沼气发酵混合菌种的筛选和投池试验

在沼气发酵中,一般不需要添加菌种也能产生沼气.如利用城市下水道污泥、屠宰场污泥、牛粪、猪粪、池塘污泥等作为发酵原料时,即使不添加“菌种”也能产生沼气.我省广大农村的小沼气池过去就是这样做的.但国外和国内许多大小沼气池,往往要接种一定量的污泥(即沼气发酵混合菌种),用以加快沼气发酵的速度,以便提高产气量.我们试验的目的,则是想从许多不同生态环境中采集活性污泥,筛选出适宜于农村小沼气池低温发酵和多原料入池发酵的沼气混合菌种,以便用于农村沼气池,达到提高产气率的目的.     

低温沼气发酵促进剂的研究

通过低温野生菌群和低温厌氧颗粒污泥菌群筛选,及其后续的互补复合优化,选育出了低温沼气发酵功能菌群。沼气发酵实验结果表明,该菌群采用后最高日产气量均明显高于单独采用野生菌群和厌氧颗粒污泥菌群,具有显著改善低温沼气发酵性能。以此为基础研制的低温沼气发酵促进剂,在13℃下可使产气率平均提高46.6%,10℃下产气率平均提高41.1%。沼气池试验中,低温沼气发酵促进剂可显著提高沼气的甲烷含量,可使甲烷含量平均提高24%。     

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%。     

秸秆沼气发酵厌氧菌群的培养及应用

秸秆沼气发酵厌氧菌群是一个复杂的菌系,针对分离纯培养周期长、菌剂制备过程比较复杂等难点,提供了一种简便的秸秆沼气发酵厌氧菌群的培养方式——原位混合培养.①小试试验表明:接种50%培养后的厌氧菌泥,厌氧发酵原料总固体(TS)12%,在37℃下,试验B组能快速适应厌氧发酵新环境,厌氧发酵21 d时,累积产气量较试验A组高出28.39%;②中试试验结果显示:第三阶段的发酵原料中接种物的50%替换为培养后的厌氧菌泥,37℃厌氧发酵10 d,沼气池容产气率平均达到1.1 L/(L·d),累积产气量较前两个阶段的平均值高出32.46%.该方法适用于连续性沼气发酵工程,以增加沼气发酵系统中的厌氧微生物数量,增强微生物代谢活动,改善沼气发酵系统,使其保持连续稳定的产气.     

莫韻玑为解决农村能源问题做出了贡献

我校生物系莫韻玑副教授,从事动物生理、微生物生理的教学及科研工作几十年。其高温生理、鸡瘟气雾免疫、畜用土霉素土法生产及应用、淀粉酶加剂喂猪催肥等研究成果已在实践中得到应用。1980年以来,她专门致力于利用微生物开发农村新能源。面对北方农村沼气池低温不产气问题,为摸清抗低温菌种的种类与分布,她多次深入我国东北农村考察和采集菌种,做了一系列大量实验,基本摸清了沼气发酵条件中影响产气量的主要因素是菌种量和工艺问题。对半连续发酵、二步发酵等工艺研究,取得突破性进展。找出简单迅速的测定菌种数量的定性方法,为沼气生产提供了方便条件。     

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%.     

餐厨垃圾厌氧发酵制氢残留物连续沼气发酵研究

餐厨垃圾中有机物含量高,利用餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后残留物中含有丰富的低级脂肪酸、醇类等。从接种产甲烷菌和pH调节角度,利用餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后的残留物研究连续沼气发酵,提高餐厨垃圾资源利用率。结果表明,在接种产甲烷菌和调节发酵体系pH7的条件下,餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气后的残留物能够连续沼气发酵。接种以新鲜沼渣为产甲烷菌来源的沼气发酵比以厌氧活性污泥为产甲烷菌种来源的沼气发酵产气效果好。     

十种沼气发酵原料的产气潜力

本文对农村常用沼气发酵原料产气潜力的测定方法进行了讨论,并对10种常用沼气发酵原料的产气潜力进行了测定.     

