原核微生物菌群的空间分异增强秸秆-猪粪混合发酵效率

秸秆与禽畜粪便混合发酵既可增强反应器稳定性又能提高发酵产气效率。然而关于秸秆附着菌群、发酵液菌群的时空动态变化,以及它们与产气效率、环境变量的关系仍然未被全部揭示。采用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术,对这一问题进行了研究。结果显示,秸秆猪粪混合发酵能够改善沼气发酵的效率。原核微生物群落在空间上的差异分布可能有助于提升系统的效率。在产气高效的系统中,秸秆吸附菌群如Treponema、ClostridiumⅢ、Alkaliflexus和Fibrobacter是主要的纤维素降解菌,提供底物给产酸菌。丙酸是发酵液中含量最丰富的挥发性脂肪酸(VFAs),Pelotomaculum可能是该系统主要的丙酸氧化菌,它们与Methanoculleus、Methanosarcina和Methanosaeta协同作用通过二氧化碳/氢营养型和乙酸营养型产甲烷途径,将包括丙酸在内的VFAs最终转化成甲烷。参与氨基酸代谢的Aminobacterium和Cloacibacillus广泛分布于发酵液中,表明蛋白质是一种重要的发酵底物,说明VFAs尤其是丙酸和氨基酸的互营代谢可能是秸秆猪粪混合发酵系统的重要过程。这些结果表明,功能菌群的空间分化、稳定的秸秆降解菌群和发酵液菌群的弹性变化有助于维持秸秆猪粪混合发酵系统的稳定性和提高发酵效率。     

猪粪原料沼气工程系统中的原核微生物群落结构

采集了中国不同地区的13个猪粪原料沼气工程系统的沼液,利用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术研究了原核微生物群落组成及多样性。结果表明,Firmicutes是猪粪原料沼气工程系统中的主导微生物,其次为Bacteroidetes、Proteobacteria和Chloroflexi。在相似的温度条件下,铵态氮与磷酸盐的比例是影响猪粪原料沼气工程系统原核微生物群落结构及多样性的主要因素。较高的铵磷比会富集Firmicutes门的菌群,尤其是Clostridium sensu stricto属;而较低的铵磷比则有利于Bacteroidetes和Proteobacteria。不同营养类型产甲烷菌对高浓度铵态氮耐受程度不同（氢营养型产甲烷菌 >Methanosarcina >Methanosaeta）,影响着产甲烷菌群落组成。产甲烷菌和互营菌的群落组成是影响沼气发酵产气效率的重要生物因素,高比例的氢型产甲烷菌和丙酸互营菌更有利于提高产甲烷效率。     

猪粪原料沼气工程系统中的原核微生物群落结构

采集了中国不同地区的13个猪粪原料沼气工程系统的沼液,利用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术研究了原核微生物群落组成及多样性。结果表明,Firmicutes是猪粪原料沼气工程系统中的主导微生物,其次为Bacteroidetes、Proteobacteria和Chloroflexi。在相似的温度条件下,铵态氮与磷酸盐的比例是影响猪粪原料沼气工程系统原核微生物群落结构及多样性的主要因素。较高的铵磷比会富集Firmicutes门的菌群,尤其是Clostridium sensu stricto属;而较低的铵磷比则有利于Bacteroidetes和Proteobacteria。不同营养类型产甲烷菌对高浓度铵态氮耐受程度不同(氢营养型产甲烷菌MethanosarcinaMethanosaeta),影响着产甲烷菌群落组成。产甲烷菌和互营菌的群落组成是影响沼气发酵产气效率的重要生物因素,高比例的氢型产甲烷菌和丙酸互营菌更有利于提高产甲烷效率。     

沼气发酵过程研究进展

综述了沼气发酵菌群、工艺控制和处理系统方面的研究进展,指出对发酵机理缺乏了解是导致过程不稳和效率不高的主要原因,提出将来的研究重点应通过元基因组手段解析菌群相互作用和代谢网络,建立基于反应器操作、VFAs代谢、活性菌群变化和功能基因表达的多尺度过程控制手段,以及发展原料预处理、科学配伍和两相联产氢气甲烷等工艺来提高系统效率.     

