CN117660203A - 一种厌氧发酵促进剂及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种厌氧发酵促进剂，包含功能微生物、微量元素和载体，所述功能微生物包括黑曲霉CA‑5、威克汉姆酵母CYW‑7和双酶梭菌Z‑13，生物炭作为载体，微量元素包括Fe、Mg、Zn和Se。本发明的促进剂可用于农业有机废弃物、厨余垃圾和园林废弃物高浓度厌氧发酵产沼气，沼气产量提高36.9%以上。
Description
技术领域
本发明涉及高效资源化处理技术领域，具体涉及一种有机废弃物厌氧发酵促进剂及其制备与应用。
背景技术
据统计，我国有机固废年产量超过60亿吨，其中畜禽粪污年产量约为40亿吨、秸秆年产近10亿吨、园林绿化垃圾年产量约到1.9亿吨、城镇餐厨和厨余垃圾年产超过2亿吨、生活垃圾年产约2~3亿吨。大量有机固废的存在对生态环境形成了巨大的治理需求，而厌氧发酵技术是当前有机固废无害化、资源化、能源化处理的一种有效途径。
厌氧发酵分为干式发酵和湿式发酵，湿式发酵是指TS含量低于10%的厌氧发酵，干式发酵中TS含量在20~40%。我国沼气工程80%以上为湿式厌氧发酵工艺，普遍存在发酵原料单一、有机负荷低（一般含固率为6~8% TS）、转化效率低、工程效益较差等问题。据工程经验和理论计算，维持湿式发酵温度需要耗用***产能的30%左右，在北方寒冷地区冬季甚至会达到45%，大大限制了厌氧发酵技术的推广应用。实际上，由于各种原因，不少沼气工程处于闲置状态，没有走上健康可持续发展轨道。
沼气干式厌氧发酵、以及介于干式与湿式发酵之间的高浓度发酵***虽然有机负荷率高、处理量大、产物后处理简单且基本无废水排放等特点，正成为高含固有机废弃物处理的重点研究方向，但是其存在易酸化、启动慢、难搅拌、传质性差、运行不稳定等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效促进有机固废高浓度厌氧发酵效率和原料水解效率的厌氧发酵促进剂及其制备方法和应用。
本发明采用如下技术方案：
一种厌氧发酵促进剂，其包括功能微生物；所述功能微生物包括保藏编号为CGMCCNo.40271的黑曲霉CA-5、保藏编号为CGMCC No.28485的威克汉姆酵母CYW-7和保藏编号为CGMCC No.11561的双酶梭菌Z-13。
厌氧发酵促进剂中，黑曲霉CA-5的孢子含量为0.5×108~1×109CFU/g、酵母菌含量为0.5×108~1×109CFU/g、双酶梭菌芽孢含量为1×108~1×1010CFU/g。
厌氧发酵促进剂中，还包括微量元素和载体。
进一步的，所述载体为生物炭，具体包括但不限于其来源于木屑、秸秆、椰壳等。
进一步的，所述微量元素包括铁、镁、锌和硒。
厌氧发酵促进剂中，Fe2+含量为10~100 mg/g，Mg2+含量为10~50 mg/g，Zn2+含量为10~50 mg/g，二氧化硒含量为1~10 mg/g。
进一步的，所述厌氧发酵促进剂通过如下方法制备：分别收集黑曲霉CA-5、威克汉姆酵母CYW-7和双酶梭菌Z-13的孢子或菌体制成菌液；分别将Fe2+、Mg2+和Zn2+和二氧化硒配制成微量元素储备液；将载体、菌液和微量元素储备液混合均匀后烘干，粉碎或造粒。
其中，利用PDA固态培养基培养并收集黑曲霉CA-5孢子，培养方法参见中国专利CN115505536A。利用LB培养基培养双酶梭菌Z-13并收集其芽孢，培养方法参见中国专利CN105441356A。用YPD液体培养基培养酵母菌CYW-7，28℃ 180 rpm振荡培养48 h小时收集菌体。
其中，收集得到的黑曲霉CA-5、威克汉姆酵母CYW-7和双酶梭菌Z-13孢子或菌体后，用少量无菌水稀释，分别制得的各菌液中孢子或菌体浓度为（1.0~5.0）×1011CFU/mL。
其中，Fe2+以FeSO4·7H2O形式添加、Mg2+以MgCl2·6H2O形式添加，Zn2+以ZnCl2形式添加，硒以二氧化硒形式添加。各微量元素储备液的浓度为1~10 mol/L。
