studied, facilitating the conversion into methane.     

猪场厌氧出水后续处理效果的测定

针对猪场污水厌氧处理出水的有机物浓度高，后续处理困难的问题，该试验对石灰混凝法处理猪场高浓度厌氧出水的效果进行了测试，并与氧化塘的处理效果进行比较分析。试验中选择了1和5g／L两种石灰投加剂量，对沉淀1、2、3、4、5和6h的净化效果进行取样分析；并对氧化塘猪场污水处理工艺连续取样三天，分析处理效果。结果表明：石灰混凝法投加剂量为5g／L、沉淀时间为5h时，对COD的去除率高达57.8％，明显好于氧化塘的去除效果；但对氨氮的去除率低于氧化塘。石灰混凝法沉淀时间短，基建投资小，可作为猪场污水进入二级处理或深度处理工艺前的可选择性过渡工艺。     

猪场厌氧出水后续处理效果的测定

针对猪场污水厌氧处理出水的有机物浓度高,后续处理困难的问题,该试验对石灰混凝法处理猪场高浓度厌氧出水的效果进行了测试,并与氧化塘的处理效果进行比较分析。试验中选择了1g／L和5g／L两种石灰投加剂量,对沉淀1、2、3、4、5和6h的净化效果进行取样分析;并对氧化塘猪场污水处理工艺连续取样三天,分析处理效果。结果表明:石灰混凝法投加剂量为5g／L、沉淀时间为5h时,对COD的去除率高达57．8％,明显好于氧化塘的去除效果;但对氨氮的去除率低于氧化塘。石灰混凝法沉淀时间短,基建投资小,可作为猪场污水进入二级处理或深度处理工艺前的可选择性过渡工艺。     

食品废物两相高温半干法厌氧发酵生产沼气初步研究

为了提高两相厌氧发酵工艺的生产性能,该文研究了一种新的两相半干法厌氧发酵沼气生产系统,即在水解相中批式发酵,每次从工作容积为4 L的产烷相中取500 mL接种液,与食品废物混合后发酵1～2 d,再全部输入产烷相继续生产沼气,如此循环.实验运行温度为50℃,食品废物总固体TS和挥发性固体VS分别为19.3%和16.1%,产烷相先在4gVS·d-1的进料率下单相运行至稳定,稳定期日产气量为(4.09±0.03)L(甲烷占69.0%),pH为7.50±0.02,TS和VS分别为(1.05±0.02)%和(0.64±0.02)%.稳定的产烷相与水解相联合后,水解相在60～700 g的进料量下都能正常产气,但氢气含量较低.产烷相在进料量600g时产气量最高,为29.1 L/d,随后受到抑制,受抑制前的甲烷含量为72.4%～74.0%,TS和VS含量也在该进料量后达到最高峰,分别为3.50%和2.32%.研究结果表明新的两相半干法厌氧发酵沼气生产系统有效提高了生产性能,在今后的研究中,需要降低从产烷相输入水解相的接种液量,以更好抑制水解相产烷微生物,提高产氢性能,还可使产烷相更加稳定,承受更高的进料量.     

农村有机生活垃圾等混合物料厌氧发酵产沼气性能

为获得有机生活垃圾、玉米秸秆和牛粪混合物料厌氧发酵产沼气性能,为农村废弃物沼气工程高效运行提供依据,在初始总固体（TS）为12%和中温（35±1）℃条件下,考察了有机生活垃圾、玉米秸秆与牛粪三物料不同湿基质量比（1∶0∶2、1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5、1∶2∶0）对厌氧发酵过程的影响。结果表明：与双物料混合厌氧发酵相比,三物料混合厌氧消化能显著提高原料产气率,有机生活垃圾、玉米秸秆和牛粪配比为1∶1∶1的组合单位TS累积产气量高于其他处理;不同发酵物料配比能影响厌氧发酵完成时间,随着秸秆比例的增加,完成厌氧发酵的时间逐渐增长,有机生活垃圾和牛粪的组合与三者配比为1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5和1∶2∶0的处理相比,厌氧发酵完成时间分别缩短了12、15、19、22 d;三物料混合发酵适宜的配比能平衡发酵系统中酸的浓度,防止系统酸化,并能提高纤维素半纤维素降解率。综上认为三物料最佳配比为1∶1∶1。     

