秸秆高温干式厌氧发酵的产气特性研究

试验用作物秸秆与活性污泥混合厌氧发酵制备沼气,研究了活性污泥与麦秸、玉米秸和稻草高温干式发酵的产气规律,加N素调节碳氮比(C/N)及添加生物炭对产气的影响.利用作物秸秆与活性污泥投加量1∶1,厌氧发酵原料总固体(TS)20%,在55℃下厌氧发酵.试验数据表明:1)产气从第5 d产气量开始增加,峰值均出现在第6~9 d,发酵15~25 d产气较为稳定,随后产气量缓慢下降.厌氧发酵7 d时,沼气中甲烷含量均能达到60%左右.按厌氧发酵时长45 d计算,稻草的产气量最大,单位TS累积产气量达到413.7 mL·g~(-1);玉米秸和麦秸的单位TS累积产气量分别为365.2 mL·g~(-1)、345.2 mL·g~(-1).2)调节发酵液的C/N至30∶1,可有效缩短沼气启动时间1~2 d;在沼气发酵微生物活性较低时,表现最为明显,可缩短沼气启动时间≥3 d且累积产气量最高可提高44.9%.3)在厌氧发酵液中添加4%(按发酵秸秆干基计算)的生物炭,并调节发酵液的C/N至30∶1,对麦秸厌氧发酵产气而言,累积产气量可提高38.5%,玉米秸和稻草的累积产气量分别提高6.2%和8.0%.     

温度对高浓度恒温厌氧发酵产沼气成分的影响

为了研究温度对高浓度恒温厌氧发酵产沼气成分的影响,在4个11.5L的发酵罐中并行批次实验研究19、30、37、52℃下总固体量(TS)为15%时鲜牛粪的恒温厌氧发酵过程,用沼气分析仪实时测量沼气成分.实验结果表明:37℃时厌氧发酵的产气量和产甲烷量最大,累积产气量为232L,累计甲烷产量为116.1L;比30、52℃下分别多产18.2、15.6L甲烷;52、37、30℃下厌氧发酵甲烷的平均体积分数分别为46.6%、46.5%和43.6%.     

黄贮玉米秸秆厌氧发酵产沼气试验研究

为探索生物预处理对秸秆发酵产沼气的影响,以玉米秸秆为原料,分别添加0. 5‰微生物菌剂、1‰微生物菌剂、5%木薯酒糟和10%木薯酒糟进行黄贮;研究在高温(50℃)半连续发酵条件下,黄贮秸秆厌氧发酵产沼气特征。结果表明在发酵系统总固体(TS) 8%条件下,黄贮过程中添加微生物菌剂或木薯酒糟均能显著地提高产气率;添加10%木薯酒糟的产气率高于添加1%的微生物菌剂,且甲烷含量达到最高。在秸秆沼气生产中,可通过微生物菌剂或木薯酒糟的添加改善秸秆预处理效果,提高生产效益。     

复合微生物菌剂对玉米秸秆的预处理与厌氧产气性能的研究

利用乳酸菌、EM菌、黑曲霉、白腐菌、草酸青霉及木霉组成的复合微生物菌剂CM-2对玉米秸秆进行预处理试验与厌氧发酵产气试验。将复合微生物菌剂按比例加入玉米秸秆中处理30d,试验结果测得纤维素降解率达52.94%、半纤维素降解率为33.33%、木质素降解率为2.67%。经过复合微生物菌剂CM-2预处理后的玉米秸秆与牛粪按照1:2的比例,TS为15%、温度为35℃的中温厌氧发酵,其累积产气量提高30.18%,且开始产气时间提前2d,进入产气高峰的时间也提前4d,在产气高峰期的时间也可维持14d。此外经过复合微生物菌剂CM-2处理后的玉米秸秆在厌氧发酵产气高峰时的甲烷转化率也提高了12.87%。     

预处理促进玉米秸秆发酵试验

微生物预处理可增加沼气的产量,但实验室培养菌种的成本较高,笔者采用堆放新鲜玉米秸秆的预处理法,对堆放厚度、堆放时间对微生物活性和浓度进行比较,并对堆放前后的化学成分测试比较。采用自行设计的可控性干式厌氧发酵装置,对预处理前后的玉米秸秆分别与牛粪、污泥作为接种物进行发酵,对玉米秸秆中纤维素变化及产沼气效果进行试验研究。试验结果表明：堆放20 d中层玉米秸秆酶活数值较高,且此玉米秸秆中纤维素、木质素、半纤维素的质量分数比未经处理的分别减少了5.8%、16.8%和5.7%,中温干式发酵实验中,玉米秸杆与牛粪质量为1∶1混合发酵时,堆放预处理后累计产气量比未预处理前累计产气量高24.4%;玉米秸杆与污泥质量为1∶1混合发酵时,堆放预处理后累计产气量比未预处理前累计产气量高23.27%。     

