CN105505995A - 一种利用瘤胃微生物预处理水稻秸秆提高甲烷产量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用瘤胃微生物预处理水稻秸秆提高甲烷产量的方法，属于生物技术及可再生能源领域。该方法包括：将新鲜瘤胃液过滤，滤液于一定温度下保存；将水稻秸秆粉末与营养液按一定比例混合，接入一定比例的瘤胃液；将上述混合液置于恒温震荡水浴锅中，在一定温度，一定转速条件下厌氧培养，进行瘤胃微生物预处理；预处理结束后，向上述发酵液中接入一定比例的含产甲烷菌的厌氧消化接种污泥，在一定厌氧消化温度和初始pH范围内，进行厌氧消化产甲烷。本发明通过瘤胃微生物对稻秆生物质原料进行预处理，促进其水解酸化，获得了较高的甲烷产量，缩短了反应时间，同时缓解了污水处理厂处理屠宰场废水的压力。与对照(未预处理)相比，甲烷产量提高了55.4％～87.3％，厌氧消化时间缩短了3～10d，纤维素，半纤维素降解率分别增加了20.3％～33.6％和15.6％～25.7％。

Description

一种利用瘤胃微生物预处理水稻秸秆提高甲烷产量的方法
技术领域
本发明属于生物技术可再生能源领域，尤其涉及一种利用瘤胃微生物预处理水稻秸秆提高甲烷产量的方法。
背景技术
近年来，在全球范围内，随着人口数量的增加，生活质量提高导致的对能源的需求急剧上升。已超过84％的全球总能源来自于不可再生的化石能源，例如：煤、石油、天然气。这些化石能源物质燃烧时不可避免往大气层中的排放温室气体，污染环境。通过厌氧消化可再生资源(木质纤维素)产生的生物气(甲烷)，被认为是一种能够替代化石燃料理想的能源。厌氧消化一般可分为四个阶段：水解、酸化、乙酸化，甲烷化。这四个阶段参与的微生物共同作用，能够将不同的生物质转变为生物气，而水解这些木质纤维素生物质是厌氧消化产气的主要限速步骤，进而影响后面产甲烷量。水解阶段成为主要限速步骤这是由于木质纤维素素生物质主要由纤维素、半纤维和木质素组成，木质素和半纤维素结合的共价键将纤维素分子包埋其中，木质素中醚键和碳-碳键形成的具有三维结构高分子芳香类化合物，这些强的键会形成一种天然屏障，抑制水解酶的作用。因此，合适的预处理有必要提出去除这种屏障。
常见的预处理木质纤维素方法有机械法、热处理法、化学处理，这些都能有效的促进厌氧消化，增加甲烷的产量，这些预处理方法成本高，需要大量能量投入，容易产生污染物，因此这些技术可能不是最经济和环境友好型预处理技术。而生物预处理技术正好克服了上述预处理缺陷。Desvaux等人利用生物预处理木质纤维素生物质多集中纯菌处理，例如：厌氧细菌、真菌和放线菌，它们都能够有效的降解木质纤维素，然而木质纤维素的降解是不同微生物共同作用的结果。一些研究通过构建复合菌群来水解木质纤维素，增加了甲烷产量并取得了良好的效果。但生物预处理技术也有自己的缺点，例如预处理时间长，转化效率低。因此寻找高效降解木质纤维素微生物是当前迫切需要解决的问题。
反刍动物内瘤胃微生物能够有效消化植物材料，每毫升瘤胃液中大约包含1010个细菌、106个纤毛原生动物以及103-106个可降解纤维素的真菌，这些微生物相互作用，实现了木质纤维素高效降解。Nair等人研究表明：木质纤维素生物质分解的瘤胃容积产率(以测量的挥发性脂肪酸生产速度表示)大约为18gCOD/L瘤胃容积·d，传统的厌氧沼气池只有6gCOD/L瘤胃容积·d，动物瘤胃消化的固体降解率几乎是厌氧反应器的三倍。Yue等人通过比较接种瘤胃液和厌氧污泥对水生植物芦苇的厌氧消化，得出接种瘤胃液较厌氧消化污泥具有较高的产物生成速率，分别为207.2mg/L/d和120.4mg/L/d。Song等人发现瘤胃水解纤维素的速率是消化滤液的2倍。上述表明瘤胃微生物是种能够高效降解木质纤维素的微生物。另外瘤胃发酵纤维素的产物是挥发性脂肪酸，这些挥发性脂肪酸有利于之后的厌氧消化产甲烷。屠宰场每天会产生大量的废弃物，其中很大一部分来自于牛羊瘤胃内容物，这些废弃物排放到污水处理厂，增加了环境的负担，需要大量的人力物力去处理。目前尚无利用瘤胃液预处理水稻秸秆来提高甲烷产量的方法。因此合理利用瘤胃液预处理生物质产甲烷，既可以促进生物质产能又能减少环境负担。本专利提出一种利用瘤胃微生物预处理水稻秸秆提高甲烷产量的方法，实现了屠宰场废弃物的资源化利用，减轻了污泥处理厂的负担，缩短了厌氧消化的周期，实现了木质纤维素生物质原料高的甲烷产率，具有高效性、成本低、无污染的优点。
