一種利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源領(lǐng)域，涉及一種利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法。以短鏈脂肪酸作為電子供體，納米磁鐵礦作為電子載體，在厭氧發(fā)酵培養(yǎng)條件下，短鏈脂肪酸降解進(jìn)而使體系互營氧化產(chǎn)甲烷效率。采用本發(fā)明方法可顯著提高短鏈脂肪酸的能源利用效率。本發(fā)明對(duì)提高產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的運(yùn)行效率具有重要意義，同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說明】一種利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源領(lǐng)域，涉及一種利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]互營是不同微生物種屬間存在的一種密切相連的互惠合作行為，是產(chǎn)甲烷生態(tài)系統(tǒng)必需的組成部分。互營在厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷體系中有著非常重要的作用，短鏈脂肪酸(如丙酸、丁酸)轉(zhuǎn)化為甲烷需要互營細(xì)菌和甲烷菌之間的種間接力，它通過種間電子傳遞來實(shí)現(xiàn)。
[0003]在厭氧產(chǎn)甲烷體系中，互營關(guān)系主要存在于互營細(xì)菌和甲烷菌之間。一般認(rèn)為，在產(chǎn)甲烷過程中，產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌轉(zhuǎn)化大分子有機(jī)物(如碳水化合物和脂類)生成的短鏈脂肪酸(如丙酸和丁酸)，經(jīng)互營細(xì)菌降解成為甲烷菌的底物(乙酸、氫氣和co2)。然而，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，互營細(xì)菌氧化短鏈脂肪酸成為乙酸是吸熱反應(yīng)，在熱力學(xué)上不能自發(fā)進(jìn)行。它們需要與甲烷菌之間建立互營關(guān)系，才能完成從短鏈脂肪酸到甲烷的轉(zhuǎn)化。因此，氧化短鏈脂肪酸產(chǎn)乙酸的步驟是產(chǎn)甲烷過程中的限速步驟。
[0004]長期以來，研究人員一直認(rèn)為H2或甲酸可作為種間電子傳遞的載體完成短鏈脂肪酸降解產(chǎn)甲烷過程。然而，由于溶液中H2或甲酸的擴(kuò)散速率的限制以及發(fā)酵過程中攪拌的影響，互營菌群的空間距離很大程度上限制了有機(jī)物的高效和快速轉(zhuǎn)化。因此，這種形式的互營關(guān)系大大限制了沼氣發(fā)酵過程的速率，導(dǎo)致沼氣發(fā)酵周期過長，提高了沼氣工程的運(yùn)行成本。
[0005]綜上所述，迫切需要開發(fā)一種不以H2或甲酸為電子載體的產(chǎn)甲烷過程，對(duì)于突破有機(jī)物降解過程中熱力學(xué)障礙，保障厭氧消化反應(yīng)器高效和快速運(yùn)行，具有重要意義。`
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案為:
[0008]一種利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法，以短鏈脂肪酸作為電子供體，納米磁鐵礦作為電子載體，在厭氧發(fā)酵培養(yǎng)條件下，短鏈脂肪酸發(fā)生快速降解進(jìn)而提高體系互營氧化產(chǎn)甲烷效率。
[0009]進(jìn)一步說，以厭氧消化污泥或水稻土為接種物、短鏈脂肪酸為電子供體和納米磁鐵礦作為電子載體依次添加到培養(yǎng)基中，在pH=7.0和30-37°C的條件下，厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷。
[0010]所述培養(yǎng)基組成是:NaH2PO4.H201g/L、Na2HPO4.H2O0.55g/L、NaHC033g/L、CaCl2275mg/L、NH4Cl310mg/L、MgCl2330mg/L、KC1130mg/L、MnSO4.6H205mg/L、FeSO4.7H2010mg/L、CuSO4.5H200.lmg/L、CoCl2.5H201mg/L、NiS0428_42mg/L、ZnCl2lmg/L、H3BO30.lmg/L、Na2MoO40.25mg/L、NiCl2.6H200.24mg/L 和 EDTAlmg/L。
[0011]所述每升培養(yǎng)基中依次加入1-1Og的電子供體，l-4g磁鐵礦和10_20g的接種物。[0012]其中，電子供體為丙酸和/或丁酸(丙酸和丁酸可按任意比混合);磁鐵礦終濃度是l_4g/L，直徑為5-50nm ;接種物終濃度是10_20g/L。
[0013]本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn):
[0014]1.本發(fā)明利用納米磁鐵礦生產(chǎn)甲烷，顯著提高了短鏈脂肪酸的能源利用效率，對(duì)維持產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的穩(wěn)定和高速運(yùn)行并可顯著提高沼氣組分中甲烷含量，進(jìn)而提高了甲烷濃度。
[0015]2.采用本發(fā)明的方法使短鏈脂肪酸(如丙酸、丁酸)迅速降解，從而解決了厭氧發(fā)酵過程中丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸降解存在的熱力學(xué)限制這一瓶頸問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的添加磁鐵礦后的厭氧消化污泥產(chǎn)甲烷的表現(xiàn)圖。
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的厭氧消化污泥電流-電壓響應(yīng)分析圖。
