利用搅拌提升沼气发酵效率的研究进展

搅拌可以提升厌氧发酵产沼气效率,但其内在机理尚不够明确,所以在复杂工况下很难寻得效率最优的搅拌形式。但近年来该方面研究成果较多,各种搅拌形式在不同原料特性、发酵条件、工况参数运行下的效果不断得到验证,机理也逐渐得以明晰。文章就该领域近年来国内外主要研究成果进行综述,在一定程度上阐明了某些特定工况下适宜采用的搅拌形式。

利用CFD多相流模型优化设计沼气料液搅拌流场的方法研究

搅拌是现代沼气工程必不可少的工艺,优化料液搅拌的流场形态,可使发酵物料分布更加均匀,从而提高沼气的产量和污染物去除率。采用底部进水、高位分散式压力出口的设计方式可以显著优化流态。沼气发酵搅拌实质上是一种固液两相流过程,其初始阶段固体颗粒较大,后期将处于高浓度粘性液体(非牛顿流体)状态。文章设计了一台容积0.75 m3的厌氧消化罐,利用计算流体力学(CFD)软件,以水为介质,模拟初期的基本流态,并采用欧拉模型模拟后期的高浓度粘性流体流态,从而验证底部进水、高位分散式压力出口设计方案的优化效果。通过对几种进料速度的搅拌效果进行分析,发现在清水介质工况下,采用0.6 m·s^-1的进水流速,比1 m·s^-1流场分布更均匀,避免了分层。但在秸秆介质工况下,采用1 m·s^-1却比0.6 m·s^-1更均匀,并能避免分层。文章通过变工况模拟分析的对比演示,阐述了利用CFD多相流数值模型分析不同工况混合搅拌流场形态,优化设计搅拌参数的方法。

利用CFD模拟沼气发酵罐内流场形态的计算方法研究综述

利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法模拟计算沼气工程料液搅拌的流场形态,得到流场分布图并以之为依据优化设计搅拌方式,目前已成沼气行业的主流方法。进入21世纪以来,学界对CFD方法在沼气领域的应用研究取得了长足进步,在工况适用算法模型、模拟对象近似分类、利用先进检测手段验证模拟真实性等诸多研究方向都取得大幅进展,文章就该领域近十五年来的研究成果作出综述,并总结了常见工况的适用算法以供参考。

利用CFD方法优化沼气发酵罐内流场形态的研究综述

料液搅拌是现代沼气工程不可或缺的附属工艺,能够大幅提升发酵效率。利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法模拟计算料液在厌氧消化罐内的流动过程,可以得到流场分布图,实现流场可视化,根据图形识别流场形态的特点和缺陷,优化设计搅拌形式和运行参数。近年来,利用CFD方法模拟沼气发酵料液搅拌的研究,在优化设计罐型、搅拌形式、搅拌运行参数、料液混合方式等方面都取得了极大进展,提升了沼气科学研究的层次,是沼气科学发展史上的一个重要阶段,并代表了未来的发展方向,文章综述了该阶段的研究进展。

H_3PO_4预处理水稻秸秆厌氧发酵产沼气的试验研究

为了探索水稻秸秆厌氧消化产沼气的特性,采用不同质量百分数H_3PO_4溶液对秸秆进行预处理,在中温(35℃±1℃),水稻秸秆和牛粪按1∶1配比的条件下进行了厌氧消化试验。比较总固体与挥发性固体的去除率、厌氧发酵消化时间、产气量等各项因素,可看出以6%H_3PO_4预处理试验组的效果最好。与对照组相比,TS和VS的去除率分别提高了15.5%和14.0%,累积产气量增加了421.66%,厌氧消化时间提前了9 d,表明6%H_3PO_4预处理是较优的工艺条件。

Kurthia huakuii LAM0618~T重组酚氧化酶LaclK对乙基紫脱色的研究

以三苯甲烷类染料乙基紫为研究对象,研究了Kurthia huakuii LAM0618~T重组酚氧化酶LaclK对乙基紫的脱色性能,探讨了给酶量、脱色时间、染料浓度、反应p H、卤离子、有机试剂以及NO^-_3、SO^(2-)_4和腐殖酸对脱色效果的影响。在pH 7.0,60℃条件下反应1 h,200 U/L的LaclK对10μmol/L和20μmol/L的乙基紫显示出较好的脱色效果,脱色率分别达到91%和84%。此外,LaclK能够耐受卤离子和有机试剂,具有一定的生物修复应用潜力。

