CN106834408A - 一种猪粪和稻秆协同高效厌氧消化的方法 - Google Patents

一种猪粪和稻秆协同高效厌氧消化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种猪粪和稻秆协同高效厌氧消化的方法，包括如下步骤：S101：将稻秆、猪粪和水按照一定比例混合均匀，然后接种纤维素降解混菌，静置培养；S102：在S101得到的产物中加入厌氧污泥，然后调节pH值至7.2～‑7.5，在密闭无氧条件下进行厌氧发酵培养。本发明提供的一种猪粪和稻秆协同高效厌氧消化的方法，通过在猪粪和稻杆的混合物中添加特定的纤维素降解混菌进行生物预处理，使猪粪和稻杆进行协同降解后再进行厌氧发酵，以提高猪粪和稻秆的协同厌氧消化效率和沼气产量，从而实现农业废弃物资源的高效利用。

Description

一种猪粪和稻秆协同高效厌氧消化的方法
技术领域
本发明涉及农牧业废弃物处理技术领域，具体涉及一种猪粪和稻秆协同高效厌氧消化的方法。
背景技术
农业废弃物是指畜禽养殖业、农产品加工、农村居民生活和农业生产排放的有机物的总称，主要分为纤维性废弃物和畜禽粪便两大类。我国是一个农业大国，每年产生的农作物秸秆有7.0亿吨，而畜禽粪便则高达27.0亿吨，这些废弃物蕴含着大量的生物质能，其总能量可折合成7亿吨的标准煤。我国现在已经成为世界上农业废弃物年产出量最大的国家，然而大多数农业废弃物未被作为一种资源进行合理的利用，随意丢弃或排放到环境中，使大部分“资源”变成“污染源”，对生态环境造成了极大的影响。畜禽废弃物中一些含氮化合物会导致空气质量下降，造成空气污染，严重影响人体健康。同时粪便的堆积造成蚊蝇、病原菌和寄生虫大量的繁殖，使环境中病原种类增多，加快了人畜传染病和寄生虫病的传播蔓延，影响畜禽产品的质量。农作物秸秆则大多被堆放或者直接焚烧，造成大气污染，引发火灾和交通事故，同时也会破坏土壤结构，造成耕地质量下降。随着能源危机、粮食短缺、环境污染等问题越来越严重。如何使农业废弃物无害化、资源化已成为世界性亟待解决的关键问题。
近年来，世界各国越来越重视农业废弃物的资源化利用，对各种农业废弃物的利用技术进行了大量的研究并取得了丰富的成果。其中，在纤维质类废弃物方面，主要利用技术有肥料化、饲料化和能源化等；养殖业畜禽粪便的资源化利用，主要集中在加工肥料、饲料和用作沼气发酵原料等方面。在上述资源化技术中，将农业废弃物进行厌氧沼气发酵具有较强的应用前景，该技术的应用在避免废弃物造成污染的同时，还可以产生高品质的生物质能源-沼气，目前已成为了农业废弃物资源化的一个重大研究方向。
纤维质类农业废弃物包含大量的粗纤维素、木质素、半纤维素和可溶性碳水化合物等成分，由于其中的纤维素、半纤维素与木质素高度缠绕、结构复杂，很难被纯培养微生物和酶分解。然而，纤维类物质是农业废弃物厌氧消化过程中水解阶段的主要产物，它的不溶性和异质性使其很难被降解，成为整个发酵过程的限速步骤。研究表明，通过预处理方式可以破坏纤维质的物理化学结构，降解得到易于消化的产物，从而提高厌氧消化效率和产气量。常见的预处理方式主要有化学、机械、生物预处理等，Zhang(Biogasification ofrice straw with an anaerobic-phased solids digester system.BioresourceTechnology，1999)研究研磨和切碎对稻草厌氧发酵产沼气的影响，发现经过切碎和碾磨的秸秆产气速率和产气潜力明显提高，在相同粒径大小下(25mm)，研磨比切碎预处理稻杆的产气量提高了12.5％。He(Physicochemical characterization of rice strawpretreated with sodium hydroxide in the solid state for enhancing biogasproduction.Energy and Fuel，2008)用6％的NaOH对稻杆进行固相处理，其厌氧发酵累计产气量提高了27.3％～64.5％。这些预处理方式在纤维质类农业废弃物的厌氧资源化方面起到了一定的效果，但是普遍存在能耗高、需额外的化学试剂、易产生抑制物，甚至造成二次化学污染等问题，限制了其大规模的开发应用。
在畜禽养殖废弃物的厌氧发酵过程中，由于畜禽粪便具有丰富的氮源、原料碳氮比过低、质地致密等特点，单独进行厌氧消化时由于碳氮比过低，过量的氮会变成可溶性氮，导致料液“氨中毒”，抑制了其消化过程。许多研究者证实直接对猪粪进行厌氧消化时，由于含有较高的固形物含量，特别是含有一些纤维质成分，导致其沼气产量非常低，针对粪便中纤维质成分难以被消化降解的特点，Carrère(Improving pig manure conversioninto biogas by thermal and thermo-chemical pretreatments.BioresourceTechnology，2009)采取了加热与化学预处理相结合的方式并取得了一定的成果。
