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| 內容簡介： |
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《寒区有机废弃物厌氧发酵制备沼气工艺》深入探讨了寒区有机废弃物通过厌氧发酵产生沼气的基础理论，特别关注丙酸产甲烷菌群的驯化过程、互营性丙酸/丁酸氧化产甲烷菌群富集对提高有机废弃物厌氧消化效率的作用，以及预处理方法如何影响这些材料的发酵特性等方面的研究成果。此外，《寒区有机废弃物厌氧发酵制备沼气工艺》还分析了通过循环使用沼液来加强厌氧发酵效果的机理、高温条件下干式厌氧发酵混合底物的特点和优化秸秆类物质厌氧发酵系统搅拌策略等内容。这些研究为开发清洁可再生能源、推动可持续绿色农业实践提供了宝贵的参考信息。
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目录前言第1章 绪论 11.1 厌氧发酵基本原理 11.1.1 厌氧发酵定义与特点 11.1.2 厌氧发酵微生物类群 11.1.3 厌氧发酵过程解析 51.2 厌氧发酵主要影响因素 71.2.1 原料 71.2.2 温度 81.2.3 酸碱度 91.2.4 发酵浓度 91.2.5 碳氮比 91.2.6 传质搅拌 101.3 厌氧发酵技术研究现状 101.3.1 发酵原料预处理 101.3.2 发酵接种 131.3.3 中间产物抑制 141.3.4 发酵过程管理优化 151.4 厌氧发酵工艺研发 161.4.1 工艺类型 161.4.2 工艺流程 211.4.3 典型厌氧发酵工艺 23参考文献 25第2章 丙酸定向驯化产甲烷菌系对餐厨垃圾厌氧发酵的强化 272.1 生物强化技术研究现状 272.1.1 生物强化在水解产酸阶段的应用 272.1.2 生物强化在产氢产乙酸阶段的应用 282.1.3 生物强化在产甲烷阶段的应用 282.1.4 生物强化应对酸抑制的应用 292.2 丙酸产甲烷菌系的富集与群落结构优化及微生物分析 292.2.1 材料与方法 302.2.2 丙酸产甲烷菌群的发酵性能 332.2.3 丙酸产甲烷菌系的群落解析 332.2.4 丙酸产甲烷菌剂中微生物基因功能分析 352.3 丙酸产甲烷菌系的添加对餐厨垃圾批式厌氧消化的影响 362.3.1 材料与方法 362.3.2 餐厨垃圾的理论产甲烷量分析 382.3.3 丙酸产甲烷菌系对餐厨垃圾批式厌氧消化甲烷产量的影响 382.3.4 丙酸产甲烷菌剂对SCOD的影响 402.3.5 丙酸产甲烷菌剂对餐厨垃圾批式厌氧消化过程动力学参数的影响 412.4 丙酸产甲烷菌剂的添加对餐厨垃圾厌氧消化过程运行稳定性的影响 422.4.1 材料与方法 432.4.2 丙酸产甲烷菌剂对厌氧消化系统发酵性能的影响 442.4.3 厌氧细菌及古菌菌群结构与菌剂的相似性分析 49参考文献 51第3章 丙酸产甲烷菌群对低温批式厌氧发酵的生物强化作用 533.1 厌氧发酵中温度对微生物活性和产甲烷途径的影响 533.2 材料与方法 543.2.1 实验原料 543.2.2 培养基 553.2.3 实验设计 553.3 中温生物强化菌剂对低温批式厌氧发酵的影响 563.3.1 池容产气率 563.3.2 累计产甲烷率 573.3.3 总挥发性脂肪酸 583.3.4 各组分挥发性脂肪酸 593.3.5 pH 613.3.6 TAN 623.3.7 强化效果统计分析 633.4 低温生物强化菌剂对低温批式厌氧发酵的影响 643.4.1 池容产气率 653.4.2 累计产甲烷率 663.4.3 总挥发性脂肪酸 673.4.4 各组分挥发性脂肪酸 683.4.5 pH 693.4.6 TAN 703.4.7 强化效果统计分析 71参考文献 72第4章 互营丙酸/丁酸氧化产甲烷菌系的富集及产甲烷菌代谢途径研究 744.1 材料与方法 744.1.1 实验材料 744.1.2 实验装置 754.1.3 测定指标及方法 764.1.4 数据处理 774.2 丙酸产甲烷菌系的富集与微生物变化响应 774.2.1 实验设计 784.2.2 