本發(fā)明涉及農(nóng)牧業(yè)廢棄物處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種豬糞和稻稈協(xié)同高效厭氧消化的方法。
背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)廢棄物是指畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品加工、農(nóng)村居民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的有機(jī)物的總稱，主要分為纖維性廢棄物和畜禽糞便兩大類。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈有7.0億噸，而畜禽糞便則高達(dá)27.0億噸，這些廢棄物蘊(yùn)含著大量的生物質(zhì)能，其總能量可折合成7億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤。我國現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上農(nóng)業(yè)廢棄物年產(chǎn)出量最大的國家，然而大多數(shù)農(nóng)業(yè)廢棄物未被作為一種資源進(jìn)行合理的利用，隨意丟棄或排放到環(huán)境中，使大部分“資源”變成“污染源”，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了極大的影響。畜禽廢棄物中一些含氮化合物會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降，造成空氣污染，嚴(yán)重影響人體健康。同時(shí)糞便的堆積造成蚊蠅、病原菌和寄生蟲大量的繁殖，使環(huán)境中病原種類增多，加快了人畜傳染病和寄生蟲病的傳播蔓延，影響畜禽產(chǎn)品的質(zhì)量。農(nóng)作物秸稈則大多被堆放或者直接焚燒，造成大氣污染，引發(fā)火災(zāi)和交通事故，同時(shí)也會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成耕地質(zhì)量下降。隨著能源危機(jī)、糧食短缺、環(huán)境污染等問題越來越嚴(yán)重。如何使農(nóng)業(yè)廢棄物無害化、資源化已成為世界性亟待解決的關(guān)鍵問題。
近年來，世界各國越來越重視農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，對(duì)各種農(nóng)業(yè)廢棄物的利用技術(shù)進(jìn)行了大量的研究并取得了豐富的成果。其中，在纖維質(zhì)類廢棄物方面，主要利用技術(shù)有肥料化、飼料化和能源化等；養(yǎng)殖業(yè)畜禽糞便的資源化利用，主要集中在加工肥料、飼料和用作沼氣發(fā)酵原料等方面。在上述資源化技術(shù)中，將農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行厭氧沼氣發(fā)酵具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景，該技術(shù)的應(yīng)用在避免廢棄物造成污染的同時(shí)，還可以產(chǎn)生高品質(zhì)的生物質(zhì)能源-沼氣，目前已成為了農(nóng)業(yè)廢棄物資源化的一個(gè)重大研究方向。
纖維質(zhì)類農(nóng)業(yè)廢棄物包含大量的粗纖維素、木質(zhì)素、半纖維素和可溶性碳水化合物等成分，由于其中的纖維素、半纖維素與木質(zhì)素高度纏繞、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難被純培養(yǎng)微生物和酶分解。然而，纖維類物質(zhì)是農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化過程中水解階段的主要產(chǎn)物，它的不溶性和異質(zhì)性使其很難被降解，成為整個(gè)發(fā)酵過程的限速步驟。研究表明，通過預(yù)處理方式可以破壞纖維質(zhì)的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，降解得到易于消化的產(chǎn)物，從而提高厭氧消化效率和產(chǎn)氣量。常見的預(yù)處理方式主要有化學(xué)、機(jī)械、生物預(yù)處理等，Zhang(Biogasification of rice straw with an anaerobic-phased solids digester system.Bioresource Technology，1999)研究研磨和切碎對(duì)稻草厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過切碎和碾磨的秸稈產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣潛力明顯提高，在相同粒徑大小下(25mm)，研磨比切碎預(yù)處理稻桿的產(chǎn)氣量提高了12.5％。He(Physicochemical characterization of rice straw pretreated with sodium hydroxide in the solid state for enhancing biogas production.Energy and Fuel，2008)用6％的NaOH對(duì)稻桿進(jìn)行固相處理，其厭氧發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)氣量提高了27.3％～64.5％。這些預(yù)處理方式在纖維質(zhì)類農(nóng)業(yè)廢棄物的厭氧資源化方面起到了一定的效果，但是普遍存在能耗高、需額外的化學(xué)試劑、易產(chǎn)生抑制物，甚至造成二次化學(xué)污染等問題，限制了其大規(guī)模的開發(fā)應(yīng)用。