一种上述厌氧发酵促进剂在畜禽粪污、厨余垃圾和园林垃圾的单独或混合高浓度厌氧发酵中的应用。
所述应用中，所述高浓度厌氧发酵的有机负荷不小于10% TS。
在高浓度厌氧发酵中，厌氧发酵促进剂的投加量为厌氧发酵原料质量的0.5~1.5%。
高浓度厌氧发酵的条件为：以正常发酵沼气罐中的沼液为接种物，原料有机负荷TS为10%以上，接种量20~30%（v/v），发酵温度35±1℃，发酵时间30~50 d。在发酵启动后2~3d时投加上述促进剂0.5~1.5%。
本发明的有益效果在于：
本发明通过功能微生物和微量元素双重强化调控技术，研制高效厌氧发酵促进剂，与现有技术相比，克服了在中温（35±1℃），有机固废直接高浓度厌氧发酵，容易酸化使发酵***不能正常运行的问题，不仅可以保证厌氧发酵的正常运行，而且可以提高沼气产量36.9%以上。
本发明采用功能微生物和微量元素双重强化调控，利用具有产纤维素酶、蛋白酶等水解酶功能的微生物提高原料降解效率，投加微量元素改善甲烷菌生长环境，促进甲烷菌群增长，从微生物种群、生长环境上进行综合调控，显著提高厌氧发酵产气效率。
本发明采用生物炭作为载体，不仅为发酵***提供碳源，为微生物菌群提供可吸附载体，扩大表面积，提高***运行有机负荷，而且还可以有效缓解发酵***中高浓度挥发酸抑制，提高***运行效率。
本发明不仅可以解决大量有机固废再利用和环境污染问题，而且对工农业可持续发展、保护生态环境具有重要意义，经济、社会和生态效益巨大，应用前景广阔。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案进行详述，但不作为对本发明保护范围的限定。
实施例1 厌氧发酵促进剂的制备
（1）功能微生物培养
黑曲霉（Aspergillus niger）CA-5，其保藏编号为CGMCC No.40271，保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，地址为中国北京，保藏日期为2022年8月12日。
黑曲霉CA-5在PDA固体平板培养基生长至产孢，用无菌水从平板上将孢子洗下，统计孢子悬液中的孢子含量，调整孢子浓度为（1.0~5.0）×1011CFU/mL。
PDA培养基：马铃薯200 g、葡萄糖20 g、蒸馏水1000 mL，pH自然（固体培养基需加琼脂15~20 g）。
一种威克汉姆酵母（Wickerhamomycessp.）CYW-7，其保藏编号为CGMCC No.28485，保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，地址为中国北京，保藏日期为2023年9月19日。
酵母菌CYW-7采用YPD液体培养基，28℃ 180 rpm振荡培养48 h，检测并调整菌体浓度为（1.0~5.0）×1011CFU/mL。
YPD培养基：酵母浸膏10 g，蛋白胨20 g，葡萄糖20 g，蒸馏水1000 mL，pH自然（固体培养基需加琼脂 15~20 g）。
双酶梭菌（Clostridium bifermentans）Z-13，其保藏编号为CGMCC No.11561，保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，地址为中国北京，保藏日期为2015年10月30日。
双酶梭菌Z-13采用LB培养基，用厌氧瓶30℃振荡培养72 h，检测发酵液80%菌体形成芽孢，放置4℃备用。使用前8000 rpm/min离心15 min，分别收集菌体，用少量无菌水稀释，调整芽孢浓度为（1.0～5.0）×1011CFU/mL。
LB培养基：酵母提取物5.0 g，胰蛋白胨10.0 g，氯化钠10.0 g，水1000 mL，pH7.0~7.4（固体培养基需加琼脂15~20 g）。
（2）微量元素储备液配置：分别将FeSO4·7H2O、MgCl2·6H2O、ZnCl2和二氧化硒配制成浓度相对较高，如1~10 mol/L的储备液备用。