结果与讨论 784.3 丁酸产甲烷菌系的富集与微生物变化响应 914.3.1 实验设计 924.3.2 结果与讨论 92参考文献 108第5章 生物强化对调质玉米秸秆厌氧发酵产气性能的影响 1105.1 材料与方法 1115.1.1 实验材料 1115.1.2 指标测定与分析方法 1115.2 不同球磨时间对玉米秸秆物性参数的影响 1165.2.1 实验设计 1165.2.2 结果与讨论 1175.3 球磨玉米秸秆厌氧发酵特性研究 1325.3.1 实验设计 1325.3.2 实验装置 1335.3.3 结果与讨论 134参考文献 151第6章 组合菌的产酶条件优化及对玉米秸秆厌氧发酵的促进作用 1536.1 单一菌料产酶特性分析及组合菌的构建 1536.1.1 材料与方法 1536.1.2 结果与分析 1586.2 组合菌产酶条件优化及降解秸秆特性 1626.2.1 材料与方法 1626.2.2 结果与分析 1646.3 组合菌预处理玉米秸秆对厌氧发酵过程的影响 1806.3.1 材料与方法 1806.3.2 结果与分析 181参考文献 189第7章 基于糠醛废水预处理的玉米秸秆厌氧发酵特性研究 1917.1 国内外研究现状 1927.1.1 糠醛废水处理的研究现状 1927.1.2 多原料联合厌氧发酵的研究现状 1947.2 材料与方法 1967.3 实验指标测定及分析方法 1977.3.1 TS和VS的测定 1977.3.2 木质纤维素的测定 1977.3.3 还原糖的测定 2007.3.4 挥发性脂肪酸的测定 2017.3.5 沼气成分及产量的测定 2027.3.6 C、N元素含量的测定 2037.3.7 扫描电子显微镜分析 2047.3.8 pH的测定 2047.4 糠醛废水预处理对玉米秸秆厌氧发酵特性影响研究 2057.4.1 实验设计 2057.4.2 结果与讨论 2077.5 糠醛废水预处理的参数优化及能量转换评估 2167.5.1 实验设计 2167.5.2 结果与讨论 219参考文献 226第8章 水热废液与玉米秸秆厌氧发酵技术研究 2288.1 水热废液资源化利用现状 2288.2 水热废液预处理对玉米秸秆厌氧发酵特性的影响 2308.2.1 材料与方法 2308.2.2 实验设计 2318.2.3 结果与讨论 2338.3 水热废液预处理条件响应*面优化及稳定性分析 2408.3.1 实验装置 2418.3.2 CCD实验 2418.3.3 结果与讨论 243参考文献 249第9章 玉米秸秆生物转化的方法、特性及超声波效应 2519.1 材料与方法 2519.1.1 实验材料 2519.1.2 仪器与方法 2529.2 玉米秸秆好氧水解-厌氧消化特性研究 2539.2.1 实验设计 2539.2.2 结果与讨论 2559.3 超声波-好氧水解对玉米秸秆厌氧消化特性的影响 2649.3.1 实验设计 2649.3.2 结果与讨论 265参考文献 272第10章 尿素联合蒸汽爆破预处理工艺的玉米秸秆低碳梯级利用技术研究 27410.1 材料与方法 27410.1.1 实验材料 27410.1.2 仪器与方法 27510.2 尿素联合蒸汽爆破预处理对玉米秸秆酶解糖化影响研究 27610.2.1 实验设计 27610.2.2 结果与讨论 27710.3 尿素联合蒸汽爆破预处理对玉米秸秆乙醇发酵影响研究 28110.3.1 实验设计 28110.3.2 结果与讨论 28310.4 乙醇废液厌氧发酵产沼气影响研究 29110.4.1 实验设计 29110.4.2 结果与讨论 292参考文献 295第11章 真空负压-好氧水解预处理玉米秸秆厌氧发酵特性 29711.1 材料与方法 29711.1.1 实验材料 29711.1.2 指标测定方法 29811.2 真空负压预处理对玉米秸秆物理性质的影响 29911.2.1 实验设计 29911.2.2 结果与讨论 30011.3 好氧水解预处理对玉米秸秆水解特性的影响 30711.3.1 实验设计 30711.3.2 结果与讨论 30911.4 联合预处理对玉米秸秆厌氧发酵特性的影响 31411.4.1 实验设计 