在畜禽養(yǎng)殖廢棄物的厭氧發(fā)酵過程中，由于畜禽糞便具有豐富的氮源、原料碳氮比過低、質(zhì)地致密等特點(diǎn)，單獨(dú)進(jìn)行厭氧消化時(shí)由于碳氮比過低，過量的氮會(huì)變成可溶性氮，導(dǎo)致料液“氨中毒”，抑制了其消化過程。許多研究者證實(shí)直接對(duì)豬糞進(jìn)行厭氧消化時(shí)，由于含有較高的固形物含量，特別是含有一些纖維質(zhì)成分，導(dǎo)致其沼氣產(chǎn)量非常低，針對(duì)糞便中纖維質(zhì)成分難以被消化降解的特點(diǎn)，Carrère(Improving pig manure conversion into biogas by thermal and thermo-chemical pretreatments.Bioresource Technology，2009)采取了加熱與化學(xué)預(yù)處理相結(jié)合的方式并取得了一定的成果。
畜禽糞便有機(jī)質(zhì)含量低、氮含量高、產(chǎn)氣速度快但含有厭氧發(fā)酵抑制因子，秸稈作物中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量多且不易降解、產(chǎn)氣速度慢但產(chǎn)氣周期長，針對(duì)這一特點(diǎn)，許多學(xué)者將這兩類廢棄物進(jìn)行混合發(fā)酵，該方式能夠平衡發(fā)酵的營養(yǎng)元素、提供較強(qiáng)的緩沖能力、減少氨對(duì)發(fā)酵的抑制，并取得了一定的成果。劉戰(zhàn)廣(糞草比對(duì)干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果的影響，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009年04期)發(fā)現(xiàn)用稻草和豬糞混合發(fā)酵產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時(shí)間較它們單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時(shí)間提前了11～15天，產(chǎn)氣峰值高出85～265mL；Abouelenien(Enhancement of methane production from co-digestion of chicken manure with agricultural waste.Bioresource Technology，2014)研究了雞糞和農(nóng)業(yè)廢棄物的混合發(fā)酵，結(jié)果表明混合發(fā)酵可以將其甲烷產(chǎn)量提高42％，而氨氮的積累可減少36％；Wu(Biogas and CH4productivity by co-digesting swine manure with three crop residues as an external carbon source.Bioresource Technology，2010)通過向豬糞中添加玉米桿、燕麥桿和稻桿，沼氣產(chǎn)量和CH4產(chǎn)量總體上較豬糞單獨(dú)發(fā)酵時(shí)分別提高了11倍和16倍。
雖然纖維質(zhì)類廢棄物與畜禽糞便混合厭氧發(fā)酵有利于平衡營養(yǎng)成分、降低抑制物濃度，可在一定程度上提高厭氧消化效率和沼氣產(chǎn)量。但是，由于廢棄物中的纖維質(zhì)成分具有復(fù)雜的剛性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其仍然難以直接在厭氧消化過程中被高效利用，造成了纖維質(zhì)資源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)也限制了農(nóng)業(yè)廢棄物的高效資源化轉(zhuǎn)化。為此，將纖維質(zhì)和糞便廢棄物的混合物在厭氧消化之前，采用合適的預(yù)處理方式進(jìn)行高效處置，打散纖維質(zhì)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高其厭氧消化效率和沼氣產(chǎn)量就顯得尤為必要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明目的在于提供一種豬糞和稻稈協(xié)同高效厭氧消化的方法，通過在豬糞和稻桿的混合物中添加特定的纖維素降解混菌進(jìn)行生物預(yù)處理，使豬糞和稻桿進(jìn)行協(xié)同降解后再進(jìn)行厭氧發(fā)酵，以提高豬糞和稻稈的協(xié)同厭氧消化效率和沼氣產(chǎn)量，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源的高效利用。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