降解没食子酸制备焦性没食子酸的菌种筛选及工艺条件

通过研究不同微生物菌属——肠杆菌属(Enterobacer spp.)、柠檬酸杆菌属(Citrobacter spp.)菌株在CDM培养基中经底物诱导降解没食子酸生产焦性没食子酸,筛选出产气肠杆菌(Enterobacer aerogenes)为焦性没食子酸高产菌种。对发酵温度、底物浓度、初始发酵液p H等单因素对焦性没食子酸收率的影响进行了分析,并采用Box-Behnken实验设计进行三因素三水平的响应面分析及模型修正,确定了产气肠杆菌(Enterobacer aerogenes)降解没食子酸的最佳发酵条件。结果表明,在发酵温度为32℃、底物质量分数为0.32%、初始发酵液p H=6.0时,焦性没食子酸收率最大为77.86%,优于同等条件下的化学法及其他复杂的生物法,为微生物法降解没食子酸生产焦性没食子酸的规模化生产提供参考。     

降解没食子酸生产焦性没食子酸的菌种筛选及工艺条件

通过研究不同微生物菌属——肠杆菌属（Enterobacer spp.）、柠檬酸杆菌属（Citrobacter spp.）菌株在CDM培养基中经底物诱导降解没食子酸生产焦性没食子酸,筛选出产气肠杆菌（E. aerogenes）为焦性没食子酸高产菌种。对发酵温度、底物浓度、初始发酵液pH等单因素对焦性没食子酸收率的影响进行了分析,并采用Box-Behnken实验设计进行三因素三水平的响应面分析及模型修正,确定了产气肠杆菌（E. aerogenes）降解没食子酸的最佳发酵条件。结果表明：在发酵温度为32℃、底物质量分数为0.32%、初始发酵液pH为6.0时,焦性没食子酸收率最大为77.86%,优于同等条件下的化学法及其他复杂的生物法,为微生物法降解没食子酸生产焦性没食子酸的规模化生产提供参考。     

磷酸预处理对芦苇秸秆与牛粪混合厌氧发酵的影响

为研究酸预处理对芦苇秸秆-牛粪混合厌氧发酵的影响,采用6%磷酸对芦苇秸秆进行预处理,并与牛粪混合进行厌氧发酵制沼气实验,同时对酸预处理组和对照组在厌氧发酵过程中产气量、p H、COD以及发酵前后混合原料木质纤维素变化情况进行分析。结果表明,酸预处理提高混合原料发酵的产气量,其总产气量为97.24 m L/g,比对照组的产气量13.69 m L/g高出610.3%;酸预处理组p H更接近中性,表明该系统具有更好的抵御酸化能力和稳定性;酸预处理提高了发酵体系COD的含量,促进发酵原料的降解。研究表明,芦苇秸秆可以作为发酵原料进行再利用,且磷酸预处理可以提高发酵系统缓冲能力和原料利用效率。     

玉米芯与鸡粪混合发酵提高甲烷发酵性能

为提高玉米芯和鸡粪厌氧发酵甲烷产率,研究了玉米芯和鸡粪混合发酵性能。实验结果表明,玉米芯与鸡粪最佳混合比为5∶1,沼气和甲烷产率最高,分别是200mg/g和121.2mL/g（玉米芯/鸡粪,VS,下同),与单一鸡粪厌氧发酵相比,沼气产量提高了700%,玉米芯与鸡粪混合发酵有助于更多的生物质向甲烷转化。玉米芯与鸡粪在最佳比例下混合发酵时挥发性脂肪酸（VFAs）最高达2.56g/L,乙酸在VFAs中起主导作用。适当的鸡粪添加有助于体系氨氮含量增大和甲烷菌活性提高,过多鸡粪添加不利于甲烷总产量的提高。氨氮与VFAs的中和作用促进了体系的pH稳定。底物进料量对沼气产率有明显的影响,混合底物进料量为50g/L时总产气量最高,为7800mL,对应的甲烷体积分数为68.7%,而进料量为20g/L时沼气产率和甲烷产率最高,分别为325mg/g和184.3mL/g。玉米芯与鸡粪混合发酵能够改善碳氮底物（C/N）的发酵比、提高微量金属元素含量,是甲烷产率提高的主要原因。     

