接种比在中温与低温条件下对猪粪产甲烷潜力的影响研究

为探究猪粪挥发性固体(VS)与接种液VS不同接种比(S/I)对中温与低温条件下猪粪产甲烷潜力(BMP)的影响,在(35±0.5)℃中温条件和(23±0.5)℃低温条件下,将初始VS浓度控制在3%,按照接种比为0.5、1.0与2.0开展猪粪BMP试验,并进行产甲烷过程的动力学分析。各试验组甲烷产生量均为标准状况(1标准大气压,0℃)下的体积。结果:无论中温还是低温条件,累积甲烷产量和最大日甲烷产生量都与猪粪接种比呈显著正相关性(P<0.05),但不同接种比例下猪粪BMP无显著差异(P>0.05);以VS计,中温条件下S/I为0.5、1.0和2.0时猪粪的BMP分别为(252.05±5.12)mL/g、(250.07±16.57)mL/g和(249.65±13.69)mL/g,均值为(250.59±1.28)mL/g;低温条件下S/I为0.5、1.0和2.0时猪粪的BMP分别为(183.42±9.18)mL/g、(189.02±11.25)mL/g和(191.88±3.50)mL/g,其均值为(188.11±4.31)mL/g;动力学研究表明,修正的Gompertz模型较Logistic模型更适合猪粪的厌氧消化动力学分析。本研究表明,初始VS水平控制在3%时,在相同温度条件下(中温或低温),不同接种比猪粪的BMP无显著差异,从缩短BMP测试时间、提高效率的角度考虑,建议进行猪粪BMP测试时选取中温条件下,将S/I设为0.5。

物料产甲烷潜力分析技术及设备评述

物料产甲烷潜力测试(BMP)通常用于测定有机废弃物的厌氧可降解性能、最大产甲烷潜力和降解速率,不仅在沼气相关技术研究中得到使用,也是评估沼气工程盈利能力及其过程优化控制的重要工具。总结了BMP分析技术及设备,评述了近年来发展的一些高精度、自动化测试系统,包括Yieldmaster甲烷测定系统、Ox-iTop生物降解测定仪和全自动甲烷潜力测试系统(AMPTS)等。

典型畜禽粪便厌氧发酵产甲烷潜力试验与计算

为获得符合中国现阶段畜牧业生产实际的畜禽粪便产甲烷潜力(Biochemical Methane Potential,BMP),为不同养殖场粪便管理甲烷评价提供参考,该研究选取蛋鸡粪、奶牛粪、猪粪三种主要畜禽粪便,在(37±0.5)℃条件下进行中温批式厌氧发酵试验,并利用First-order模型和修正后的Gompertz模型对试验结果进行拟合。结果表明,蛋鸡粪、奶牛粪和猪粪三种畜禽粪便的单位底物最大累积甲烷产量(Bo)分别为0.33、0.17和0.38 m^(3)/kg,与对应IPCC给出的亚洲地区缺省值0.24、0.13和0.29 m^(3)/kg不一致。First-order模型和修正后的Gompertz模型均能较好地拟合三种畜禽粪便厌氧发酵产甲烷过程。BMP1%(当日产甲烷量为累积甲烷产量的1%时的累积甲烷产量)均达到了试验结束时累积甲烷产量的90%以上,并且试验时间缩短了45.3%~76.6%。根据试验获得的三种典型畜禽粪便的产甲烷潜力值计算其年甲烷产生潜力,为中国畜牧业温室气体减排及相关政策制定提供参考。

猪粪和水牛粪厌氧消化产甲烷潜力的研究

采集江西地区两种代表性家畜粪便进行生物质特性分析,根据Buswell经验公式对其进行理论甲烷产量计算,并通过生化甲烷潜力测定试验对两种生物质的实际产气特性进行分析。结果表明,本研究中采集的猪粪和水牛粪的理论产甲烷潜力分别为646.7 mL·g-1VS和606.1 mL·g-1VS,其在生化甲烷潜力测定试验中实际产甲烷量分别为479.4 mL·g-1VS和307.6 mL·g-1VS,其生物降解率分别为74.1%和50.8%。水牛粪便的产甲烷潜力曲线和降解速率表明其生物降解过程中存在抑制因素。