第一方面，本發(fā)明提供了一種豬糞和稻稈協(xié)同高效厭氧消化的方法，包括如下步驟：S101：將稻稈、豬糞和水按照一定比例混合均勻，然后接種纖維素降解混菌，靜置培養(yǎng)；S102：在S101得到的產(chǎn)物中加入?yún)捬跷勰?，然后調(diào)節(jié)pH值至7.2～7.5，在密閉無氧條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵培養(yǎng)。需要說明的是，本發(fā)明采用的豬糞優(yōu)選為新鮮豬糞；采用的稻稈優(yōu)選為自然風(fēng)干且粉碎后的稻稈；本發(fā)明厭氧發(fā)酵培養(yǎng)的周期大約為30天，具體時(shí)間可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。
在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式中，S101中，纖維素降解混菌包括：類芽孢桿菌Paenibacillus thermophilus NCB和Clostridium clariflavum NC-1；其中，Paenibacillus thermophilus NCB在中國典型培養(yǎng)物保藏中心的保藏號(hào)為CCTCC NO:M2017076，Clostridium clariflavum NC-1在中國典型培養(yǎng)物保藏中心的保藏號(hào)為CCTCC NO:M2017075。
在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式中，S101中，纖維素降解混菌的接種量為5％～10％；其中，Paenibacillus thermophilus NCB的含量為(1～2)×106cfu/mL，Clostridium clariflavum NC-1的含量為(1～2)×106cfu/mL。
在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式中，S101中，稻稈和豬糞的碳氮比為(25～30):1；稻稈和豬糞的總質(zhì)量和水的質(zhì)量的比值為(9～11):100；靜置培養(yǎng)的溫度為50～55℃，靜置培養(yǎng)的時(shí)間為36～40h。
在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式中，S102中，厭氧污泥和S101得到的產(chǎn)物的體積比為3:1；厭氧發(fā)酵培養(yǎng)的溫度為34～36℃。
在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式中，S102中，厭氧污泥的揮發(fā)性固型物(VS)含量為5.4％，總固型物(TS)含量為10.4％，總懸浮物(TSS)為102.1g/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS)為52.1g/L，密度為1035g/L。
在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式中，S101中，纖維素降解混菌的活化過程包括如下步驟：S201：將Paenibacillus thermophilus NCB接種至第一培養(yǎng)基，在50～55℃靜置培養(yǎng)20h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillus thermophilus NCB菌種液；S202：將Clostridium clariflavum NC-1接種至第二培養(yǎng)基，在50～55℃無氧條件下培養(yǎng)48h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Clostridium clariflavum NC-1菌種液；S203：將Paenibacillus thermophilus NCB菌種液和Clostridium clariflavum NC-1菌種液以(0.8～1):1的體積比混合均勻，得到纖維素降解混菌；S204：將纖維素降解混菌按5％～10％的接種量接入第三培養(yǎng)基中，然后在50～55℃靜置培養(yǎng)。需要說明的是，S204中靜置培養(yǎng)的時(shí)間可以根據(jù)需要的菌種活性調(diào)節(jié)，一般培養(yǎng)36～48h即可。
在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式中，第一培養(yǎng)基的pH值為7.2，第一培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余為水；第二培養(yǎng)基的pH值為7.2，第二培養(yǎng)基的組成成分包括：濾紙2.0g/L、氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸鈣2.0g/L，其余為水；第三培養(yǎng)基的pH值為7.5，第三培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸鈣3.0g/L、濾紙4.0g/L和干豬糞6.0g/L，其余為水。需要說明的是，培養(yǎng)基中的濾紙優(yōu)選為濾紙條。