（3）分别取生物炭适量，用烘箱烘干、粉碎。均匀混入功能微生物，调整其最终成品中黑曲霉孢子含量为0.5×108~1×109CFU/g、酵母菌含量为0.5×108~1×109CFU/g、双酶梭菌芽孢含量为1×108~1×1010CFU/g。同时加入质量分数分别为Fe2+10~100 mg/g，Mg2+10~50mg/g，Zn2+10~50 mg/g，二氧化硒 1~10 mg/g。混合均匀后低温40~55℃烘干，粉碎，包装。
其中微生物培养、微量元素配置和生物炭处置方法相同，不同促进剂中各成分含量见表1。
表1 促进剂的组成
。
实施例2 牛粪厌氧发酵
采用250 mL厌氧瓶，以牛粪为原料，中温全混式厌氧发酵工艺，设2个处理。处理一：空白对照。处理二：添加质量分数为1.5%的本发明实施例1配方1的促进剂。有机负荷TS为12%，（TS又称干物质浓度，指将一定量的发酵料液放置在100~105℃烘箱内，烘干至恒重，烘干物质占总重的百分比），以正常发酵沼气池中的沼液为接种物，接种量20~30%（体积比），发酵温度：中温35±1℃，发酵时间30 d，每个处理作5个平行。结果见表2。
表2 沼气产气情况
。
由表2可知，以牛粪为原料进行厌氧发酵，投加本发明促进剂后，沼气产气量比对照提高了36.9%，平均甲烷含量为65.2%，显著高于对照，说明投加该促进剂，可以显著提高牛粪厌氧发酵产甲烷效率。
实施例3 玉米秸秆厌氧发酵
采用250 mL厌氧瓶，以玉米秸秆为原料，中温全混式厌氧发酵工艺，设2个处理。处理一：空白对照。处理二：添加质量分数为1.0%的本发明实施例1配方2制备的促进剂。有机负荷TS为13%，以正常发酵沼气池中的沼液为接种物，接种量20~30%（体积比），发酵温度：中温35±1℃，发酵时间50 d，每个处理作5个平行。结果见表3。
表3 沼气产气情况
。
由表3可知，以玉米秸秆为原料进行厌氧发酵，投加本发明促进剂后，沼气产气量比对照提高了45.4%，平均甲烷含量为63.5%，显著高于对照，说明投加该促进剂，可以显著提高玉米秸秆厌氧发酵产甲烷效率。
实施例4 厨余垃圾厌氧发酵
采用250 mL厌氧瓶，以厨余垃圾为原料，中温全混式厌氧发酵工艺，设8个处理。
处理一：空白对照。
处理二：添加质量分数为1%的生物炭。
处理三：添加后使发酵体系中黑曲霉CA-5 1.0×106CFU/mL。
处理四：添加后使发酵体系中双酶梭菌Z-13 1.0×107CFU/mL。
处理五：添加后使发酵体系中酵母菌CYW-7 1.0×106CFU/mL。
处理六：添加混合功能微生物，添加后使发酵体系中黑曲霉CA-5含量1.0×106CFU/mL、双酶梭菌Z-13含量1.0×107CFU/mL、酵母菌CYW-7含量1.0×106CFU/mL。
处理七：混合微量元素，添加后使发酵体系中Fe2+700 mg/L，Mg2+50 mg/L，Zn2+50mg/L，二氧化硒10 mg/L。
处理八：添加质量分数1%本发明的促进剂（制备方法如实施例1，添加后使发酵体系中黑曲霉CA-5含量1.0×106CFU/mL，酵母菌CYW-7含量1.0×106CFU/mL，双酶梭菌Z-13含量1.0×107CFU/mL，Fe2+700 mg/L，Mg2+50 mg/L，Zn2+50 mg/L，二氧化硒10 mg/L）。
有机负荷TS为13%，以正常发酵沼气池中的沼液为接种物，接种量20~30%（体积比），发酵温度：中温35±1℃，发酵时间30 d，每个处理作5个平行。
表4 沼气产气情况
。
结果见表4，在厨余垃圾厌氧发酵过程中，投加一定量的生物炭、黑曲霉CA-5、酵母菌CYW-7、双酶梭菌Z-13、混合功能微生物、微量元素或本发明促进剂，均能显著提高有机固废厌氧发酵效率。但投加本发明促进剂，无论甲烷含量还是沼气产气率均显著高于其他几个处理。该促进剂综合功能微生物和微量元素双重强化调控优势，并以生物炭为载体，不仅可以缓解原料高浓度厌氧发酵时由酸积累产生的抑制作用，而且为微生物菌群提供可吸附载体和产甲烷菌需要的辅酶因子等，显著提高***运行稳定性。
