液固联合秸秆沼气干发酵微生物适应性研究

【摘要】：本文对沼气发酵微生物荧光原位杂交（FISH）定量的样品处理方法进行了优化，研究了不同接种物种类、接种量和发酵基质初始含水量对沼气干发酵过程中微生物群落结构变化及发酵特性的影响，探讨了以液态沼气发酵的残余物为接种物进行秸秆沼气干发酵时微生物的适应性，为进一步优化液固联合秸秆沼气干发酵工艺，提高产气效率提供了一定的理论依据。具体研究内容如下： 1. FISH检测沼气干发酵细菌的超声波条件优化。为了进一步提高FISH定量沼气干发酵基质中微生物的准确性，通过单因素和正交实验，研究了样品预处理的超声波功率和处理时间对荧光原位杂交图片中荧光信号的丰度、亮度和均匀度的影响。结果表明，最佳的超声波破碎功率为200w，破碎时间为100s。经过最佳条件的超声处理后，FISH图片的丰度比以前未使用超声波处理的样品提高了124%左右，亮度和均匀程度也均显著提高。 2.不同种类接种物中微生物菌群在玉米秸秆沼气干发酵过程中的适应性研究。分别以液态沼气发酵的残余物（接种物1）和干发酵的沼渣（接种物2）为接种物进行液固联合沼气干发酵实验，结果表明：以液态发酵的沼渣为接种物时，沼气干发酵过程的启动速率及产气总量均明显优于以干发酵沼渣为接种物的发酵罐，其不同阶段的菌群结构、含量等均正常，甲烷菌生长未收到酸抑制。以干发酵残渣为接种物进行沼气干发酵时，pH迅速下降，第6天时已降低至5.86，明显低于甲烷菌生长所需pH6.8-7.2范围，导致甲烷菌生长缓慢，引起发酵失败。 3.接种物种类和接种量对液固联合沼气干发酵特性的影响。以玉米秸秆为原料，分别接种两种不同的接种物（接种物1和接种物2）进行液固联合沼气干发酵试验。玉米秸秆和接种物之比（F/I，基于可挥发性固形物VS）分别为1、3和5。结果表明：接种湿发酵沼渣的发酵罐的产气启动速率及产气总量均比以干发酵沼渣为接种物的发酵罐好。以液态沼气的沼渣做接种物时，接种量F/I=1、3、5时的总产气量差异不显著（P0.05）；用干发酵沼渣做接种物时，接种量F/I=1时产气效果较好，产气总量为66.9L/kg/vs，比F/I=3的发酵罐提高了135.3%；而F/I=5的的处理在第10天时pH已降低至5.45，导致过度酸化，从而引起发酵失败。 4.接种物中影响沼气干发酵进程的关键特性分析。以接种物1为接种物，接种总量F/I=3。对部分的接种物进行高温灭菌处理，使原料与具有微生物活性的接种物之比分别为F/I=4和5，将接种量F/I=4和5做为对照组，研究了接种物的菌群含量和碱度对沼气干发酵产气特性和菌群变化的影响，对接种物中影响液固联合沼气干发酵进程的关键因子进行了分析。结果表明：接种量为F/I=3、4、5以及部分灭菌的情况下的液固联合沼气干发酵均能产气，接种量越高发酵初期的产气越快，发酵过程较好；F/I=3、4、5的甲烷浓度和产气总量无明显差异（P0.05）。但F/I=3（灭菌25%）和F/I=3（灭菌40%）的总产气量和碱度高于F/I=3、4、5，其中F/I=3（灭菌40%）的总产量最高为80.1L/kg/vs，其次是F/I=3（灭菌25%），为77.9L/kg/vs。因此说明对于厌氧发酵产气情况来说，微生物的作用明显小于碱度的作用。 5.初始含水量对液固联合沼气干发酵微生物适应性的影响。以接种物1为接种物，研究了基质特性与微生物菌群之间的关系。结果表明：含水量为65%、70%、75%和80%时液固联合沼气厌氧干发酵均可顺利启动；含水量不同对沼气干发酵的启动时间、产甲烷周期和总产气量影响不同。含水量越低，启动越早、周期越长，最佳含水量为80%，其产气总量为44.2L/kg/vs，比含水量为35%的高9.7%。 【关键词】：沼气 干发酵 玉米秸秆 微生物
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ920.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.3 课题研究主要内容16-18
• 第二章 FISH 检测沼气干发酵细菌的超声波条件优化18-29
• 2.1 引言18-19
• 2.2 实验材料与方法19-23
• 2.2.1 沼气干发酵样品19
• 2.2.2 实验试剂19-20
• 2.2.3 实验仪器20-21
• 2.2.4 超声波处理21
• 2.2.5 单因素实验21
• 2.2.6 正交试验21-22
• 2.2.7 FISH 技术对样品处理22-23
• 2.2.8 统计分析23
• 2.3 结果与讨论23-28
• 2.3.1 超声功率对微生物计数的影响23-25
• 2.3.2 破碎时间对微生物计数的影响25-26
• 2.3.3 正交试验26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 接种物种类对沼气干发酵微生物适应性的影响29-41
• 3.1 引言29
• 3.2 实验材料与方法29-33
• 3.2.1 试验材料29-30
• 3.2.2 实验试剂30
• 3.2.3 实验所用仪器30
• 3.2.4 沼气干发酵处理方法30-31
• 3.2.5 指标测定方法及微生物分析31-33
• 3.3 结果与讨论33-40
• 3.3.1 基于微生物数量接种量33-36
• 3.3.2 接种量基于物料与接种之比36-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 接种量对沼气干发酵微生物适应性的影响41-49
• 4.1 引言41
• 4.2 实验材料与方法41-42
• 4.2.1 试验材料41-42
• 4.2.2 沼气干发酵处理方法42
• 4.2.3 指标测定方法及微生物分析42
• 4.3 结果与讨论42-47
• 4.3.1 接种量对沼气干发酵产气特性的影响42-44
• 4.3.2 接种量对物料特性的影响44-45
• 4.3.3 接种量对发酵过程中菌群变化的影响45-47
• 4.4 本章小结47-49
• 第五章 初始含水量对沼气干发酵微生物适应性的影响49-56
• 5.1 前言49
• 5.2 实验材料与方法49-50
• 5.2.1 试验材料49
• 5.2.2 沼气干发酵处理方法49-50
• 5.2.3 指标测定方法及微生物分析50
• 5.3 结果与讨论50-55
• 5.3.1 初始含水量对沼气干发酵产气特性的影响50-52
• 5.3.2 初始含水量对物料特性的影响52-53
• 5.3.3 初始含水量对发酵过程中菌群变化的影响53-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第六章 结论与展望56-59
• 6.1 结论56-57
• 6.2 展望57-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-68
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文68

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