本發(fā)明提供一種類芽孢桿菌(Paenibacillus thermophilus NCB)，其在中國典型培養(yǎng)物保藏中心的保藏編號(hào)為CCTCC NO:M2017076。
本發(fā)明提供一種Clostridium clariflavum NC-1，其在中國典型培養(yǎng)物保藏中心的保藏編號(hào)為CCTCC NO:M2017075。
保藏說明：
1、菌種名稱：嗜熱類芽孢桿菌
拉丁名：Paenibacillus thermophilus
菌株編號(hào)：NCB
保藏機(jī)構(gòu)：中國典型培養(yǎng)物保藏中心
保藏機(jī)構(gòu)簡稱：CCTCC
地址：湖北省武漢市武昌區(qū)八一路299號(hào)武漢大學(xué)校內(nèi)
保藏日期：2017年2月28日
保藏中心登記入冊(cè)編號(hào)：CCTCC NO:M2017076
2、菌種拉丁名：Clostridium clariflavum
菌株編號(hào)：NC-1
保藏機(jī)構(gòu)：中國典型培養(yǎng)物保藏中心
保藏機(jī)構(gòu)簡稱：CCTCC
地址：湖北省武漢市武昌區(qū)八一路299號(hào)武漢大學(xué)校內(nèi)
保藏日期：2017年2月28日
保藏中心登記入冊(cè)編號(hào)：CCTCC NO:M2017075
本發(fā)明提供的技術(shù)方案，具有如下的有益效果：
(1)稻草中碳氮比高，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量多，且纖維素受木質(zhì)素包裹并形成了致密的剛性結(jié)構(gòu)，不易被微生物降解，直接進(jìn)行厭氧消化效率低下；同樣，豬糞則氮含量高，碳氮比低，直接進(jìn)行厭氧消化容易產(chǎn)生氨中毒現(xiàn)象，導(dǎo)致甲烷產(chǎn)率不高甚至是厭氧消化的失敗，本發(fā)明根據(jù)此特點(diǎn)將其進(jìn)行混合，在無需添加外來營養(yǎng)源的條件下，通過添加纖維素降解混菌對(duì)其預(yù)處理，充分打散廢棄物中的纖維質(zhì)的致密結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效的厭氧沼氣發(fā)酵，達(dá)到降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。
(2)利用纖維素降解混菌處理稻草和豬糞實(shí)際上是在進(jìn)行厭氧消化的水解產(chǎn)酸階段，在此階段，難以降解的木質(zhì)纖維素被混菌分泌出的酶降解成還原糖、有機(jī)酸等小分子物質(zhì)，從而透過細(xì)胞膜被細(xì)菌利用，為后續(xù)的產(chǎn)甲烷菌提供易于利用的前體物質(zhì)。并且，用混菌先進(jìn)行預(yù)處理實(shí)際上是將厭氧發(fā)酵的水解產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段分開，混菌和產(chǎn)甲烷菌都處于最佳的生長條件下，有利于提高混菌的預(yù)處理能力以及厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的穩(wěn)定性。
(3)本發(fā)明在前人研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的利用纖維素降解混菌先將稻草和豬糞混合液進(jìn)行預(yù)處理，破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，從而提高其發(fā)酵效率以及產(chǎn)甲烷能力，同時(shí)為后人進(jìn)行此類相關(guān)研究提供一定的參考依據(jù)。
本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，因此只是作為示例，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
下述實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法。下述實(shí)施例中所用的試驗(yàn)材料，如無特殊說明，均為自常規(guī)試劑商店購買得到的。以下實(shí)施例中的定量試驗(yàn)，均設(shè)置三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)為三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值或平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
本發(fā)明采用的豬糞來源于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生豬養(yǎng)殖場的新鮮豬糞；采用的稻稈來自于江西南昌周邊地區(qū)7月份收割后自然風(fēng)干的稻稈，在使用前采用粉碎機(jī)粉碎；采用的厭氧污泥采自江西省新余沼氣站的厭氧反應(yīng)器，其理化性質(zhì)包括：厭氧污泥的揮發(fā)性固型物(VS)含量為5.4％，總固型物(TS)含量為10.4％，總懸浮物(TSS)為102.1g/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS)為52.1g/L，密度為1035g/L。
本發(fā)明提供一種豬糞和稻稈協(xié)同厭氧消化的方法，包括如下步驟：
