TS对青贮玉米秸秆与牛粪混合消化产气特性影响
发布时间：2021-07-04 16:06
为优化筛选青贮玉米秸秆与牛粪混合消化时的总固体浓度（TS）,在37℃中温条件下,系统研究TS分别为10%、12%和14%时的产沼气性能、发酵液性质以及秸秆消化前后的理化特征。结果表明:青贮玉米秸秆与牛粪在TS为12%时的混合发酵产气效果优于10%和14%时,该条件下秸秆中纤维素和半纤维素的降解率分别为17.05%和45.13%。秸秆发酵前后的微观形貌和纤维素结晶度分析发现,秸秆的木质纤维结构变化明显,纤维素结晶度减小,且TS为12%时秸秆消化降解最严重,结晶指数最小。总之,适宜青贮玉米秸秆与牛粪混合发酵的TS值为12%,且消化过程中半纤维素最易于分解,但木质素几乎不被降解。
【文章来源】：太阳能学报. 2019,40(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
厌氧消化过程中的累计产气量和累积甲烷产量变化Fig.1Accumulatedbiogasproductionandmethaneb.累积甲烷产量
产甲烷率/mL·g-1VS平均甲烷含量/%最高甲烷含量/%Ⅰ（TS10%）265.14a159.83a206.03a58.23a75.06a36.43a59.50aⅡ（TS12%）323.34b163.24a209.68a70.54b90.61b43.21b71.20bⅢ（TS14%）236.02b102.49b131.32b37.72c48.33c36.80a64.60c注：相同字母表示差异不显著（P＞0.05）；不同字母表示差异显著（P＞0.05）。2.2TS对发酵液性质的影响2.2.1发酵液pH值的变化如图2所示，3个试验组的pH值总体呈现“下降—上升—下降—平稳—上升”的W型趋势。具体地，发酵初期（0~10d）pH值略有下降，因为玉米秸秆在青贮过程中会生成一定量的乳酸、乙酸等有机酸，进入消化体系后这些有机酸不断释放；同时，发酵性细菌、产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌的联合作用使原料中有机质水解酸化，导致3个试验组在约10d出现首次pH值小低谷（6.8~6.9）。发酵10~15d期间pH值又逐步升至初始值7.5附近，这可能是因为前期产生的有机酸开始被恢复活性的产甲烷菌代谢利用所致，同时底物中内源性NH4+-N以及底物分解释放的NH4+-N构成的缓冲体系也对pH值回升起到积极作用。消化反应15d后pH值又开始下降，原因主要在于发酵前期水解后的有机物被产乙酸菌利用的速率大于乙酸被产甲烷菌利用的速率，导致有机酸累积。发酵中期（15~45d），3个试验组的pH值均在6.5~6.9范围波动，其中Ⅰ组pH值最高且最稳定，Ⅱ组次之，Ⅲ组最低（约6.5），尽管发酵液偏酸性，但产甲烷菌仍能适应
1088太阳能学报40卷2.2.2挥发性脂肪酸（VFAs）质量浓度的变化VFAs是厌氧发酵产酸阶段的主要产物，是表征水解酸化程度的重要指标。由图3可知3个试验组的VFAs浓度均呈先升高后降低最后趋于平稳的趋势，这与厌氧发酵理论模型相吻合。发酵初期，消化体系中丰富的营养物质为代谢能力旺强的产酸菌提供了生长繁殖机会，有机底物被充分酸化降解生成水溶性有机物，使产氢产酸菌的生长繁殖速度加快，VFAs浓度不断增加并达到峰值。但3个试验组到达峰值所需的时间不同，Ⅱ组和Ⅲ组产酸持续时间较长，在10和14d升至最高值，峰值分别为42.23和46.35g/L，而Ⅰ组于第6天达到小高峰20.6g/L。这主要与发酵底物浓度有关，TS越高，可酸化降解的有机底物浓度越高，在相同接种量条件下产酸微生物繁殖越快，增值越多，使得高TS组的酸化时间较长，故Ⅲ组VFAs峰值高于Ⅱ组和Ⅰ组。另外，VFAs浓度的升高往往伴随pH值的下降，这点在Ⅰ组和Ⅱ组中得到体现，但Ⅲ组10~14d时的pH值和VFAs浓度均处于上升态势，这可能是因为当VFAs处于较高浓度时pH值对VFA浓度的变化变得不敏感［17］，而且发酵液的pH值变化还与NH4+-N、NH3、碱度、CO2和H+等因素有关。图3混合厌氧消化过程中VFAs的变化Fig.3ChangesofVFAsduringanaerobicco-digestion发酵中后期，产氢产乙酸菌不断生长，利用VFAs产生乙酸、CO2和H2而使VFAs浓度降低，并形成低的氧化还原电位，促进产甲烷菌生长。一段时间后，产氢产乙酸菌和产甲烷菌菌群数量占优，大量利用