香根草中温发酵产沼气的试验研究

以香根草为发酵原料,在28℃恒温下进行批量沼气发酵,发酵料液体积为1200ml,HRT=90d。结果表明:香根草产沼气潜力(TS)产气潜力为471ml/g,VS产气潜力为512ml/g;香根草的热值为17.784kJ/g;经发酵产沼气的能量转化效率为52.18%;香根草发酵前后的纤维素含量、脂肪含量、木质素含量变化不明显。     

糖化型淀粉酶对猪粪沼气发酵的影响

在发酵容积为1 000mL的猪粪沼气发酵过程中,分别添加20 000、40 000和60 000单位的糖化型淀粉酶,结果沼气产气量分别比对照提高了6.32%、9.23%和8.31%,因此,在猪粪发酵适合的糖化型淀粉酶添加量为每毫升发酵液40个酶活单位。     

小桐子种子产沼气潜力及其能源转换效率的研究

以小桐子种子为原料进行沼气发酵,结果表明,小桐子种子在常温条件下发酵产沼气的潜力为895mL/gTS,明显优于其他常见农村沼气发酵原料,小桐子种子沼气发酵的能源转换效率可达76.84%;其TS产气率分别是猪粪发酵的3.6倍、牛粪的5倍、玉米秸秆的3倍.     

驯化接种对高固体浓度猪粪厌氧发酵的影响

通过接种物驯化,实现了中温条件下（35±1℃）高固体浓度猪粪（TS=15%）厌氧发酵的快速启动,并得到了较高的产气率与产气速率.经过60d厌氧发酵,接种工况的单位VS产气率为320.5～357.3mL.g-1,产甲烷率为237.2～266.2mL.g-1,与未接种的工况相比提高300%以上.使用20%发酵成熟物接种,可在26d的有效发酵时间内完成总产气率的81.30%,有效产气速率为10.76mL.（g.d）-1.其TS,VS与TCOD的降低率分别为40.2%,52.6%和44.9%.增加接种量与延长接种物驯化时间可以缩短有效发酵时间与提高有效产气速率,但对产气率无显著影响.     

沼气发酵原科利用率研究

为了找到沼气发酵中原料利用率和产气率高的最佳条件,特选定了温度、发酵液浓度及发酵时间三个重要因素进行试验,从而为农村沼气发酵提高产气率和原料利用率提供参考数据。     

干燥薇甘菊在不同温度下厌氧消化产气潜力的研究

考察了干燥微甘菊的沼气发酵产气潜力.设置了两个实验组和一个对照组,采用全混合式的发酵类型,分别在中温30℃和常温约23℃的两种温度条件下进行沼气发酵实验.结果表明,中温30℃和常温23℃实验组的沼气发酵历时29d,中温30℃和常温23℃的净产气量分别为2 455mL和1 855mL.通过计算得出,中温30℃下干燥薇甘菊的TS产气潜力为347 mL/g,VS产气潜力为407mL/g,相比于新鲜薇甘菊的产气潜力,干燥薇甘菊的TS和VS产气潜力都有所下降.     

多原料高浓度混合共发酵制气与纯化提质研究最终报告

该研究针对目前我国规模化生物燃气工程原料单一、产气率低、装备落后等技术瓶颈,旨在开发多种原料混合共发酵制气关键技术,优化高效率、低能耗厌氧发酵工艺与装置,并对生物燃气进行纯化提质和高值利用研究,使生物燃气分别达到民用或燃气的要求。针对畜禽粪便、作物秸秆、有机垃圾和农产品废弃物等四大类20多种不同原料成分分析及产气潜力和特性研究,进行了单一物料和不同物料混合的厌氧消化实验,以此建立了沼气发酵原料特性及产气性能数据库,并研究多种原料的C/N比及营养物质的合理调配技术,提高了单一原料的产气效率。研究了畜禽粪便、有机垃圾等原料中的去除泥砂和有害杂质工艺。针对秸秆发酵,着重研发原料切碎、贮存和预接种混合技术及装置,提高秸秆产气效率。研究了高浓度发酵(TS≥10%)和干发酵(TS≥20%)过程中混合原料的搅拌方式及混合程度对厌氧共发酵工艺的影响,优化了不同混合原料的发酵工艺参数,提高原料产气率。开展了多原料高浓度混合共发酵制气基础研究。包括混合原料配比技术的研究;不同类型模型底物的厌氧水解动力学研究;不同单一原料的厌氧水解动力学研究;高浓度单相厌氧消化模型;固体床两相厌氧消化模型;沼气的生物脱硫技术基础研究。采用甲烷氧化脱氧工艺去除沼气中的氧,针对沼气脱氧剂和沼气脱氧工艺展开了研究。根据沼气中硫化物的形态分布,采用多种吸附剂有针对性地吸附不同的硫化物,主要研究了精脱硫剂及脱硫工艺。采用碳酸丙烯酯法和加压水洗法脱除沼气中的CO2,针对吸收溶剂地研制及脱除CO2工艺的开发展开了研究。该研究最终建立了不同发酵原料成分及其产气特性的数据库,两种以上混合原料厌氧共发酵,进料固形物含量大于10%,中温沼气产率大于1.2 Nm3/m3罐容天。建设了多原料共发酵的中试装置一套。完成示范工程建设,形成产业化核心技术,达到如下指标:产品CH497%,CO 23%,H2S 10 ppm,甲烷回收率≥99%,压力≤1.0 Mpa;纯化能耗≤0.80 kwh/m3生物天然气;精脱硫剂硫容≥10%,碚硫温度为常温;在贵金属催化剂作用下,使垃圾场沼气中的O20.60%达到欧洲标准;沼气中硫化氢、羰基硫、二硫化碳、硫醇、硫醚和噻吩等硫化物脱至1 ppm以下。     

