本文關(guān)鍵詞：牲畜糞便暗發(fā)酵產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷過程中參數(shù)優(yōu)化及其微生物群落特性

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【摘要】：近年來,隨著我國畜牧業(yè)的集約型發(fā)展,禽畜糞便的處理問題不容忽視。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷技術(shù)已成為人們處理纖維素類有機(jī)物的一條有效途徑,在此過程中不但獲取了清潔能源,而且還解決了有機(jī)廢棄物所引起的環(huán)境問題,具有能源和環(huán)境的雙重意義。但以新鮮牛糞為底物產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷兩步發(fā)酵技術(shù)的研究卻鮮有報(bào)道。本論文嘗試以新鮮牛糞作為牲畜糞便的模型物構(gòu)建了產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷兩步發(fā)酵體系。首先對新鮮牛糞發(fā)酵產(chǎn)氫參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并在單因素的基礎(chǔ)上應(yīng)用響應(yīng)面分析法對發(fā)酵產(chǎn)氫體系進(jìn)行中心組合實(shí)驗(yàn),確定污泥利用新鮮牛糞發(fā)酵產(chǎn)氫的最佳條件。對新鮮牛糞產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷兩步發(fā)酵系統(tǒng)和一步產(chǎn)甲烷系統(tǒng)在氣體產(chǎn)量、能源回收率和底物成分等方面性能進(jìn)行對比,并從分子生物學(xué)角度對發(fā)酵過程中不同階段的群落特征進(jìn)行分析,具體的研究結(jié)果如下:1.馴化得到了能夠直接利用微晶纖維素的產(chǎn)氫菌。高通量測序結(jié)果表明厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)和變形菌門(Proteobacteria)為其中的優(yōu)勢菌群。2.分別考察了接種菌源、初始pH值、鐵粉添加量、生物強(qiáng)化劑用量及C/N比對新鮮牛糞發(fā)酵產(chǎn)氫的影響。結(jié)果表明,在污泥為接種菌源、初始pH 5.0、鐵粉添加量600mg/L、生物強(qiáng)化劑用量8%及C/N比24時(shí)獲得最大產(chǎn)氫量和氫濃度分別為55.19mL/g-TVS和31.4%。采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面法對氫發(fā)酵的重要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果表明,當(dāng)初始pH值為5.95,C/N比為25.2和生物強(qiáng)化劑添加量為8.32%時(shí),最大的理論產(chǎn)氫量為59.94 mL/g-TVS,實(shí)際產(chǎn)氫量為59mL/g-TVS。高通量測序和變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)技術(shù)測試結(jié)果表明生物強(qiáng)化劑處理的樣品呈現(xiàn)生物多樣性,其中梭菌Clostridium sp.的數(shù)量顯著增加。3.考察并優(yōu)化了新鮮牛糞兩階段發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣-甲烷的過程參數(shù),在最佳條件下得到氫氣和甲烷的最大產(chǎn)量分別為59.85m L H2/g-TVS和447.3mL CH_4/g-TVS。C/N比重要的影響牛糞厭氧消化階段甲烷的產(chǎn)量,與對照樣相比,甲烷產(chǎn)量從93ml CH_4/g-TVS增加至223.9 m L CH_4/g-TVS。通過兩階段發(fā)酵,廢水COD去除率和總的能源回收率分別達(dá)到78%和44.06%,比單獨(dú)厭氧消化階段分別提高了13.42%和10.7%。4.高通量測序和PCR-DGGE技術(shù)的測試結(jié)果表明:在新鮮牛糞氫發(fā)酵階段,氫發(fā)酵介質(zhì)中隨著發(fā)酵時(shí)間的增加,發(fā)酵液中物種總數(shù)和群落多樣性先增加后減少,Clostridiales和Coriobacteriales數(shù)量急劇增加。在厭氧消化產(chǎn)甲烷階段,微生物多樣性先增強(qiáng)后降低,厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)為產(chǎn)甲烷過程的優(yōu)勢群落,螺旋菌門(Spirochaetae)、互養(yǎng)菌門(Synergistetes)和綠彎菌門(Chloroflexi)是產(chǎn)甲烷階段的新增菌群。
【關(guān)鍵詞】：新鮮牛糞 纖維素分解菌 發(fā)酵 厭氧消化 聯(lián)產(chǎn)氫氣-甲烷 微生物群落
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ116.2;TQ221.11
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 前言11-20
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 厭氧發(fā)酵的基本原理12-13
• 1.2.1 水解階段12-13
• 1.2.2 酸化階段13
• 1.2.3 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段13
• 1.2.4 產(chǎn)甲烷階段13
• 1.3 厭氧發(fā)酵的研究現(xiàn)狀13-18
• 1.3.1 生物質(zhì)暗發(fā)酵產(chǎn)氫14-17