[0018]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的添加磁鐵礦后的水稻土產(chǎn)甲烷的表現(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述。
[0020]實(shí)施例1
[0021]按照現(xiàn)有技術(shù)利用共沉淀法合成IOnm的磁鐵礦膠體溶液，待用。選用厭氧消化污泥為接種物，電子供體為丙酸和丁酸的混合物(質(zhì)量比，1:1)。
[0022]將上述終濃度2g/L的磁鐵礦、終濃度15g/L的厭氧消化污泥、丙酸和丁酸(各5g/L)和150mL培養(yǎng)基加入到用高純氮?dú)獯祾叱魠捬跗恐袣埩舻难鯕獾膮捬醴磻?yīng)器中，在pH=7.0、37 °C的密封條件下厭氧發(fā)酵。
[0023]同時(shí)，以未添加磁鐵礦作為對(duì)照組(參見圖1)。
[0024]由圖1所示，添加磁鐵礦導(dǎo)致系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量比未添加磁鐵礦組提高90%，甲烷生成速率提高1.9倍，富集的互營微生物菌群具有顯著的電化學(xué)活性(圖2)。
[0025]培養(yǎng)基配方是:
[0026]NaH2PO4.H201g/L、Na2HPO4.H2O0.55g/L、NaHC033g/L、CaCl2275mg/L、NH4C1310mg/L、MgCl2330mg/L、KC1130mg/L、MnSO4.6H205mg/L、FeSO4.7H2010mg/L、CuSO4.5H200.lmg/L、CoCl2.5H201mg/L、NiS0428_42mg/L、ZnCl2lmg/L、H3BO30.lmg/L、Na2MoO40.25mg/L、NiCl2.6H200.24mg/L 和 EDTAlmg/L。
[0027]厭氧消化污泥性質(zhì):pH、總固體(TS )和揮發(fā)性懸浮固體(VSS )分別是6.94、
3.63土 L 30g/L 和 11.75±0.79g/L。
[0028]實(shí)施例2
[0029]按照現(xiàn)有技術(shù)利用共沉淀法合成IOnm的磁鐵礦膠體溶液，待用。選用水稻土為接種物，電子供體為丙酸。
[0030]將上述 終濃度2g/L的磁鐵礦、終濃度10g/L的水稻土、丙酸(5g/L)和培養(yǎng)基(30mL)加入到用高純氮?dú)獯祾叱魠捬跗恐袣埩舻难鯕獾膮捬醴磻?yīng)器中，在pH=7.0、37°C的密封條件下厭氧發(fā)酵。
[0031]同時(shí)，以未添加磁鐵礦作為對(duì)照組(參見圖3)。[0032]由圖3所示，添加磁鐵礦導(dǎo)致系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量比未添加磁鐵礦組提高7倍，甲烷生成速率提高12倍。
[0033]水稻土性質(zhì):ρΗ6.3,有機(jī)質(zhì) 20.lg/kg。
[0034]實(shí)施例4
[0035]按照現(xiàn)有技術(shù)利用共沉淀法合成30nm的磁鐵礦膠體溶液，待用。選用水稻土為接種物，電子供體為丁酸。
[0036]將上述各物質(zhì)加入到培養(yǎng)基中，再轉(zhuǎn)入到到用高純氮?dú)獯祾叱魠捬跗恐袣埩舻难鯕獾膮捬醴磻?yīng)器中，每升培養(yǎng)基中依次加入Sg的丁酸，3g磁鐵礦和20g的水稻土。在反應(yīng)器中以pH=7.0、37°C的密 封條件下厭氧發(fā)酵。
【權(quán)利要求】
1.一種利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法，其特征在于:以短鏈脂肪酸作為電子供體，納米磁鐵礦作為電子載體，在厭氧發(fā)酵培養(yǎng)條件下，短鏈脂肪酸發(fā)生快速降解進(jìn)而提高體系互營氧化產(chǎn)甲烷效率。
2.按權(quán)利要求1所述的利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法，其特征在于:以厭氧消化污泥或水稻土為接種物、短鏈脂肪酸為電子供體和納米磁鐵礦作為電子載體依次添加到培養(yǎng)基中，在pH=7.0和30-37°C的條件下，厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷。
3.按權(quán)利要求2所述的利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法，其特征在于:所述培養(yǎng)基組成是=NaH2PO4.H201g/L、Na2HPO4.H2O0.55g/L、NaHC033g/L、CaCl2275mg/L、NH4C1310mg/L、MgCl2330mg/L、KC1130mg/L、MnSO4.6H205mg/L、FeSO4.7H2010mg/L、CuSO4.5H200.lmg/L、CoCl2.5H201mg/L、NiS0428_42mg/L、ZnCl2lmg/L、H3BO30.lmg/L、Na2MoO40.25mg/L、NiCl2.6H200.24mg/L 和 EDTAlmg/L。
4.按權(quán)利要求2所述的利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法，其特征在于: 所述電子供體是丙酸和/或丁酸等短鏈脂肪酸(l-10g/L)。
5.按權(quán)利要求2所述的利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法，其特征在于: 所述磁鐵礦終濃度是l_4g/L，直徑為5-50nm。
6.按權(quán)利要求2所述的利用納米磁鐵礦提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的方法，其特征在于: 所述接種物終濃度是1`0-20g/L。
【文檔編號(hào)】C12P5/02GK103773807SQ201310728818
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】郭榮波, 楊智滿, 王傳水, 許曉輝, 戴萌 申請人:中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所