低温条件下沼气高效厌氧发酵条件的研究

【摘要】：新疆地处我国西北部，土地面积是我国的六分之一，不仅地域辽阔，而且生物质资源丰富，但冬季漫长且气温低，导致沼气池发酵产气量下降，有时甚至停止产气不能满足人们对稳定供气的需要，使沼气工程大规模的推广受到限制。厌氧发酵核心是产甲烷菌分解小分子底物产甲烷过程。本文通过不同的接种物搭配牛粪，在实验室规模条件下进行模拟低温厌氧发酵，研究不同接种物对沼气产量等各项指标影响；又通过向沼气发酵反应器中添加Fe、Co、Ni三种微量元素，研究不同微量元素对沼气产量等各项指标影响；选取产气效果最好的反应器采集污泥，分离筛选获得一株兼性嗜冷产甲烷菌株，并研究了菌株生长特性和其生物学特征。 本文在低温条件下利用自制发酵装置模拟沼气发酵，从石河子、沙湾、库尔勒的低温沼气池采集污泥样品，富集培养后作为发酵接种物进行厌氧发酵，研究不同接种物对沼气发酵产气量和其他指标的影响。研究结果如下：沙湾沼气池污泥为接种物的总产气量和甲烷含量最高分别为612mL和58.2%，库尔勒次之分别为465.2mL和50.4%，石河子最低分别为440.7mL和47.3%。沙湾的污泥为接种物的沼液中TS、VS去除率最大分别为18.2%和15.3%。这个结果与产气效果相符，也说明原料利用程度和产气量存在一定关联。沙湾沼气池污泥作为接种物能够为沼气发酵提供丰富的菌群，使原料的利用程度更高，产气效果更好。 不同接种物比例对厌氧发酵产气特性的影响。接种物比例分别为10%、20%、30%和40%四个试验组，试验结果表明：产气最优的是接种物比例为30%的溶液，其最高日产气量是32.9mL，总产气量为619.3mL，甲烷最高含量是61.2%。 微量元素对沼气发酵的影响：以牛粪为原料，沙湾沼气池污泥作为接种物，活性污泥的接种量为30%进行厌氧发酵。每天分别各组向发酵罐中添加固定量的微量金属元素Fe、Co、Ni，以不添加微量元素的发酵作为空白组，通过30天的厌氧发酵研究金属元素对沼气发酵的影响，其中以添加1.0mg·L~(-1)·d~(-1)的FeCl_2溶液的反应器总产气量最高为655mL，其次是添加0.4mg·L~(-1)·d~(-1)的NiCl2和0.15mg·L~(-1)·d~(-1)的CoCl_2溶液的反应器，其中以空白组的产气量最低。 采集沙湾沼气池污泥作为接种物的反应器底部污泥，通过厌氧分离技术分离出一株可兼性耐低温产甲烷菌ZG-2，并对它的生态特征和生理学特性进行了鉴定，又通过基因测序和系统发育分析，初步确定此菌株为一株兼性嗜冷产甲烷菌八叠球菌属。 【关键词】：产甲烷菌 接种物 低温厌氧发酵 微量金属元素
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ920.6
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 文献综述9-19
• 1.1 沼气9
• 1.2 沼气发酵现状9-11
• 1.3 产甲烷菌的研究进展11-13
• 1.4 沼气发酵过程13-15
• 1.4.1 水解阶段14
• 1.4.2 发酵阶段14
• 1.4.3 产乙酸阶段14
• 1.4.4 产甲烷阶段14-15
• 1.5 非产甲烷菌与产甲烷菌的关系15-16
• 1.5.1 提供必须的基质15
• 1.5.2 提供合适的氧化还原条件15
• 1.5.3 清除有毒的物质15-16
• 1.5.4 解除反馈抑制16
• 1.5.5 共同维持 pH 范围16
• 1.6 微量金属元素对产甲烷菌的影响16-17
• 1.7 研究目的和意义17-19
• 第二章 低温条件下不同接种物对沼气发酵的影响19-29
• 2.1 引言19-20
• 2.2 实验材料和方法20-21
• 2.2.1 实验材料20
• 2.2.2 实验仪器20-21
• 2.3 样品采集及实验方法21-23
• 2.3.1 样品的采集21
• 2.3.2 沼气日产气量21
• 2.3.3 沼液中 pH 的测定21
• 2.3.4 沼气成分的测定21-22
• 2.3.5 化学需氧量（COD）22
• 2.3.6 挥发性脂肪酸的测定22-23
• 2.3.7 总固体 TS 的测定23
• 2.3.8 挥发性固体 VS 测定23
• 2.4 菌种的驯化处理23-24
• 2.5 实验方法24
• 2.6 实验结果与讨论24-28
• 2.6.1 不同接种物对日产气量的影响24-25
• 2.6.2 不同接种物对累积气量的影响25-26
• 2.6.3 不同接种物对发酵沼液 pH 的影响26-27
• 2.6.4 不同接种物对挥发性脂肪酸的影响27
• 2.6.5 不同接种物对甲烷含量以及 TS、VS、COD 去除率的影响27-28
• 2.7 本章小结28-29
• 第三章 低温条件下不同接种量对沼气发酵的影响29-35
• 3.1 前言29-30
• 3.2 实验设计30
• 3.3 实验结果与讨论30-34
• 3.3.1 不同接种量对日产气量的影响30-31
• 3.3.2 不同接种量对总产气量的影响31-32
• 3.3.3 不同接种量对 pH 的影响32-33
• 3.3.4 不同接种量对挥发性脂肪酸的影响33
• 3.3.5 不同接种量对 TS 等指标的影响33-34
• 3.4 本章小结34-35
• 第四章 低温条件下微量元素对沼气发酵的影响35-41
• 4.1 引言35-36
• 4.2 实验的设计36
• 4.3 实验结果与讨论36-40
• 4.3.1 微量元素对产气量的影响36-38
• 4.3.2 微量元素对 pH 的影响38-39
• 4.3.3 微量元素对挥发性脂肪酸的影响39
• 4.3.4 微量元素对甲烷含量以及 TS、VS、COD 去除率的影响39-40
• 4.4 本章小结40-41
• 第五章 耐低温甲烷菌的分离鉴定及系统发育分析41-54
• 5.1 引言41-42
• 5.2 材料和仪器42-44
• 5.2.1 实验材料42-43
• 5.2.2 实验仪器43-44
• 5.3 实验方法44-48
• 5.3.1 样品的采集44-45
• 5.3.2 产甲烷菌的分离纯化45
• 5.3.3 菌体的形态学观察45-46
• 5.3.4 菌株生理生化特性46-47
• 5.3.5 16S rDNA 扩增与测序47
• 5.3.6 系统发育树的构建47-48
• 5.4 结果与讨论48-53
• 5.4.1 菌株 ZG-2 的分离48
• 5.4.2 菌株 ZG-2 的形态特征48-49
• 5.4.3 菌株 ZG-2 生理生化特征49-50
• 5.4.4 菌株 ZG-2 抗生素敏感性50-51
• 5.4.5 ZG-2 菌株 16S rDNA 测序结果及系统发育分析51-53
• 5.5 本章小结53-54
• 第六章 结论和展望54-56
• 6.1 本文主要研究成果54-55
• 6.2 工作不足及展望55-56
• 参考文献56-61
• 致谢61-62
• 作者简介62-63
• 导师评阅表63

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