产甲烷菌群对鸡粪厌氧发酵的生物强化作用研究

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厌氧发酵技术在禽畜粪便的处理中已得到广泛的应用。当鸡粪作为单一原料进行厌氧发酵时,其发酵液的氨氮浓度较高,抑制产甲烷菌群的活性,导致厌氧发酵产酸与产甲烷阶段失衡,出现挥发性脂肪酸累积,最终导致产气量下降甚至系统失败。本文采用外源添加产甲烷菌群对鸡粪批式厌氧发酵进行生物强化,考察不同菌群添加量对鸡粪厌氧发酵的促进作用,确定一定范围内的最优菌群添加量。再将该最优菌群添加量应用于鸡粪连续发酵实验中,探究生物强化对连续发酵中不同有机负荷下发酵性能的促进作用,以及生物强化系统停止添加产甲烷菌群前后自身发酵性能的变化。此外,从微生物群落组成及演替方面揭示了生物强化的作用机制。主要研究结果如下:(1)在鸡粪厌氧发酵的批式实验中,对比了投加不同产甲烷菌群剂量的生物强化系统的发酵性能、强化效果和微生物群落的变化规律。结果表明:不同菌群添加剂量下的生物强化系统,累积产甲烷量均得到提高,且添加剂量越大,累积甲烷产量越高;菌群添加量分别为0.07、0.14、0.21、0.27和0.34 g VSBS/g VSCM的生物强化组,累计产甲烷率分别为未生物强化系统的1.2、1.7、2.2、3.4和3.6倍,生物强化效率分别为265、392、426、643和566 mL g-1 VSBS;确定了最佳投加剂量为0.27g VSBS/g VSCM,添加该剂量的系统具有最快的乙酸降解速率、最短的甲烷生成时间和最高的生物强化效率;微生物群落分析表明,生物强化对系统中的细菌群落的组成和丰度影响不大,主要改变了系统中优势产甲烷菌群群落组成和丰度,Methanobacterium为优势产甲烷菌群,且随着厌氧发酵的进行,丰度呈逐渐增加的趋势。(2)在鸡粪厌氧发酵的半连续实验中,对比了生物强化与否和生物强化前后的产气性能、发酵过程参数和微生物群落分析,研究发现:和未生物强化系统相比,生物强化系统的产气性能和挥发性脂肪酸降解速率有明显的提升。在整个稳定运行期间(31-240 d),生物强化系统的平均日产甲烷率占理论产甲烷率的70.7%,比未生物强化系统提升了12.1%。生物强化系统的古菌优势群落组成发生改变,甲烷杆菌属Methanobacterium演变为优势产甲烷菌,相对丰度在58-81%之间。生物强化系统停止添加菌群前后的系统产气、pH值和氨氮浓度的差异较小。在投加菌群的稳定运行期间(第31-180 d),日产甲烷率提高了40.1 mL g-1 VS,池容产气率提高了0.22 L L-11 d-1,甲烷含量提高了0.3%;停止投加菌群的稳定运行期间(第181-240d)日产甲烷率提高了35.4 mL g-1 VS,池容产气率提高了0.14 L L-11 d-1,甲烷含量提高了1.3%。且停止投加菌群前后古菌群落的组成没有发生改变,仍保持优势菌群的丰度。
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