CN100556560C - 利用瘤胃微生物高效降解植物质废弃物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及植物质废弃物处理及其资源化利用的生物技术。包括(1)将植物质废弃物破碎或打浆成备用底料，(2)从反刍动物瘤胃内取出瘤胃微生物，并接种到盛有植物质废弃物底料和矿物质缓冲液的厌氧消化反应器中，(3)启动运行厌氧消化反应器，使植物质水解酸化，(4)收集产生的气体、液相和固相产物。所述瘤胃微生物首先须接种到发酵罐中进行培养并驯化以去除其中的甲烷菌，直到连续两周在所产气体中检测不到甲烷时，再接种到厌氧消化反应器中进入常规操作程序。本发明降解过程中释放的氢离子均以氢气形式释放出来，不产生甲烷，有利保护环境。液相产物为短链有机酸，是制取氢气的原料；固相产物中富含蛋白，经处理可成为有机肥。本发明产生了变废为宝的效果。
Description
技术领域：
本发明涉及植物质废弃物处理及其资源化利用的生物技术。
背景技术：
我国每年产生大量的植物质废弃物，例如农村中各种农作物秸秆的年产量就在6亿吨以上，现行的处理办法大都是就地进行焚烧，其结果常常造成漫天的烟雾，严重污染了环境，也浪费了宝贵而有限的资源。在城市中，人们的生活垃圾同样是城市的主要污染源，生活垃圾中也存在着大量的植物质废弃物。从保护环境的角度出发，如何处理并利用这些植物质废弃物是当今十分热门的课题。
已有的处理技术包括化学方法和生物技术方法两种。其中生物技术方法由于环境友好、成本低廉而受到重视。英国杂志《水科学和技术》(Water Science and Technology)2003年第48卷第4期报道了利用瘤胃微生物厌氧降解秸秆废弃物的方法。该方法先将秸秆粉碎，然后间歇性加入到接种瘤胃微生物的厌氧消化反应器中使植物质废弃物降解，其主要产物为乙酸、丙酸、丁酸和甲烷，甲烷的燃烧和排放仍会造成严重的温室效应。
发明内容：
本发明的目的在于，提供一种利用经过驯化的瘤胃微生物来高效地降解植物质废弃物，并使降解产物中不含有甲烷的方法。
本发明的目的通过以下方式实现。
本发明的利用瘤胃微生物来降解植物质废弃物的方法，包括(1)将植物质废弃物破碎或打浆成备用底料，(2)从反刍动物瘤胃内取出瘤胃微生物，并接种到盛有植物质废弃物底料和矿物质缓冲液的厌氧消化反应器中，(3)启动运行厌氧消化反应器，使植物质水解酸化，(4)收集产生的气体、液相产物和固相产物。其特征在于，所述的从反刍动物瘤胃内取出瘤胃微生物，首先须接种到发酵罐中进行培养并驯化，其接种量为发酵罐反应体积的5-30％，该发酵罐中盛有植物质废弃物底料和矿物质缓冲液，植物质底料的浓度为10-40g/L。驯化条件是：发酵罐中温度为30-43℃，搅拌速率50-100转/分钟，植物质废弃物底料的添加速率为20-40g/L/d，矿物质缓冲液在发酵罐内的停留时间为12-24小时，通过调节缓冲液中氢氧化钠的浓度维持发酵罐内pH为6.0-7.0，植物质废弃物底料在发酵罐内的停留时间48-72小时。直到连续两周在发酵罐所产气体成分中只检测到氢气和二氧化碳而检测不到甲烷时(表示瘤胃微生物驯化完成)，再接种到盛有植物质废弃物底料和矿物质缓冲液的厌氧消化反应器中进入常规操作程序。
本发明中所述的矿物质缓冲液是佩芬缓冲液、玛考缓冲液等矿物质缓冲液，佩芬缓冲液的组成为NaHCO3 5g/L，Na2HPO4 1.9g/L，KCl 0.5g/L，NaCl 0.5g/L，MgCl2.6H2O 0.13g/L，CaCl2 0.05g/L，尿素0.5g/L；玛考缓冲液的组成为Na2CO3 3.1g/L，K2CO3 4.0g/L，Na2HPO4 0.9g/L，K2HPO4 1.1g/L，MgCl2.6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.04g/L，尿素0.5g/L。
