CN103409469B - 促进纤维素厌氧降解产甲烷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种促进纤维素厌氧降解产甲烷的方法，该方法包括将泛酸钙和四氢叶酸按照一定比例混合，并添加至具有发酵原料的沼气发酵体系中，进行发酵产沼气，发酵的主要原料为秸秆纤维素，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与发酵体系的体积比为1: 500-2000。该方法简单有效、成本低、适用范围广，农作物秸秆不需要进行堆沤等预处理，且可以同时提高纤维素的降解效率和沼气产量。
Description
技术领域
本发明属于农业废弃生物质能源开发利用技术领域，具体涉及一种促进纤维素厌氧降解产甲烷的方法。
背景技术
纤维素是世界上最丰富的可再生资源，是沼气等可再生能源生产原料的重要来源之一。但是，由于秸秆纤维素的分子结构致密，并且有半纤维素和木质素保护，因此秸秆纤维素不易被微生物降解，水解速度慢，转化率低，是目前可再生能源开发利用的一个技术难题。
在前期的技术研究中，秸秆纤维素利用率的提高主要依赖于原料的预处理技术，但是由于这类技术依赖于物理方法和化学方法，伴随产生了能耗高、环境污染大、副产物抑制沼气发酵等问题，秸秆纤维素的利用技术开始转向生物方法寻求突破。目前，与秸秆纤维素降解产沼气相关的生物技术主要是向发酵体系中添加微生物制剂、生物酶制剂和生物酶的辅因子。微生物制剂主要是提供特定的微生物，通过提高微生物的数量改善沼气发酵状况，但是在原料转化率方面仍然有待提升；生物酶制剂主要包括纤维素酶、果胶酶和漆酶等，但是成本较高；沼气发酵相关的生物酶辅因子主要为钴和镍等重金属，这些物质对沼气发酵过程的影响是一把“双刃剑”，适量添加可以提高生物的代谢活性，但是过量添加会抑制微生物的生长，使用技术要求高，同时，重金属还会在环境（土壤和水质）中残留，破坏生态环境。
中国专利CN 101016558A公开了一种低温促进沼气发酵的方法，该发明提出竹醋酸可以在较低温（10-15℃）时加快养殖废弃物、农作物秸秆和生活废水的混合物的产沼气速率，但其中秸秆纤维素原料的转化率并未得到提高。中国专利CN102732566 A公开了一种寒地沼气促进剂及其制备方法，促进剂的主要成分为铁、钴、镍、有机物质、吸附剂和填充剂，该发明的技术方案是提高低温下的沼气产量，对原料种类和转化率不关注；并且，铁、钴、镍若然可以提高产甲烷菌的代谢活性，但并不能提高秸秆纤维素的转化率。
因此，亟需发展一种简便、高效、环境友好、适用范围广的促进纤维素降解产沼气的方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种促进纤维素厌氧降解产甲烷的方法。该方法是针对纤维素厌氧降解产甲烷的代谢特点，通过添加促进沼气发酵微生物生长的有机化合物，有目的地调节功能微生物的代谢活性，疏通代谢途径，优化沼气发酵微生物菌群结构，从而有效促进纤维素降解并提高沼气产量。
本发明采用的技术方案为：
（1）将秸秆段与工业废水、生活污水和禽畜粪水中的至少一种混合，作为发酵底物，利用尿素调节发酵底物碳氮比为10-30:1，得到发酵原料，其中工业废水、生活污水和禽畜粪水主要是与秸秆段一起作为发酵底物，且能协助调节发酵原料的碳氮比，本发明发酵底物的碳氮比可参照常规技术，以能满足微生物的生长、发酵为准；
（2）将泛酸钙和四氢叶酸混合，并经水或沼液溶解，得到混合溶液；
（3）将步骤（2）所得混合溶液添加至具有上述发酵原料的沼气发酵体系中，加入禽畜粪便作为接种物，将发酵原料、混合溶液和接种物混合均匀，然后进行厌氧发酵，发酵60天后，原料产气率接近理论总产气量的90%，停止发酵。可通过回流或搅拌的方式使发酵液混合均匀，发酵体系中除了含有上述发酵原料外，还可以允许具有其他物质，如可用于调节发酵pH值的CaCO3，沼气发酵复合菌剂等。本发明添加的泛酸钙和四氢叶酸可以提高微生物代谢活性，加速新陈代谢速率，促进微生物增殖，提高微生物数量，优化优势菌群结构，并且提供营养物质，满足沼气发酵微生物的生长需求，因此实现了纤维素有效降解、沼气产量获得提高。
优选地，所述秸秆段长度不超过20cm。
优选地，所述禽畜粪便与发酵原料的质量比为1:5-10。
优选地，所述秸秆段与工业废水、生活污水和禽畜粪水中的任一种或两种以上混合物的质量比为1:8-11。
优选地，所述步骤（2）所得混合溶液与发酵体系的体积比为1:500-2000，混合溶液中，泛酸钙和四氢叶酸质量比为1-2.5:1。混合溶液的添加量以能够使发酵体系达到充分发酵为准；在一定范围内，泛酸钙用量越大，越能有效促进参与纤维素水解菌的快速增殖，提高底物转化效率，为产甲烷菌提供充足的生长代谢底物，但是如果泛酸钙用量过大，而四氢叶酸用量过少，则会累积过多的代谢底物，其会对纤维素水解微生物生长代谢和纤维素酶活性产生反馈抑制，降低甲烷产气量，本发明泛酸钙和四氢叶酸质量比是较为合适的。
优选地，所述厌氧发酵的发酵温度为10-45℃，所述厌氧发酵的pH为6.5-7.5。