异常毕赤酵母和纤维素酶对青贮甜高粱产甲烷潜力的影响

本文探究了单独或联合使用异常毕赤酵母(Pichia anomala)和纤维素酶对甜高粱青贮质量和厌氧消化产甲烷潜力的调控效果,利用高通量测序解析了厌氧消化过程中微生物菌群的多样性,结合经济性能分析筛选廉价高效的青贮预处理添加剂。结果表明,甜高粱青贮过程中,单独或联合使用2种添加剂的青贮品质均为优良,其中异常毕赤酵母和纤维素酶联合处理组(PC组)的综合评价值为0.66,单独添加异常毕赤酵母(Pa组)的评价值次之为0.63;两种添加剂均能有效保存青贮甜高粱的可溶性碳水化合物、粗蛋白、纤维素和半纤维素等能量组分,降低酸性洗涤木质素、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维等木质纤维组分,增加乳酸和乙酸含量,强化青贮发酵进程。尤其,PC组的可溶性碳水化合物保存效果最佳,木质素去除率高达62.55%;Pa组中蛋白质保存完好,乳酸和乙酸含量最高,分别为50.01 g·kg^(−1)(DM)和18.35 g·kg^(−1)(DM)。青贮预处理能明显提升甜高粱的厌氧发酵产甲烷效能,与新鲜原料组相比,PC组累计产甲烷量提高30.13%,为457.70 mL(CH_(4))·g^(−1)(VS),消化迟滞期缩短62.96%,生物降解指数最高,达72.39%;Pa组的预处理效果次之,最大产甲烷速率提升33.57%,消化迟滞期缩短33.33%,且消化系统都相对稳定。厌氧消化系统中属水平优势细菌为发酵单胞菌(Fermentimonas)和梭状芽孢杆菌(Clostridium_sensu_stricto_1),与pH呈负相关,与化学需氧量(COD)和总挥发性脂肪酸(TVFA)呈正相关。优势古菌属为甲烷八叠球菌(Methanosarcina)和甲烷短杆菌(Methanobrevibacter),其中甲烷八叠球菌与COD和TVFA呈负相关,与pH呈正相关;甲烷短杆菌与COD和TVFA呈正相关,与pH呈负相关关系。综合青贮质量、产甲烷性能和经济性分析,推荐单独使用异常毕赤酵母作为甜高粱青贮预处理的生物强化剂。

蓝藻沼气发酵产甲烷潜力测定(英文)

滇池蓝藻——作为污染的产物和二次污染的始作俑者正越来越成为滇池污染治理迫切需要解决的难题。而如果能够将这一污染物变废为宝,作为沼气发酵的原料加以利用将具有重要的社会、生态、经济效益。研究主要测定了将蓝藻用于沼气发酵的产甲烷潜力,结果表明:滇池蓝藻可以被用做沼气发酵原料加以利用,而且产气周期较长,产气稳定,经测定TS(总固体)产气率为345 mL/g TS,VS(挥发份)产期率为366 mL/g VS。

超声预处理时间对污泥厌氧发酵产甲烷潜力的影响研究

文章在0.5 W·mL^-1的低密度超声条件下,研究了污泥在不同超声预处理作用时间下的物化特性,结合修正的Gompertz方程分析了厌氧发酵的产甲烷潜力及动力学过程。结果表明,不同超声时间下污泥释放的溶解性SCOD符合一级反应动力学规律;超声预处理可有效的削减污泥粒度,提高厌氧消化甲烷产量;修正的Gompertz模型可以很好的预测不同超声时间预处理下污泥的产甲烷潜力值(相关性系数R 2>0.99),并且随着超声处理时间增加,污泥厌氧发酵延滞期先变短后变长,以超声1 min处理后的污泥为底物发酵延滞期最短。

