水稻秸秆不同工艺条件下发酵液作为底物的产絮效能研究

摘要

随着生物絮凝剂工业生产和应用的需求不断扩大，价格昂贵的培养基成为了制约其发展的关键因素，寻求廉价底物替代培养基具有十分重要的作用。本课题以牛粪沼液作为接种物，分别在好氧液态发酵反应器和厌氧干发酵反应器中对水稻秸秆进行发酵，将水稻秸秆不同工艺下的发酵液作为底物替代传统产絮菌培养基，通过对反应器运行过程中各参数的变化以及发酵液的产絮效果研究，寻求出一种贴近于自然的秸秆降解方法，及更易于工业大规模推广的复合型生物絮凝剂的制取方法。
　　以牛粪及沼液的混合物作为接种物，水稻秸秆为底物的好氧预处理过程进行了探讨，分析了好氧预处理过程中的微生物群落变化，认为好氧预处理过程后期富集驯化出一定数量的纤维素降解菌菌群，另外，推测系统中有新种出现。将富集驯化后的菌液投入到好氧液态发酵反应器，添加新鲜秸秆，反应器运行到120d时pH达到9.2左右。TOC在初期发酵阶段逐渐升高，两次添加接种物后均降低，随后逐渐升高，TN变化趋势同TOC，C/N维持在20:1左右。反应器运行稳定，实现了对水稻秸秆的有效降解。
　　以牛粪及沼液的混合物作为接种物，水稻秸秆为底物的厌氧干发酵过程进行了探讨，采用内循环喷淋的方式运行厌氧干发酵反应器，反应器运行稳定。发酵初期，pH值迅速下降，30d后pH值缓慢上升，反应器中部和下部pH值始终保持同趋势变化。厌氧干发酵过程没有出现丙酸积累现象，发酵类型为丁酸型发酵。厌氧发酵液中总有机碳(TOC)含量随时间增加，总氮(TN)含量随时间减少，120d后C/N比达到15:1。通过分析认为水稻秸秆中半纤维素和纤维素得到有效降解，木质素轻微降解，同时水稻秸秆结构中的分子内氢键被破坏，水稻结构发生明显改变。推测厌氧干发酵过程中的优势菌群为厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门微生物。
　　对不同工艺条件下的发酵液与传统产絮培养基配比形成的复合型产絮培养基产絮能力进行了探讨，好氧糖化液与传统产絮培养基最优配比为1:3，第67d和第109d的糖化发酵液与传统产絮培养基复合形成的复合型产絮培养基絮凝率较高；厌氧发酵液与传统产絮培养基最优配比为1:1，第100d的厌氧发酵液与传统产絮培养基复合形成的替代产絮培养基絮凝率最高，为92.45％，絮凝效果优于传统产絮培养基。厌氧干发酵反应器的发酵液与传统产絮培养基配比形成的复合型产絮培养基絮凝实验取得良好的絮凝效果原因可能有两点：一是厌氧发酵液复杂的成分为产絮菌提供了更丰富的底物；二是厌氧发酵液中存在的未被降解的木质素等组分在絮凝过程中对絮凝体的形成起到了促进作用。

目录

水稻秸秆不同工艺条件下发酵液作为底物的产絮效能研究硕士研究生：王哲导 师：马放教授副导师：魏利讲师申请学位：工学硕士学科：环境科学与工程所 在

STUDY ON THE FLOCCULATION ABILITY BY USING FERMENTATION LIQUID OF STRAW UNDER DIFFERENT CONDITIONS

摘 要

Abstract

第1章　 绪论

1.1 课题背景

1.2 农业废弃物资源化利用现状

1.2.1 秸秆类农业废弃物资源化利用现状

1.2.2 禽畜粪便类农业废弃物资源化利用现状

1.3 厌氧干发酵技术研究现状

1.4 复合型生物絮凝剂研究现状

1.5 课题研究目的及主要内容

1.5.1 课题来源

1.5.2 课题研究的目的

1.5.3 课题研究的主要内容

第2章 　实验材料与实验方法

2.1 实验材料及实验装置

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验装置

2.1.3 实验试剂

2.1.4 实验用培养基

2.1.5 实验仪器

2.2 实验设计

2.2.1 水稻秸秆好氧预处理实验

2.2.2 好氧液态发酵反应器处理效能实验

2.2.3 厌氧干发酵反应器处理效能实验

2.2.4 两种不同工艺条件下发酵液的产絮能力研究

2.3 分析方法

2.3.1 总还原糖含量的测定

2.3.2 葡萄糖标准曲线的绘制

2.3.3 TOC、TN的测定

2.3.4 挥发酸（VFAs）含量的测定

2.3.5 水稻秸秆内部形态及降解前后成分的变化

2.3.6 发酵液产絮能力的测定

2.3.7 微生物群落结构分析

第3章 　好氧液态发酵反应器对水稻秸秆的处理效能

3.1 水稻秸秆的好氧预处理

3.1.1 不同预处理时期水稻秸秆形态的变化

3.1.2 不同预处理时期群落结构解析

3.2 不同时期好氧液态发酵反应器内pH值的变化

3.3 不同时期好氧液态发酵反应器内TOC、TN的变化

3.4 不同时期好氧液态发酵反应器内水稻秸秆成分的变化

3.5 本章小结

第4章 　厌氧干发酵反应器对水稻秸秆的处理效能

4.1 不同时期厌氧干发酵反应器内pH值的变化

4.2 不同时期厌氧干发酵反应器内挥发酸含量（VFAs）的变化

4.3 不同时期厌氧干发酵反应器内TOC、TN的变化

4.4 不同时期厌氧干发酵反应器内水稻秸秆组分的变化

4.5 不同时期厌氧干发酵反应器内水稻秸秆形态的变化

4.6 不同时期厌氧干发酵反应器内群落结构解析

4.7 本章小结

第5章 　不同工艺条件下发酵液的产絮能力研究

5.1 好氧发酵液的产絮能力研究

5.1.1 不同时期好氧液态发酵反应器内总还原糖含量的变化

5.1.2 好氧复合型产絮培养基最优配比的选择

5.1.3 不同时期好氧发酵液在最优配比下的产絮能力比较

5.1.4 产絮菌在好氧最优复合型产絮培养基中的生长情况

5.2 厌氧发酵液的产絮能力研究

5.2.1 不同时期厌氧干发酵反应器内总还原糖含量的变化

5.2.2 厌氧复合型产絮培养基最优配比的选择

5.2.3 不同时期厌氧发酵液在最优配比下的产絮能力研究

5.2.4 产絮菌在厌氧复合型产絮培养基中的生长情况

5.3 不同工艺条件下发酵液的产絮能力比较与探讨

5.3.1 两种复合型产絮培养基最优配比选择的对比

5.3.2 两种复合型产絮培养基絮凝效果的对比

5.3.3 两种复合型产絮培养基产絮能力的对比

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