31411.4.2 结果与讨论 314参考文献 317第12章 沼液回流比例及回流模式对厌氧发酵特性的影响 31812.1 材料与方法 31912.1.1 实验材料 31912.1.2 指标测定方法 32012.2 实验设计 32212.2.1 沼液回流比例及模式优化实验 32212.2.2 实验装置 32412.3 结果与讨论 32512.3.1 系统稳定性讨论 32512.3.2 无机盐浓度变化 33412.3.3 系统产甲烷特性分析 337参考文献 344第13章 豆渣与牛粪混合厌氧发酵的特性、优化与应用进展 34513.1 豆渣与牛粪混合高温干式厌氧发酵进展 34513.2 豆渣与牛粪混合高温干式厌氧发酵产气特性与优化 34613.2.1 材料与方法 34613.2.2 结果与讨论 34813.3 豆渣与牛粪不同接种比例高温干式厌氧发酵特性 35113.3.1 材料与方法 35113.3.2 结果与分析 35213.4 豆渣与牛粪不同物料混合比例高温干式厌氧发酵特性 35513.4.1 材料与方法 35513.4.2 结果与讨论 35513.5 豆渣与牛粪混合高温干式厌氧发酵参数优化 35913.5.1 Box-Behnken实验结果的回归分析 35913.5.2 回归分析及参数寻优 360参考文献 363第14章 玉米秸秆厌氧发酵系统搅拌方案优化及实验研究 36414.1 厌氧发酵过程中的搅拌研究现状 36414.2 CFD在厌氧发酵方面的应用 36614.3 厌氧发酵反应器完全离底悬浮临界转速的CFD模拟 36714.3.1 实验设计 36714.3.2 结果与讨论 37414.4 混合策略对厌氧发酵工程稳定性影响探究 38214.4.1 材料与方法 38214.4.2 结果与讨论 385参考文献 392
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第1章绪论 1.1厌氧发酵基本原理 1.1.1厌氧发酵定义与特点 厌氧发酵是由多种厌氧或兼性厌氧微生物在严格厌氧的条件下通过微生物的代谢活动将有机物逐级分解并伴随产生甲烷和二氧化碳的过程。沼气主要由甲烷（45%～75%）、二氧化碳（30%～50%）、氮气（0～10%）和其他微量气体组成。厌氧发酵产甲烷是一个由多种微生物共同协作的生化过程，参与该过程的微生物在厌氧发酵过程的不同阶段，菌群会发生变化。水解阶段的菌群主要为水解菌，发酵阶段或产酸阶段的菌群主要为发酵产酸菌，产乙酸阶段的菌群主要为同型产乙酸菌和产氢产乙酸菌，产甲烷阶段的菌群主要为嗜氢产甲烷菌和嗜乙酸产甲烷菌等。在整个厌氧发酵过程中各种微生物具有各自特殊的功能，同时又相互影响，形成复杂的生态系统。 1.1.2厌氧发酵微生物类群 不同的微生物类群可以通过不同的代谢途径起到不同的转化作用。厌氧发酵过程中的菌种主要分为不产甲烷菌和产甲烷菌，在厌氧发酵的前三个阶段中起作用的微生物为不产甲烷菌，在产甲烷过程中具有重要作用的是产甲烷菌[1]。产甲烷菌主要有乙酸分解型、甲基营养型和氢型等，是严格厌氧的古菌。厌氧发酵微生物代谢能力强、繁殖速度快，且具有极强的适应能力，在高温60℃和低温15℃均能发挥功效，通常分布在厌氧环境（如沼气工程、厌氧发酵系统等）和一些极端环境（如冰川、海底、沼泽等）中。 1.水解产酸菌 经过发酵作用，可溶性的脂肪酸、氨基酸、糖和甘油等化合物被水解产酸菌吸收进细胞后，转化为二氧化碳、氢、乙酸、丙酸和丁酸等。目前，从厌氧反应器中分离到的纤维素水解产酸菌主要有噬细胞梭菌（Clostridium cellulovorans）和白杨梭菌（Clostridium populeii）。在其他环境中发现的主要有溶纸梭菌和溶纤维拟杆菌。厌氧发酵过程中，半纤维素的水解要比纤维素快，厌氧发酵中的蛋白质水解产酸菌主要为梭菌属（Clostridium）。在胞外脂肪酶的作用下，脂类物质水解生成长链脂肪酸和甘油，通过β-氧化途径长链脂肪酸被降解为乙酸和氢气，而通过糖代谢途径甘油被分解。从热力学分析来看，长链脂肪酸的降解反应只有在氢分压较低时才能进行，因此该反应需要与耗氢反应进行耦合。溶脂厌氧弧菌能够利用甘油三酯进行水解反应，但不能水解磷脂和半乳糖酯。