畜禽粪便有机质含量低、氮含量高、产气速度快但含有厌氧发酵抑制因子，秸秆作物中木质素、纤维素和半纤维素含量多且不易降解、产气速度慢但产气周期长，针对这一特点，许多学者将这两类废弃物进行混合发酵，该方式能够平衡发酵的营养元素、提供较强的缓冲能力、减少氨对发酵的抑制，并取得了一定的成果。刘战广(粪草比对干式厌氧发酵产沼气效果的影响，农业工程学报，2009年04期)发现用稻草和猪粪混合发酵产气高峰出现时间较它们单独发酵产气高峰出现时间提前了11～15天，产气峰值高出85～265mL；Abouelenien(Enhancement of methane production from co-digestion of chickenmanure with agricultural waste.Bioresource Technology，2014)研究了鸡粪和农业废弃物的混合发酵，结果表明混合发酵可以将其甲烷产量提高42％，而氨氮的积累可减少36％；Wu(Biogas and CH4productivity by co-digesting swine manure with threecrop residues as an external carbon source.Bioresource Technology，2010)通过向猪粪中添加玉米杆、燕麦杆和稻杆，沼气产量和CH4产量总体上较猪粪单独发酵时分别提高了11倍和16倍。
虽然纤维质类废弃物与畜禽粪便混合厌氧发酵有利于平衡营养成分、降低抑制物浓度，可在一定程度上提高厌氧消化效率和沼气产量。但是，由于废弃物中的纤维质成分具有复杂的刚性结构，导致其仍然难以直接在厌氧消化过程中被高效利用，造成了纤维质资源的巨大浪费，同时也限制了农业废弃物的高效资源化转化。为此，将纤维质和粪便废弃物的混合物在厌氧消化之前，采用合适的预处理方式进行高效处置，打散纤维质的结构，进一步提高其厌氧消化效率和沼气产量就显得尤为必要。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种猪粪和稻秆协同高效厌氧消化的方法，通过在猪粪和稻杆的混合物中添加特定的纤维素降解混菌进行生物预处理，使猪粪和稻杆进行协同降解后再进行厌氧发酵，以提高猪粪和稻秆的协同厌氧消化效率和沼气产量，从而实现农业废弃物资源的高效利用。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种猪粪和稻秆协同高效厌氧消化的方法，包括如下步骤：S101：将稻秆、猪粪和水按照一定比例混合均匀，然后接种纤维素降解混菌，静置培养；S102：在S101得到的产物中加入厌氧污泥，然后调节pH值至7.2～7.5，在密闭无氧条件下进行厌氧发酵培养。需要说明的是，本发明采用的猪粪优选为新鲜猪粪；采用的稻秆优选为自然风干且粉碎后的稻秆；本发明厌氧发酵培养的周期大约为30天，具体时间可以根据需要调节。
在本发明的进一步实施方式中，S101中，纤维素降解混菌包括：类芽孢杆菌Paenibacillus thermophilus NCB和Clostridium clariflavum NC-1；其中，Paenibacillus thermophilus NCB在中国典型培养物保藏中心的保藏号为CCTCC NO:M2017076，Clostridium clariflavum NC-1在中国典型培养物保藏中心的保藏号为CCTCCNO:M2017075。
在本发明的进一步实施方式中，S101中，纤维素降解混菌的接种量为5％～10％；其中，Paenibacillus thermophilus NCB的含量为(1～2)×106cfu/mL，Clostridiumclariflavum NC-1的含量为(1～2)×106cfu/mL。
在本发明的进一步实施方式中，S101中，稻秆和猪粪的碳氮比为(25～30):1；稻秆和猪粪的总质量和水的质量的比值为(9～11):100；静置培养的温度为50～55℃，静置培养的时间为36～40h。
在本发明的进一步实施方式中，S102中，厌氧污泥和S101得到的产物的体积比为3:1；厌氧发酵培养的温度为34～36℃。
在本发明的进一步实施方式中，S102中，厌氧污泥的挥发性固型物(VS)含量为5.4％，总固型物(TS)含量为10.4％，总悬浮物(TSS)为102.1g/L，挥发性悬浮物(VSS)为52.1g/L，密度为1035g/L。
在本发明的进一步实施方式中，S101中，纤维素降解混菌的活化过程包括如下步骤：S201：将Paenibacillus thermophilus NCB接种至第一培养基，在50～55℃静置培养20h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillus thermophilus NCB菌种液；S202：将Clostridium clariflavum NC-1接种至第二培养基，在50～55℃无氧条件下培养48h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Clostridium clariflavum NC-1菌种液；S203：将Paenibacillus thermophilus NCB菌种液和Clostridium clariflavum NC-1菌种液以(0.8～1):1的体积比混合均匀，得到纤维素降解混菌；S204：将纤维素降解混菌按5％～10％的接种量接入第三培养基中，然后在50～55℃静置培养。需要说明的是，S204中静置培养的时间可以根据需要的菌种活性调节，一般培养36～48h即可。