秸秆类木质纤维原料产甲烷潜力及动力学分析

为进一步了解木质纤维素类物料内部组成成分对其厌氧消化的影响,以及木质纤维素类物料在厌氧发酵过程中的产气特性,从而为其在工程上的利用提供依据,使大型沼气工程发酵物料的评估和利用达到标准化、科学化和高效化。以玉米秸秆、水稻秸秆、苜蓿秸秆为研究对象,采用中温批次厌氧发酵工艺,接种物与底物挥发性固体(VS)比为2∶1,发酵温度(37±0.1)℃且固体浓度为10%,研究各木质纤维原料厌氧生物转化甲烷的潜力(BMP),并利用修正Gompertz模型对原料累积产甲烷过程进行动力学分析。结果表明:玉米秸秆、水稻秸秆、苜蓿秸秆各原料发酵底物总固体(TS)浓度为10%时的单位质量挥发性固体(VS)生物甲烷产量分别为266.86,225.19,286.24mL·g^-1,占各自理论生物甲烷潜力(TMP)的83.8%、66.4%、90.8%,BMP1%时的反应时间分别为28,32,26d。不同秸秆的产甲烷潜力与原料组分中木质素和无定形全纤维素的含量有较大关系。采用修正Gompertz方程对累积产甲烷曲线拟合,能较好模拟玉米秸秆、水稻秸秆、苜蓿秸秆的累积产甲烷变化过程,拟合方程的R2分别为0.998,0.984,0.990;动力学常数K和延滞期时间λ分别为0.122,0.101,0.065d^-1和0.35,0.57,0.48d,为木质纤维原料的产甲烷潜力评估预测及实际沼气生产中原料的选择提供依据。

接种比对猪粪中温条件产甲烷潜力的影响

为探究不同接种比对猪粪中温产甲烷潜力(BMP)的影响,在(35.0±0.5)℃和3%初始挥发性固体(VS)浓度条件下分别按照猪粪与接种液比例为1∶2、1∶1和2∶1的接种比开展猪粪中温BMP实验,实验期间对各反应瓶的日甲烷产生量和发酵液上清液的pH、氨氮、总氮、葡萄糖等理化指标进行连续监测,并在反应结束后对不同接种比实验体系的微生物群落进行16SV4测序。各处理组甲烷产生量均为标准状况(1个标准大气压,0℃)体积。结果表明:累积甲烷产量和最大日甲烷产生量都与猪粪接种比呈显著正相关关系(P<0.05),但不同接种比例下猪粪BMP(以VS计)无显著差异(P>0.05)。在1∶2、1∶1和2∶1三种接种比例下猪粪的BMP分别为(252.05±5.12)、(250.07±16.57)mL·g^(-1)和(249.65±13.69)mL·g^(-1),其均值为(250.59±1.28)mL·g^(-1);在微生物群落中,厚壁菌门、拟杆菌门与Cloacimonadota是猪粪厌氧消化系统中相对丰度最高的三类细菌,Halobacterota在产甲烷古菌中占绝对优势,变形菌门和Methanobacterium相对丰度的下降水平与接种比呈负相关关系。修正的Gompertz模型较Logistic模型更适合中温条件下猪粪的厌氧消化动力学分析。研究表明,在中温[(35.0±0.5)℃]和3%初始VS条件下,不同接种比的猪粪BMP值无显著差异(P>0.05),从缩短BMP测试时间、提高效率考虑,建议猪粪BMP测试的接种比选取1∶2。

