CN114230117A - 一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，将猪粪中残存的四环素引入猪粪中温厌氧发酵系统，向猪粪厌氧发酵系统中投加生物炭，用于缓解猪粪发酵过程四环素毒性的抑制。本发明实现猪粪厌氧发酵系统中四环素毒性抑制的缓解。提高四环素毒性胁迫条件下猪粪厌氧发酵系统的能源回收效率，具有操作简单，成本低廉，环境友好的特点。

Description

一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法
技术领域
本发明属于环境废弃物资源化处置技术领域，具体涉及一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法。
背景技术
四环素是生猪养殖过程中常用的广谱性抗生素，适量投加有利于提高生猪免疫力，但其不能被生猪消化系统完全代谢，易残留积累于猪粪中。厌氧发酵技术被认为猪粪资源化处置的绿色技术之一。然而，猪粪中残存四环素的微生物毒性对厌氧发酵系统中的微生物代谢具有抑制作用，会降低猪粪发酵的能源回收效率。如何缓解猪粪厌氧发酵系统中四环素的毒性抑制问题对猪粪的高效资源化处置具有重要意义。
对环境中的四环素等抗生素类物质的去除，常用的方法是物化吸附法，化学催化降解法与生物降解法。①物化吸附法是利用具有强大吸附能力的吸附材料对四环素进行吸附去除。其缺点是只能将四环素由溶解态转变为吸附态，无法实现四环素的彻底降解去除，且在猪粪厌氧发酵系统中，其他高浓度物质会与四环素竞争吸附点位，极大降低吸附剂对四环素的吸附能力。另外，由于吸附剂的吸附能力是一次性的，若想实现猪粪发酵系统中四环素的持续去除，需要连续投加吸附剂，成本较高，因此该方法难以工程应用于缓解猪粪厌氧发酵中四环素的毒性抑制；②化学降解法是光催化原理，将贵金属催化剂引入系统，实现四环素的降解。然而在猪粪厌氧发酵系统中，污泥浓度色度很高，难以通过光催化方法实现四环素降解，且贵金属催化剂成本高，工程应用难度大。③生物降解法是通过培养，驯化，筛选，分离具有哦四环素降解能力的纯微生物菌种，实现四环素的高效降解。但在成分多样的猪粪发酵系统中，微生物种群结构复杂，直接引入的纯种微生物难以在系统中持续增殖，容易被淘汰。因此该方法难以用于猪粪发酵系统中四环素毒性抑制的缓解。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，实现猪粪厌氧发酵系统中四环素毒性抑制的缓解。提高四环素毒性胁迫条件下猪粪厌氧发酵系统的能源回收效率，具有操作简单，成本低廉，环境友好的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，将残存有四环素的猪粪引入厌氧发酵系统，向猪粪厌氧发酵系统中投加生物炭，用于缓解猪粪发酵过程四环素毒性的抑制。
所述生物炭制备原料为生物质废弃物，柏木木屑。
所述生物炭向厌氧发酵系统中的投加用量为15g/L。
所述生物炭通过限氧热解法制备，热解温度为500℃，反应时间为1.5小时，制备的生物炭筛分至粒径0.25-1毫米，干燥后备用。
所述猪粪厌氧发酵系统的基质猪粪，微生物种泥取自稳定运行一年以上的中温厌氧发酵系统，猪粪与种泥的挥发性固体比值为2:1。
所述猪粪厌氧发酵系统在中温(35-37℃)条件下批次模式运行。
所述四环素的投加量设置为0mg/L,50ug/L,500ug/L,5mg/L。
所述厌氧发酵系统在反应系统运行前，用99.9％纯度的氮气对系统进行持续曝气，时间为5分钟，后立即用橡胶塞和铝盖将系统密封，以保证系统运行所需的厌氧环境，系统运行过程中保持该封闭状态至运行结束。
本发明的有益效果：
本发明可实现猪粪中四环素对厌氧发酵过程毒性抑制的缓解；
本发明可提升猪粪厌氧发酵系统中残存四环素的去除效率，降低发酵液处置的生态风险；
本发明使用的生物炭来源于生物质废弃物，制备成本低廉；
本发明可实现猪粪废弃物的高效资源化利用；本发明技术操作简单，环境友好。
相比现有处理方法，本发明可以缓解猪粪中残存四环素对猪粪厌氧发酵过程的毒性抑制，缩短产甲烷延滞期，提高产甲烷速率，强化系统对四环素的去除效率；所使用的的生物炭来源于生物质废弃物木屑，制备技术环境友好，成本低廉。综上，应用该技术处理猪粪具有可观的环境效益与经济效益。
附图说明
图1投加生物炭后猪粪厌氧发酵系统累积甲烷产量变化(a)无四环素投加；(b)四环素投加量50ug/L；(c)四环素投加量500ug/L，(d)四环素投加量5mg/L。
图2投加生物炭前后对四环素的生物降解效率对比示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
将本发明应用在受四环素抑制的猪粪厌氧发酵系统，取得了良好效果。具体实施方式如下：受四环素毒性作用影响下的系统累积产甲烷量损失10.2％，最大比产甲烷速率下降18.4％，且丙酸积累现象严重，浓度最高可达1300mg/L以上。采用本发明方法进行缓解，具体步骤如下。
(1)制备木屑生物炭：将粒径2-5毫米的红柏木屑放入密闭陶瓷坩锅中，置于500度马弗炉热解一小时。将制备所得红柏木屑生物炭研磨成典型粒径(0.25-1mm)的木屑粉末生物炭。
(2)选用未检测到四环素的原始猪粪，人为投加四环素，浓度梯度设定为50ug/L、500ug/L、5mg/L，并设置空白对照组(无四环素投加)。
(3)每日测定系统产气量，并用气相色谱仪(热导检测器)测定气体组分，各组累积产甲烷量结果如图1所示。
(4)反应结束后，定期对系统中的四环素浓度进行测定。测定方法为固液萃取前处理+高效液相色谱-质谱联用仪。检测结果如图2所示。
当猪粪中残存的四环素引入猪粪中温厌氧发酵系统时，四环素毒性会引起产甲烷菌活性显著下降。产甲烷潜能降低，表明微生物互营产甲烷过程受到抑制。在同一四环素浓度条件下，向猪粪厌氧发酵系统中投加生物炭，可以将系统最大比产甲烷速率由提升至5.8-12.4％。同时，投加生物炭后四环素降解效率可由42.1-55.4％提升至60.7-76.0％。说明该方法对缓解对猪粪发酵过程四环素毒性抑制的显著效果。
从图1可以看出，未投加四环素时，CT组和BC组的累积产气量相差不大，投加四环素后，各BC组的累计甲烷产量均高于CT组。从图2可以看出，BC组的四环素降解效率比CT组高37.2-44.2％，说明投加生物炭可以显著提升猪粪中残存四环素的降解效率，提升发酵液的生态安全性。