胜利油田油泥沙细菌和古菌多样性研究

胜利油田某油泥沙是含有石油烃、水和泥沙的混合物,也含有丰富的微生物资源。采用454焦磷酸,并结合生物信息学分析了油泥沙中的细菌和古菌群落结构,发现油泥沙中的细菌群落主要由Psychrobacter(16.6%),Pseudomonas(14.7%),Rhodobacteraceae(6.5%),Thiobacillus(6.0%)和unclassified Actinomycetales(4.4%)组成,这些细菌大部分属于好氧和兼性好氧菌。古菌主要属于产甲烷古菌,主要由Methanohalobium(77.7%),Methanosaeta(5.4%),Methermicoccus(3.5%),Methanobrevibacter(2.8%),Methanobacterium(4.0%),Methanomethylovorans(1.8%)和Methanosphaera(1.7%),表明产甲烷古菌以甲基营养型为主,同时也存在少量的乙酸营养型和氢营养型产甲烷古菌。这些研究为今后认识和分离新型石油微生物资源提供了指导和帮助。

互营乙酸氧化菌研究进展

乙酸是沼气发酵过程中的重要中间代谢产物,可以通过乙酸裂解途径和互营乙酸氧化产甲烷途径代谢产生甲烷。文章主要综述了互营乙酸氧化菌的研究历史和最新进展,讨论了影响互营乙酸氧化产甲烷代谢的环境因素,并展望了互营乙酸氧化菌的研究趋势。

玉米秸秆厌氧发酵过程中添加氮素对微生物群落和沼气产量的影响

厌氧发酵是在多种微生物共同作用下完成的,发酵体系中氮浓度对微生物群落和沼气产量有重要的影响,为明确沼气发酵过程中氮素添加对微生物和产气量的作用,文章以玉米秸秆为原料,发酵体系20 L,TS为8%,添加1 g·L^(-1)尿素作为处理、不添加氮素作为对照,进行半连续进料的沼气发酵试验。利用16SrRNAgene测序和宏基因组学分析发酵料液中微生物多样性和关键功能基因丰度的变化。结果显示,处理的产气高峰提前,发酵周期缩短,发酵前10 d,20 d,30 d甲烷累积产量分别为64943 mL,137048 mL和199459 mL,显著高于对照。处理体系中梭菌属(Clostridium),甲烷袋状菌属(Methanoculleus),Sphaerochaeta和Ruminofilibacter等菌属丰度在产气高峰时期提升,在能量代谢中与甲烷代谢相关的基因的丰度提升。在玉米秸秆沼气发酵体系中,添加氮素通过提高沼气发酵功能菌株和甲烷代谢相关基因的丰度从而缩短发酵周期并提高沼气产量。

废弃食用油脂两相厌氧发酵酸化条件优化

油脂的水解和长链脂肪酸的降解是油脂厌氧发酵过程中的限速步骤,提高水解酸化阶段挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)的产率,有助于后续甲烷化反应的进行。利用响应面方法(response surface methodology,RSM)对废弃食用油脂两相厌氧发酵水解产挥发酸条件进行优化,考察了初始p H值、原料负荷、反应时间和接种量对产生挥发酸浓度的影响,提出采用该工艺的数学模型及优化后的工艺参数。结果表明,各影响因子对挥发酸的影响顺序为:接种量>反应时间>原料负荷>初始p H值,方程的F值为15.65,相关系数为0.9359,调整相关系数为0.8761,说明数学模型可以较好地模拟真实的反应曲面。优化得到最佳的工艺参数为初始p H值6.2、负荷300 g/L、反应时间8 d、接种量40%,在该条件下,实际产挥发酸7 221.0 mg/L,与预测值7 224.0 mg/L吻合且重现性较好。厌氧产甲烷试验表明,酸化后废弃油脂较未酸化油脂在甲烷产量、甲烷含量、总化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率及挥发性固体(volatile solid,VS)去除率方面分别提高了44%、11%、28%和51%,经酸化处理比未酸化油脂的厌氧发酵时间(完成一个厌氧发酵周期内总产气量的80%的时间)缩短了28%。该研究结果为废弃食用油脂的两相厌氧发酵中试提供了参考。

