巨菌草和其他有机废弃物厌氧发酵产沼气的研究

作     者：Kornel Ramaisa 

作者单位：福建农林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林占熺;刘斌

授予年度：2015年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：沼气 甲烷 巨菌草 厌氧消化 能源作物 农林剩余物 

摘      要：沼气是有机物在一定的温度、pH和厌氧条件下,经过厌氧发酵而产生的一种的无色可燃性气体。在经过提纯和净化等工序以后其甲烷浓度可高达97%以上,可成为天然气的完美替代品。巨菌草(Pennisetumgianteumlin)是一种多年生禾本科直立丛生型植物,具有较强的分蘖能力。这是一种适宜在热带、亚热带、温带生长和人工栽培的高产优质菌草,也是一种优质的能源作物。本课题目的在于研究巨菌草(Pennisetumgianteumlin)和其他农林剩余物如杏鲍菇菌糟、茶树菇菌糟、银耳菌糟、甘蔗渣、麦糠等发酵产沼气的效果。并深入研究巨菌草沼气发酵过程中的成分降解过程,以及发酵过程中微生物菌群的变化。实验在中温37℃恒温条件下测定不同原料在厌氧发酵过程中产沼气的潜力。结果表明:不同原料的沼气发酵潜力差距很大。巨菌草的沼气发酵效果明显优于其他原料。发酵期0～16天甲烷浓度迅速上升,随后甲烷浓度趋于稳定。不同原料发酵后沼液pH的变化差别很大,15天以后pH趋于稳定。日产气量呈逐渐下降趋势,巨菌草的日产沼气量高于其他原料。从积累产气量上来看,巨菌草、杏鲍菇菇头、甘蔗渣积累产气量较高。研究巨菌草与杏鲍菇菌糟的混合发酵效果,结果表明原料混合后,与单独原料发酵相比,发酵液的pH、甲烷浓度、日产气量均有明显变化,积累产气量也有明显提升。深入分析巨菌草沼气发酵过程中的物质变化。前6天原料TS急剧降低的时期,减少了原料的33.34%,而后TS含量缓慢下降,在第21天到30天基本不变。总体而言,原料在30天的高温发酵过程,TS含量降低了 48%,变化十分明显。发酵0～9天左右时,发酵期处于前期的液化阶段,因此VFA急剧上升,在第3天时达到峰值为4.5 g/L,在第9天之后,由于产气菌的作用,VFA含量急剧减少,到第24天的时候,含量基本没有变化。在高温发酵过程中,沼渣的总糖含量在前6天急剧减少,从最初的17.13%到后面的3.37%,后期的含量基本维持不变。沼渣中的粗蛋白含量在前6天内迅速减少,从最初的7.78%降到0.87%,第6天之后粗蛋白基本保持不变。沼渣中的纤维素、半纤维素和木质素的含量变化不明显,说明在沼气高温发酵过程中,纤维素、半纤维素和木质素属于难降解成分。16SrRNA基因高通量测序发现:在巨菌草发酵产甲烷的细菌菌群中,以Clostridium,Fusobacterium,Bacteroids,Butyrivibrio,Selenomonas,Streptococcus6类细菌所占的比例最大,属于优势菌群。由此可推断在沼气发酵过程中该菌种在发酵前期的液化阶段和产氢产酸阶段起着关键的作用,将原料转化为小分子物质如乙酸、氢、二氧化碳等提供给后期的产甲烷古菌利用。在巨菌草发酵产甲烷的古菌菌群中,Methanoculleus,Methanobacterium,Methanosaeta这三类古菌所占的比例最大,属于优势菌群。