S201：將Paenibacillus thermophilus NCB(保藏號(hào)：CCTCC NO:M2017076)接種至第一培養(yǎng)基，在50～55℃靜置培養(yǎng)20h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillus thermophilus NCB菌種液；其中，第一培養(yǎng)基的pH值為7.2，第一培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余為水；
S202：將Clostridium clariflavum NC-1(保藏號(hào)：CCTCC NO:M2017075)接種至第二培養(yǎng)基，在50～55℃無氧條件下培養(yǎng)48h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Clostridium clariflavum NC-1菌種液；其中，第二培養(yǎng)基的pH值為7.2，第二培養(yǎng)基的組成成分包括：濾紙2.0g/L、氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸鈣2.0g/L，其余為水；
S203：將Paenibacillus thermophilus NCB菌種液和Clostridium clariflavum NC-1菌種液以(0.8～1):1的體積比混合均勻，得到纖維素降解混菌；
S204：將纖維素降解混菌按5％～10％的接種量接入第三培養(yǎng)基中，然后在50～55℃靜置培養(yǎng)，至Paenibacillus thermophilus NCB的含量為(1～2)×106cfu/mL，Clostridium clariflavum NC-1的含量為(1～2)×106cfu/mL；其中，第三培養(yǎng)基的pH值為7.5，第三培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸鈣3.0g/L、濾紙4.0g/L和干豬糞6.0g/L，其余為水；
S101：將稻稈、豬糞和水混合均勻，然后接種S204活化得到的纖維素降解混菌，接種量為5％～10％，在50～55℃靜置培養(yǎng)36～40h；其中，稻稈和豬糞的碳氮比為(25～30):1；稻稈和豬糞的總質(zhì)量和水的質(zhì)量的比值為(9～11):100；
S102：在S101得到的產(chǎn)物中加入?yún)捬跷勰?，然后調(diào)節(jié)pH值至7.2～7.5，在34～36℃的密閉無氧條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵培養(yǎng)；其中，厭氧污泥和S101得到的產(chǎn)物的體積比為3:1，厭氧污泥的揮發(fā)性固型物(VS)含量為5.4％，總固型物(TS)含量為10.4％，總懸浮物(TSS)為102.1g/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS)為52.1g/L，密度為1035g/L。
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的豬糞和稻稈協(xié)同厭氧消化的方法作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例一
本實(shí)施例提供一種豬糞和稻稈協(xié)同厭氧消化的方法，包括如下步驟：
S201：將Paenibacillus thermophilus NCB(保藏號(hào)：CCTCC NO:M2017076)接種至第一培養(yǎng)基，在55℃靜置培養(yǎng)20h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillus thermophilus NCB菌種液；其中，第一培養(yǎng)基的pH值為7.2，第一培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余為水；
S202：將Clostridium clariflavum NC-1(保藏號(hào)：CCTCC NO:M2017075)接種至第二培養(yǎng)基，在55℃無氧條件下培養(yǎng)48h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Clostridium clariflavum NC-1菌種液；其中，第二培養(yǎng)基的pH值為7.2，第二培養(yǎng)基的組成成分包括：濾紙2.0g/L、氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸鈣2.0g/L，其余為水；
S203：將Paenibacillus thermophilus NCB菌種液和Clostridium clariflavum NC-1菌種液以1:1的體積比混合均勻，得到纖維素降解混菌；
S204：將纖維素降解混菌按10％的接種量接入第三培養(yǎng)基中，然后在55℃靜置培養(yǎng)，至Paenibacillus thermophilus NCB的含量為(1～2)×106cfu/mL，Clostridium clariflavum NC-1的含量為(1～2)×106cfu/mL；其中，第三培養(yǎng)基的pH值為7.5，第三培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸鈣3.0g/L、濾紙4.0g/L和干豬糞6.0g/L，其余為水；