以纤维素为原料的沼气发酵是一个由多种微生物在厌氧条件下共同参与的复杂的生化过程，可分为纤维素水解阶段、产氢产酸阶段、同型产乙酸阶段和产甲烷阶段。以上四个阶段不是孤立分开的，而是密切联系在一起相互交叉进行的生物学过程，没有明显的界限。在发酵反应体系中，以降解纤维素为代表的非产甲烷细菌为产甲烷菌提供生长和产甲烷所需的基质，创造适宜的氧化还原条件，并清除有毒物质；产甲烷菌为非产甲烷菌的生化反应解除反馈抑制，创造热力学上的有利条件。两类细菌相互影响，通过协同作用实现甲烷的高效性生成。其中，以纤维素为代表的碳水化合物的水解和产甲烷过程是沼气发酵的限速步骤。
泛酸钙是维生素B5（泛酸）的主要存在形式，泛酸在生物体内参与丙酮酸、脂肪酸和蛋白质代谢过程，对纤维素的水解作用显著，通过调节微生物代谢作用促进其增殖。Ca2+是多种生物酶的辅因子，可以活化参与脂肪酸β-氧化的酶。泛酸钙可以有效促进参与纤维素水解菌快速增殖，提高底物转化效率，为产甲烷菌提供充足的生长代谢底物。四氢叶酸在产甲烷的代谢中起重要作用，可加速产甲烷菌利用氢气产生甲烷，解除代谢产物对纤维素水解微生物生长代谢和纤维素酶活性的反馈抑制作用。两种物质混合，既能促进纤维素的降解，又能加快甲烷从代谢体系中释放，形成快速、高效的降解纤维素产甲烷过程。
本发明的有益效果是：
（1）本发明简单有效、成本低、适用范围广，该方法以秸秆、工业废水、生活污水和禽畜粪水为发酵原料，取材方便、成本低廉，并且农作物秸秆不需要进行堆沤等预处理，工艺简单，节省能耗，减少环境污染。
（2）本发明发酵温度最低可低至10℃，最高可至45℃，发酵条件宽泛，但发酵效率高。
（3）通过在发酵原料中加入泛酸钙和四氢叶酸，可以同时提高纤维素的降解效率和沼气产量，纤维素降解率提高10%以上，同时甲烷产量提高20%以上。
（4）采用本发明进行的实验室规模的沼气发酵试验和沼气池发酵性能基本无差异，提高纤维素的降解能力和产甲烷的能力也没有明显改变，说明其具有较好的稳定性和实用价值。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
此外，需要指出的是，实施例中“甲烷产率（m3/天· kg·TS）”指每kg含纤维素的固形物经复合菌处理后，每天产生的含甲烷气体在一个大气压下，25℃时的体积（m3），“甲烷含量（%）”是指甲烷气体的体积占含纤维素的固形物经复合菌处理后产生的含甲烷气体总体积的百分比，降解率是指含纤维素的固形物经复合菌处理后所减少的重量占其初始重量的百分比。
实施例1：
配制含纤维素的培养液，分装150ml于250 ml盐水瓶中，接种前将泛酸钙和四氢叶酸混合溶液加入培养基中，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与培养基的体积比为1:500，接种量5%(V/V)，密封，40℃静止培养。含纤维素的培养液配方如下：NaCl 3‰，纤维素（稻草）5‰，尿素1‰，蛋白胨1‰，酵母粉0.5‰，CaCO3 2‰，以水为溶剂，上述含量是指CaCO3、NaCl、纤维素、尿素、蛋白胨、酵母粉的质量占培养基总体积的比例。泛酸钙和四氢叶酸的质量比为5：2。接种物为实验室驯化获得的降解纤维素产甲烷的复合菌。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 纤维素降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 55.2 | 77.9 | 0.31 |
| 实验组 | 71.1 | 95.6 | 0.45 |
实施例2：
配制含纤维素的培养液，分装150ml于250 ml盐水瓶中，接种前将泛酸钙和四氢叶酸混合溶液加入培养基中，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与培养基的体积比为1:500，接种量5%(V/V)，密封，40℃静止培养。含纤维素的培养液配方如下：NaCl 3‰，纤维素（稻草）5‰，尿素1‰，蛋白胨1‰，酵母粉0.5‰，CaCO3 2‰，以水为溶剂，上述含量是指CaCO3、NaCl、纤维素、尿素、蛋白胨、酵母粉的质量占培养基总体积的比例。泛酸钙和四氢叶酸的质量比为2:1。接种物为实验室驯化获得的降解纤维素产甲烷的复合菌。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 纤维素降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 55.2 | 77.9 | 0.31 |
| 实验组 | 65.9 | 92.7 | 0.42 |
实施例3：
配制含纤维素的培养液，分装150ml于250 ml盐水瓶中，接种前将泛酸钙和四氢叶酸混合溶液加入培养基中，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与培养基的体积比为1:1000，接种量5%(V/V)，密封，40℃静止培养。含纤维素的培养液配方如下：NaCl 3‰，纤维素（稻草）5‰，尿素1‰，蛋白胨1‰，酵母粉0.5‰，CaCO3 2‰，以水为溶剂，上述含量是指CaCO3、NaCl、纤维素、尿素、蛋白胨、酵母粉的质量占培养基总体积的比例。泛酸钙和四氢叶酸的质量比为2:1。接种物为实验室驯化获得的降解纤维素产甲烷的复合菌。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 纤维素降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 55.2 | 77.9 | 0.31 |