固体碱强化水葫芦发酵产沼气的研究

采用固体碱预处理水葫芦,驯化污泥,并将其添加于水葫芦发酵体系中进行厌氧发酵。考察固体碱对水葫芦微观结构、活性污泥驯化、厌氧发酵产气速率以及甲烷含量的影响。结果表明:发酵初始加入固体碱且添加量为发酵底物的60%时,发酵平均产气速率最高,为16.88 mL/(g·d),此时,甲烷含量也达到最大,为80.06%;与不添加固体碱的发酵体系相比,分别提高了72.77%和64.73%。固体碱不但能驯化污泥,而且能破坏水葫芦的致密纤维结构,同时能调节发酵体系的pH值,防止有机酸对产酸菌的反馈抑制,创造更适宜于产甲烷菌生长的有利环境,提高水葫芦甲烷化的速率和效率。     

室温下鲜浒苔发酵产沼气潜力的研究

以鲜浒苔为原料,在室温（16—25℃）环境下,采用批量发酵的工艺,进行发酵产沼气实验。实验结果表明：鲜浒苔可以作为沼气发酵原料,其TS产气潜力为513ml／g,VS产气潜力为654ml／g,说明鲜浒苔是一种很好生物质产沼气原料。     

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。     

可控环境因素对沼气产量的影响

探讨发酵条件对产沼气的影响。以新鲜猪粪为原料,研究pH、接种量、C/N三个因素在三个水平上对厌氧发酵的启动、产气量的影响。不同水平都能启动发酵,以pH=6.5、接种量=29%、C/N=30%启动最快。接种量是启动的关键因素,pH次之。以pH=7.0、接种量=34%、C/N=35%产气量最高。pH是产气量的关键因素,接种量次之。pH与接种量在启动和产沼气中都无显著差异。说明人为可控的三个因素综合影响发酵过程,pH=6.5、接种量=24%—29%加速厌氧发酵启动。随发酵中间产物的形成和产甲烷菌对原料的利用,接种量=29%,pH=6.5—7.0,利于提高沼气产量,且三因素呈同步变化趋势。     

禽粪与麦秸协同厌氧发酵体系的需求导向产沼气性能及模型预测

通过改变传统的连续型沼气生产转向需求导向的灵活产气可以实现平抑风光等间歇式新能源的波动,从而维持新能源体系的稳定。然而作为典型农业废弃物的禽粪与麦秸,其作为发酵底物时是否可以通过进料管理方式实现按需产沼气未见研究。为此,本文模拟按需产气的投料模式,研究了不同投料负荷、频次与投料间隔时间等条件下,沼气产气速率与产气量等的响应关系,基于此构建沼气产气响应的预测模型。结果表明：低进料有机负荷（1.5 kg?VS?m-3?d-1）、2次/d频率、10 h时间间隔情景下发酵系统不存在明显的沼气延滞期,沼气产气响应速率较高,并且pH、FOS/TAC、VS/TS、NH3-N等参数波动均处于合理区间。进料负荷增大至3 kg?VS?m-3?d-1时,产气延滞期增大,但是体系在10 h时间间隔下发酵稳定性参数波动不大,此时系统仍可正常运行。进一步增加进料负荷至6 kg?VS?m-3?d-1时,沼气中甲烷含量跌至30%左右,产气响应明显变慢,说明该情景已不利于后续沼气的利用,此时限速步骤是高进料负荷时麦秸与禽粪底物中木质纤维素的水解反应。基于实验结果,构建了修正的Gompertz-BP神经网络混合模型以预测沼气产出的响应,并验证了其预测的准确性。研究结果表明,禽粪与麦秸作为底物进行协同厌氧发酵,在低进料负荷时辅以适当的控制手段可以实现按需产沼气。