本发明利用驯化的瘤胃微生物，将农业固体废弃物、水生植物以及植物质有机垃圾在厌氧消化反应器内高效降解，降解效率达到55-75％，产生的气体为氢气和二氧化碳，经简单纯化处理后即可得到纯氢气；产生的液相产物主要为乙酸、丙酸、丁酸等短链挥发性有机酸，这些有机酸能够作为进一步制取氢气的原料；产生的固相产物由于富含蛋白，经堆肥处理后可成为品质优良的有机肥。由此可看出，本发明产生了变废为宝的效果，制造成本十分低廉。
本发明中使用的瘤胃微生物是从反刍动物体中提取，是自然界中分解纤维素能力很强的混合微生物菌群，对农作物秸秆、水草以及生活有机垃圾都具有很强的分解能力，因此，相对于厌氧活性污泥法处理，本发明的降解效率提高了30-50％。但是，如果将其直接接种到厌氧消化反应器使用，降解产生的气体中就会含有大量的甲烷，而甲烷的燃烧和释放将会产生严重的温室效应，破坏生态环境。本发明中首先对瘤胃微生物进行了预处理，即培养并驯化处理，高浓度底料和较高的水解酸化速率抑制了甲烷菌的生长和繁殖，加上甲烷菌本身较长的世代繁殖周期，使得反应器内的甲烷菌逐渐被缓冲液洗脱出来，直至最后反应器内甲烷菌完全消失。因此，降解过程中释放的氢离子最终以氢气的形式释放出来，避免了厌氧消化过程中产生甲烷，从而更加有利于保护环境。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1：
1、收集玉米收割后的秸秆，晾晒5天后，用粉碎机将秸秆粉碎为直径小于5mm的颗粒。
2、从瘘管山羊取300ml瘤胃液迅速转移到5升发酵罐内，加入玉米秸秆颗粒80g和3.7L矿物质缓冲液，通过调节缓冲液中氢氧化钠的浓度维持发酵罐内pH为6.0-6.4，温度32℃，搅拌速率为60转/分钟。秸秆粉的添加速率保持为30g/L/d，缓冲液在反应器内的停留时间逐渐从24小时下降到第6天的18小时并维持不变，秸秆颗粒在反应器内的停留时间为60小时。每天检测产生气体中成分的组成，当连续两周气体成分中只有氢气和二氧化碳而检测不到甲烷时，产甲烷菌被完全清除，瘤胃微生物驯化完成。
3、将驯化完成后的瘤胃微生物接种到厌氧消化反应器中，保持1.2L/分钟速率充入氮气20分钟，驱除反应器内残留的氧气，保证反应器内的厌氧状态。反应器总体积4.9L，其中反应区体积2.5升。玉米秸秆颗粒用缓冲液稀释的浓度为23g/L，控制反应器的温度为32℃，通过调节缓冲液中氢氧化钠的浓度维持发酵罐内pH为6.0-6.4，缓冲液停留时间18小时，搅拌速率为60转/分钟。底料的添加速率从10g/L/d逐渐增加到7天后的30g/L/d。降解后的残渣经出口排出，从开始的250mL/d逐渐增加到7天后的1000mL/d(相当于底物停留时间60小时)。达到平衡时，玉米秸秆颗粒的降解效率达到72％，短链有机酸的生产效率达到0.42g/g玉米秸秆。其中乙酸0.17g/g玉米秸秆，丙酸0.11g/g玉米秸秆，丁酸0.10g/g玉米秸秆，剩余的为乙醇、异丁酸、戊酸和异戊酸。气体成分中氢气含量达到32％，氢气产量为70ml/g玉米秸秆。
实施例2：
1、收集家庭生活垃圾，剔除其中包含的无机物，如石子、铁屑等。凉晒5天后粉碎为小于6mm以下的颗粒。
2、从瘘管山羊取700ml瘤胃液迅速转移到5升发酵罐内，加入粉碎的植物质有机垃圾80g和3.3L矿物质缓冲液，通过调节缓冲液中氢氧化钠的浓度维持发酵罐内pH为6.3-6.7，温度37℃，搅拌速率为90转/分钟。粉碎的植物质有机垃圾的添加速率保持为40g/L/d，缓冲液在反应器内的停留时间逐渐从24小时下降到第6天的12小时并维持不变，粉碎的植物质有机垃圾在反应器内的停留时间为60小时。每天检测产生气体中成分的组成，当连续两周气体成分中只有氢气和二氧化碳而检测不到甲烷时，产甲烷菌被完全清除，瘤胃微生物驯化完成。
