[发明专利]促进纤维素厌氧降解产甲烷的方法

说明书

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。