Claims (8)

1.一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，其特征在于，将残存有四环素的猪粪引入厌氧发酵系统，向猪粪厌氧发酵系统中投加生物炭，用于缓解猪粪发酵过程四环素毒性的抑制。
2.根据权利要求1所述的一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，其特征在于，所述生物炭制备原料为生物质废弃物，柏木木屑。
3.根据权利要求1所述的一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，其特征在于，所述生物炭向厌氧发酵系统中的投加用量为15g/L。
4.根据权利要求1所述的一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，其特征在于，所述生物炭通过限氧热解法制备，热解温度为500℃，反应时间为1.5小时，制备的生物炭筛分至粒径0.25-1毫米，干燥后备用。
5.根据权利要求1所述的一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，其特征在于，所述猪粪厌氧发酵系统的基质猪粪，微生物种泥取自稳定运行一年以上的中温厌氧发酵系统，猪粪与种泥的挥发性固体比值为2:1。
6.根据权利要求1所述的一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，其特征在于，所述猪粪厌氧发酵系统在中温(35-37℃)条件下批次模式运行。
7.根据权利要求1所述的一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，其特征在于，所述四环素的投加量设置为0mg/L,50ug/L,500ug/L,5mg/L。
8.根据权利要求1所述的一种高效缓解猪粪厌氧发酵系统四环素抑制的方法，其特征在于，所述厌氧发酵系统在反应系统运行前，用99.9％纯度的氮气对系统进行持续曝气，时间为5分钟，后立即用橡胶塞和铝盖将系统密封，以保证系统运行所需的厌氧环境，系统运行过程中保持该封闭状态至运行结束。
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