发明内容
本发明目的是为克服上述技术不足，提出一种利用瘤胃微生物预处理水稻秸秆提高甲烷产量的方法。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案,具体操作步骤如下:
(1)将新鲜瘤胃液用四层纱布过滤，滤液保存于35～42℃保温杯中；
(2)将水稻秸秆粉末与营养液混合，水稻秸秆粉末与营养液的混合比例为0.5～7.0g(干重):50ml，接入步骤(1)所述的瘤胃液，瘤胃液与营养液的体积比为0.5～1.5:1，调节pH为6～8；
(3)将步骤(2)所述混合液置于35～42℃，100～160r/min的恒温震荡水浴锅中培养0～120h进行瘤胃微生物预处理；
(4)预处理结束后，向步骤(3)所述发酵液中接入含产甲烷菌的厌氧消化接种污泥，厌氧接种污泥与水稻秸秆原料的接种比为0.5～2.5:1(基于VS/VS)，厌氧消化温度控制在25～45℃，初始pH控制在6～8，从而将水解后产生的挥发性脂肪酸和未被瘤胃微生物降解的水稻秸秆残渣进行厌氧消化产甲烷。
本发明中，步骤(1)所述瘤胃液取自屠宰场，选用新鲜牛瘤胃，置于保温杯中，通入CO2后立即送往实验室。
本发明中，步骤(2)所述水稻秸秆，风干后粉碎，过30目筛。
本发明中，步骤(2)所述营养液每升包含NaHCO3，4g；KH2PO4，0.5g；K2HPO4，1.5g；CaCl2·H2O，0.03g；MgCl2·6H2O，0.08g；NH4Cl，0.18g；L-半胱氨酸盐酸，0.3g。1ml的微量元素每升包括ZnSO4·7H2O，0.1g；MnCl2·4H2O，0.03g；H3BO3，0.3g；CoCl2·6H2O，0.2g；CuCl2·2H2O，0.01g；NiCl2·H2O，0.02g；NaMoO4·2H2O，0.03g；FeCl2·4H2O，1.5g。
本发明的优点在于：
本发明通过高效瘤胃微生物对水稻秸秆进行生物预处理预处理，促进其水解酸化，缩短了反应时间，提高了水稻秸秆的单位甲烷产量。与对照(未预处理)相比，甲烷产量提高了55.4％～87.3％，厌氧消化时间缩短至3～10d。纤维素，半纤维素降解效率分别增加了20.3％～33.6％和15.6％～25.7％。同时本发明利用的瘤胃微生物取自于屠宰场，缓解了污泥处理场处理屠宰场排放废水的压力。操作方便，成本低，处理效果好且清洁无污染。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
本实施例中所用的水稻秸秆，风干后粉碎，过30目筛。所用的瘤胃液取自屠宰场，选用新鲜牛瘤胃，置于保温杯中，通入CO2后立即送往实验室。所用的营养液每升包含NaHCO3，4g；KH2PO4，0.5g；K2HPO4，1.5g；CaCl2·H2O，0.03g；MgCl2·6H2O，0.08g；NH4Cl，0.18g；L-半胱氨酸盐酸，0.3g。1ml的微量元素每升包括ZnSO4·7H2O，0.1g；MnCl2·4H2O，0.03g；H3BO3，0.3g；CoCl2·6H2O，0.2g；CuCl2·2H2O，0.01g；NiCl2·H2O，0.02g；NaMoO4·2H2O，0.03g；FeCl2·4H2O，1.5g。实施例1：
一种利用瘤胃微生物预处理水稻秸秆提高甲烷产量的方法。具体操作方法如下：
(1)将新鲜瘤胃液用四层纱布过滤，滤液保存于39℃保温杯中；
(2)将水稻秸秆粉末与营养液混合，水稻秸秆粉末与营养液的混合比例为1.0g(干重):50ml，接入步骤(1)所述的瘤胃液，瘤胃液与营养液的体积比为0.5:1；