S101：將稻稈、豬糞和水混合均勻，然后接種S204活化得到的纖維素降解混菌，接種量為10％，在55℃靜置培養(yǎng)36h；其中，稻稈和豬糞的碳氮比為30:1；稻稈和豬糞的總質(zhì)量和水的質(zhì)量的比值為11:100；
S102：在S101得到的產(chǎn)物中加入?yún)捬跷勰?，然后調(diào)節(jié)pH值至7.2，在35℃的密閉無氧條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵培養(yǎng)；其中，厭氧污泥和S101得到的產(chǎn)物的體積比為3:1，厭氧污泥的揮發(fā)性固型物(VS)含量為5.4％，總固型物(TS)含量為10.4％，總懸浮物(TSS)為102.1g/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS)為52.1g/L，密度為1035g/L。
對(duì)照組一
為了更好的表征效果，設(shè)置對(duì)照組一：除了將S203得到的活化的纖維素降解混菌進(jìn)行滅活處理外，其他步驟和制備方法參數(shù)同實(shí)施例一。
實(shí)施例二
本實(shí)施例提供一種豬糞和稻稈協(xié)同厭氧消化的方法，包括如下步驟：
S201：將Paenibacillus thermophilus NCB(保藏號(hào)：CCTCC NO:M2017076) 接種至第一培養(yǎng)基，在50℃靜置培養(yǎng)20h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillus thermophilus NCB菌種液；其中，第一培養(yǎng)基的pH值為7.2，第一培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余為水；
S202：將Clostridium clariflavum NC-1(保藏號(hào)：CCTCC NO:M2017075)接種至第二培養(yǎng)基，在50℃無氧條件下培養(yǎng)48h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Clostridium clariflavum NC-1菌種液；其中，第二培養(yǎng)基的pH值為7.2，第二培養(yǎng)基的組成成分包括：濾紙2.0g/L、氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸鈣2.0g/L，其余為水；
S203：將Paenibacillus thermophilus NCB菌種液和Clostridium clariflavum NC-1菌種液以0.8:1的體積比混合均勻，得到纖維素降解混菌；
S204：將纖維素降解混菌按5％的接種量接入第三培養(yǎng)基中，然后在50℃靜置培養(yǎng)，至Paenibacillus thermophilus NCB的含量為(1～2)×106cfu/mL，Clostridium clariflavum NC-1的含量為(1～2)×106cfu/mL；其中，第三培養(yǎng)基的pH值為7.5，第三培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸鈣3.0g/L、濾紙4.0g/L和干豬糞6.0g/L，其余為水；
S101：將稻稈、豬糞和水混合均勻，然后接種S204活化得到的纖維素降解混菌，接種量為5％，在50℃靜置培養(yǎng)40h；其中，稻稈和豬糞的碳氮比為25:1；稻稈和豬糞的總質(zhì)量和水的質(zhì)量的比值為9:100；
S102：在S101得到的產(chǎn)物中加入?yún)捬跷勰?，然后調(diào)節(jié)pH值至7.2，在34℃的密閉無氧條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵培養(yǎng)；其中，厭氧污泥和S101得到的產(chǎn)物的體積比為3:1，厭氧污泥的揮發(fā)性固型物(VS)含量為5.4％，總固型物(TS)含量為10.4％，總懸浮物(TSS)為102.1g/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS)為52.1g/L，密度為1035g/L。
實(shí)施例三
本實(shí)施例提供一種豬糞和稻稈協(xié)同厭氧消化的方法，包括如下步驟：
S201：將Paenibacillus thermophilus NCB(保藏號(hào)：CCTCC NO:M2017076)接種至第一培養(yǎng)基，在52℃靜置培養(yǎng)20h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillus thermophilus NCB菌種液；其中，第一培養(yǎng)基的pH值為7.2，第一培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余為水；
S202：將Clostridium clariflavum NC-1(保藏號(hào)：CCTCC NO:M2017075)接種至第二培養(yǎng)基，在52℃無氧條件下培養(yǎng)48h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Clostridium clariflavum NC-1菌種液；其中，第二培養(yǎng)基的pH值為7.2，第二培養(yǎng)基的組成成分包括：濾紙2.0g/L、氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸鈣2.0g/L，其余為水；