餐厨垃圾与固体废物共消化产气效果研究

为研究餐厨垃圾与不同固体废物厌氧共消化产气的效果,探究餐厨垃圾/污泥共消化最佳进料方式,采用自制的全混合厌氧反应器,通过产气量和甲烷含量综合评价餐厨垃圾与不同固废(鸡粪、猪粪、玉米秸秆、麦秆、稻杆和活性污泥)共消化系统在不同配比下产气的潜力;通过产气性能和消化液的pH值、VFAs质量浓度、氨氮质量浓度、碱度综合评价进料方式对餐厨垃圾/活性污泥共消化系统的影响。结果表明:餐厨垃圾与6种不同底物混合共消化系统的产气潜力分别是活性污泥(5∶5)>鸡粪(5∶5)>玉米杆(3∶7)>麦秆(3∶7)>猪粪(1∶9)>稻杆(5∶5);餐厨垃圾/活性污泥共消化系统连续式进料的各项指标均优于序批式进料,更适合厌氧发酵产沼气。     

不同物料厌氧共发酵产甲烷特性研究

针对我国农业废弃物种类多、产量大、利用率低及单一物料厌氧发酵产气效率不高且不稳定等问题,本研究选取了典型农业废弃物牛粪、玉米秸秆和城市污水处理厂脱水污泥作为底物,两两混合进行批式厌氧共发酵实验。实验结果表明,不同底物厌氧共发酵较单物料发酵甲烷产量显著提高,底物的混合比例能够明显影响厌氧发酵的产甲烷特性,当脱水污泥与玉米秸秆以3∶1比例(以挥发性固体质量计)混合,脱水污泥与牛粪以1∶2比例混合,牛粪与秸秆以1∶1比例混合时,30天的累计甲烷产量最高,厌氧共发酵产生了协同效应,协同效应指数大于1。厌氧共发酵体系处于稳定状态,缓冲能力增强,溶解性化学需氧量、氨氮处在正常范围,没有发生氨抑制和挥发性脂肪酸的积累。     

玉米秸秆高浓度厌氧发酵的启动过程特性

高浓度厌氧发酵具有单位体积产气率高、原料处理量大、需水量小、能耗低等优点,同时存在启动难和易酸化的问题。以玉米秸秆为原料,研究秸秆高浓度发酵过程接种物、分批进料结合渗滤液回流对启动的影响。结果表明,分批进料结合渗滤液回流工艺可有效实现高浓度厌氧发酵系统的稳定启动,反应器启动运行22 d,以污泥为接种物的秸秆累积产沼气量为43.54 ml·（g TS）^-1,以湿法发酵的沼液为接种物的秸秆累积产沼气量为115.15 ml·（g TS）^-1。与以厌氧污泥为接种物的发酵系统相比,以湿式发酵沼液为接种物的高浓度厌氧发酵系统秸秆微观结构变化更明显,主要表现为半纤维的溶解;荧光原位杂交技术（FISH）结果也表明两种接种物系统的甲烷菌形态存在明显差异。     

Effect of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS) on the performance of anaerobic co-digestion with sewage sludge,food waste,and green waste

Abstract

The anionic detergent sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS) inhibits anaerobic solid waste fermentation process in mesophilic anaerobic digesters. In this study, the effect SDBS on the performance of anaerobic digestion (AD) of mixture of sewage sludge, food waste, and green waste serving as substrate was investigated. The batch experiments were conducted with five SDBS concentrations namely 0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, and 0.2?g/g (SDBS/dry sludge) under mesophilic condition (37?±?1?°C) and lasted for 63?days. The results showed that the presence of SDBS remarkably increased the release of protein and carbohydrate, and resulting in the serious accumulation of volatile fatty acids (VFAs), especially for propionate accumulation. Likewise, the observed variations in enzyme activities associated with different stage of AD revealed that methanogenesis was quite sensitive to SDBS and inhibited by the increase of SDBS addition. Meanwhile, the presence of SDBS decreased the pH value and the concentration of free ammonia, but increased the concentration of NH₄⁺-N. Furthermore, the production of biogas was reduced by SDBS. In conclusion, SDBS addition has a negative impact on anaerobic co-digestion. On the one hand, methanogens were severely inhibited and biogas yield decreased remarkably, on the other hand, the accumulation of VFAs was excessive. Thus, the presence of surfactant (SDBS) in the municipal organic waste should be concerned during the waste disposal via anaerobic digestion process.     