丁酸弧菌属（Butyrivibrio）能脱去半乳糖酯和磷脂的酰基，这些脂肪分解细菌都具有氢化脂肪酸的能力。 2.产氢产乙酸菌 产氢产乙酸菌能够利用水解产酸菌生成的短链挥发酸，并将其转化成为氢气、二氧化碳和乙酸，主要反应过程如下： 从以上反应式可以看出，除乳酸外，在标况下产氢产乙酸反应不能自发进行。同样，当系统中的氢被及时地利用后，系统中的氢分压极低，此时该反应才能继续正向进行。这种产氢和耗氢微生物间的微生物作用被称为互营耦合，只有在互营耦合条件下底物才能被降解成较短的乙酸，互营耦合的种间电子传递是实现厌氧发酵产甲烷过程高效稳定进行的关键。正是由于这种互营关系，在厌氧反应器中很难检测到氢的存在。但是，一旦这种互营关系遭到破坏，如耗氢菌的活性受到抑制，沼气中就会检测到氢的存在。氢的大量积累会抑制产氢产乙酸反应。 1）降解丁酸盐的产氢产乙酸菌 共养单胞菌属（Syntrophomonas）是第一个被发现与产甲烷菌或硫酸盐还原菌共培养中降解丁酸的互营细菌。该属中的沃氏共养单胞菌（Syntrophomonas wolfei）、食皂共养单胞菌（Syntrophomonas sapovorans）、布氏共养单胞菌（Syntrophomonas bryantii）、策氏共养单胞菌（Syntrophomonas zehnderi）和棕榈酸盐共养单胞菌（Syntrophomonas Palmitatica）等能够与氢营养型产甲烷菌互营共生降解饱和脂肪酸。偶数脂肪酸被氧化只生成乙酸，奇数脂肪酸被氧化则能同时生成丙酸和乙酸。此外，还有一些能够降解丁酸盐的产氢产乙酸菌被报道，包括互营球菌属（Syntrophococcus）、共养菌属（Syntrophus）、共养生孢菌属（Syntrophospora）和热互养菌属（Thermosyntropha）等。 2）降解丙酸盐的产氢产乙酸菌厌氧环境中丙酸的氧化相对更难发生，目前仅发现了部分能够降解丙酸盐的产氢产乙酸菌，主要有互营杆菌属（Syntrophobacter）、暗色厌氧香肠状菌属（Pelotomaculum）和斯密斯氏互养菌属（Smithella）。丙酸的代谢主要通过两种途径进行，分别为甲基丙二酸单酰辅酶A途径（Methylmalonyl-CoA途径）和歧化途径。甲基丙二酸单酰辅酶A代谢途径主要发生在互养型丙酸氧化菌中，包括互营杆菌属、热丙酸盐暗色厌氧香肠状菌（Pelotomaculum thermopropionicum）和施氏暗色厌氧香肠状菌（Pelotomaculum schinkii）。而歧化途径是将丙酸转化为乙酸和丁酸，这一途径仅发现存在于丙酸斯密斯氏互养菌（Smithella propionica)[2-3]中。 3.同型产乙酸菌 同型产乙酸菌是需要严格厌氧才能生存的细菌。同型产乙酸菌中含有一氧化碳脱氢酶和乙酰辅酶A合成酶系统（carbonmonoxidedehydrogenase/acetyl-CoAsynthase，CODH/ACS），能够利用CO/H2O、CO2/H2等产乙酸，其还能利用糖类产乙酸。这些菌在厌氧发酵的过程中生成了乙酸这种产甲烷过程的前体物质，同时同型产乙酸作用会消耗氢，这对系统中氢分压的降低起到积极的效果。由于产甲烷菌在低温条件下的活性较低，同型产乙酸菌生长速度较快。目前分离得到的同型产乙酸菌包括多个物种，例如凯伍热厌氧杆状菌（Thermoanaerobacter kivui）、醋酸梭菌（Clostridium aceticum）、伍氏醋杆状菌（Acetobacterium woodii）、黏液真杆菌（Eubacterium limosum）、延长布劳特氏菌（Blautia producta）、永达尔氏梭菌（Clostridium ljungdahlii）等，分属于22个属。 4.乙酸氧化菌 目前，研究人员仅分离出6种纯培养条件下的乙酸氧化菌，包括乌尔蒂纳施 尼雷尔氏菌（Schnuerera ultunensis）、棕色嗜热产醋菌（Thermacetogenium phaeum）、莱廷格氏假热袍菌（Pseudothermotoga lettingae）和施林克氏醋酸盐共养菌（Syntrophaceticus schinkii）等。