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《中国农业大学》 2015年
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柳枝稷与牛粪共发酵的产甲烷特性及微生物群落特征

郑泽慧  
【摘要】:为推进产业沼气的发展,大中型沼气工程需要完成从环保主导到能源-环保双赢的转型,需要开发多样化的沼气发酵原料和高效的发酵工艺。本研究选择柳枝稷(Panicum virgatum)这种可种植在我国边际性土地的能源草,首先,研究柳枝稷的厌氧发酵特性;其次,探究柳枝稷与牛粪混合发酵的最适发酵比例,分析混合发酵对发酵效率和发酵动态的影响;最后,运用分子生物学方法,研究混合发酵中微生物群落结构特征,探究混合发酵的机理。本研究为开发能源草的高效甲烷发酵技术提供理论依据和参考数据。 以柳枝稷为单一原料进行中温批次发酵,含固率分别为1%、2%、3%、4%和6%,结果表明,柳枝稷是较好的甲烷发酵原料,含固率2%时,甲烷产量最高为171.4nL/gVS,较高的含固率下(≥4%),柳枝稷厌氧发酵的产甲烷稳定性较差,发酵液pH在前期下降严重,出现产甲烷中断现象。 将牛粪与柳枝稷以不同比例混合(4:0、3:1、2:2、1:3和0:4),分别在原料总含固率4%和6%条件下,进行批次发酵实验,结果表明,含固率4%和6%下,最大甲烷产量均在2:2配比下获得,为174.9mL/gVS和155.0]mL/gVS,分别比纯牛粪发酵的甲烷产量高出125%和74%。柳枝稷与牛粪之间存在正向的协同效应,三种混合比例发酵的甲烷产量均高于单一原料发酵的叠加产量,其中,2:2配比下的协同效应达到65%(4%TS下)和39%(6%TS下),同时,修正的Gomperz模型和First order莫型得出的动力学参数中,2:2配比下的最大产甲烷速率和底物水解速率均高于其他配比,说明2:2配比下发酵体系的产甲烷活性和水解酸化菌活性均较高。因此,2:2是较好的共发酵比例。 牛粪柳枝稷2:2配比下,进行含固率4%-12%的批次发酵实验,并将结果与柳枝稷单发酵对比,结果表明,在含固率8%下,甲烷产量较高为158.6mL/gVS。共发酵能提高发酵体系的稳定性,提高柳枝稷的利用率,提升发酵工艺的经济性,实际生产中推荐牛粪柳枝稷混合比例2:2,含固率8%,水力停留时间12天。 利用克隆文库和荧光定量PCR的方法,分析含固率6%下不同比例牛粪柳枝稷共发酵过程中微生物的群落特征,结果表明,发酵原料混合比例对细菌的数量和菌群结构均有较大影响,甲烷产量较高的2:2配比下,主要菌群为浮霉菌门、绿弯菌门和拟杆菌门,其他配比下的优势菌群为厚壁菌门。产甲烷菌方面,五种配比发酵时的优势甲烷菌均为甲烷鬃毛菌属。
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