基于产甲烷潜力和基质降解动力学的沼气发酵物料评估

为使大型沼气工程发酵物料的评估规范化、科学化、高效化,该文根据物料产甲烷潜力试验得到的物料产气和降解动态情况,利用First-order、Modified First-order和Gompertz模型分析和拟合了物料的产甲烷潜力(biochemical methane potential,BMP),降解动力学参数,提出了物料评估初步指标方法。Gompertz模型对筛选物料的产甲烷潜力曲线的拟合显示出较高的准确性,拟合的甲烷潜力值与试验值较为接近。BMP1%(单日产气量达累积产气量的1%时的累积产气量)作为物料产甲烷潜力的定量判断指标时,累积产甲烷量达到试验结束时累积产甲烷量的90%以上,并且BMP试验时间缩短了27.94%~70.58%。筛选的物料中,小麦秸秆,玉米茎、叶,干、鲜苜蓿,鸡粪水解液,大、小死鸡以及餐厨垃圾的产甲烷潜力(以BMP1%计)分别为220.49、241.01、262.10、310.84、305.80、508.41、520.90、630.7、618.05 m L/g。动力学参数显示,9种物料中:纤维素类物料(除玉米茎和小麦秸秆)、鸡粪和脱油餐厨属于易降解物料,大、小死鸡属于降解缓慢的物料。标准化物料产甲烷潜力和物料间产甲烷动力学参数对比,提高了沼气工程筛选物料的评估的效率。

外源添加剂对黄贮小麦秸秆产甲烷潜力及微生物群落的影响

为探讨添加不同外源添加剂对黄贮小麦秸秆产甲烷潜力和微生物群落结构的影响,该研究以小麦秸秆为黄贮原料,添加乙酸(3‰ACE组)和异型发酵乳酸菌复合系(3‰MI1组,6‰MI2组),调整含水率至50%,黄贮65 d后,以黄贮小麦秸秆为厌氧发酵原料,探究发酵过程中的指标性质和微生物群落结构。研究发现黄贮预处理后,发酵系统中的初始挥发性有机酸中的乳酸和乙酸增加、甲烷含量增加、可溶性化学需氧量(sCOD)增加。添加了外源添加剂的ACE组、MI1组、MI2组的累积甲烷产量较干黄小麦秸秆(WS组)提高了4.7%~10.6%,而未添加添加剂的CK组的累积甲烷产量较WS组降低了9%。发酵系统中的主要优势细菌为Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria,优势古菌为甲烷鬃菌属Methanosaeta,黄贮预处理改变了发酵系统微生物的群落结构,促进了小麦秸秆的甲烷转化,为木质纤维素的沼气转化提供参考。

汽爆预处理对废弃烤后烟叶产甲烷潜力的影响

为资源化利用涉烟有机废弃物,以废弃烤后烟叶为底物进行了中温厌氧发酵实验,通过对比研究蒸汽爆破预处理及5种汽爆条件对烤后烟叶产甲烷潜力的影响,探讨汽爆在烤后烟叶厌氧发酵中应用的可行性。结果表明:未处理烤后烟叶L0的生化产甲烷潜力值高于绝大多数木质纤维素类废弃物,达到了252.7 mL·g-1VS,且产气周期短,是优良的发酵原料;烤后烟叶在汽爆过程中发生固液组分分离,液体糖难以完全回收进而影响产气。与L0相比,汽爆后烟叶的生化产甲烷潜力均有下降,L1~L5分别降低了11.6%、23.0%、24.0%、22.4%及26.3%。对于烤后烟叶,尽管汽爆预处理能打开物料结构,但也会导致液体糖分大量流失,甲烷产量下降。综合考虑产品价值和处理能耗等因素,在实际应用中直接将烤后烟叶进行厌氧发酵是更优的选择。

HCl和NaOH预处理对菊芋秸秆产甲烷潜力的影响

为资源化利用菊芋秸秆,以菊芋秸秆为底物进行了中温批式厌氧消化实验,通过对比不同浓度HCl和NaOH(0.2~0.8 mol/L)预处理对菊芋秸秆产甲烷潜力的影响,研究了HCl和NaOH预处理在菊芋秸秆厌氧消化中应用的可行性。研究结果表明:HCl处理效果优于NaOH处理,0.4 mol/L HCl处理后菊芋秸秆的产甲烷潜力达到了(229.57±13.77)mL/g,较未经处理的菊芋秸秆提高了71.17%;NaOH和HCl预处理均能够有效打开菊芋秸秆内部结构,其中HCl处理后,半纤维素降解率最大,为17.26%~31.75%,NaOH处理后,木质素降解率最大,为6.87%~16.87%;NaOH处理可以缩短菊芋秸秆的厌氧消化周期(T_(50),T_(80)和T_(90)分别缩短了5~6,9~14,5~11d),但要获得更大的甲烷产量可能需要更高浓度的NaOH进行预处理。综合考虑经济效益和对环境的污染等因素,低浓度的HCl更适于菊芋秸秆厌氧消化的预处理。

