牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵产沼气工艺优化分析

牛粪与水稻秸秆混合物进行厌氧发酵,不仅能够产出生物质能源、改进能源结构,还能降低农业废弃物对生态环境造成的危害,促进生态、经济同步发展。在牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵过程中,原料配比、预处理剂差异、外部温度等因素都会影响厌氧发酵效果。为了促进生物质能源生产效率与质量的进一步提升,本文开展试验优化牛粪与水稻秸秆混合物厌氧发酵产沼气工艺。结果表明,水稻秸秆和牛粪按照1∶1比例获取混合物进行厌氧发酵,并将浓度为2%的H_2O_2作为预处理剂,厌氧效果最佳。     

厌氧发酵牛粪对浮萍生长和养分吸收的影响

养分从牛粪到农田的循环利用是养牛场可持续发展、资源利用和环境保护的重点研究内容。利用奶牛场废水种植水生植物被认为是一种有效的废水处理及养分循环的方法。本文研究了3种浮萍[少根紫萍0128（Landoltia punctata 0128）、膨胀浮萍7589（Lemna gibba 7589）和小浮萍9517（Lemna minuta 9517）]在厌氧发酵过的奶牛场废水中种植时的养分吸收和生物质变化。在28 d的测试期间,种植在稀释比例为1：18的厌氧发酵过的牛奶场废水中的少根紫萍01283获得最高的总氮吸收率（11.6%±1.6%）,种植在稀释比例为1：27厌氧发酵过的牛奶场废水中的少根紫萍0128获得最高的总磷吸收率（15.4%±4.4%）;相应地少根紫萍鲜重的增长率分别为0.11 g·d^-1和0.17 g·d^-1。3种浮萍中,少根紫萍最具有吸收牛奶场废水氮、磷并获得较高生物质的潜力。     

畜禽粪便厌氧发酵过程抗生素抗性基因归趋及驱动因子分析

针对畜禽养殖业抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)污染问题,该文选取厌氧发酵技术,对比不同厌氧发酵体系内ARGs消长与潜在宿主菌,挖掘不同因子与ARGs的相互关系。结果表明,厌氧发酵体系内微生物群落变化是ARGs消长的主要驱动因子,确定ARGs的潜在宿主菌是目前研究的难点;抗生素和重金属也是ARGs消长的重要驱动因子,控制抗生素污染和重金属污染可有效减缓ARGs污染;可移动遗传元件在ARGs水平传播过程中起着重要作用。综合而言,厌氧发酵体系内各个因子直接或间接影响ARGs消长,其中工艺参数是控制整个厌氧发酵体系的先决因素,在特定工艺参数下,微生物群落与体系物化指标相互影响与制约;微生物通过分子内部可移动遗传元件实现ARGs在不同微生物之间的水平传播。综上所述,通过综合协调各类因子实现厌氧发酵体系内ARGs消控是今后研究重点。     

存储时间对玉米秸秆理化性状及产甲烷潜力的影响

收割后的秸秆需要经过时间不等的存储后进入到厌氧系统生产沼气,而秸秆的存储时间不同对产甲烷潜力有一定的影响。该文对收割后的玉米秸秆分别经过0、2、5、10、20、30和45 d自然堆放存储,分析不同存储时间秸秆的理化性质变化以及对产甲烷潜力的影响。通过分析不同存储时间秸秆的感官性状、总固体(totalsolid,TS)、挥发性固体(volatile solid,VS)、pH值、木质纤维素、叶绿素、挥发性脂肪酸(volatile fat acid,VFA)等理化性质,发现秸秆存储20 d后各个性状趋于稳定。对不同存储时间处理的秸秆进行产甲烷潜力(biochemical methane potential,BMP)测试,结果显示,存储0、2、5、10、20、30、45 d的BMP分别为325.49、315.35、297.85、296.71、295.25、287.83、291.01 mL/g(以VS计)),随着存储时间的增加,BMP总体上呈下降趋势,且存储0～5 d的下降较快,存储大于5 d的秸秆BMP结果相近。试验得出,秸秆存储时间不同对产甲烷潜力有明显影响,主要由于受到多种原料性质的影响,尤其是木质纤维素、可溶性化学需氧量、还原糖、挥发性脂肪酸。研究结果可为工程化秸秆沼气项目和生物天然气项目的运行提供参考。     

畜禽粪便与秸秆厌氧-好氧发酵气肥联产碳氮元素变化研究

传统沼气工程的气肥联产工艺中,厌氧发酵产气与好氧发酵产肥互相独立,产气和产肥周期均较长、有机肥品质差,影响工程的高效运行。为缩短发酵周期、提高产气效率和有机肥品质,该研究将猪粪、鸡粪和秸秆混合进行15和30 d的干法厌氧发酵,将得到的沼渣添加秸秆辅料混合,分别设置65%和70%的发酵物料初始含水率进行15 d的高温好氧发酵,对比分析了不同厌氧-好氧发酵组合对产气和产肥的影响。结果表明:厌氧发酵阶段,混合物料的日产气率自发酵开始后逐渐上升,并在第8天达到最高峰,至第15天降至峰值的50%以下,此时累积产气量达到30 d发酵周期的71%,平均容积产气率达到1.91 m~3/(m~3?d),比发酵30 d平均容积产气率高41.5%。好氧发酵阶段,各处理组碳元素含量持续下降,氮元素含量先下降后增加,所得发酵产物均达到腐熟标准。采用15 d厌氧发酵所获得的沼渣进行好氧发酵,所得发酵产物的电导率、腐殖化程度和发芽指数均优于采用30 d厌氧发酵所获得的沼渣进行好氧发酵所得的发酵产物,同时总有机碳和总氮含量也较其分别提高了6.0%～21.7%和3.0%～10.2%,不同好氧发酵物料初始含水率对发酵产物的品质影响较不明显。因此,采用厌氧、好氧发酵周期均为15 d的组合,可缩短发酵周期、大幅提高产气效率和发酵产物的碳氮营养元素含量,有利于提高沼气工程运行效率和经济效益。     

