專利名稱：利用瘤胃微生物高效降解植物質廢棄物的方法
技術領域：
本發明涉及植物質廢棄物處理及其資源化利用的生物技術。
背景技術：
我國每年產生大量的植物質廢棄物，例如農村中各種農作物秸稈的年產量就在6億噸以上，現行的處理辦法大都是就地進行焚燒，其結果常常造成漫天的煙霧，嚴重污染了環境，也浪費了寶貴而有限的資源。在城市中，人們的生活垃圾同樣是城市的主要污染源，生活垃圾中也存在著大量的植物質廢棄物。從保護環境的角度出發，如何處理并利用這些植物質廢棄物是當今十分熱門的課題。
已有的處理技術包括化學方法和生物技術方法兩種。其中生物技術方法由于環境友好、成本低廉而受到重視。英國雜志《水科學和技術》(Water Science and Technology)2003年第48卷第4期報道了利用瘤胃微生物厭氧降解秸稈廢棄物的方法。該方法先將秸稈粉碎，然后間歇性加入到接種瘤胃微生物的厭氧消化反應器中使植物質廢棄物降解，其主要產物為乙酸、丙酸、丁酸和甲烷，甲烷的燃燒和排放仍會造成嚴重的溫室效應。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種利用經過馴化的瘤胃微生物來高效地降解植物質廢棄物，并使降解產物中不含有甲烷的方法。
本發明的目的通過以下方式實現。
本發明的利用瘤胃微生物來降解植物質廢棄物的方法，包括(1)將植物質廢棄物破碎或打漿成備用底料，(2)從反芻動物瘤胃內取出瘤胃微生物，并接種到盛有植物質廢棄物底料和礦物質緩沖液的厭氧消化反應器中，(3)啟動運行厭氧消化反應器，使植物質水解酸化，(4)收集產生的氣體、液相產物和固相產物。其特征在于，所述的從反芻動物瘤胃內取出瘤胃微生物，首先須接種到發酵罐中進行培養并馴化，其接種量為發酵罐反應體積的5-30％，該發酵罐中盛有植物質廢棄物底料和礦物質緩沖液，植物質底料的濃度為10-40g/L。馴化條件是發酵罐中溫度為30-43℃，攪拌速率50-100轉/分鐘，植物質廢棄物底料的添加速率為20-40g/L/d，礦物質緩沖液在發酵罐內的停留時間為12-24小時，通過調節緩沖液中氫氧化鈉的濃度維持發酵罐內pH為6.0-7.0，植物質廢棄物底料在發酵罐內的停留時間48-72小時。直到連續兩周在發酵罐所產氣體成分中只檢測到氫氣和二氧化碳而檢測不到甲烷時(表示瘤胃微生物馴化完成)，再接種到盛有植物質廢棄物底料和礦物質緩沖液的厭氧消化反應器中進入常規操作程序。
本發明中所述的礦物質緩沖液是佩芬緩沖液、瑪考緩沖液等礦物質緩沖液，佩芬緩沖液的組成為NaHCO35g/L，Na2HPO41.9g/L，KCl 0.5g/L，NaCl 0.5g/L，MgCl2.6H2O 0.13g/L，CaCl20.05g/L，尿素0.5g/L；瑪考緩沖液的組成為Na2CO33.1g/L，K2CO34.0g/L，Na2HPO40.9g/L，K2HPO41.1g/L，MgCl2.6H2O 0.10g/L，CaCl20.04g/L，尿素0.5g/L。
本發明利用馴化的瘤胃微生物，將農業固體廢棄物、水生植物以及植物質有機垃圾在厭氧消化反應器內高效降解，降解效率達到55-75％，產生的氣體為氫氣和二氧化碳，經簡單純化處理后即可得到純氫氣；產生的液相產物主要為乙酸、丙酸、丁酸等短鏈揮發性有機酸，這些有機酸能夠作為進一步制取氫氣的原料；產生的固相產物由于富含蛋白，經堆肥處理后可成為品質優良的有機肥。由此可看出，本發明產生了變廢為寶的效果，制造成本十分低廉。