【参考文献】：
期刊论文
[1]微波水热处理提高玉米芯总糖收率的研究[J]. 朱银萍,余强,袁振宏,庄新姝,卞士祥,王琼. 太阳能学报. 2018(07)
[2]湿贮存对玉米秸秆厌氧消化性能的影响[J]. 崔宪,郭建斌,温啸宇,赵倩,董仁杰. 中国沼气. 2018(03)
[3]秸秆与游离发酵液接触比例对产沼气特性的影响[J]. 杜静,陈广银,叶小梅,付广青,常志州. 中国环境科学. 2015(03)
[4]考虑pH值和挥发性脂肪酸影响的填埋城市固废厌氧降解模型[J]. 郭汝阳,陈云敏,李育超,詹良通,Beaven R P. 中国环境科学. 2015(01)
[5]不同预处理方式对秸秆厌氧消化特性的影响[J]. 段娜,林聪,韩芳,田海林,孙赫,孙鹏程. 太阳能学报. 2014(12)
[6]玉米秸秆储存方式对其与牛粪混合厌氧消化特性的影响[J]. 任海伟,姚兴泉,李金平,李志忠,王鑫,王春龙,张殿平,孙永明. 农业工程学报. 2014(18)
[7]玉米秸秆与巢湖蓝藻混合厌氧发酵的产沼气性能[J]. 彭书传,侯成虎,王进,陈天虎,刘晓猛,岳正波. 农业工程学报. 2012(15)
[8]温度及总固体浓度对粪秆混合发酵产气特性的影响[J]. 宋籽霖,李轶冰,杨改河,秦佳佳,任广鑫,冯永忠. 农业工程学报. 2010(07)
[9]互花米草中温厌氧发酵木质纤维结构的变化[J]. 李继红,杨世关,郑正,陈广银,邹星星,孟卓. 农业工程学报. 2009(02)
博士论文
[1]预处理对水葫芦和稻秸厌氧消化产沼气性能的影响研究[D]. 夏益华.浙江大学 2014
硕士论文
[1]干青玉米秸秆厌氧发酵特性与优化工艺研究[D]. 井良霄.西北农林科技大学 2013
本文编号：3265101
【文章来源】：太阳能学报. 2019,40(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
厌氧消化过程中的累计产气量和累积甲烷产量变化Fig.1Accumulatedbiogasproductionandmethaneb.累积甲烷产量
产甲烷率/mL·g-1VS平均甲烷含量/%最高甲烷含量/%Ⅰ（TS10%）265.14a159.83a206.03a58.23a75.06a36.43a59.50aⅡ（TS12%）323.34b163.24a209.68a70.54b90.61b43.21b71.20bⅢ（TS14%）236.02b102.49b131.32b37.72c48.33c36.80a64.60c注：相同字母表示差异不显著（P＞0.05）；不同字母表示差异显著（P＞0.05）。2.2TS对发酵液性质的影响2.2.1发酵液pH值的变化如图2所示，3个试验组的pH值总体呈现“下降—上升—下降—平稳—上升”的W型趋势。具体地，发酵初期（0~10d）pH值略有下降，因为玉米秸秆在青贮过程中会生成一定量的乳酸、乙酸等有机酸，进入消化体系后这些有机酸不断释放；同时，发酵性细菌、产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌的联合作用使原料中有机质水解酸化，导致3个试验组在约10d出现首次pH值小低谷（6.8~6.9）。发酵10~15d期间pH值又逐步升至初始值7.5附近，这可能是因为前期产生的有机酸开始被恢复活性的产甲烷菌代谢利用所致，同时底物中内源性NH4+-N以及底物分解释放的NH4+-N构成的缓冲体系也对pH值回升起到积极作用。消化反应15d后pH值又开始下降，原因主要在于发酵前期水解后的有机物被产乙酸菌利用的速率大于乙酸被产甲烷菌利用的速率，导致有机酸累积。发酵中期（15~45d），3个试验组的pH值均在6.5~6.9范围波动，其中Ⅰ组pH值最高且最稳定，Ⅱ组次之，Ⅲ组最低（约6.5），尽管发酵液偏酸性，但产甲烷菌仍能适应