实施例5 牛粪+玉米秸秆半连续厌氧发酵
采用5 L厌氧反应器，牛粪与玉米秸秆（两者混合比例1∶1）为原料，全混式厌氧发酵工艺，有效容积4 L，发酵温度35±1℃，水力停留时间40 d，设2个处理，处理一为空白对照，处理二在有机负荷为11.0 kg TS/m3d时，开始每5 d投加一次本发明实施例1配方1制备的促进剂，投加量为5 g/次。每个处理作3个平行。
表5 不同处理沼气产气情况
。
结果见表5，在有机负荷为11 kg TS/m3d时，处理二投加促进剂后可以显著提高牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵产气效率41.7%以上，同时甲烷含量也显著提高，对实际工程应用提高原料处理效率和***稳定运行有重要意义。
实施例6~8
采用250 mL厌氧瓶，全混式厌氧发酵工艺，厨余垃圾+园林垃圾（两者比例为1∶1）为原料，发酵温度35±1℃，有机负荷TS为13%，以正常发酵沼气池中的沼液为接种物，接种量20~30%（体积比），发酵时间30 d，每个处理作5个平行。每个实施例设两个处理，处理一为空白对照，处理二投加本发明实施例1配方3制备的促进剂。结果见表6，投加不同浓度促进剂，均显著提高了厨余垃圾和园林垃圾混合厌氧发酵沼气产气效率和平均甲烷含量，沼气产率提高38.8%以上。
表6 实施例6~8产沼气情况
。
根据上述的实施例对本发明作了详细描述。需说明的是，以上的实施例仅仅为了举例说明发明而已。在不偏离本发明的精神和实质的前提下，本领域技术人员可以设计出本发明的多种替换方案和改进方案，其均应被理解为在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种厌氧发酵促进剂，其特征在于，其包括功能微生物；所述功能微生物包括保藏编号为CGMCC No.40271的黑曲霉CA-5、保藏编号为CGMCC No.28485的威克汉姆酵母CYW-7和保藏编号为CGMCC No.11561的双酶梭菌Z-13。
2.根据权利要求1所述的厌氧发酵促进剂，其特征在于，厌氧发酵促进剂中，黑曲霉CA-5的孢子含量为0.5×108~1×109 CFU/g、酵母菌含量为0.5×108~1×109 CFU/g、双酶梭菌芽孢含量为1×108~1×1010 CFU/g。
3.根据权利要求1所述的厌氧发酵促进剂，其特征在于，其还包括微量元素和载体。
4.根据权利要求3所述的厌氧发酵促进剂，其特征在于，所述微量元素包括铁、镁、锌和硒。
5.根据权利要求4所述的厌氧发酵促进剂，其特征在于，厌氧发酵促进剂中，Fe2+含量为10~100 mg/g，Mg2+含量为10~50 mg/g，Zn2+含量为10~50 mg/g，二氧化硒含量为1~10 mg/g。
6.根据权利要求3所述的厌氧发酵促进剂，其特征在于，所述载体为生物炭。
7.根据权利要求3所述的厌氧发酵促进剂，其特征在于，其通过如下方法制备：分别收集黑曲霉CA-5、威克汉姆酵母CYW-7和双酶梭菌Z-13的孢子或菌体制成菌液；分别将Fe2+、Mg2+和Zn2+和二氧化硒配制成微量元素储备液；将载体、菌液和微量元素储备液混合均匀后烘干，粉碎或造粒。
8.一种如权利要求1~7任一项所述的厌氧发酵促进剂在畜禽粪污、厨余垃圾和园林垃圾的单独或混合高浓度厌氧发酵中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述高浓度厌氧发酵的有机负荷不小于10% TS。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，在高浓度厌氧发酵中，厌氧发酵促进剂的投加量为厌氧发酵罐内料液总质量的0.5~1.5%。
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