木质纤维类农林加工废弃物厌氧发酵产甲烷潜力研究

为评估木质纤维类农林加工废弃物直接作为沼气发酵原料的可行性,采用批次试验,选取其中产量大、分布广的甘蔗渣、棉籽壳、花生壳和木屑4种原料,在中温(37℃)条件下进行厌氧发酵产甲烷潜力(BMP)试验。结果表明:甘蔗渣、棉籽壳、花生壳及木屑4种农林加工废弃物的VS累积甲烷产量(m L/g)分别为205.67,180.30,35.09及4.52,产气高峰期主要集中在厌氧发酵的前26 d;供试原料的产甲烷潜力与其半纤维素、纤维素含量均呈极显著正相关(P<0.01),与木质素含量呈显著负相关(P<0.05)。木质素的存在显著降低了木质纤维类农林加工废弃物的产甲烷潜力。甘蔗渣、棉籽壳具有较高的产甲烷潜力,可直接作为沼气发酵原料;而花生壳、木屑则需进行有效的预处理才可应用到沼气发酵中。

不同农作物秸秆厌氧消化的产甲烷潜力

为秸秆资源的全面利用提供理论依据,采用全自动甲烷潜力测试系统结合Modified Gompertz Equation模型,研究中温(35℃)条件下,小麦、水稻、干黄玉米、花生及青储玉米等10种农作物秸秆的甲烷生产潜力。结果表明:小麦、水稻、干黄玉米、花生、青储玉米、大蒜、红薯、薏米、高粱和大豆秸秆的累计甲烷产量分别为373.83 mL/g、356.30 mL/g、347.27 mL/g、334.11 mL/g、308.83 mL/g、161.71 mL/g、157.63 mL/g、155.02 mL/g、133.28 mL/g和129.50 mL/g。经Modified Gompertz Equation模型拟合的各作物秸秆产甲烷动力学方程的相关系数较高,除青储玉米的相关系数为0.87外,其余作物均在0.95~1.00,该模型可用于预测农作物秸秆产甲烷潜力;10种农作物秸秆的产甲烷潜力分别为青储玉米352.30 mL/g、干黄玉米350.36 mL/g、小麦345.63 mL/g、花生338.54 mL/g、水稻294.20 mL/g、薏米161.98 mL/g、大蒜158.20 mL/g、大豆155.26 mL/g、红薯134.77 mL/g和高粱132.04 mL/g。

有机硅预处理对水稻秸秆表面结构及其产甲烷潜力的影响

为提高农作物秸秆的利用率,采用单因素试验研究1%有机硅(表面活性剂)浸泡处理对长度为1 mm、5 mm和20 mm水稻秸秆产甲烷潜力(BMP)和表面结构的影响。结果表明:经有机硅预处理后,1 mm、5 mm和20 mm水稻秸秆的BMP较同长度未经处理的分别提高53.00%、76.65%和10.73%,差异显著;处理后1 mm水稻秸秆的BMP较20 mm的提高13.67%,差异显著;水稻秸秆长度越小其水解速率越快;有机硅预处理后水稻秸秆的发酵迟滞期较未处理组延长;水稻秸秆表面蜡质晶体密度降低、乳突数量减少。

碱预处理提高污泥产甲烷潜力(BMP)研究

以济南某生活污水处理厂的污泥为研究对象,考察碱预处理对污泥粒径和产甲烷潜力(BMP)的影响。调节污泥混和液的pH值至11左右后与未作处理的原污泥进行对比分析,结果表明,碱预处理对污泥有很好的分散作用,可以将较大粒径的污泥絮体分散为较小粒径的污泥絮体;未处理的污泥10 d左右产甲烷量达到最高约为165 ml/gVSS,而碱预处理后的污泥在6 d左右产甲烷量就高达245 ml/gVSS,碱预处理后污泥的产甲烷量不但明显增加,而且产甲烷所需时间也大大缩短。