1088太阳能学报40卷2.2.2挥发性脂肪酸（VFAs）质量浓度的变化VFAs是厌氧发酵产酸阶段的主要产物，是表征水解酸化程度的重要指标。由图3可知3个试验组的VFAs浓度均呈先升高后降低最后趋于平稳的趋势，这与厌氧发酵理论模型相吻合。发酵初期，消化体系中丰富的营养物质为代谢能力旺强的产酸菌提供了生长繁殖机会，有机底物被充分酸化降解生成水溶性有机物，使产氢产酸菌的生长繁殖速度加快，VFAs浓度不断增加并达到峰值。但3个试验组到达峰值所需的时间不同，Ⅱ组和Ⅲ组产酸持续时间较长，在10和14d升至最高值，峰值分别为42.23和46.35g/L，而Ⅰ组于第6天达到小高峰20.6g/L。这主要与发酵底物浓度有关，TS越高，可酸化降解的有机底物浓度越高，在相同接种量条件下产酸微生物繁殖越快，增值越多，使得高TS组的酸化时间较长，故Ⅲ组VFAs峰值高于Ⅱ组和Ⅰ组。另外，VFAs浓度的升高往往伴随pH值的下降，这点在Ⅰ组和Ⅱ组中得到体现，但Ⅲ组10~14d时的pH值和VFAs浓度均处于上升态势，这可能是因为当VFAs处于较高浓度时pH值对VFA浓度的变化变得不敏感［17］，而且发酵液的pH值变化还与NH4+-N、NH3、碱度、CO2和H+等因素有关。图3混合厌氧消化过程中VFAs的变化Fig.3ChangesofVFAsduringanaerobicco-digestion发酵中后期，产氢产乙酸菌不断生长，利用VFAs产生乙酸、CO2和H2而使VFAs浓度降低，并形成低的氧化还原电位，促进产甲烷菌生长。一段时间后，产氢产乙酸菌和产甲烷菌菌群数量占优，大量利用
【参考文献】：
期刊论文
[1]微波水热处理提高玉米芯总糖收率的研究[J]. 朱银萍,余强,袁振宏,庄新姝,卞士祥,王琼. 太阳能学报. 2018(07)
[2]湿贮存对玉米秸秆厌氧消化性能的影响[J]. 崔宪,郭建斌,温啸宇,赵倩,董仁杰. 中国沼气. 2018(03)
[3]秸秆与游离发酵液接触比例对产沼气特性的影响[J]. 杜静,陈广银,叶小梅,付广青,常志州. 中国环境科学. 2015(03)
[4]考虑pH值和挥发性脂肪酸影响的填埋城市固废厌氧降解模型[J]. 郭汝阳,陈云敏,李育超,詹良通,Beaven R P. 中国环境科学. 2015(01)
[5]不同预处理方式对秸秆厌氧消化特性的影响[J]. 段娜,林聪,韩芳,田海林,孙赫,孙鹏程. 太阳能学报. 2014(12)
[6]玉米秸秆储存方式对其与牛粪混合厌氧消化特性的影响[J]. 任海伟,姚兴泉,李金平,李志忠,王鑫,王春龙,张殿平,孙永明. 农业工程学报. 2014(18)
[7]玉米秸秆与巢湖蓝藻混合厌氧发酵的产沼气性能[J]. 彭书传,侯成虎,王进,陈天虎,刘晓猛,岳正波. 农业工程学报. 2012(15)
[8]温度及总固体浓度对粪秆混合发酵产气特性的影响[J]. 宋籽霖,李轶冰,杨改河,秦佳佳,任广鑫,冯永忠. 农业工程学报. 2010(07)
[9]互花米草中温厌氧发酵木质纤维结构的变化[J]. 李继红,杨世关,郑正,陈广银,邹星星,孟卓. 农业工程学报. 2009(02)
博士论文
[1]预处理对水葫芦和稻秸厌氧消化产沼气性能的影响研究[D]. 夏益华.浙江大学 2014
硕士论文
[1]干青玉米秸秆厌氧发酵特性与优化工艺研究[D]. 井良霄.西北农林科技大学 2013
本文编号：3265101
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