【摘要】：提高秸稈沼氣發(fā)酵體系的有機負荷和維持發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣穩(wěn)定性對于秸稈能源化和環(huán)境保護意義重大。本研究以玉米秸稈為原料,中溫(37±1℃)條件下進行半連續(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,建立玉米秸稈高負荷沼氣發(fā)酵體系。對于厭氧發(fā)酵酸化體系,通過添加不同比例牛糞(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產(chǎn)氣期的細菌和古菌多樣性。試驗結(jié)果表明:玉米秸稈沼氣發(fā)酵的總固體濃度為8%時,TS甲烷產(chǎn)率為39.4 mL/g,此時發(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。當總固體濃度提升至13%時,TS甲烷產(chǎn)率達到最高為59.4 mL/g,此時發(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,反應體系酸化,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。對于厭氧發(fā)酵酸化體系,當牛糞置換總固體含量為30%時,達到最佳的恢復產(chǎn)氣效果,其TS甲烷產(chǎn)率為29.2 mL/g,此時發(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、酸化臨界點前,調(diào)整發(fā)酵原料為牛糞與玉米秸稈混合進料,可有效防止反應體系酸化,糞稈比為1:1時產(chǎn)氣效果最好。發(fā)酵最佳產(chǎn)氣期、酸化期和恢復產(chǎn)氣期的沼液中細菌在門分類水平上的主要優(yōu)勢菌群相同,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)酵沼液中細菌在屬分類水平上的主要優(yōu)勢菌群差異顯著,發(fā)酵最佳產(chǎn)氣期的主要優(yōu)勢菌群為Ruminofilibacter(14.32%),發(fā)酵酸化期的主要優(yōu)勢菌群為Clostridium(25.72%)和Caproiciproducens(9.06%),發(fā)酵恢復產(chǎn)氣期的主要優(yōu)勢菌群為Prevotella(24.15%)和Ruminiclostridium(11.62%)。三個時期發(fā)酵沼液中古菌在門分類水平上的主要優(yōu)勢菌群相同為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%)。通過高通量測序分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),三個時期發(fā)酵沼液中細菌在門分類水平上的主要優(yōu)勢菌群相同,但各時期菌群豐度差別明顯,在屬分類水平上的主要優(yōu)勢菌群不同。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。推測玉米秸稈沼氣發(fā)酵過程中酸化現(xiàn)象主要與細菌群落結(jié)構(gòu)有關(guān),尤其是與Clostridium和Caproiciproducens相關(guān)性最大。綜上所述,通過逐漸遞增反應的總固體濃度,建立了高負荷玉米秸稈沼氣發(fā)酵體系,明確了反應體系酸化的臨界點及可使酸化體系再平衡恢復產(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)酵體系高效運行,利用高通量測序技術(shù)探究了發(fā)酵最佳產(chǎn)氣期、酸化期及恢復產(chǎn)氣期的細菌和古菌群落組成及豐度差異。
【學位授予單位】：黑龍江八一農(nóng)墾大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S216.4
【圖文】：

玉米秸稈高負荷沼氣發(fā)酵體系建立及酸化再平衡研究負荷沼氣發(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 20 L 集氣袋相連。發(fā)酵體積 20 L，接種物 12 L。反應初始進行每 10 d 進行一次投料，即提升總固體濃度至 9%、10%件下進行半連續(xù)式厭氧發(fā)酵試驗，每個處理三次重復。每日烷含量利用沼氣分析儀進行測定。

玉米秸稈高負荷沼氣發(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，說明測中的細菌，繼續(xù)增加測序深度將有助于觀測到更多的新 OTU氣期 ZJ1、ZJ2、ZJ3 及恢復產(chǎn)氣期 HF1、HF2、HF3 可觀測到線趨平緩，表明測序結(jié)果已可以足夠反映當前樣本所包含的已不太可能檢測到大量尚未發(fā)現(xiàn)的新物種。通過稀釋曲線可種數(shù)高于最佳產(chǎn)氣期和恢復產(chǎn)氣期。

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本文編號：2720235