(3)将步骤(2)所述混合液置于39℃，120r/min的恒温震荡水浴锅中培养120h，调节初始pH为7.0，进行瘤胃微生物预处理；
(4)预处理结束后，向步骤(3)所述发酵液中接入含产甲烷菌的厌氧消化接种污泥，厌氧接种污泥与水稻秸秆原料的接种比为1:1(基于VS/VS)，厌氧消化温度控制在37℃，初始pH控制在7，从而将水解后产生的挥发性脂肪酸和未被瘤胃微生物降解的水稻秸秆残渣进行厌氧消化产甲烷。
所得结果如下：预处理12h后甲烷的产率达到286.4mLCH4/gVS，较对照处理178.3mLCH4/gVS提高了84.2％，总反应时间较对照处理提前了4d，纤维素，半纤维素降解效率较对照分别增加了32.4％和22.3％。
实施例2：
一种利用瘤胃微生物预处理水稻秸秆提高甲烷产量的方法。具体操作方法如下：
(1)将新鲜瘤胃液用四层纱布过滤，滤液保存于39℃保温杯中；
(2)将水稻秸秆粉末与营养液混合，水稻秸秆粉末与营养液的混合比例为5g(干重):50ml，接入步骤(1)所述的瘤胃液，瘤胃液与营养液的体积比为1:1；
(3)将步骤(2)所述混合液置于39℃，120r/min的恒温震荡水浴锅中培养120h，调节初始pH为7.0，进行瘤胃微生物预处理；
(4)预处理结束后，向步骤(3)所述发酵液中接入含产甲烷菌的厌氧消化接种污泥，厌氧接种污泥与水稻秸秆原料的接种比为2:1(基于VS/VS)，厌氧消化温度控制在37℃，初始pH控制在7.0，从而将水解后产生的挥发性脂肪酸和未被瘤胃微生物降解的水稻秸秆残渣进行厌氧消化产甲烷。
所得结果如下：预处理24h后甲烷的产率达到236.4mLCH4/gVS，较对照处理143.7mLCH4/gVS提高了64.5％，总反应时间较对照处理提前了7d。纤维素，半纤维素降解效率较对照分别增加了25.4％和18.6％。

Claims (4)

1.一种利用瘤胃微生物预处理水稻秸秆提高甲烷产量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将新鲜瘤胃液用四层纱布过滤，滤液保存于35～42℃保温杯中；
(2)将水稻秸秆粉末与营养液混合，水稻秸秆粉末与营养液的混合比例为0.5～7.0g(干重):50ml，接入步骤(1)所述的瘤胃液，瘤胃液与营养液的体积比为0.5～1.5:1，调节pH为6～8；
(3)将步骤(2)所述混合液置于35～42℃，100～160r/min的恒温震荡水浴锅中培养0～120h进行瘤胃微生物预处理；
(4)预处理结束后，向步骤(3)所述发酵液中接入含产甲烷菌的厌氧消化接种污泥，厌氧接种污泥与水稻秸秆原料的接种比为0.5～2.5:1(基于VS/VS)，厌氧消化温度控制在25～45℃，初始pH控制在6～8，从而将水解后产生的挥发性脂肪酸和未被瘤胃微生物降解的水稻秸秆残渣进行厌氧消化产甲烷。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤(1)所述瘤胃液取自屠宰场，选用新鲜牛瘤胃，置于保温杯中，通入CO2后立即送往实验室。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤(2)所述水稻秸秆，风干后粉碎，过30目筛。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤(2)所述营养液每升包含NaHCO3，4g；KH2PO4，0.5g；K2HPO4，1.5g；CaCl2·H2O，0.03g；MgCl2·6H2O，0.08g；NH4Cl，0.18g；L-半胱氨酸盐酸，0.3g。1ml的微量元素每升包括ZnSO4·7H2O，0.1g；MnCl2·4H2O，0.03g；H3BO3，0.3g；CoCl2·6H2O，0.2g；CuCl2·2H2O，0.01g；NiCl2·H2O，0.02g；NaMoO4·2H2O，0.03g；FeCl2·4H2O，1.5g。
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