在本发明的进一步实施方式中，第一培养基的pH值为7.2，第一培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余为水；第二培养基的pH值为7.2，第二培养基的组成成分包括：滤纸2.0g/L、氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸钙2.0g/L，其余为水；第三培养基的pH值为7.5，第三培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸钙3.0g/L、滤纸4.0g/L和干猪粪6.0g/L，其余为水。需要说明的是，培养基中的滤纸优选为滤纸条。
本发明提供一种类芽孢杆菌(Paenibacillus thermophilus NCB)，其在中国典型培养物保藏中心的保藏编号为CCTCC NO:M2017076。
本发明提供一种Clostridium clariflavum NC-1，其在中国典型培养物保藏中心的保藏编号为CCTCC NO:M2017075。
保藏说明：
1、菌种名称：嗜热类芽孢杆菌
拉丁名：Paenibacillus thermophilus
菌株编号：NCB
保藏机构：中国典型培养物保藏中心
保藏机构简称：CCTCC
地址：湖北省武汉市武昌区八一路299号武汉大学校内
保藏日期：2017年2月28日
保藏中心登记入册编号：CCTCC NO:M2017076
2、菌种拉丁名：Clostridium clariflavum
菌株编号：NC-1
保藏机构：中国典型培养物保藏中心
保藏机构简称：CCTCC
地址：湖北省武汉市武昌区八一路299号武汉大学校内
保藏日期：2017年2月28日
保藏中心登记入册编号：CCTCC NO:M2017075
本发明提供的技术方案，具有如下的有益效果：
(1)稻草中碳氮比高，纤维素、半纤维素和木质素含量多，且纤维素受木质素包裹并形成了致密的刚性结构，不易被微生物降解，直接进行厌氧消化效率低下；同样，猪粪则氮含量高，碳氮比低，直接进行厌氧消化容易产生氨中毒现象，导致甲烷产率不高甚至是厌氧消化的失败，本发明根据此特点将其进行混合，在无需添加外来营养源的条件下，通过添加纤维素降解混菌对其预处理，充分打散废弃物中的纤维质的致密结构，实现连续高效的厌氧沼气发酵，达到降低成本、提高经济效益的目的。
(2)利用纤维素降解混菌处理稻草和猪粪实际上是在进行厌氧消化的水解产酸阶段，在此阶段，难以降解的木质纤维素被混菌分泌出的酶降解成还原糖、有机酸等小分子物质，从而透过细胞膜被细菌利用，为后续的产甲烷菌提供易于利用的前体物质。并且，用混菌先进行预处理实际上是将厌氧发酵的水解产酸阶段和产甲烷阶段分开，混菌和产甲烷菌都处于最佳的生长条件下，有利于提高混菌的预处理能力以及厌氧发酵产甲烷的稳定性。
(3)本发明在前人研究的基础上，创新性的利用纤维素降解混菌先将稻草和猪粪混合液进行预处理，破坏木质纤维素的结构，从而提高其发酵效率以及产甲烷能力，同时为后人进行此类相关研究提供一定的参考依据。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规试剂商店购买得到的。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。
本发明采用的猪粪来源于江西农业大学生猪养殖场的新鲜猪粪；采用的稻秆来自于江西南昌周边地区7月份收割后自然风干的稻秆，在使用前采用粉碎机粉碎；采用的厌氧污泥采自江西省新余沼气站的厌氧反应器，其理化性质包括：厌氧污泥的挥发性固型物(VS)含量为5.4％，总固型物(TS)含量为10.4％，总悬浮物(TSS)为102.1g/L，挥发性悬浮物(VSS)为52.1g/L，密度为1035g/L。
本发明提供一种猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，包括如下步骤：
S201：将Paenibacillus thermophilus NCB(保藏号：CCTCC NO:M2017076)接种至第一培养基，在50～55℃静置培养20h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillus thermophilus NCB菌种液；其中，第一培养基的pH值为7.2，第一培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余为水；
S202：将Clostridium clariflavum NC-1(保藏号：CCTCC NO:M2017075)接种至第二培养基，在50～55℃无氧条件下培养48h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Clostridium clariflavum NC-1菌种液；其中，第二培养基的pH值为7.2，第二培养基的组成成分包括：滤纸2.0g/L、氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸钙2.0g/L，其余为水；
