玉米秸秆高负荷沼气发酵体系建立及酸化再平衡研究

发布时间：2020-06-19 03:22

【摘要】：提高秸秆沼气发酵体系的有机负荷和维持发酵系统产气稳定性对于秸秆能源化和环境保护意义重大。本研究以玉米秸秆为原料,中温(37±1℃)条件下进行半连续式厌氧发酵,从总固体浓度(Total Solids,TS)8%起始,每10 d进出料一次,以1%梯度逐渐递增总固体浓度,建立玉米秸秆高负荷沼气发酵体系。对于厌氧发酵酸化体系,通过添加不同比例牛粪(20%、30%和40%)置换总固体含量的方式使酸化体系恢复产气,继而探究有效防止发酵体系酸化的最适粪秆比。利用16S rRNA基因测序技术分析发酵最佳产气期、发酵酸化期及发酵酸化后再平衡恢复产气期的细菌和古菌多样性。试验结果表明:玉米秸秆沼气发酵的总固体浓度为8%时,TS甲烷产率为39.4 mL/g,此时发酵体系挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA)含量为1872.2 mg/L,pH值为7.05。当总固体浓度提升至13%时,TS甲烷产率达到最高为59.4 mL/g,此时发酵体系挥发性脂肪酸含量为2726.5 mg/L,pH值为6.90。总固体浓度提升至15%时,反应体系酸化,第4 d停止产气,TS甲烷产率仅为2.2 mL/g,此时发酵体系挥发性脂肪酸含量最高为11485.7mg/L,pH值下降至5.13。对于厌氧发酵酸化体系,当牛粪置换总固体含量为30%时,达到最佳的恢复产气效果,其TS甲烷产率为29.2 mL/g,此时发酵体系挥发性脂肪酸含量为4722.7 mg/L,pH值为6.71。为防止体系酸化,在发酵最佳产气期后、酸化临界点前,调整发酵原料为牛粪与玉米秸秆混合进料,可有效防止反应体系酸化,粪秆比为1:1时产气效果最好。发酵最佳产气期、酸化期和恢复产气期的沼液中细菌在门分类水平上的主要优势菌群相同,均为Firmicutes(50.97%、16.84%、48.01%)、Chloroflexi(31.34%、29.74%、9.32%)和Bacteroidetes(7.86%、29.80%、32.12%)。发酵沼液中细菌在属分类水平上的主要优势菌群差异显著,发酵最佳产气期的主要优势菌群为Ruminofilibacter(14.32%),发酵酸化期的主要优势菌群为Clostridium(25.72%)和Caproiciproducens(9.06%),发酵恢复产气期的主要优势菌群为Prevotella(24.15%)和Ruminiclostridium(11.62%)。三个时期发酵沼液中古菌在门分类水平上的主要优势菌群相同为Euryarchaeota(52.84%、70.65%、76.42%)和Bathyarchaeota(31.07%、19.48%、12.83%)。发酵沼液中古菌在属分类水平上的主要优势菌群为Methanosaeta(38.63%、31.19%、23.79%)、Methanobacterium(8.05%、31.27%、36.46%)和Methanosarcina(1.23%、1.11%、10.64%)。通过高通量测序分析结果发现,三个时期发酵沼液中细菌在门分类水平上的主要优势菌群相同,但各时期菌群丰度差别明显,在属分类水平上的主要优势菌群不同。发酵沼液中古菌组成多样性在门和属分类水平上差异均不显著。推测玉米秸秆沼气发酵过程中酸化现象主要与细菌群落结构有关,尤其是与Clostridium和Caproiciproducens相关性最大。综上所述,通过逐渐递增反应的总固体浓度,建立了高负荷玉米秸秆沼气发酵体系,明确了反应体系酸化的临界点及可使酸化体系再平衡恢复产气的最适牛粪添加量,并在发酵最佳产气期后调整进料为粪秆混合发酵,可有效防止体系酸化并使发酵体系高效运行,利用高通量测序技术探究了发酵最佳产气期、酸化期及恢复产气期的细菌和古菌群落组成及丰度差异。
【学位授予单位】：黑龙江八一农垦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S216.4
【图文】：

示意图,示意图,沼气发酵,厌氧发酵

玉米秸秆高负荷沼气发酵体系建立及酸化再平衡研究负荷沼气发酵体系的建立秸秆为发酵原料，采用 25 L 自制厌氧发酵装置，装置上端设 20 L 集气袋相连。发酵体积 20 L，接种物 12 L。反应初始进行每 10 d 进行一次投料，即提升总固体浓度至 9%、10%件下进行半连续式厌氧发酵试验，每个处理三次重复。每日烷含量利用沼气分析仪进行测定。

曲线,沼液,不同时期,产气

玉米秸秆高负荷沼气发酵体系建立及酸化再平衡研究ts，OTU）数在 2000 左右，但多样性尚未接近饱和，说明测中的细菌，继续增加测序深度将有助于观测到更多的新 OTU气期 ZJ1、ZJ2、ZJ3 及恢复产气期 HF1、HF2、HF3 可观测到线趋平缓，表明测序结果已可以足够反映当前样本所包含的已不太可能检测到大量尚未发现的新物种。通过稀释曲线可种数高于最佳产气期和恢复产气期。

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