污泥厌氧发酵产酸机理及应用研究进展

为了实现污水中污泥减量化和资源化，对其进行厌氧消化是目前国际上应用最广泛的处理方法。酸化阶段的重要产物——挥发性脂肪酸（VFAs）不仅可以作为污水脱氮除磷的碳源，还是合成生物质塑料聚羟基脂肪酸酯（PHAs）的理想底物。简单介绍了污泥厌氧发酵产酸的代谢机理和微生物机理，对近年来污泥厌氧发酵产酸的研究成果进行了梳理，重点论述了底物种类、预处理技术、pH值、发酵温度等因素对污泥厌氧发酵产酸的影响及研究进展，总结并对比了不同底物类型、发酵温度、酸性和碱性条件下都可影响发酵产酸的产量及酸种类分布，而污泥预处理技术则倾向于提高酸的产量，对酸种类分布影响不大。介绍了污泥厌氧发酵产酸在合成PHAs、生物能源和污水的脱氮除磷等方面的应用情况。最后，针对污泥厌氧发酵产酸会因底物有机成分不同，导致酸化效率有所差异，同时控制底物种类、pH值和温度等因素不仅影响产酸量，还会影响产酸类型和产物种类。提出了今后的研究方向主要是深入分析不同底物的酸化效率差异原因、污泥定向发酵产酸，实现总VFAs中各种酸比例调控。     

水稻秸秆渗滤床半固态厌氧发酵性能研究

以水稻秸秆为原料，利用自行设计的渗滤床反应器，对比研究了不同温度（20、25、30和35℃）及不同预处理方式（NaOH、生物试剂和沼液）对秸秆厌氧发酵产气性能、物能转化率、发酵后沼液性能和产气成本等方面的影响。实验结果表明：发酵后总固体（TS）质量分数稳定在13%~15%之间，属于半固态厌氧发酵，同时累积产气量与温度、发酵后COD及NH₃-N的变化量均呈极显著正相关。相同温度（20~30℃）条件下，经预处理后的水稻秸秆TS产气率较空白均有所提高；其中沼液预处理效果最为明显，35℃条件下，TS产气率及挥发性固体（VS）产甲烷率分别为154.0和55.2 mL/g，较空白样品分别提高25.1%和52.5%。同时，沼液预处理可显著提升厌氧发酵产气中的甲烷体积分数。各预处理样品TS产甲烷率及VS产甲烷率呈随温度（20~30℃）上升而增加的趋势，但产甲烷提升率随温度的上升而逐渐下降，将系统温度从20℃提升至25℃，各处理产甲烷率可提高90%以上。考虑到沼气工程罐体增温及产能收支平衡等因素，温度控制在25℃是经济性最好的策略模式。从产气成本上分析，自产沼液具有较佳的处理效果和较低的生产成本，每生产1 m³沼气的可变成本1.62元。     

猪粪废水的厌氧处理工艺研究进展

介绍了近几年国内外厌氧工艺处理猪粪废水的研究,详述了猪粪废水的厌氧发酵特性,对比了各种厌氧技术对猪粪废水的处理效果和经济效益,总结了猪粪的厌氧处理工艺中应当关注的因素和运行条件,对该领域的研究前景进行了展望,提出应当加强新型高效反应器与创新耦合厌氧工艺的研究与应用。     

畜禽粪便高温发酵与秸秆热化学处理工艺的耦合

我国规模化养殖场沼气工程普遍采用常温和中温发酵技术, 产气速率低导致发酵罐体积大和投资高, 是制约其快速发展的关键因素。另一方面, 秸秆作为农村常见低劣生物质常常被随意焚烧而导致严重的空气污染。为此, 本文提出将畜禽粪便高温发酵与秸秆热化学燃烧耦合的新思路, 通过秸秆燃烧为高温发酵过程提供热量, 将常温和中温发酵转变为高温发酵过程, 提高畜禽粪便厌氧发酵的处理速率, 同时避免秸秆的浪费。对耦合新工艺的计算结果表明, 对于万头猪场沼气工程, 发酵温度从30℃提高到55℃, 容积产气率由1.43 m³·m^-3·d^-1提高至3.40 m³·m^-3·d^-1, 发酵罐体积从1200 m³减小到500 m³;为维持高温发酵(55℃)所需热量, 年利用秸秆339 t。     