S203：将Paenibacillus thermophilus NCB菌种液和Clostridium clariflavumNC-1菌种液以(0.8～1):1的体积比混合均匀，得到纤维素降解混菌；
S204：将纤维素降解混菌按5％～10％的接种量接入第三培养基中，然后在50～55℃静置培养，至Paenibacillus thermophilus NCB的含量为(1～2)×106cfu/mL，Clostridium clariflavum NC-1的含量为(1～2)×106cfu/mL；其中，第三培养基的pH值为7.5，第三培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸钙3.0g/L、滤纸4.0g/L和干猪粪6.0g/L，其余为水；
S101：将稻秆、猪粪和水混合均匀，然后接种S204活化得到的纤维素降解混菌，接种量为5％～10％，在50～55℃静置培养36～40h；其中，稻秆和猪粪的碳氮比为(25～30):1；稻秆和猪粪的总质量和水的质量的比值为(9～11):100；
S102：在S101得到的产物中加入厌氧污泥，然后调节pH值至7.2～7.5，在34～36℃的密闭无氧条件下进行厌氧发酵培养；其中，厌氧污泥和S101得到的产物的体积比为3:1，厌氧污泥的挥发性固型物(VS)含量为5.4％，总固型物(TS)含量为10.4％，总悬浮物(TSS)为102.1g/L，挥发性悬浮物(VSS)为52.1g/L，密度为1035g/L。
下面结合具体实施例对本发明提供的猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法作进一步说明。
实施例一
本实施例提供一种猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，包括如下步骤：
S201：将Paenibacillus thermophilus NCB(保藏号：CCTCC NO:M2017076)接种至第一培养基，在55℃静置培养20h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillusthermophilus NCB菌种液；其中，第一培养基的pH值为7.2，第一培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余为水；
S202：将Clostridium clariflavum NC-1(保藏号：CCTCC NO:M2017075)接种至第二培养基，在55℃无氧条件下培养48h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Clostridiumclariflavum NC-1菌种液；其中，第二培养基的pH值为7.2，第二培养基的组成成分包括：滤纸2.0g/L、氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸钙2.0g/L，其余为水；
S203：将Paenibacillus thermophilus NCB菌种液和Clostridium clariflavumNC-1菌种液以1:1的体积比混合均匀，得到纤维素降解混菌；
S204：将纤维素降解混菌按10％的接种量接入第三培养基中，然后在55℃静置培养，至Paenibacillus thermophilus NCB的含量为(1～2)×106cfu/mL，Clostridiumclariflavum NC-1的含量为(1～2)×106cfu/mL；其中，第三培养基的pH值为7.5，第三培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸钙3.0g/L、滤纸4.0g/L和干猪粪6.0g/L，其余为水；
S101：将稻秆、猪粪和水混合均匀，然后接种S204活化得到的纤维素降解混菌，接种量为10％，在55℃静置培养36h；其中，稻秆和猪粪的碳氮比为30:1；稻秆和猪粪的总质量和水的质量的比值为11:100；
S102：在S101得到的产物中加入厌氧污泥，然后调节pH值至7.2，在35℃的密闭无氧条件下进行厌氧发酵培养；其中，厌氧污泥和S101得到的产物的体积比为3:1，厌氧污泥的挥发性固型物(VS)含量为5.4％，总固型物(TS)含量为10.4％，总悬浮物(TSS)为102.1g/L，挥发性悬浮物(VSS)为52.1g/L，密度为1035g/L。
对照组一
为了更好的表征效果，设置对照组一：除了将S203得到的活化的纤维素降解混菌进行灭活处理外，其他步骤和制备方法参数同实施例一。
实施例二
本实施例提供一种猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，包括如下步骤：
S201：将Paenibacillus thermophilus NCB(保藏号：CCTCC NO:M2017076) 接种至第一培养基，在50℃静置培养20h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillusthermophilus NCB菌种液；其中，第一培养基的pH值为7.2，第一培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余为水；