本發明中使用的瘤胃微生物是從反芻動物體中提取，是自然界中分解纖維素能力很強的混合微生物菌群，對農作物秸稈、水草以及生活有機垃圾都具有很強的分解能力，因此，相對于厭氧活性污泥法處理，本發明的降解效率提高了30-50％。但是，如果將其直接接種到厭氧消化反應器使用，降解產生的氣體中就會含有大量的甲烷，而甲烷的燃燒和釋放將會產生嚴重的溫室效應，破壞生態環境。本發明中首先對瘤胃微生物進行了預處理，即培養并馴化處理，高濃度底料和較高的水解酸化速率抑制了甲烷菌的生長和繁殖，加上甲烷菌本身較長的世代繁殖周期，使得反應器內的甲烷菌逐漸被緩沖液洗脫出來，直至最后反應器內甲烷菌完全消失。因此，降解過程中釋放的氫離子最終以氫氣的形式釋放出來，避免了厭氧消化過程中產生甲烷，從而更加有利于保護環境。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明的技術方案作進一步的描述。
實施例11、收集玉米收割后的秸稈，晾曬5天后，用粉碎機將秸稈粉碎為直徑小于5mm的顆粒。
2、從瘺管山羊取300ml瘤胃液迅速轉移到5升發酵罐內，加入玉米秸稈顆粒80g和3.7L礦物質緩沖液，通過調節緩沖液中氫氧化鈉的濃度維持發酵罐內pH為6.0-6.4，溫度32℃，攪拌速率為60轉/分鐘。秸稈粉的添加速率保持為30g/L/d，緩沖液在反應器內的停留時間逐漸從24小時下降到第6天的18小時并維持不變，秸稈顆粒在反應器內的停留時間為60小時。每天檢測產生氣體中成分的組成，當連續兩周氣體成分中只有氫氣和二氧化碳而檢測不到甲烷時，產甲烷菌被完全清除，瘤胃微生物馴化完成。
3、將馴化完成后的瘤胃微生物接種到厭氧消化反應器中，保持1.2L/分鐘速率充入氮氣20分鐘，驅除反應器內殘留的氧氣，保證反應器內的厭氧狀態。反應器總體積4.9L，其中反應區體積2.5升。玉米秸稈顆粒用緩沖液稀釋的濃度為23g/L，控制反應器的溫度為32℃，通過調節緩沖液中氫氧化鈉的濃度維持發酵罐內pH為6.0-6.4，緩沖液停留時間18小時，攪拌速率為60轉/分鐘。底料的添加速率從10g/L/d逐漸增加到7天后的30g/L/d。降解后的殘渣經出口排出，從開始的250mL/d逐漸增加到7天后的1000mL/d(相當于底物停留時間60小時)。達到平衡時，玉米秸稈顆粒的降解效率達到72％，短鏈有機酸的生產效率達到0.42g/g玉米秸稈。其中乙酸0.17g/g玉米秸稈，丙酸0.11g/g玉米秸稈，丁酸0.10g/g玉米秸稈，剩余的為乙醇、異丁酸、戊酸和異戊酸。氣體成分中氫氣含量達到32％，氫氣產量為70ml/g玉米秸稈。
實施例21、收集家庭生活垃圾，剔除其中包含的無機物，如石子、鐵屑等。涼曬5天后粉碎為小于6mm以下的顆粒。
2、從瘺管山羊取700ml瘤胃液迅速轉移到5升發酵罐內，加入粉碎的植物質有機垃圾80g和3.3L礦物質緩沖液，通過調節緩沖液中氫氧化鈉的濃度維持發酵罐內pH為6.3-6.7，溫度37℃，攪拌速率為90轉/分鐘。粉碎的植物質有機垃圾的添加速率保持為40g/L/d，緩沖液在反應器內的停留時間逐漸從24小時下降到第6天的12小時并維持不變，粉碎的植物質有機垃圾在反應器內的停留時間為60小時。每天檢測產生氣體中成分的組成，當連續兩周氣體成分中只有氫氣和二氧化碳而檢測不到甲烷時，產甲烷菌被完全清除，瘤胃微生物馴化完成。
3、將馴化完成后的瘤胃微生物接種到厭氧消化反應器中，保持2.0L/分鐘的速率充入氬氣15分鐘，驅除反應器內殘留的氧氣，保證反應器內的厭氧狀態。反應器總體積4.9L，其中反應區體積2.5升。植物質有機垃圾用緩沖液稀釋的濃度為15g/L，控制反應器的溫度為37℃，通過調節緩沖液中氫氧化鈉的濃度維持發酵罐內pH為6.3-6.7，緩沖液停留時間12小時，攪拌速率為90轉/分鐘。底料的添加速率從10g/L/d逐漸增加到7天后的30g/L/d。降解后的殘渣經出口排出，從開始的250mL/d逐漸增加到7天后的1000mL/d(相當于底物停留時間60小時)。達到平衡時，植物質垃圾的降解效率達到67％，短鏈有機酸的生產效率達到0.35g/g植物質有機垃圾，其中乙酸0.18g/g植物質有機垃圾，丙酸0.08g/g植物質有機垃圾，丁酸0.07g/g植物質有機垃圾，剩余的為異丁酸、戊酸、異戊酸和乙醇等。氣體成分中氫氣含量達到19％，氫氣產率為55ml/g植物質有機垃圾。