S203：將Paenibacillus thermophilus NCB菌種液和Clostridium clariflavum NC-1菌種液以0.9:1的體積比混合均勻，得到纖維素降解混菌；
S204：將纖維素降解混菌按8％的接種量接入第三培養(yǎng)基中，然后在52℃靜置培養(yǎng)，至Paenibacillus thermophilus NCB的含量為(1～2)×106cfu/mL，Clostridium clariflavum NC-1的含量為(1～2)×106cfu/mL；其中，第三培養(yǎng)基的pH值為7.5，第三培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸鈣3.0g/L、濾紙4.0g/L和干豬糞6.0g/L，其余為水；
S101：將稻稈、豬糞和水混合均勻，然后接種S204活化得到的纖維素降解混菌，接種量為8％，在52℃靜置培養(yǎng)38h；其中，稻稈和豬糞的碳氮比為28:1；稻稈和豬糞的總質(zhì)量和水的質(zhì)量的比值為10:100；
S102：在S101得到的產(chǎn)物中加入?yún)捬跷勰?，然后調(diào)節(jié)pH值至7.2，在36℃的密閉無氧條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵培養(yǎng)；其中，厭氧污泥和S101得到的產(chǎn)物的體積比為3:1，厭氧污泥的揮發(fā)性固型物(VS)含量為5.4％，總固型物(TS)含量為10.4％，總懸浮物(TSS)為102.1g/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS)為52.1g/L，密度為1035g/L。
對(duì)比例一
本對(duì)比例提供一種豬糞和稻稈協(xié)同厭氧消化的方法，包括如下步驟：
S201：將Paenibacillus thermophilus NCB(保藏號(hào)：CCTCC NO:M2017076)接種至第一培養(yǎng)基，在55℃靜置培養(yǎng)20h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Paenibacillus thermophilus NCB菌種液；其中，第一培養(yǎng)基的pH值為7.2，第一培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L和酵母膏1.0g/L，其余為水；
S204：將Paenibacillus thermophilus NCB菌種液按10％的接種量接入第三培養(yǎng)基中，然后在55℃靜置培養(yǎng)，至Paenibacillus thermophilus NCB的含量為(2～4)×106cfu/mL；其中，第三培養(yǎng)基的pH值為7.5，第三培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸鈣3.0g/L、濾紙4.0g/L和干豬糞6.0g/L，其余為水；
S101：將稻稈、豬糞和水混合均勻，然后接種S204活化得到的Paenibacillus thermophilus NCB菌種液，接種量為10％，在55℃靜置培養(yǎng)36h；其中，稻稈和豬糞的碳氮比為30:1；稻稈和豬糞的總質(zhì)量和水的質(zhì)量的比值為11:100；
S102：在S101得到的產(chǎn)物中加入?yún)捬跷勰?，然后調(diào)節(jié)pH值至7.2，在35℃的密閉無氧條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵培養(yǎng)；其中，厭氧污泥和S101得到的產(chǎn)物的體積比為3:1，厭氧污泥的揮發(fā)性固型物(VS)含量為5.4％，總固型物(TS)含量為10.4％，總懸浮物(TSS)為102.1g/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS)為52.1g/L，密度為1035g/L。
對(duì)比例二
本對(duì)比例提供一種豬糞和稻稈協(xié)同厭氧消化的方法，包括如下步驟：
S202：將Clostridium clariflavum NC-1(保藏號(hào)：CCTCC NO:M2017075)接種至第二培養(yǎng)基，在55℃無氧條件下培養(yǎng)48h，得到菌種含量為(1～2)×106cfu/mL的Clostridium clariflavum NC-1菌種液；其中，第二培養(yǎng)基的pH值為7.2，第二培養(yǎng)基的組成成分包括：濾紙2.0g/L、氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L和碳酸鈣2.0g/L，其余為水；
S204：將Clostridium clariflavum NC-1菌種液按10％的接種量接入第三培養(yǎng)基中，然后在55℃靜置培養(yǎng)，至Clostridium clariflavum NC-1的含量為(2～4)×106cfu/mL；其中，第三培養(yǎng)基的pH值為7.5，第三培養(yǎng)基的組成成分包括：氯化鈉5.0g/L、蛋白胨5.0g/L、酵母膏1.0g/L、碳酸鈣3.0g/L、濾紙4.0g/L和干豬糞6.0g/L，其余為水；