S202：将Clostridium clariflavum NC-1(保藏号：CCTCC NO:M2017075)接种至第二培养基，在50℃无氧条件下培养48h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Clostridiumclariflavum NC-1菌种液；其中，第二培养基的pH值为7.2，第二培养基的组成成分包括：滤纸2.0g/L、氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸钙2.0g/L，其余为水；
S203：将Paenibacillus thermophilus NCB菌种液和Clostridium clariflavumNC-1菌种液以0.8:1的体积比混合均匀，得到纤维素降解混菌；
S204：将纤维素降解混菌按5％的接种量接入第三培养基中，然后在50℃静置培养，至Paenibacillus thermophilus NCB的含量为(1～2)×106cfu/mL，Clostridiumclariflavum NC-1的含量为(1～2)×106cfu/mL；其中，第三培养基的pH值为7.5，第三培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸钙3.0g/L、滤纸4.0g/L和干猪粪6.0g/L，其余为水；
S101：将稻秆、猪粪和水混合均匀，然后接种S204活化得到的纤维素降解混菌，接种量为5％，在50℃静置培养40h；其中，稻秆和猪粪的碳氮比为25:1；稻秆和猪粪的总质量和水的质量的比值为9:100；
S102：在S101得到的产物中加入厌氧污泥，然后调节pH值至7.2，在34℃的密闭无氧条件下进行厌氧发酵培养；其中，厌氧污泥和S101得到的产物的体积比为3:1，厌氧污泥的挥发性固型物(VS)含量为5.4％，总固型物(TS)含量为10.4％，总悬浮物(TSS)为102.1g/L，挥发性悬浮物(VSS)为52.1g/L，密度为1035g/L。
实施例三
本实施例提供一种猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，包括如下步骤：
S201：将Paenibacillus thermophilus NCB(保藏号：CCTCC NO:M2017076)接种至第一培养基，在52℃静置培养20h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillusthermophilus NCB菌种液；其中，第一培养基的pH值为7.2，第一培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余为水；
S202：将Clostridium clariflavum NC-1(保藏号：CCTCC NO:M2017075)接种至第二培养基，在52℃无氧条件下培养48h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Clostridiumclariflavum NC-1菌种液；其中，第二培养基的pH值为7.2，第二培养基的组成成分包括：滤纸2.0g/L、氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸钙2.0g/L，其余为水；
S203：将Paenibacillus thermophilus NCB菌种液和Clostridium clariflavumNC-1菌种液以0.9:1的体积比混合均匀，得到纤维素降解混菌；
S204：将纤维素降解混菌按8％的接种量接入第三培养基中，然后在52℃静置培养，至Paenibacillus thermophilus NCB的含量为(1～2)×106cfu/mL，Clostridiumclariflavum NC-1的含量为(1～2)×106cfu/mL；其中，第三培养基的pH值为7.5，第三培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸钙3.0g/L、滤纸4.0g/L和干猪粪6.0g/L，其余为水；
S101：将稻秆、猪粪和水混合均匀，然后接种S204活化得到的纤维素降解混菌，接种量为8％，在52℃静置培养38h；其中，稻秆和猪粪的碳氮比为28:1；稻秆和猪粪的总质量和水的质量的比值为10:100；
S102：在S101得到的产物中加入厌氧污泥，然后调节pH值至7.2，在36℃的密闭无氧条件下进行厌氧发酵培养；其中，厌氧污泥和S101得到的产物的体积比为3:1，厌氧污泥的挥发性固型物(VS)含量为5.4％，总固型物(TS)含量为10.4％，总悬浮物(TSS)为102.1g/L，挥发性悬浮物(VSS)为52.1g/L，密度为1035g/L。
对比例一
本对比例提供一种猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，包括如下步骤：