The relationships among sCOD,VFAs, microbial community,and biogas production during anaerobic digestion of rice straw pretreated with ammonia

This study investigated the effects of soluble chemical oxygen demand (sCOD), volatile fatty acids (VFAs), and microbial community on biogas production in the process of rice straw (RS) anaerobic digestion (AD). The results showed that the sCOD concentrations and VFA production appeared the same trend, which was inversely related with that of daily biogas production. The cumulative methane yield of RS was 194.9 ml·(g VS)^-1·^-1. The modified Gompertz model is the best fit for measured methane yields of RS in the three kinetic models of first-order kinetic, Cone and modified Gompertz. Firmicutes, Bacteroidetes, and Euryarchaeota were the dominant microbial phyla throughout AD process. At the genus level, the microorganisms mainly composed of Clostridium, Vadin, Terrisporobacter, Methanosaeta, Methanobacterium, and Methanosarcina. Proteiniphilum showed strong relationship with sCOD and VFA production. Clostridium and Terrisporobacter displayed relationship with biogas production. Therefore, in order to improve the stability of the AD system, the parameter changes of VFAs, sCOD, and biogas yield were monitored in the RS AD process. The study can provide theoretical basis for improving the efficiency of RS AD.     

秸秆与猪粪混合高固厌氧消化产气性能及关键微生物分析

高固厌氧消化（HS-AD）是处理木质纤维素类原料和其他高固含率有机原料的有效方式之一。本文以节能高效为出发点，研究秸秆和猪粪为混合原料，两者不同配比（秸秆/猪粪的质量比2∶1、1∶1和1∶2）条件下，反应器的运行情况及关键微生物变化情况。结果表明：原料的配比对高固厌氧消化的产气量有明显影响。相比于其他两组实验，秸秆和猪粪的配比为2∶1时，累计产气量最大为229.66L，最终甲烷含量稳定在60.7%左右，转化为单位VS产甲烷量为131.8mL/g VS。同时，反应过程中液相性质（pH、VFA、TIC）的变化，也说明秸秆和猪粪配比为2∶1时，运行平稳且产气较好。另外，微生物分析结果显示，秸秆和猪粪配比为2∶1的实验组，在实验启动的前期，甲烷八叠球菌（Methanosarcinaceae）的相对丰度较高，并且细菌和古菌群落的丰富度和多样性都优于其他两组。     

生物甲烷系统的组分分析与综合评价

明确生物甲烷过程中原料、沼液和沼渣的组成与系统的综合评价,在优化生物甲烷系统、减少污染物排放等方面都具有重要意义。研究了牛粪、猪粪、秸秆、餐厨垃圾和鸡粪等五种典型原料的生物甲烷系统,分析原料、沼气、沼液和沼渣的组成,并在此基础上构建了包含绿色度、甲烷产率、沼液沼渣的重金属污染度和潜在生态风险四个方面的生物甲烷系统综合评价体系。研究结果表明：猪粪原料的生物甲烷系统绿色度和甲烷产率最高,分别达到0.222和212 ml·g^-1,但其沼渣的重金属污染度最高;牛粪原料的生物甲烷系统绿色度较高,达到0.200,沼渣的重金属污染度最低,但甲烷产率仅有116 ml·g^-1;秸秆原料的生物甲烷系统沼渣的潜在生态风险最低,沼液的重金属污染度和潜在生态风险较低,但绿色度和甲烷产率偏低;鸡粪原料的生物甲烷系统甲烷产率较高,达到183 ml·g^-1,但沼液的重金属污染度和潜在生态风险都最高,且绿色度较低;餐厨垃圾原料的生物甲烷系统性能最差,绿色度和甲烷产率最低,并且沼渣的潜在生态风险最高。