存储时间对玉米秸秆理化性状及产甲烷潜力的影响

收割后的秸秆需要经过时间不等的存储后进入到厌氧系统生产沼气,而秸秆的存储时间不同对产甲烷潜力有一定的影响。该文对收割后的玉米秸秆分别经过 0、2、5、10、20、30 和 45 d 自然堆放存储,分析不同存储时间秸秆的理化性质变化以及对产甲烷潜力的影响。通过分析不同存储时间秸秆的感官性状、总固体(total solid,TS)、挥发性固体(volatile solid,VS)、pH 值、木质纤维素、叶绿素、挥发性脂肪酸(volatile fat acid,VFA)等理化性质,发现秸秆存储20 d 后各个性状趋于稳定。对不同存储时间处理的秸秆进行产甲烷潜力(biochemical methane potential,BMP)测试,结果显示,存储 0、2、5、10、20、30、45 d 的 BMP 分别为 325.49、315.35、297.85、296.71、295.25、287.83、291.01 mL/g(以 VS 计)),随着存储时间的增加,BMP 总体上呈下降趋势,且存储 0~5 d 的下降较快,存储大于 5 d 的秸秆 BMP 结果相近。试验得出,秸秆存储时间不同对产甲烷潜力有明显影响,主要由于受到多种原料性质的影响,尤其是木质纤维素、可溶性化学需氧量、还原糖、挥发性脂肪酸。研究结果可为工程化秸秆沼气项目和生物天然气项目的运行提供参考。

冻干预处理对烤后废弃烟叶产甲烷潜力的影响

为探究冷冻真空干燥预处理对烤后废弃烟叶产甲烷潜力的影响,实现烤后废弃烟叶的资源化利用,促进碳中和背景下烟草行业绿色清洁生产体系的发展,对烤后废弃烟叶分别进行0、1、3、5、10 h冷冻真空干燥预处理(L1~L5),比较了预处理前后烤后废弃烟叶表面微观结构、木质纤维素结构、总糖含量、烟碱含量等的变化,并对烤后废弃烟叶进行了产甲烷潜力(BMP)测试分析。结果显示:未预处理(L0)与L1~L5处理烤后废弃烟叶BMP值(以单位质量挥发性固体在厌氧条件下的产甲烷量表示)分别为200.74、208.64、220.98、224.28、211.11、209.30 mL·g^(-1),预处理较未预处理BMP分别增加了3.94%、10.08%、11.73%、5.16%及4.26%。经冷冻真空干燥预处理后,烟叶表面呈现褶皱和卷曲,产生疏松多孔的物理结构,有效增大了微生物接触面积。但长时间的真空干燥除了较大程度增加预处理能耗,还会造成烟叶有机成分的损失。因此,基于预处理能耗成本和甲烷产量效益的综合考虑,应控制冻干时长,进一步优化预处理工艺。

储存时间对芒草能源作物产甲烷潜力的影响

芒草是一种极具开发价值的新型能源作物,芒草在用作厌氧发酵原料时,其存储时间对产甲烷潜力有一定的影响。文章将芒草收割后分别经过0,5,15,30和45 d存储,分析不同存储时间芒草的理化性质发现TS,VS,VFA,SCOD,p H值,纤维素,半纤维素,木质素,叶绿素均发生了变化,芒草的TS含量从存储时间0 d的43.92%上升到45 d的91.52%,VS含量也从0 d的41.87%上升到45 d的86.27%。对经过不同存储时间处理的芒草进行产甲烷潜力(BMP)测试,结果显示存储时间为0,5,15,30和45 d的芒草的产甲烷潜力分别为196.54,192.68,179.73,154.89和161.59 m L·g^(-1)VS。存储时间0~30 d的BMP呈现线性下降趋势,存储时间大于30 d的理化性质和BMP趋于稳定,总体上随着芒草存储时间的延长,芒草的理化性质随之改变,产甲烷潜力随存储时间的延长而降低。