S201：将Paenibacillus thermophilus NCB(保藏号：CCTCC NO:M2017076)接种至第一培养基，在55℃静置培养20h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillusthermophilus NCB菌种液；其中，第一培养基的pH值为7.2，第一培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余为水；
S204：将Paenibacillus thermophilus NCB菌种液按10％的接种量接入第三培养基中，然后在55℃静置培养，至Paenibacillus thermophilus NCB的含量为(2～4)×106cfu/mL；其中，第三培养基的pH值为7.5，第三培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸钙3.0g/L、滤纸4.0g/L和干猪粪6.0g/L，其余为水；
S101：将稻秆、猪粪和水混合均匀，然后接种S204活化得到的Paenibacillusthermophilus NCB菌种液，接种量为10％，在55℃静置培养36h；其中，稻秆和猪粪的碳氮比为30:1；稻秆和猪粪的总质量和水的质量的比值为11:100；
S102：在S101得到的产物中加入厌氧污泥，然后调节pH值至7.2，在35℃的密闭无氧条件下进行厌氧发酵培养；其中，厌氧污泥和S101得到的产物的体积比为3:1，厌氧污泥的挥发性固型物(VS)含量为5.4％，总固型物(TS)含量为10.4％，总悬浮物(TSS)为102.1g/L，挥发性悬浮物(VSS)为52.1g/L，密度为1035g/L。
对比例二
本对比例提供一种猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，包括如下步骤：
S202：将Clostridium clariflavum NC-1(保藏号：CCTCC NO:M2017075)接种至第二培养基，在55℃无氧条件下培养48h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Clostridiumclariflavum NC-1菌种液；其中，第二培养基的pH值为7.2，第二培养基的组成成分包括：滤纸2.0g/L、氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸钙2.0g/L，其余为水；
S204：将Clostridium clariflavum NC-1菌种液按10％的接种量接入第三培养基中，然后在55℃静置培养，至Clostridium clariflavum NC-1的含量为(2～4)×106cfu/mL；其中，第三培养基的pH值为7.5，第三培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸钙3.0g/L、滤纸4.0g/L和干猪粪6.0g/L，其余为水；
S101：将稻秆、猪粪和水混合均匀，然后接种S204活化得到的Clostridiumclariflavum NC-1菌种液，接种量为10％，在55℃静置培养36h；其中，稻秆和猪粪的碳氮比为30:1；稻秆和猪粪的总质量和水的质量的比值为11:100；
S102：在S101得到的产物中加入厌氧污泥，然后调节pH值至7.2，在35℃的密闭无氧条件下进行厌氧发酵培养；其中，厌氧污泥和S101得到的产物的体积比为3:1，厌氧污泥的挥发性固型物(VS)含量为5.4％，总固型物(TS)含量为10.4％，总悬浮物(TSS)为102.1g/L，挥发性悬浮物(VSS)为52.1g/L，密度为1035g/L。
效果测定：为了测定甲烷产量及产甲烷速率，在实施例一至实施例三、对照组一、对比例一、对比例二中，在S102的厌氧发酵培养过程中，每隔12h手动摇晃一次，每次控制1min，保证反应物的充分混合；本次测定中，厌氧发酵时间为30天。并且，分别将厌氧反应装置和甲烷收集瓶通过乳胶管连接，通过排2mol/L的NaOH水溶液的量来记录甲烷的产量，直至厌氧发酵结束。在实验前后，还进行了其他性能参数的测定，具体实验结果如下表1和表2所示。
表1生物预处理液及厌氧消化液的相关参数对比
表2甲烷产量及产甲烷速率测定
需要说明的是，除了上述实施例一至实施例三列举的情况，选用其他制备方法参数也是可行的。
本发明提供的技术方案，具有如下的有益效果：
(1)稻草中碳氮比高，纤维素、半纤维素和木质素含量多，且纤维素受木质素包裹并形成了致密的刚性结构，不易被微生物降解，直接进行厌氧消化效率低下；同样，猪粪则氮含量高，碳氮比低，直接进行厌氧消化容易产生氨中毒现象，导致甲烷产率不高甚至是厌氧消化的失败，本发明根据此特点将其进行混合，在无需添加外来营养源的条件下，添加特定的纤维素降解混菌对其预处理，充分打散废弃物中的纤维质的致密结构，实现连续高效的厌氧沼气发酵，达到降低成本、提高经济效益的目的。
(2)利用纤维素降解混菌处理稻草和猪粪实际上是在进行厌氧消化的水解产酸阶段，在此阶段，难以降解的木质纤维素被混菌分泌出的酶降解成还原糖、有机酸等小分子物质，从而透过细胞膜被细菌利用，为后续的产甲烷菌提供易于利用的前体物质。并且，用混菌先进行预处理实际上是将厌氧发酵的水解产酸阶段和产甲烷阶段分开，混菌和产甲烷菌都处于最佳的生长条件下，有利于提高混菌的预处理能力以及厌氧发酵产甲烷的稳定性。
