牲畜粪便暗发酵产氢-产甲烷过程中参数优化及其微生物群落特性

发布时间：2017-08-29 10:34

  本文关键词：牲畜粪便暗发酵产氢-产甲烷过程中参数优化及其微生物群落特性

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【摘要】：近年来,随着我国畜牧业的集约型发展,禽畜粪便的处理问题不容忽视。厌氧发酵产氢-产甲烷技术已成为人们处理纤维素类有机物的一条有效途径,在此过程中不但获取了清洁能源,而且还解决了有机废弃物所引起的环境问题,具有能源和环境的双重意义。但以新鲜牛粪为底物产氢-产甲烷两步发酵技术的研究却鲜有报道。本论文尝试以新鲜牛粪作为牲畜粪便的模型物构建了产氢-产甲烷两步发酵体系。首先对新鲜牛粪发酵产氢参数进行优化,并在单因素的基础上应用响应面分析法对发酵产氢体系进行中心组合实验,确定污泥利用新鲜牛粪发酵产氢的最佳条件。对新鲜牛粪产氢-产甲烷两步发酵系统和一步产甲烷系统在气体产量、能源回收率和底物成分等方面性能进行对比,并从分子生物学角度对发酵过程中不同阶段的群落特征进行分析,具体的研究结果如下:1.驯化得到了能够直接利用微晶纤维素的产氢菌。高通量测序结果表明厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)为其中的优势菌群。2.分别考察了接种菌源、初始pH值、铁粉添加量、生物强化剂用量及C/N比对新鲜牛粪发酵产氢的影响。结果表明,在污泥为接种菌源、初始pH 5.0、铁粉添加量600mg/L、生物强化剂用量8%及C/N比24时获得最大产氢量和氢浓度分别为55.19mL/g-TVS和31.4%。采用Box-Benhnken试验设计及响应面法对氢发酵的重要参数进行了优化,结果表明,当初始pH值为5.95,C/N比为25.2和生物强化剂添加量为8.32%时,最大的理论产氢量为59.94 mL/g-TVS,实际产氢量为59mL/g-TVS。高通量测序和变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术测试结果表明生物强化剂处理的样品呈现生物多样性,其中梭菌Clostridium sp.的数量显著增加。3.考察并优化了新鲜牛粪两阶段发酵联产氢气-甲烷的过程参数,在最佳条件下得到氢气和甲烷的最大产量分别为59.85m L H2/g-TVS和447.3mL CH_4/g-TVS。C/N比重要的影响牛粪厌氧消化阶段甲烷的产量,与对照样相比,甲烷产量从93ml CH_4/g-TVS增加至223.9 m L CH_4/g-TVS。通过两阶段发酵,废水COD去除率和总的能源回收率分别达到78%和44.06%,比单独厌氧消化阶段分别提高了13.42%和10.7%。4.高通量测序和PCR-DGGE技术的测试结果表明:在新鲜牛粪氢发酵阶段,氢发酵介质中随着发酵时间的增加,发酵液中物种总数和群落多样性先增加后减少,Clostridiales和Coriobacteriales数量急剧增加。在厌氧消化产甲烷阶段,微生物多样性先增强后降低,厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为产甲烷过程的优势群落,螺旋菌门(Spirochaetae)、互养菌门(Synergistetes)和绿弯菌门(Chloroflexi)是产甲烷阶段的新增菌群。
【关键词】：新鲜牛粪 纤维素分解菌 发酵 厌氧消化 联产氢气-甲烷 微生物群落
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2;TQ221.11
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 前言11-20
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 厌氧发酵的基本原理12-13
• 1.2.1 水解阶段12-13
• 1.2.2 酸化阶段13