| 实验组 | 66.8 | 91.2 | 0.40 |
实施例4：
配制含纤维素的培养液，分装150ml于250 ml盐水瓶中，接种前将泛酸钙和四氢叶酸混合溶液加入培养基中，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与培养基的体积比为1:2000，接种量5%(V/V)，密封，40℃静止培养。含纤维素的培养液配方如下：NaCl 3‰，纤维素（稻草）5‰，尿素1‰，蛋白胨1‰，酵母粉0.5‰，CaCO3 2‰，以水为溶剂，上述含量是指CaCO3、NaCl、纤维素、尿素、蛋白胨、酵母粉的质量占培养基总体积的比例。泛酸钙和四氢叶酸的质量比为1:1。接种物为实验室驯化获得的降解纤维素产甲烷的复合菌。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 纤维素降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 55.2 | 77.9 | 0.31 |
| 实验组 | 63.5 | 86.8 | 0.37 |
实施例5：
配制含纤维素的培养液，分装150ml于250 ml盐水瓶中，接种前将泛酸钙和四氢叶酸混合溶液加入培养基中，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与培养基的体积比为1:500，接种量5%(V/V)，密封，10-12℃静止培养。含纤维素的培养液配方如下：NaCl 3‰，纤维素（稻草）5‰，尿素1‰，蛋白胨1‰，酵母粉0.5‰，CaCO3 2‰，以水为溶剂，上述含量是指CaCO3、NaCl、纤维素、尿素、蛋白胨、酵母粉的质量占培养基总体积的比例。泛酸钙和四氢叶酸的质量比为5:2。接种物为实验室驯化获得的降解纤维素产甲烷的复合菌。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 纤维素降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 54.1 | 52.0 | 0.19 |
| 实验组 | 64.7 | 79.7 | 0.31 |
实施例6：
配制含纤维素的培养液，分装150ml于250 ml盐水瓶中，接种前将泛酸钙和四氢叶酸混合溶液加入培养基中，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与培养基的体积比为1:1000，接种量5%(V/V)，密封，10-12℃℃静止培养。含纤维素的培养液配方如下：NaCl 3‰，纤维素（稻草）5‰，尿素1‰，蛋白胨1‰，酵母粉0.5‰，CaCO3 2‰，以水为溶剂，上述含量是指CaCO3、NaCl、纤维素、尿素、蛋白胨、酵母粉的质量占培养基总体积的比例。泛酸钙和四氢叶酸的质量比为2:1。接种物为实验室驯化获得的降解纤维素产甲烷的复合菌。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 纤维素降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 54.1 | 52.0 | 0.19 |
| 实验组 | 61.1 | 73.6 | 0.28 |
实施例7：
配制含纤维素的培养液，分装150ml于250 ml盐水瓶中，接种前将泛酸钙和四氢叶酸混合溶液加入培养基中，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与培养基的体积比为1:2000，接种量5%(V/V)，密封，10-12℃℃静止培养。含纤维素的培养液配方如下：NaCl 3‰，纤维素（稻草）5‰，尿素1‰，蛋白胨1‰，酵母粉0.5‰，CaCO3 2‰，以水为溶剂，上述含量是指CaCO3、NaCl、纤维素、尿素、蛋白胨、酵母粉的质量占培养基总体积的比例。泛酸钙和四氢叶酸的质量比为1:1。接种物为实验室驯化获得的降解纤维素产甲烷的复合菌。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 纤维素降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 54.1 | 52.0 | 0.19 |
| 实验组 | 58.8 | 68.5 | 0.23 |
实施例8：
