多种底物混合发酵产甲烷及制取生物絮凝剂的研究

【摘要】：在我国，农业废弃物在处理过程中，存在地区原料分布不均、单一物料的降解率低、产酸段难以调控、甲烷产量低等特点。基于此，本课题旨在考察利用混合底物进行两相厌氧发酵，来比较单相及单一底物发酵对产甲烷量的影响。并对利用产酸发酵液制取生物絮凝剂可行性进行了研究。 本研究以牛粪、水稻秸秆及糖蜜废水作为混合发酵底物，利用CSTR作为产酸相。结果表明，混合发酵各底物互相补充，相比于单一物料发酵系统运行更稳定，并具有更高的产气量，发酵类型为乙酸、乙醇为主的混合型发酵，并且发现水稻秸秆中的纤维素和半纤维素都得到了有效的降解，微生物群落进行解析发现发酵过程中存在的优势菌群为梭状芽孢杆菌属(Clostridium)，不动杆菌属(Acinetobacter sp.)，拟杆菌属(Bacteroides)，盐水球菌属(Salinicoccussp.)，梭菌属(Clostridium.sp.)，假单胞菌属(Pseudomonas sp.)，甲基杆菌属(Methylobacterium sp.)等。 利用内循环厌氧反应器(IC)作为产甲烷相，取产气的沼液与牛粪混合作为底物培养产甲烷菌。通过CSTR-IC两相工艺来考察产酸相水解酸化平稳阶段第30d、第50d发酵液通入IC相中对提高产甲烷效率的影响，结果表明，启动OLR为3kgVS/m3d、HRT为20d，观察IC1、IC2反应器甲烷产量分别为1.02m3/m3d、1.06m3/m3d，甲烷百分含量在55~70%之间，该两阶段相比于IC单相产气量分别提高了24.5%、27.4%。微生物群落进行解析发现发酵过程中存在的优势菌群为甲烷杆菌属(Methanobacterium sp.)，马氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina mazei)，小甲烷菌粒属(Methanocorpusculum parvum)，甲烷微粒属(Methanocorpusculm sp.)，甲烷髦毛菌属(Methanosaeta sp.)，广域古菌(Euryarchaeote)等。 利用产酸发酵液作为产絮替代培养基进行了可行性研究，通过正交实验测定产絮菌的絮凝效果确定最优配比条件，得到絮凝率最优的影响因素组合为混合发酵液与传统培养基配比为1:4，发酵液为70d时，接种量为8%时絮凝率最高，絮凝率为92.3%。通过粗提计算复合型生物絮凝剂产量为2.13g/L，以传统培养基培养时，产量为2.49g/L。 【关键词】：农业废弃物 混合底物 两相厌氧发酵 复合型产絮培养基
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题背景8
• 1.2 农业废弃物研究现状8-11
• 1.2.1 秸秆厌氧发酵研究现状9-10
• 1.2.2 禽畜粪便厌氧发酵研究现状10-11
• 1.3 两相厌氧发酵技术研究现状11-13
• 1.4 复合型生物絮凝剂研究现状13-14
• 1.5 课题研究目的及主要内容14-17
• 1.5.1 课题来源14-15
• 1.5.2 课题研究的目的15
• 1.5.3 课题研究的主要内容15-16
• 1.5.4 技术路线16-17
• 第2章 实验材料与方法17-24
• 2.1 实验材料及装置17-19
• 2.1.1 实验材料17
• 2.1.2 两相厌氧发酵实验装置图17-18
• 2.1.3 实验试剂18
• 2.1.4 实验培养基18
• 2.1.5 实验仪器18-19
• 2.2 实验设计与分析方法19-24
• 2.2.1 CSTR 产酸相反应器处理实验设计与分析方法19-21
• 2.2.2 利用单一底物牛粪产甲烷实验设计21
• 2.2.3 利用糖蜜废水产甲烷实验设计21-22
• 2.2.4 IC 产甲烷反应器处理实验设计与分析方法22-23
• 2.2.5 利用产酸发酵液产絮实验设计与分析方法23-24
• 第3章 CSTR 产酸相批次混合发酵产酸效能24-39
• 3.1 产酸发酵底物基本特性参数24-25
• 3.2 产酸相不同时期 pH 值、ORP 值的变化25-26
• 3.3 产酸相不同时期 TOC、TN 及 SCOD 的变化26-27
• 3.4 产酸相不同时期挥发性脂肪酸含量的变化27-28
• 3.5 产酸相内不同时期水稻秸秆形态变化28-29
• 3.6 产酸相不同时期水稻秸秆成分的变化29-30
• 3.7 不同时期产酸相发酵细菌群落结构解析30-35
• 3.8 混合物料与单一物料厌氧发酵产甲烷量分析与比较35-38
• 3.8.1 利用牛粪产甲烷35-36
• 3.8.2 利用糖蜜废水产甲烷36
• 3.8.3 混合与单一物料产甲烷量比较36-38
• 3.9 本章小结38-39
• 第4章 CSTR-IC 两相半连续产甲烷效能39-54
• 4.1 IC 产甲烷反应器内 pH 值、ORP 值的变化39-40
• 4.2 IC 产甲烷反应器内甲烷产量的变化40-41
• 4.3 IC 反应器内富集产甲烷菌群落结构解析41-43
• 4.4 CSTR-IC 两相半连续厌氧工艺启动43-47
• 4.4.1 CSTR-IC 两相甲烷产量的变化44-46
• 4.4.2 IC 产甲烷相 VFA 含量的变化46-47
• 4.5 两相与单相厌氧发酵甲烷产量比较47-48
• 4.6 两相半连续产甲烷阶段群落结构解析48-52
• 4.7 本章小结52-54
• 第5章 利用产酸发酵液制取生物絮凝剂可行性54-62
• 5.1 不同时期产酸发酵液总还原糖含量的变化54-55
• 5.2 产酸复合型产絮培养基配比条件的优化55-57
• 5.3 对絮凝率影响因素最优水平求解57-58
• 5.4 产絮菌在最优复合产絮培养基中产絮效果58-59
• 5.5 产絮菌在最优复合产絮培养基中的生长情况59-60
• 5.6 以产酸发酵液制取生物絮凝剂产量60
• 5.7 本章小结60-62
• 结论62-64
• 参考文献64-69
• 攻读学位期间发表的学术论文69-71
• 致谢71

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