红霉素菌渣厌氧消化产气潜能及动力学特性

为探究未经脱抗预处理的抗生素菌渣作为单一底物厌氧无害化处理的可行性,该研究以新鲜的红霉素菌渣（erythromycin fermentation residue,EFR）及其上清液为原料,在常温（20 ℃）、中温（35 ℃）和高温（55 ℃）条件下开展产气潜能及其动力学研究。研究结果表明：中温条件下,EFR获得最高的累积甲烷产量,为460 mL/g,比常温和高温时分别提高了163%和55.5%.通过一级动力学模型可以看出,EFR的产甲烷过程呈现明显的两阶段特性,其中高温时的产甲烷速率（ k₁ =0.1 422 d^-1）显著高于常温（k₁ =0.0 429 d^-1, P<0.05）和中温（k₁ =0.0 363 d^-1, P<0.05）。物料衡算分析显示,随着发酵温度的升高,EFR的水解转化率逐级提高,高温时最高为87%,表明高温条件下菌渣中残留的红霉素对水解菌基本未产生抑制作用。未经脱抗处理的EFR可直接作为厌氧发酵的原料,为菌渣的减量化和资源化处理提供了新的思路。     

提高沼气产量的外源添加物筛选研究

目前,大部分农村沼气池存在着沼气产量不高的问题,而一些外源添加物可以通过加速厌氧发酵的水解速率或刺激产甲烷菌的新陈代谢过程提高沼气产量.该文分别以猪粪和产甲烷培养基为底物进行厌氧发酵,筛选出能提高沼气产量的外源添加物,并将其进行优化组合,得出最佳用量.试验结果表明:以猪粪为底物进行发酵时,添加啤酒糟能促进底物水解、提高产气量,前4 d的池容产气率比对照高23.17%;以产甲烷培养基为底物时,蛋白胨氨基酸等混合物(物质M)和微量元素液Ⅱ均可刺激产甲烷菌代谢、促进产气,发酵第23 d的累计产气量分别比对照高51.02%和13.37%;随后将筛选出的三种外源添加物进行以猪粪为底物的正交及验证试验,综合考虑促气效果及经济性得出最优组合为微量元素液Ⅱ 10 mL/L,啤酒糟2.5 g/L,物质M 0.05 g/L,该组合在沼气池试验中能提高28.46%的产气量.该试验结果为一种沼气促进剂的研制奠定基础.     

猪场废水厌氧发酵前固液分离对总固体及污染物的去除效果

养殖废水中高浓度污染物质主要来自于固态粪污的溶解或微生物的分解作用,在废水产生后立即进行固液分离,可以有效将废水中还未溶解的固态物质分离出去,从而降低废水中污染物的含量和减轻后续生化处理的压力。该研究以猪场废水为研究对象,采用离心分离方式对废水进行固液分离,主要考察废水中总固体、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)及氮磷化合物的去除效果。结果表明,离心分离可使废水中总固体去除50%~65%,COD去除效率在45%~55%,N、P元素的去除率在30%~50%之间。通过甲烷化潜力测试研究,发现离心分离可使废水中可厌氧生化物质去除50%以上,这可大幅节约生化处理池的建造体积和处理周期。以万头猪场日产100 t废水量为例,生化前离心处理较直接生化处理可节约45%的废水处理成本。该研究可为大中型养殖场就如何节约废水处理工程投资和处理成本上提供新的设计思路与参考依据。     

互花米草厌氧生物转化可行性分析与试验研究

针对互花米草这一广泛分布在中国海滩上的外来植物的资源化利用问题,通过对其生物结构的SEM观察,以及化学组成的测试分析,探讨了对其进行厌氧生物转化利用的可行性;同时,在35℃条件下采用批量发酵方式进行了厌氧发酵试验。结果表明：无论是从生物结构还是从化学组成来看,互花米草都具备作为厌氧发酵所需的基本条件,但其很高的Na元素含量（22683 mg/kg）,以及高达58.45的C/N是其厌氧发酵面临的不利因素;互花米草可以顺利的进行厌氧发酵,试验条件下的原料产气率为251 mL/g TS,原料转化率为41.3％。因此,厌氧生物转化可以作为互花米草资源化利用的一条有效途径。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

葵花粕中分离蛋白的成分及特性

该文以水酶法提取葵花籽油后的葵花粕为原料,通过盐提酸沉法提取其中的分离蛋白,并对其进行组分分析、氨基酸成分分析、电泳图谱分析和凝胶色谱分析,同时对其溶解性、吸水性、吸油性、乳化性和起泡性等功能特性进行研究。结果显示葵花籽分离蛋白的氨基酸组成与FAO必须氨基酸需要量模式相比赖氨酸含量较低,功能特性好于或接近大豆分离蛋白。葵花分离蛋白含有3个主要组分,其分子量分别为380×10³,100×10³和27×10³,绿原酸与分离蛋白紧密结合。     

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。