• 1.3.1.1 純菌株利用纖維素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫14-15
• 1.3.1.2 混合菌株利用纖維素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫15
• 1.3.3.3 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫參數(shù)的優(yōu)化15-17
• 1.3.2 產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷兩步發(fā)酵過程17-18
• 1.4 本課題的研究內(nèi)容及意義18-20
• 2 新鮮牛糞發(fā)酵產(chǎn)氫的參數(shù)優(yōu)化及微生物群落分析20-49
• 2.1 材料與方法20-29
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料20-21
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備21-22
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)方法22-23
• 2.1.3.1 菌源預(yù)處理方法22
• 2.1.3.2 菌源的馴化22
• 2.1.3.3 直接利用微晶纖維素的菌源的馴化22-23
• 2.1.3.4 新鮮牛糞的預(yù)處理23
• 2.1.3.5 批式實(shí)驗(yàn)方法23
• 2.1.4 實(shí)驗(yàn)分析方法及計(jì)算23-29
• 2.1.4.1 氣體體積的測定23-24
• 2.1.4.2 生物氣體的組分分析24-25
• 2.1.4.3 牛糞中TS、TVS及灰分的測定25
• 2.1.4.4 牛糞中纖維素半纖維素含量的測定25-28
• 2.1.4.5 牛糞中還原糖含量的測定28
• 2.1.4.6 累計(jì)產(chǎn)氫量的計(jì)算28
• 2.1.4.7 產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)模型28-29
• 2.2 結(jié)果與討論29-47
• 2.2.1 不同產(chǎn)氫參數(shù)的優(yōu)化29-43
• 2.2.1.1 天然產(chǎn)氫菌源的選擇29-31
• 2.2.1.2 新鮮牛糞為底物的河底污泥產(chǎn)氫菌源的馴化31-32
• 2.2.1.3 微晶纖維素為底物河底污泥菌源的馴化32-33
• 2.2.1.4 初始pH值對發(fā)酵產(chǎn)氫的影響33-35
• 2.2.1.5 鐵粉添加量對發(fā)酵產(chǎn)氫的影響35-36
• 2.2.1.6 生物強(qiáng)化對產(chǎn)氫的影響36-41
• 2.2.1.7 介質(zhì)C/N比對發(fā)酵產(chǎn)氫的影響41-43
• 2.2.2 響應(yīng)面法對污泥發(fā)酵產(chǎn)氫參數(shù)的優(yōu)化43-47
• 2.2.2.1 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)43-44
• 2.2.2.2 二次回歸擬合及方差分析44-47
• 2.3 結(jié)論47-49
• 3 新鮮牛糞廢棄物兩階段發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷與單獨(dú)厭氧消化產(chǎn)甲烷的比較49-73
• 3.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法49-53
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料49
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備49-50
• 3.1.3 實(shí)驗(yàn)方法50-51
• 3.1.3.1 污泥的活化50
• 3.1.3.2 產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷批式實(shí)驗(yàn)方法50-51
• 3.1.3.3 新鮮牛糞厭氧消化直接產(chǎn)甲烷51
• 3.1.4 分析及計(jì)算方法51-53
• 3.1.4.1 氣體體積的測定51
• 3.1.4.2 生物氣體的成分分析51
• 3.1.4.3 發(fā)酵末端液相成分分析51-52
• 3.1.4.4 沼液中TS、TVS及灰分的測定52
• 3.1.4.5 累計(jì)產(chǎn)氫量產(chǎn)甲烷量的計(jì)算52-53
• 3.1.4.6 厭氧消化過程中能源回收率53
• 3.2 結(jié)果與討論53-71
• 3.2.1 新鮮牛糞兩步發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷氣53-57
• 3.2.1.1 牛糞的發(fā)酵產(chǎn)氫特性53-55
• 3.2.1.2 氫發(fā)酵廢液厭氧消化產(chǎn)甲烷55-57
• 3.2.2 新鮮牛糞厭氧消化直接產(chǎn)甲烷57-61
• 3.2.3 兩步發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷與一步厭氧消化產(chǎn)甲烷的性能對比61-63
• 3.2.4 新鮮牛糞兩階段發(fā)酵過程中菌群結(jié)構(gòu)分析63-71
• 3.2.4.1 新鮮牛糞氫發(fā)酵階段微生物多樣性分析63-67
• 3.2.4.2 厭氧消化產(chǎn)甲烷過程微生物多樣性分析67-71
• 3.3 小結(jié)71-73
• 4 結(jié)論73-75
• 參考文獻(xiàn)75-82
• 致謝82-83
• 個(gè)人簡歷、攻讀碩士期間發(fā)表論文83

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4 陳t，

本文編號：752831