3、将驯化完成后的瘤胃微生物接种到厌氧消化反应器中，保持2.0L/分钟的速率充入氩气15分钟，驱除反应器内残留的氧气，保证反应器内的厌氧状态。反应器总体积4.9L，其中反应区体积2.5升。植物质有机垃圾用缓冲液稀释的浓度为15g/L，控制反应器的温度为37℃，通过调节缓冲液中氢氧化钠的浓度维持发酵罐内pH为6.3-6.7，缓冲液停留时间12小时，搅拌速率为90转/分钟。底料的添加速率从10g/L/d逐渐增加到7天后的30g/L/d。降解后的残渣经出口排出，从开始的250mL/d逐渐增加到7天后的1000mL/d(相当于底物停留时间60小时)。达到平衡时，植物质垃圾的降解效率达到67％，短链有机酸的生产效率达到0.35g/g植物质有机垃圾，其中乙酸0.18g/g植物质有机垃圾，丙酸0.08g/g植物质有机垃圾，丁酸0.07g/g植物质有机垃圾，剩余的为异丁酸、戊酸、异戊酸和乙醇等。气体成分中氢气含量达到19％，氢气产率为55ml/g植物质有机垃圾。
实施例3：
1、从池塘中收割新鲜的蒲草，用打浆机破碎成长度小于8mm的浆状物。
2、从瘘管山羊取1200ml瘤胃液迅速转移到5升发酵罐内，加入浆状的蒲草80g和2.8L矿物质缓冲液，通过调节缓冲液中氢氧化钠的浓度维持发酵罐内pH为6.3-6.8，温度41℃，搅拌速率为100转/分钟。浆状蒲草的添加速率保持为20g/L/d，缓冲液在反应器内的停留时间逐渐从24小时下降到第6天的16小时并维持不变，蒲草在反应器内的停留时间为60小时。每天检测产生气体中成分的组成，当连续两周气体成分中只有氢气和二氧化碳而检测不到甲烷时，产甲烷菌被完全清除，瘤胃微生物驯化完成。
3、将驯化完成后的瘤胃微生物接种到厌氧消化反应器中，保持2.0L/分钟速率充入氩气20分钟，驱除反应器内残留的氧气，保证反应器内的厌氧状态。反应器总体积4.9L，其中反应区体积2.5升。蒲草用缓冲液稀释的浓度为20g/L，控制反应器的温度为41℃，通过调节缓冲液中氢氧化钠的浓度维持发酵罐内pH为6.3-6.8，缓冲液停留时间16小时，搅拌速率为100转/分钟。底料的添加速率从10g/L/d逐渐增加到7天后的30g/L/d。降解后的残渣经出口排出，从开始的250mL/d逐渐增加到7天后的1000mL/d(相当于底物停留时间60小时)。达到平衡时。蒲草的降解效率达到57％，短链有机酸的生产效率达到0.37g/g蒲草。其中乙酸0.18g/g蒲草，丙酸0.10g/g蒲草，丁酸0.07g/g蒲草，剩余的为乙醇、异丁酸、戊酸和异戊酸。气体中氢气含量为20％，氢气产率50ml/g蒲草。
Claims (1)
1、一种利用瘤胃微生物来降解植物质废弃物的方法，包括(1)将植物质废弃物破碎或打浆成备用底料，(2)从反刍动物瘤胃内取出瘤胃微生物，并接种到盛有植物质废弃物底料和矿物质缓冲液的厌氧消化反应器中，(3)启动运行厌氧消化反应器，使植物质废弃物底料水解酸化，(4)收集产生的气体、液相产物和固相产物；其特征在于，所述从反刍动物瘤胃内取出的瘤胃微生物，首先须接种到发酵罐中进行培养并驯化，其接种量为发酵罐反应体积的5-30％，该发酵罐中盛有植物质废弃物底料和矿物质缓冲液，植物质废弃物底料的浓度为10-40g/L；驯化条件是：植物质废弃物底料的添加速率为20-40g/L/d，矿物质缓冲液在发酵罐内的停留时间为12-24小时，通过调节缓冲液中氢氧化钠的浓度维持发酵罐内pH为6.0-7.0，温度为30-43℃，搅拌速度50-100转/分钟，植物质废弃物底料在发酵罐内的停留时间48-72小时，直到连续两周在发酵罐所产气体成分中只检测到氢气和二氧化碳而检测不到甲烷时，再接种到盛有植物质废弃物底料和矿物质缓冲液的厌氧消化反应器中进入常规操作程序。
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