猪粪厌氧干发酵产气性能与微生物群落结构研究

发布时间：2020-10-21 14:56

　　 我国是农业大国,畜禽养殖业集约化、规模化快速发展,粪便年产生量约3.49×10~9t,同时作物秸秆年产生量约9.92×10~8 t,大量畜禽粪便和作物秸秆的不合理处理与处置造成了严重的环境污染。畜禽粪便和作物秸秆均含有大量的有机质,是良好的生物质资源,在众多的处理技术中,厌氧发酵是同时实现农业废弃物资源化利用和缓解环境污染压力的重要途径。相对于湿发酵,厌氧干发酵因其能耗低、有机负荷高和后续处理成本低等优点,被广泛的应用于农业废弃物的处理利用中。本研究以猪粪为主要研究对象,采用厌氧干发酵工艺,开展了猪粪单独发酵、猪粪和秸秆混合发酵以及猪粪秸秆混合后分层接种发酵试验,研究不同发酵方式对消化性能的影响,采用Miseq高通量测序技术,揭示发酵过程主要微生物的群落结构和变化规律,阐明其与产气性能的内在关联,考察一级动力学模型、修正的Gompertz模型和Cone模型等三种动力学模型对厌氧发酵过程模拟的适宜性,主要研究结果如下:(1)分层接种能缩短厌氧发酵的启动时间,提高产气量。分层接种发酵的甲烷含量和日VS甲烷产量均先于猪粪单独发酵达到最高,且78 d累计VS甲烷产量为211.48mL/g VS,高出猪粪单独发酵组89.0%(111.90 mL/g VS);猪粪秸秆混合发酵由于酸化,日甲烷产量一直处于较低的状态,甲烷含量缓慢上升,至70 d后达到50%以上。(2)分层接种能加快有机物的水解、酸化和甲烷化过程,缓解酸抑制,提高发酵体系的稳定性。分层接种、混合和单独发酵的SCOD分别在第8 d、23 d、23 d前后升高至最大值24.71、21.60、18.88 mg/g,整个发酵过程中,分层接种发酵的可溶性糖和可溶性蛋白质浓度均高于其它两组。分层接种和猪粪单独发酵的总挥发性脂肪酸(VFAs,Total volatile fatty acids)浓度分别在第15 d和20 d左右达到峰值,为33.03、31.51 mg/g,之后快速下降,且下降过程中分层接种的浓度均小于单独发酵。混合发酵组VFAs在第20 d左右达到最高值后没有下降,发生酸化现象。三组发酵的氨氮浓度均逐渐升高后保持相对稳定,分层接种组氨氮浓度最低,为2.68±0.33 mg/g。(3)不同发酵方式的细菌丰富度和多样性均高于古菌,分层接种能提高细菌和古菌丰富度、多样性,且随发酵的进行明显增加;混合发酵只能提高细菌的丰富度、多样性和复杂程度,对古菌的影响不大。(4)厌氧干发酵中细菌以厚壁菌门为主,梭菌属占绝对优势,三组发酵的相对丰度分别在43.06%-67.70%、54.62%-76.40%、33.55%-74.68%之间呈现先增加后减小的变化趋势,与日VS甲烷产量成正相关;Clostridium sensu stricto和Romboutsia与VFAs和SCOD均存在极显著的正相关性。(5)厌氧干发酵中古菌以广古菌门为主,氢营养型产甲烷菌Methanosphaerula和乙酸营养型产甲烷菌Methanothrix占绝对优势。三种发酵方式的产甲烷途径均以氢营养型为主,相对丰度高于66.93%;发酵后期,单独发酵和混合发酵的乙酸营养型产甲烷菌相对丰度升高,分别由15.84%和21.03%升高至29.33%和28.15%,而分层接种则由21.03%降低至20.86%;Methanothrix与VFAs呈显著的正相关性。(6)修正的Gompertz模型适合模拟猪粪厌氧干发酵过程。修正的Gompertz模型对三组发酵模拟的R~2均大于0.99,且均方根预测误差(rMSPE)最小,拟合效果优于一级动力学模型和Cone模型;修正的Gompertz模型模拟预测分层接种发酵的最大VS甲烷产量和迟滞期分别为3.80 mL/g VS·d和10.90 d,均优于猪粪单独发酵(2.65 mL/g VS·d、26.32 d)和混合发酵组(1.52 mL/g VS·d、79.52 d)。
【学位单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X713;X172
【部分图文】：

有机玻璃材质，有效容积为 11 L，装置图见图2-1。内部尺寸：有效高度 H=750 mm，有效内径 D=20 mm。顶部设有排气口和备用取气口，均采用阀门控制。发酵装置侧面的垂直高度上设置多个取样口，可根据实际情况需要选择取样口。取样口直径 15 mm，用橡胶塞密封。1.备用取气口 2.排气口 3.发酵室 4.取样口1.spare gas-sampling port 2.exhaust port 3.digestion chamber 4. sample outlet图 2-1 发酵装置结构简图与实物图Fig. 2-1 Structural diagram and real object of digestion equipment

-9 97%相似水平下细菌 OTU 样本的分布韦f the OTUs of bacteria communities based（操作分类单位）样本的分布韦恩图U 数目，直观的展现出环境样品的 OT或共有的 OTU 数。从图中可以看出

图 3-12 基于 weighted uniFrac 的细菌样品进化树分析图和 PCoA 分析Fig. 3-12 Hierarchical clustering and principal coordinated analysis (PCoA) of the bacterialcommunities in each sample using the weighted UniFrac analysis在聚类树图中，初始进料猪粪接种物混合物（P0）和猪粪秸秆接种物混合物（M0
【参考文献】

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本文编号：2850269