将稻草秸秆段与生活污水以质量体积比1:8混合，利用尿素调节碳氮比为10:1，作为发酵原料。将泛酸钙和四氢叶酸以质量比1:1混合，用生活污水将其溶解后加入5L的厌氧发酵瓶中，泛酸钙与四氢叶酸混合液与发酵体系的体积比为1:2000，以沼气发酵复合菌剂作为接种物，接种物与发酵原料的质量比为1:5，在发酵体系中加入0.1%的CaCO3调节pH值为6.5-7.0，密封，10℃静置发酵60天。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 纤维素降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 51.0 | 54.4 | 0.22 |
| 实验组 | 59.1 | 67.9 | 0.31 |
实施例9：
在气温为10-13℃的气候条件下启动沼气池，将稻草秸秆段与猪粪水以质量比为1:8的比例混合，作为发酵底物，利用尿素调节发酵底物的碳氮比为30:1，得到发酵原料。将泛酸钙和四氢叶酸以质量比为2:1的比例混合，用沼液将其溶解，将泛酸钙和四氢叶酸混合溶液加入沼气池中，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与发酵体系的体积比为1:2000，加入禽畜粪便到沼气池中作为接种物，禽畜粪便与发酵原料的质量比为1:5，在发酵体系中加入0.1%的CaCO3 调节pH值，密封，发酵60天。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 秸秆降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 52.0 | 61.4 | 0.22 |
| 实验组 | 63.3 | 72.0 | 0.34 |
实施例10：
在气温为24-28℃的气候条件下启动沼气池，将稻草秸秆段与生活污水以质量比为1:10的比例混合，作为发酵底物，利用尿素调节发酵底物的碳氮比为30:1，得到发酵原料。将泛酸钙和四氢叶酸以质量比为1:1的比例混合，用沼液将其溶解，将泛酸钙和四氢叶酸混合溶液加入沼气池中，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与发酵体系的体积比为1:1000，加入禽畜粪便到沼气池中作为接种物，禽畜粪便与发酵原料的质量比为1:5，在发酵体系中加入0.1%的CaCO3 调节pH值，密封，发酵60天。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 秸秆降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 57.0 | 65.5 | 0.23 |
| 实验组 | 64.1 | 87.2 | 0.39 |
实施例11：
在气温为28-33℃的气候条件下启动沼气池，将稻草秸秆段与右旋糖苷工业废水以质量比为1:10的比例混合，作为发酵底物，利用尿素调节发酵底物的碳氮比为30:1，得到发酵原料。将泛酸钙和四氢叶酸以质量比为5:2的比例混合，用沼液将其溶解，将泛酸钙和四氢叶酸混合溶液加入沼气池中，泛酸钙和四氢叶酸混合溶液与发酵体系的体积比为1:500，加入禽畜粪便到沼气池中作为接种物，禽畜粪便与发酵原料的质量比为1:10，在发酵体系中加入0.1%的CaCO3 调节pH值，密封，发酵60天。对照组与实验组的差别仅在于不添加泛酸钙和四氢叶酸混合溶液。
在上述条件下沼气的气体产量及纤维素降解率见下表：
| 甲烷含量（%） | 秸秆降解率（%） | 甲烷产率（m3/天· kg·TS） | |
| 对照组 | 56.0 | 75.5 | 0.32 |
| 实验组 | 67.3 | 94.3 | 0.48 |
Claims (5)
1.一种促进纤维素厌氧降解产甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将秸秆段与工业废水、生活污水和禽畜粪水中的至少一种混合，作为发酵底物，利用尿素调节发酵底物碳氮比，得到发酵原料；
（2）将泛酸钙和四氢叶酸混合，并经水或沼液溶解，得到混合溶液，混合溶液中，泛酸钙和四氢叶酸质量比为1-2.5:1；
（3）将步骤（2）所得混合溶液添加至具有上述发酵原料的沼气发酵体系中，混合溶液与发酵体系的体积比为1:500-2000，加入禽畜粪便作为接种物，混合均匀，然后进行厌氧发酵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述秸秆段的长度不超过20cm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述禽畜粪便与发酵原料的质量比为1:5-10。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述秸秆段与工业废水、生活污水和禽畜粪水中的任一种或两种以上混合物的质量比为1：8-11。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，厌氧发酵的发酵温度为10-45℃。
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| CN103409469A (zh) | 2013-11-27 |
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