【摘要】：提高秸稈沼氣發(fā)酵體系的有機(jī)負(fù)荷和維持發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣穩(wěn)定性對(duì)于秸稈能源化和環(huán)境保護(hù)意義重大。本研究以玉米秸稈為原料,中溫(37±1℃)條件下進(jìn)行半連續(xù)式厭氧發(fā)酵,從總固體濃度(Total Solids,TS)8%起始,每10 d進(jìn)出料一次,以1%梯度逐漸遞增總固體濃度,建立玉米秸稈高負(fù)荷沼氣發(fā)酵體系。對(duì)于厭氧發(fā)酵酸化體系,通過(guò)添加不同比例牛糞(20%、30%和40%)置換總固體含量的方式使酸化體系恢復(fù)產(chǎn)氣,繼而探究有效防止發(fā)酵體系酸化的最適糞稈比。利用16S rRNA基因測(cè)序技術(shù)分析發(fā)酵最佳產(chǎn)氣期、發(fā)酵酸化期及發(fā)酵酸化后再平衡恢復(fù)產(chǎn)氣期的細(xì)菌和古菌多樣性。試驗(yàn)結(jié)果表明:玉米秸稈沼氣發(fā)酵的總固體濃度為8%時(shí),TS甲烷產(chǎn)率為39.4 mL/g,此時(shí)發(fā)酵體系揮發(fā)性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA)含量為1872.2 mg/L,pH值為7.05。當(dāng)總固體濃度提升至13%時(shí),TS甲烷產(chǎn)率達(dá)到最高為59.4 mL/g,此時(shí)發(fā)酵體系揮發(fā)性脂肪酸含量為2726.5 mg/L,pH值為6.90。總固體濃度提升至15%時(shí),反應(yīng)體系酸化,第4 d停止產(chǎn)氣,TS甲烷產(chǎn)率僅為2.2 mL/g,此時(shí)發(fā)酵體系揮發(fā)性脂肪酸含量最高為11485.7mg/L,pH值下降至5.13。對(duì)于厭氧發(fā)酵酸化體系,當(dāng)牛糞置換總固體含量為30%時(shí),達(dá)到最佳的恢復(fù)產(chǎn)氣效果,其TS甲烷產(chǎn)率為29.2 mL/g,此時(shí)發(fā)酵體系揮發(fā)性脂肪酸含量為4722.7 mg/L,pH值為6.71。為防止體系酸化,在發(fā)酵最佳產(chǎn)氣期后、酸化臨界點(diǎn)前,調(diào)整發(fā)酵原料為牛糞與玉米秸稈混合進(jìn)料,可有效防止反應(yīng)體系酸化,糞稈比為1:1時(shí)產(chǎn)氣效果最好。發(fā)酵最佳產(chǎn)氣期、酸化期和恢復(fù)產(chǎn)氣期的沼液中細(xì)菌在門分類水平上的主要優(yōu)勢(shì)菌群相同,均為Firmicutes(50.97%、16.84%、48.01%)、Chloroflexi(31.34%、29.74%、9.32%)和Bacteroidetes(7.86%、29.80%、32.12%)。發(fā)酵沼液中細(xì)菌在屬分類水平上的主要優(yōu)勢(shì)菌群差異顯著,發(fā)酵最佳產(chǎn)氣期的主要優(yōu)勢(shì)菌群為Ruminofilibacter(14.32%),發(fā)酵酸化期的主要優(yōu)勢(shì)菌群為Clostridium(25.72%)和Caproiciproducens(9.06%),發(fā)酵恢復(fù)產(chǎn)氣期的主要優(yōu)勢(shì)菌群為Prevotella(24.15%)和Ruminiclostridium(11.62%)。三個(gè)時(shí)期發(fā)酵沼液中古菌在門分類水平上的主要優(yōu)勢(shì)菌群相同為Euryarchaeota(52.84%、70.65%、76.42%)和Bathyarchaeota(31.07%、19.48%、12.83%)。發(fā)酵沼液中古菌在屬分類水平上的主要優(yōu)勢(shì)菌群為Methanosaeta(38.63%、31.19%、23.79%)、Methanobacterium(8.05%、31.27%、36.46%)和Methanosarcina(1.23%、1.11%、10.64%)。通過(guò)高通量測(cè)序分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),三個(gè)時(shí)期發(fā)酵沼液中細(xì)菌在門分類水平上的主要優(yōu)勢(shì)菌群相同,但各時(shí)期菌群豐度差別明顯,在屬分類水平上的主要優(yōu)勢(shì)菌群不同。發(fā)酵沼液中古菌組成多樣性在門和屬分類水平上差異均不顯著。推測(cè)玉米秸稈沼氣發(fā)酵過(guò)程中酸化現(xiàn)象主要與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有關(guān),尤其是與Clostridium和Caproiciproducens相關(guān)性最大。綜上所述,通過(guò)逐漸遞增反應(yīng)的總固體濃度,建立了高負(fù)荷玉米秸稈沼氣發(fā)酵體系,明確了反應(yīng)體系酸化的臨界點(diǎn)及可使酸化體系再平衡恢復(fù)產(chǎn)氣的最適牛糞添加量,并在發(fā)酵最佳產(chǎn)氣期后調(diào)整進(jìn)料為糞稈混合發(fā)酵,可有效防止體系酸化并使發(fā)酵體系高效運(yùn)行,利用高通量測(cè)序技術(shù)探究了發(fā)酵最佳產(chǎn)氣期、酸化期及恢復(fù)產(chǎn)氣期的細(xì)菌和古菌群落組成及豐度差異。
【學(xué)位授予單位】：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S216.4
【圖文】：

玉米秸稈高負(fù)荷沼氣發(fā)酵體系建立及酸化再平衡研究負(fù)荷沼氣發(fā)酵體系的建立秸稈為發(fā)酵原料，采用 25 L 自制厭氧發(fā)酵裝置，裝置上端設(shè) 20 L 集氣袋相連。發(fā)酵體積 20 L，接種物 12 L。反應(yīng)初始進(jìn)行每 10 d 進(jìn)行一次投料，即提升總固體濃度至 9%、10%件下進(jìn)行半連續(xù)式厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，每個(gè)處理三次重復(fù)。每日烷含量利用沼氣分析儀進(jìn)行測(cè)定。

玉米秸稈高負(fù)荷沼氣發(fā)酵體系建立及酸化再平衡研究ts，OTU）數(shù)在 2000 左右，但多樣性尚未接近飽和，說(shuō)明測(cè)中的細(xì)菌，繼續(xù)增加測(cè)序深度將有助于觀測(cè)到更多的新 OTU氣期 ZJ1、ZJ2、ZJ3 及恢復(fù)產(chǎn)氣期 HF1、HF2、HF3 可觀測(cè)到線趨平緩，表明測(cè)序結(jié)果已可以足夠反映當(dāng)前樣本所包含的已不太可能檢測(cè)到大量尚未發(fā)現(xiàn)的新物種。通過(guò)稀釋曲線可種數(shù)高于最佳產(chǎn)氣期和恢復(fù)產(chǎn)氣期。

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本文編號(hào)：2720235