乙酸氧化菌能够与氢营养型产甲烷菌互营，乙酸*先被乙酸氧化菌氧化成H2和CO2，随后被迅速转化成甲烷以保证系统中极低的氢分压，将两个反应合并，可以得到乙酸直接转化为甲烷和二氧化碳的总反应： 互营乙酸氧化产甲烷对整个厌氧发酵产甲烷过程的贡献与乙酸分解产甲烷相比并不是很重要。但在特定的压力条件下或在高温等更利于乙酸氧化条件下，此反应的重要性显著增加。在乙酸浓度较低时，乙酸氧化是主要的途径；反之，在乙酸浓度高的情况下，乙酸分解产甲烷是*选途径[4]。 5.产甲烷菌 产甲烷菌能够完成厌氧发酵过程产甲烷的*后一步，是严格厌氧的古细菌，只能伴随产甲烷过程进行生长，甲烷形成途径中产生的能量是产甲烷菌生长的唯一能量来源。在厌氧环境中几乎都能发现产甲烷菌的存在，包括稻田土壤深层、海底沉积物厌氧带、动物消化道（如瘤胃）、淡水沉积物底部等环境中，这些区域在氧气耗尽后，Fe3+、NO3.、SO42.等电子受体也已被其他生物优先消耗，从而为产甲烷菌提供了专属生态位。近期研究表明，一种在地下油田中发现的新型产甲烷菌，能够利用长链烷基烃的降解过程来生产甲烷。一般来说，产甲烷菌只能利用简单的碳源，主要的底物为二氧化碳和氢气、甲酸和乙酸。除了碳源、氮源和硫源，产甲烷菌生长还需要维生素（尤其是B族维生素）和Co、Ni、Fe、Se、Mo、Zn、Cu、Mn、W、B等微量元素。氧对产甲烷菌的毒性主要是由于产甲烷菌缺乏超氧化物歧化酶和部分酶的氧不稳定性引起。例如，氧能引起辅酶F420-氢化酶复合体不可逆地解联；乙酰羟酸合成酶对氧极为敏感，该酶参与支链氨基酸的生物合成。许多产甲烷菌不能利用硫氧化物，因此为了保护培养基中的硫源（硫化物），也需要保证厌氧环境以免硫化物被氧化。在氧化还原电位低于-300mV且厌氧发酵反应器的pH处在中性范围时，产甲烷菌才能保持较高活性，仅有少数产甲烷菌能够在pH为5～6或8～9的环境中产甲烷。目前，分离鉴定的产甲烷菌共有4纲5目12科32属，包括甲烷杆菌目、甲烷微菌目、甲烷球菌目、甲烷八叠球菌目和甲烷火菌目等。 各类菌群代谢途径参与的关键酶和辅酶以及能量转化如图1-1所示。传统的生态位理论表示在相似的环境条件下，群落的组成趋于单一模式，而中性理论假设则提出微生物的出生、死亡、扩散和物种形成等随机因素都会引起物种之间的差异。因此，在长期运行厌氧发酵反应器中难以避免内环境挥发性脂肪酸（volatilefattyacid，VFA）、氨氮、pH、温度、进出料等波动和干扰对系统的功能微生物带来的冲击和影响，深入了解产甲烷微生物群落组成、演变及代谢过程显得十分重要。 1.1.3厌氧发酵过程解析 目前学者普遍认同的是厌氧发酵四阶段理论，即水解阶段、产酸阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，如图1-2所示。 1.水解阶段 此阶段参与菌群为水解菌，通过分泌胞外酶将蛋白质、纤维素等大分子有机物水解为氨基酸、单糖等可溶性小分子物质。水解前，细菌难以透过细胞膜直接利用不溶性的大分子有机物，而水解后的可溶性小分子可透过细胞膜被利用。由于发酵前期水解速度较为缓慢，因此该阶段为厌氧发酵的限速步骤。细菌种类以及优势菌群与发酵底物、环境条件（温度、pH等）有关，低温条件不适宜水解菌的生长繁殖，部分研究发现，20℃以下发酵系统产酸效率仅为原系统效率的50%，低温发酵初始水解速率缓慢，从而影响后续发酵阶段。 粗箭头表示主流程或主要物料流；细箭头表示次要流程或辅助物料流；不同灰度的箭头可以用来区分不同类型的物料或能量流；虚线用来表示非直接的流程、控制信号、信息流或辅助流程 2.产酸阶段 在产酸阶段，细胞内部的酸化菌将**阶段产物转化为挥发性脂肪酸、醇类物质，如丙酸、丁酸、乳酸、甲醇、乙醇等物质。与水解阶段不同，产酸阶段是通过胞内酶作用完成生化转化。一般来说，产酸阶段在整个发酵反应中进行速率*快，这是由于细菌的生长繁殖速度要远远高于产甲烷古菌。另外，产甲烷微生物对温度变化较敏感，致使低温对产甲烷阶段影响较显著；产酸速率过快会导致
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