硼泥对猪粪厌氧发酵重金属铬及其光谱特性的影响

随着含有重金属添加剂饲料的使用,规模化养殖场畜禽粪便中重金属含量增加。为减少重金属的危害,该文以猪粪为发酵原料,重金属Cr为研究对象,硼泥为钝化剂,在接种物量为30%、TS为10%、温度为35℃、pH值为7的条件下进行40 d厌氧发酵试验。研究添加2.5%、5.0%、7.5%3种比例的硼泥对猪粪厌氧发酵中重金属Cr的形态变化、有效态钝化效果及发酵前后沼渣光谱特征的影响,采用BCR连续提取法(European community bureau of reference sequential extraction)分析重金属Cr的形态变化,采用傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)对物料光谱特征的变化进行研究。结果表明:猪粪厌氧发酵过程中添加硼泥有利于重金属Cr从有效态转化为稳定态,当添加7.5%硼泥处理时有效态Cr转化为稳定态Cr的效果较好;猪粪在厌氧发酵过程中添加硼泥能提高重金属Cr的钝化效果,且随着硼泥添加量的增加,钝化效果越好;通过显著性分析,添加7.5%硼泥处理时钝化效果较好,达到63.79%,显著优于猪粪单独发酵和添加2.5%与5.0%硼泥的处理(P0.05);FTIR显示厌氧发酵后,沼渣中酰胺化合物、碳水化合物、蛋白质、脂肪族化合物等有机物分解减少,芳香族等腐殖质增加,且添加7.5%硼泥时有机物腐殖化程度最好。因此猪粪在厌氧发酵过程中添加适量硼泥,可以降低沼渣中重金属Cr的生物有效性,促进有机物转化为腐殖质,研究结果可为减少猪粪中重金属的有效性和提高厌氧发酵质量提供参考。     

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.     

温度和料液浓度对牛粪高浓度厌氧水解酸化的影响

该文在室温为20℃的实验室条件下,对牛粪进行了批量式高浓度厌氧发酵试验,在以往研究的基础上进一步探讨发酵物料温度为32℃、35℃和40℃,料液浓度为9%和10%,发酵时间为12d时,温度和料液浓度对牛粪高浓度水解酸化的影响情况,找出较优的厌氧水解酸化条件。结果表明,当温度分别为32℃、35℃和40℃时,水解酸化产物各主要成份的含量差异较小,但在日均挥发性脂肪酸CODVFA产率方面32℃要远高于35℃和40℃,32℃和40℃之间的差值最大可达452mg/(L·d),约占最大日均CODVFA产率1227.00mg/(L·d)的37%;当料液浓度为9%和10%时,水解酸化产物各主要成份的含量差值较小,而在日均CODVFA产率方面9%组要远高于10%,差值最大可达463.38mg/(L·d),约占最大日均CODVFA产率1227.00mg/(L·d)的37.77%,因此牛粪高浓度厌氧水解酸化过程的较优工艺条件为温度32℃,料液浓度9%,发酵时间6d。     

不同处理对猪粪干法厌氧发酵产气性能的影响

为了更好解决养猪场废弃物污染问题,采用总固体(TS)质量分数为25%的干法厌氧发酵工艺,将猪粪与玉米秸秆按照不同比例混合,以温度、接种率和猪粪与玉米秸秆混合比例作为因子,进行干法厌氧发酵试验。结果表明,在温度55℃、接种率30%、猪粪与玉米秸秆混合例为1∶3条件下,20 d累积产气量最多,达到14 489 mL,同时该条件下TS降解率最高,达到83.68%。湿度是影响干法厌氧发酵产气率的主要因素,同时可以影响发酵物的水解过程,通过影响发酵的pH值,其影响微生物的活性,并最终影响到产气过程。     

打捆秸秆干湿联合发酵工艺技术研究

为充分利用厌氧干发酵工艺批次处理能力强并有效克服其物料发酵不彻底导致的产气效率低的难题,引入干湿联合厌氧发酵工艺。以水稻秸秆和新鲜猪粪为发酵原料,在35℃及发酵底物初始TS浓度为20%条件下进行厌氧干发酵,其中一组处理在实验第20 d时用纯净水将发酵底物TS浓度调节为9%改为湿发酵,两者对比结果表明:相比于干发酵,该干湿联合厌氧发酵工艺可有效提高稻秸纤维素和半纤维素的降解率,其中纤维素降解率可由20.5%提高到31.1%,半纤维素降解率可由48%提高到54.8%,虽对产气中甲烷含量影响不大,但试验周期内物料累积产气量可提高19%以上。