菌种驯化对废弃食用油脂中温厌氧消化的影响

为了提高废弃食用油脂厌氧消化的效率,以厌氧消化污泥(S0)为初始接种物,经餐厨垃圾和油脂驯化获得了油脂驯化菌种(S1)。采用批式发酵实验考察了两种菌种的脂肪酶活性、比产甲烷活性和利用油脂产甲烷潜力,其结果为:S1>S0;利用S1作为接种物进行的废弃食用油脂连续厌氧消化实验,油脂的负荷为3.30 g·L-1d-1,油脂的平均沼气产率达到1.21 L·g-1。上述结果表明,通过驯化可以显著提高菌种对油脂的厌氧消化能力,并且驯化后菌种性能稳定,可以用于处理废弃食用油脂的连续厌氧消化工艺。

强化CRI系统布水方式处理猪场废水厌氧消化液

为解决CRI系统表面易积水、喷头易堵塞和布水均匀性难控制的问题,课题组通过工程实例,以猪场废水厌氧消化液为原水,分析适宜于处理高氨氮废水的CRI系统新型布水方式。工程试验结果表明,强化CRI系统布水方式对猪场废水厌氧消化液具有较好的污染物去除效果。在日处理原水40 t,氨氮为250-350 mg·L-1,COD为650-1000 mg·L-1的条件下,氨氮去除率为84.5%-90.4%;COD去除率为89.5%-91.4%,均达到《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596-2001）。

Curvelet结合图像方向离散度的DSPI无损检测缺陷边缘提取

边缘提取是DSPI无损检测缺陷自动识别的基础。根据人类视觉识别的特点,提出以Curvelet多尺度几何分析为基础进行缺陷图像的边缘提取,为了对DSPI检测过程中因光照不足等原因产生的伪缺陷进行分辨,基于矢量积定义了图像的方向离散度,并与Curvelet多尺度分析方法相结合,在橡胶复合材料DSPI无损检测中进行应用。

基于高通量测序的不同窖龄窖泥微生物结构与多样性分析

窖泥是浓香型白酒的根本,包含多种功能微生物,这些微生物对浓香型白酒的香味和品质有着重要的影响。该实验对四川成都某酒厂不同窖龄窖泥的微生物群落结构进行解析。结果表明随着窖龄增加,厚壁菌门(Firmicutes)大量富集,变形菌门(Proteobacteria)被淘汰。5年窖龄中的优势物种 Ampullimonas (27.66%)和 Lactobacillus (13.94%),在25年窖龄窖泥中丰度仅有0.15%和1.17%,随着窖龄的进一步增加,相对丰度增加到0.24%和2.77%。在5年窖龄窖泥中, Caproiciproducens 的相对丰度为2.53%,在25年窖龄窖泥中相对丰度高达40.40%,在70年窖龄中丰度下降,相对丰度为24.49%。窖泥中的优势产甲烷古菌都是氢营养型产甲烷古菌(Candidatus_ Methanoplasma , Methanobacterium,Methanobrevibacter 和 Methanoculleus 等)。随着窖泥窖龄的增加, Methanosarcina 与窖龄的增加呈现负相关的关系,在5年,25年和70年窖龄窖泥中相对丰度分别为22.56%,8.90%和3.25%,而Candidatus_ Methanoplasma 丰度显著增加,从9.24%增加到36.96%。该研究初步揭示了窖泥微生物随窖龄的变化情况,为窖泥的老化和“老窖出好酒”提供了微生物参考。

中药渣微生物强化预处理效果及产气潜力

以天冬、防己和生地混合中药渣为发酵原料,分别采用固态(TS含量20%)和湿式(TS含量5%)2种发酵工艺,对经过微生物强化预处理的实验组药渣及未经过处理的对照组药渣进行沼气发酵,在35℃条件下,研究其产气潜力。在同为固态发酵工艺时,实验组药渣,产气量为1 900 mL,对照组药渣仅产气350 mL,固态发酵中实验组及对照组产气时间主要集中在前2天;而同为湿式发酵工艺时,实验组在整个实验周期产气共持续27 d,产气量为12 810 mL,对照组持续产气12 d,产气量为3 610 mL。实验结果表明,通过微生物的强化预处理均能大幅提高混合中药渣的产气率,混合中药渣经过预处理后采用湿式发酵工艺具有较好的产气潜力,其TS产气率为:0.346 m3/kg,而对照组TS产气率只有0.097 m3/kg,而固体发酵工艺并不适用于该混合中药渣的沼气发酵。