沼气搅拌式固定床的工艺及其生物膜特性

【摘要】：针对目前奶牛场牛粪产量巨大、处理效率低及沼气发酵产气率低等问题。研发新的搅拌式固定床沼气发酵工艺,阐明以牛粪为原料的搅拌式固定床工艺高产沼气的运行机制,有效的提高牛粪的资源化利用程度。以牛粪为沼气发酵原料,研究料液浓度(TS)、温度、碳氮比(C/N)、搅拌转速、pH值和水利停留时间(HRT)对甲烷生成的影响。利用响应面-满意度函数结合的方法得出最终优化方案是：TS8%, HRT10d,温度39℃,C/N 25：1。在优化条件的基础上,对固定床生物膜不同参数测定与产气量分析可知,生物膜在发酵过程中第一个HRT 10d为不断累积的过程,生物膜不稳定,在第二个HRT 15d相对稳定。利用16S rRNA基因克隆技术研究固定床的生物膜及发酵料液中微生物多样性及动态变化,结果表明,细菌优势类群有：Pseudomonas (26%-18%)、Clostridium (21%-13%)和Bacteroidetes (16%-12%)及未培养细菌(31%-25%)。Pseudomonadaceae在发酵料液中第一个HRT逐渐变小。在生物膜整个发酵过程中菌群稳定。Clostridium在生物膜中第一个HRT逐渐变小,在发酵料液中整个发酵体系中稳定。Bacteroides在发酵料液和生物膜中第一个HRT逐渐增加。细菌优势菌群在第二个HRT中稳定。各个时期发酵料液和生物膜中古菌包括有甲烷粒菌(Methanocorpusculum)、甲烷八叠球菌(Methanosarcina)、甲烷袋状菌(Methanoculleus)、甲烷鬃菌(Methanosaeta)、甲烷盘菌(Methanoplanus)、产甲烷菌(Methanobacterium)、亚硝化暖菌(Nitrosocaldus)及未培养古菌。其在生物膜和发酵料液中菌群多样性也存在差异。运用冗余分析(RDA)研究不同发酵时间生物膜中细菌和古菌菌群结构与生物膜特性及甲烷产率的相关性。生物膜中细菌菌群变化与化学需氧量(COD)、生物膜含水率及胞外聚合物(EPS)的相关性较大。生物膜中古菌菌群变化与EPS、COD及总有机碳的相关性较大。生物膜COD对甲烷产率的影响最大。RDA二维排序图显示,生物膜中细菌和古菌菌群随着发酵的不断进行而演替变化,在第二个HRT菌群结构变化相对稳定。本试验针对搅拌式固定床运行工艺及生物膜的高效运行机理解析,该工艺可提高甲烷产率,并在第一个HRT中载体生物膜不稳定,在第二个HRT相对稳定,生物膜基本形成。 【关键词】：搅拌式固定床 沼气 生物膜 微生物多样性
【学位授予单位】：黑龙江八一农垦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 引言10-22
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 国内外研究动态和趋势11-20
• 1.2.1 沼气发酵反应器研究进展11-13
• 1.2.2 沼气固定床发酵工艺的研究进展13-19
• 1.2.3 沼气发酵过程中微生物多样性研究进展19-20
• 1.3 研究的目的和意义20-22
• 第二章 沼气厌氧发酵运行参数优化22-40
• 2.1 试验原料与装置22-23
• 2.2 试验方案23-25
• 2.2.1 发酵料液不同TS对产甲烷量的影响23
• 2.2.2 发酵料液不同温度对产甲烷量的影响23
• 2.2.3 发酵料液不同初始碳氮比对产甲烷量的影响23
• 2.2.4 发酵料液不同搅拌转速对产甲烷量的影响23
• 2.2.5 发酵料液不同初始pH值对产甲烷量的影响23
• 2.2.6 发酵料液不同HRT对产甲烷量的影响23-24
• 2.2.7 响应面与满意度函数分析24-25
• 2.3 结果与分析25-38
• 2.3.1 单因素试验25-30
• 2.3.2 响应面分析试验30-36
• 2.3.3 满意度函数优化模型及分析36-37
• 2.3.4 优化处理验证试验37-38
• 2.4 小结38-40
• 第三章 沼气搅拌式固定床生物膜特性研究40-50
• 3.1 试验原料与装置40-41
• 3.2 试验方案41-42
• 3.2.1 生物膜量和载体含水率的测定41
• 3.2.2 胞外聚合物(EPS)的测定41
• 3.2.3 生物膜活性(ATP)的测定41-42
• 3.2.4 生物膜化学需氧量(COD)和总有机碳(TOC)含量的测定42
• 3.2.5 生物膜形态表征42
• 3.3 结果与分析42-47
• 3.3.1 生物膜量和载体含水率42
• 3.3.2 EPS含量42-44
• 3.3.3 生物膜COD、TOC及ATP的测定44-45
• 3.3.4 生物膜形态表征45-46
• 3.3.5 沼气发酵总产气量与甲烷产量46-47
• 3.4 小结47-50
• 第四章 沼气发酵过程中微生物多样性分析50-68
• 4.1 材料与方法50-53
• 4.1.1 试验材料50
• 4.1.2 发酵料液和载体生物膜总DNA的提取50
• 4.1.3 细菌和古菌16S rRNA基因的PCR扩增和纯化50-51
• 4.1.4 细菌和古菌16S rRNA基因克隆文库的构建51
• 4.1.5 细菌和古菌克隆文库插入片段的PCR扩增51-52
• 4.1.6 细菌和古菌文库16S rRNA基因的酶切分析52
• 4.1.7 细菌和古菌16S rRNA基因序列测定分析52-53
• 4.2 结果与分析53-65
• 4.2.1 细菌和古菌16S rRNA基因克隆文库限制性酶切长度多态性分析结果53
• 4.2.2 沼气发酵各时期细菌和古菌的16S rRNA基因文库分析53-55
• 4.2.3 沼气发酵各时期细菌和古菌16S rRNA基因序列的系统发育分析55-65
• 4.3 小结65-68
• 第五章 甲烷产量与生物膜特性和微生物结构相关性分析68-74
• 5.1 数据分析软件68
• 5.2 数据处理与分析68-73
• 5.2.1 冗余分析68-69
• 5.2.2 生物膜中细菌的相关性分析结果69-71
• 5.2.3 生物膜中古菌相关性分析结果71-73
• 5.3 小结73-74
• 第六章 讨论与结论74-77
• 6.1 讨论74-75
• 6.2 结论75-77
• 参考文献77-86
• 致谢86-88
• 个人简历88

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