• 1.2.3 产氢产乙酸阶段13
• 1.2.4 产甲烷阶段13
• 1.3 厌氧发酵的研究现状13-18
• 1.3.1 生物质暗发酵产氢14-17
• 1.3.1.1 纯菌株利用纤维素类物质发酵产氢14-15
• 1.3.1.2 混合菌株利用纤维素类物质发酵产氢15
• 1.3.3.3 厌氧发酵产氢参数的优化15-17
• 1.3.2 产氢-产甲烷两步发酵过程17-18
• 1.4 本课题的研究内容及意义18-20
• 2 新鲜牛粪发酵产氢的参数优化及微生物群落分析20-49
• 2.1 材料与方法20-29
• 2.1.1 实验材料20-21
• 2.1.2 实验仪器与设备21-22
• 2.1.3 实验方法22-23
• 2.1.3.1 菌源预处理方法22
• 2.1.3.2 菌源的驯化22
• 2.1.3.3 直接利用微晶纤维素的菌源的驯化22-23
• 2.1.3.4 新鲜牛粪的预处理23
• 2.1.3.5 批式实验方法23
• 2.1.4 实验分析方法及计算23-29
• 2.1.4.1 气体体积的测定23-24
• 2.1.4.2 生物气体的组分分析24-25
• 2.1.4.3 牛粪中TS、TVS及灰分的测定25
• 2.1.4.4 牛粪中纤维素半纤维素含量的测定25-28
• 2.1.4.5 牛粪中还原糖含量的测定28
• 2.1.4.6 累计产氢量的计算28
• 2.1.4.7 产氢动力学模型28-29
• 2.2 结果与讨论29-47
• 2.2.1 不同产氢参数的优化29-43
• 2.2.1.1 天然产氢菌源的选择29-31
• 2.2.1.2 新鲜牛粪为底物的河底污泥产氢菌源的驯化31-32
• 2.2.1.3 微晶纤维素为底物河底污泥菌源的驯化32-33
• 2.2.1.4 初始pH值对发酵产氢的影响33-35
• 2.2.1.5 铁粉添加量对发酵产氢的影响35-36
• 2.2.1.6 生物强化对产氢的影响36-41
• 2.2.1.7 介质C/N比对发酵产氢的影响41-43
• 2.2.2 响应面法对污泥发酵产氢参数的优化43-47
• 2.2.2.1 Box-Behnken实验设计43-44
• 2.2.2.2 二次回归拟合及方差分析44-47
• 2.3 结论47-49
• 3 新鲜牛粪废弃物两阶段发酵联产氢气和甲烷与单独厌氧消化产甲烷的比较49-73
• 3.1 实验材料与方法49-53
• 3.1.1 实验材料49
• 3.1.2 实验仪器与设备49-50
• 3.1.3 实验方法50-51
• 3.1.3.1 污泥的活化50
• 3.1.3.2 产氢-产甲烷批式实验方法50-51
• 3.1.3.3 新鲜牛粪厌氧消化直接产甲烷51
• 3.1.4 分析及计算方法51-53
• 3.1.4.1 气体体积的测定51
• 3.1.4.2 生物气体的成分分析51
• 3.1.4.3 发酵末端液相成分分析51-52
• 3.1.4.4 沼液中TS、TVS及灰分的测定52
• 3.1.4.5 累计产氢量产甲烷量的计算52-53
• 3.1.4.6 厌氧消化过程中能源回收率53
• 3.2 结果与讨论53-71
• 3.2.1 新鲜牛粪两步发酵联产氢气和甲烷气53-57
• 3.2.1.1 牛粪的发酵产氢特性53-55
• 3.2.1.2 氢发酵废液厌氧消化产甲烷55-57
• 3.2.2 新鲜牛粪厌氧消化直接产甲烷57-61
• 3.2.3 两步发酵联产氢气和甲烷与一步厌氧消化产甲烷的性能对比61-63
• 3.2.4 新鲜牛粪两阶段发酵过程中菌群结构分析63-71
• 3.2.4.1 新鲜牛粪氢发酵阶段微生物多样性分析63-67
• 3.2.4.2 厌氧消化产甲烷过程微生物多样性分析67-71
• 3.3 小结71-73
• 4 结论73-75
• 参考文献75-82
• 致谢82-83
• 个人简历、攻读硕士期间发表论文83

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本文编号：752831