S101：將稻稈、豬糞和水混合均勻，然后接種S204活化得到的Clostridium clariflavum NC-1菌種液，接種量為10％，在55℃靜置培養(yǎng)36h；其中，稻稈和豬糞的碳氮比為30:1；稻稈和豬糞的總質(zhì)量和水的質(zhì)量的比值為11:100；
S102：在S101得到的產(chǎn)物中加入?yún)捬跷勰?，然后調(diào)節(jié)pH值至7.2，在35℃的密閉無氧條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵培養(yǎng)；其中，厭氧污泥和S101得到的產(chǎn)物的體積比為3:1，厭氧污泥的揮發(fā)性固型物(VS)含量為5.4％，總固型物(TS)含量為10.4％，總懸浮物(TSS)為102.1g/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS)為52.1g/L，密度為1035g/L。
效果測定：為了測定甲烷產(chǎn)量及產(chǎn)甲烷速率，在實(shí)施例一至實(shí)施例三、對(duì)照組一、對(duì)比例一、對(duì)比例二中，在S102的厭氧發(fā)酵培養(yǎng)過程中，每隔12h手動(dòng)搖晃一次，每次控制1min，保證反應(yīng)物的充分混合；本次測定中，厭氧發(fā)酵時(shí)間為30天。并且，分別將厭氧反應(yīng)裝置和甲烷收集瓶通過乳膠管連接，通過排2mol/L的NaOH水溶液的量來記錄甲烷的產(chǎn)量，直至厭氧發(fā)酵結(jié)束。在實(shí)驗(yàn)前后，還進(jìn)行了其他性能參數(shù)的測定，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1和表2所示。
表1生物預(yù)處理液及厭氧消化液的相關(guān)參數(shù)對(duì)比
表2甲烷產(chǎn)量及產(chǎn)甲烷速率測定
需要說明的是，除了上述實(shí)施例一至實(shí)施例三列舉的情況，選用其他制備方法參數(shù)也是可行的。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案，具有如下的有益效果：
(1)稻草中碳氮比高，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量多，且纖維素受木質(zhì)素包裹并形成了致密的剛性結(jié)構(gòu)，不易被微生物降解，直接進(jìn)行厭氧消化效率低下；同樣，豬糞則氮含量高，碳氮比低，直接進(jìn)行厭氧消化容易產(chǎn)生氨中毒現(xiàn)象，導(dǎo)致甲烷產(chǎn)率不高甚至是厭氧消化的失敗，本發(fā)明根據(jù)此特點(diǎn)將其進(jìn)行混合，在無需添加外來營養(yǎng)源的條件下，添加特定的纖維素降解混菌對(duì)其預(yù)處理，充分打散廢棄物中的纖維質(zhì)的致密結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效的厭氧沼氣發(fā)酵，達(dá)到降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。
(2)利用纖維素降解混菌處理稻草和豬糞實(shí)際上是在進(jìn)行厭氧消化的水解產(chǎn)酸階段，在此階段，難以降解的木質(zhì)纖維素被混菌分泌出的酶降解成還原糖、有機(jī)酸等小分子物質(zhì)，從而透過細(xì)胞膜被細(xì)菌利用，為后續(xù)的產(chǎn)甲烷菌提供易于利用的前體物質(zhì)。并且，用混菌先進(jìn)行預(yù)處理實(shí)際上是將厭氧發(fā)酵的水解產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段分開，混菌和產(chǎn)甲烷菌都處于最佳的生長條件下，有利于提高混菌的預(yù)處理能力以及厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的穩(wěn)定性。
(3)本發(fā)明在前人研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的利用纖維素降解混菌先將稻草和豬糞混合液進(jìn)行預(yù)處理，破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，從而提高其發(fā)酵效率以及產(chǎn)甲烷能力，同時(shí)為后人進(jìn)行此類相關(guān)研究提供一定的參考依據(jù)。
需要注意的是，除非另有說明，本申請(qǐng)使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的通常意義。除非另外具體說明，否則在這些實(shí)施例中闡述的部件和步驟的相對(duì)步驟、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值并不限制本發(fā)明的范圍。在這里示出和描述的所有示例中，除非另有規(guī)定，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制，因此，示例性實(shí)施例的其他示例可以具有不同的值。
在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)以上，除非另有明確具體的限定。最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)中。