(3)本发明在前人研究的基础上，创新性的利用纤维素降解混菌先将稻草和猪粪混合液进行预处理，破坏木质纤维素的结构，从而提高其发酵效率以及产甲烷能力，同时为后人进行此类相关研究提供一定的参考依据。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101：将稻秆、猪粪和水混合均匀，然后接种纤维素降解混菌，静置培养；
S102：在所述S101得到的产物中加入厌氧污泥，然后调节pH值至7.2～7.5，在密闭无氧条件下进行厌氧发酵培养。
2.根据权利要求1所述的猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，其特征在于：
所述S101中，所述纤维素降解混菌包括：类芽孢杆菌Paenibacillus thermophilusNCB和Clostridium clariflavum NC-1；
其中，Paenibacillus thermophilus NCB在中国典型培养物保藏中心的保藏号为CCTCC NO:M2017076，Clostridium clariflavum NC-1在中国典型培养物保藏中心的保藏号为CCTCC NO:M2017075。
3.根据权利要求2所述的猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，其特征在于：
所述S101中，所述纤维素降解混菌的接种量为5％～10％；
其中，所述Paenibacillus thermophilus NCB的含量为(1～2)×106cfu/mL，所述Clostridium clariflavum NC-1的含量为(1～2)×106cfu/mL。
4.根据权利要求2所述的猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，其特征在于：
所述S101中，所述稻秆和所述猪粪的碳氮比为(25～30):1；所述稻秆和所述猪粪的总质量和所述水的质量的比值为(9～11):100；所述静置培养的温度为50～55℃，所述静置培养的时间为36～40h。
5.根据权利要求2所述的猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，其特征在于：
所述S102中，所述厌氧污泥和所述S101得到的产物的体积比为3:1；所述厌氧发酵培养的温度为34～36℃。
6.根据权利要求2所述的猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，其特征在于：
所述S102中，所述厌氧污泥的挥发性固型物含量为5.4％，总固型物含量为10.4％，总悬浮物为102.1g/L，挥发性悬浮物为52.1g/L，密度为1035g/L。
7.根据权利要求2所述的猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，其特征在于：
所述S101中，所述纤维素降解混菌的活化过程包括如下步骤：
S201：将Paenibacillus thermophilus NCB接种至第一培养基，在50～55℃静置培养20h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillus thermophilus NCB菌种液；
S202：将Clostridium clariflavum NC-1接种至第二培养基，在50～55℃无氧条件下培养48h，得到菌种含量为(1～2)×106cfu/mL的Clostridium clariflavum NC-1菌种液；
S203：将所述Paenibacillus thermophilus NCB菌种液和所述Clostridiumclariflavum NC-1菌种液以(0.8～1):1的体积比混合均匀，得到纤维素降解混菌；
S204：将所述纤维素降解混菌按5％～10％的接种量接入第三培养基中，然后在50～55℃静置培养。
8.根据权利要求7所述的猪粪和稻秆协同厌氧消化的方法，其特征在于：
所述第一培养基的pH值为7.2，所述第一培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余为水；
所述第二培养基的pH值为7.2，所述第二培养基的组成成分包括：滤纸2.0g/L、氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸钙2.0g/L，其余为水；
所述第三培养基的pH值为7.5，所述第三培养基的组成成分包括：氯化钠5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸钙3.0g/L、滤纸4.0g/L和干猪粪6.0g/L，其余为水。
9.类芽孢杆菌(Paenibacillus thermophilus)，其菌株号为NCB，其在中国典型培养物保藏中心的保藏编号为CCTCC NO:M2017076。
10.Clostridium clariflavum，其菌株号为NC-1，其在中国典型培养物保藏中心的保藏编号为CCTCC NO:M2017075。
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