接种物对香蕉皮厌氧消化的影响

以香蕉皮为发酵原料,在平均室温21.7℃条件下,研究了接种物对香蕉皮厌氧发酵产气特性的影响。结果表明,驯化菌种试验组较普通菌种试验组显现出了明显的优势,总产气量高出53.7%。两试验组发酵的产气品质一直较好,11天后沼气中甲烷含量维持在65%左右。结果还表明菌种经驯化后,产沼气的潜力会大大提高。     

丙酸预处理提高小麦秸秆厌氧发酵产沼气性能

为了探究丙酸预处理对麦秆厌氧发酵产沼气性能的影响,采用不同浓度的丙酸溶液对麦秆进行系列预处理,在中温(35±1)℃、小麦秸秆和牛粪按1:1配比的条件下进行了厌氧发酵试验.结果显示,经过不同质量百分数的丙酸预处理过后,小麦秸秆的木质纤维结构被明显破坏,显著缩短了发酵的启动时间,并不同程度上提升麦秆厌氧发酵产沼气的性能.其中以7%丙酸预处理试验组的效果最好,利用其对小麦秸秆进行7 d预处理,然后经过30 d的厌氧发酵.总产气量最多,为15 147 m L,日均产气量为432.77 m L/d,在此情况下,p H初期波动之后,基本保持在7.0左右,日产气量和甲烷含量波动最大.综合以上各种因素可以得出7%丙酸预处理是较优的工艺条件.     

稻秸与蓝藻混合厌氧发酵产沼气试验研究

分别以单一稻秸和稻秸中添加蓝藻为底料,控制发酵温度35±1℃进行厌氧发酵产沼气的对比试验.结果表明:稻秸和蓝藻相混合是良好的沼气发酵原料,其产气速度、产量明显高于单一稻秸为底料的处理.实验B组稻秸和蓝藻1:1混合厌氧发酵的两次产气高峰期都集中在发酵的前16d,而实验A组单一稻秸处理只有发酵第7d的一次产气高峰;前者的TS单日最高产气量、平均日产气量、累积产气量、TS产气潜力和甲烷含量分别为20.21ml.g-1、541.97ml、38480ml、456.09ml.g-1和76.88%,都明显高于后者的4.57ml.g-1、347ml、6940ml、42.03ml.g-1和42.33%的各项指标;并且实验B组的料液TS降解率52.54%远高于实验A组的5.52%;在整个发酵过程中,各组pH保持在6.5-7.2的范围内.     

牛粪与玉米秸秆配比对混合厌氧发酵速率的影响

为了研究牛粪与玉米秸秆的不同配比(以下简称粪秆配比,以挥发性固体(VS)计算)对厌氧发酵速率的影响,初步确定影响发酵产气限速的因素,在中温(38±1)℃条件下,以厌氧颗粒污泥为接种物,以不同配比的牛粪与玉米秸秆为底物进行混合厌氧发酵,测定日产气量、沼气中CH_4与CO_2的浓度、沼液中的总碳(TC)、挥发性脂肪酸(VFAs)浓度和pH值。结果表明,粪秆配比为2∶1时,水解速率常数、单位基质产甲烷量和生物转化产甲烷效率最大,其值分别为0.043 7d~(-1),271.93mL/g,71.59%。发酵初始(第1日)VFAs中乙酸浓度与牛粪比例成正比,发酵中期(第5日)丙酸积累浓度与秸秆比例成正比。发酵周期内粪秆配比与限速阶段的关系:第1日,秸秆比例越大,产气限制阶段越倾向于水解酸化阶段,第2-15日,秸秆比例越大,产气限速阶段越倾向于产氢产乙酸阶段;第16-30日,各组发酵产气限制阶段均为水解酸化阶段。该试验重点对粪秆配比与产气限速因素的关系进行研究,为进一步提高混合厌氧发酵产气效率提供了理论和试验依据。     

低强度间歇超声处理对水稻秸秆厌氧发酵的影响

为了探索超声处理对水稻秸秆厌氧发酵的影响机理,通过研究超声处理强度和单次超声处理时间对厌氧微生物生长发育、可溶物溶出度的影响规律,初步确定了超声波声强、单次超声处理时间的有效范围。利用正交试验分析了超声处理强度、作用时间和时间间隔对秸秆厌氧发酵产气量及沼气中CH_4含量的影响规律。结果表明:在1.2 W/cm~2的声强以下,增加超声波声强可促进厌氧微生物的生长发育;0.8 W/cm~2声强处理15 min以内对提高生物量的效果较好,但长时间的超声处理会抑制细菌的生长;0.8 W/cm~2、30 min的超声处理,秸秆的溶出率可提高13.5%;超声处理强度1.0 W/cm~2、单次超声处理时间15 min、超声处理时间间隔50 min的超声处理使产气高峰提前4～5 d,同时总产气量可提高24.48%,CH_4产量提高25.92%。超声处理可促进厌氧菌的生长、加速秸秆养分的溶出以及改善发酵液的传质作用,从而提高产气效率。研究结果能为超声波在沼气厌氧发酵中的应用提供参考。