實施例31、從池塘中收割新鮮的蒲草，用打漿機破碎成長度小于8mm的漿狀物。
2、從瘺管山羊取1200ml瘤胃液迅速轉移到5升發酵罐內，加入漿狀的蒲草80g和2.8L礦物質緩沖液，通過調節緩沖液中氫氧化鈉的濃度維持發酵罐內pH為6.3-6.8，溫度41℃，攪拌速率為100轉/分鐘。漿狀蒲草的添加速率保持為20g/L/d，緩沖液在反應器內的停留時間逐漸從24小時下降到第6天的16小時并維持不變，蒲草在反應器內的停留時間為60小時。每天檢測產生氣體中成分的組成，當連續兩周氣體成分中只有氫氣和二氧化碳而檢測不到甲烷時，產甲烷菌被完全清除，瘤胃微生物馴化完成。
3、將馴化完成后的瘤胃微生物接種到厭氧消化反應器中，保持2.0L/分鐘速率充入氬氣20分鐘，驅除反應器內殘留的氧氣，保證反應器內的厭氧狀態。反應器總體積4.9L，其中反應區體積2.5升。蒲草用緩沖液稀釋的濃度為20g/L，控制反應器的溫度為41℃，通過調節緩沖液中氫氧化鈉的濃度維持發酵罐內pH為6.3-6.8，緩沖液停留時間16小時，攪拌速率為100轉/分鐘。底料的添加速率從10g/L/d逐漸增加到7天后的30g/L/d。降解后的殘渣經出口排出，從開始的250mL/d逐漸增加到7天后的1000mL/d(相當于底物停留時間60小時)。達到平衡時。蒲草的降解效率達到57％，短鏈有機酸的生產效率達到0.37g/g蒲草。其中乙酸0.18g/g蒲草，丙酸0.10g/g蒲草，丁酸0.07g/g蒲草，剩余的為乙醇、異丁酸、戊酸和異戊酸。氣體中氫氣含量為20％，氫氣產率50ml/g蒲草。
權利要求
1.一種利用瘤胃微生物來降解植物質廢棄物的方法，包括(1)將植物質廢棄物破碎或打漿成備用底料，(2)從反芻動物瘤胃內取出瘤胃微生物，并接種到盛有植物質廢棄物底料和礦物質緩沖液的厭氧消化反應器中，(3)啟動運行厭氧消化反應器，使植物質水解酸化，(4)收集產生的氣體、液相產物和固相產物；其特征在于，所述的從反芻動物瘤胃內取出瘤胃微生物，首先須接種到發酵罐中進行培養并馴化，其接種量為發酵罐反應體積的5-30％，該發酵罐中盛有植物質廢棄物底料和礦物質緩沖液，植物質底料的濃度為10-40g/L；馴化條件是植物質廢棄物底料的添加速率為20-40g/L/d，礦物質緩沖液在發酵罐內的停留時間為12-24小時，通過調節緩沖液中氫氧化鈉的濃度維持發酵罐內pH為6.0-7.0，溫度為30-43℃，攪拌速率50-100轉/分鐘，底料在發酵罐內的停留時間48-72小時，直到連續兩周在發酵罐所產氣體成分中只檢測到氫氣和二氧化碳而檢測不到甲烷時，再接種到盛有植物質廢棄物底料和礦物質緩沖液的厭氧消化反應器中進入常規操作程序。
全文摘要
本發明涉及植物質廢棄物處理及其資源化利用的生物技術。包括(1)將植物質廢棄物破碎或打漿成備用底料，(2)從反芻動物瘤胃內取出瘤胃微生物，并接種到盛有植物質廢棄物底料和礦物質緩沖液的厭氧消化反應器中，(3)啟動運行厭氧消化反應器，使植物質水解酸化，(4)收集產生的氣體、液相和固相產物。所述瘤胃微生物首先須接種到發酵罐中進行培養并馴化以去除其中的甲烷菌，直到連續兩周在所產氣體中檢測不到甲烷時，再接種到厭氧消化反應器中進入常規操作程序。本發明降解過程中釋放的氫離子均以氫氣形式釋放出來，不產生甲烷，有利保護環境。液相產物為短鏈有機酸，是制取氫氣的原料；固相產物中富含蛋白，經處理可成為有機肥。本發明產生了變廢為寶的效果。
文檔編號B09B3/00GK1772403SQ20041006568
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月9日 優先權日2004年11月9日
發明者俞漢青, 胡真虎 申請人:中國科學技術大學