一种利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法
【专利摘要】本发明属于生物质能源领域，涉及一种利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法。以短链脂肪酸作为电子供体，纳米磁铁矿作为电子载体，在厌氧发酵培养条件下，短链脂肪酸降解进而使体系互营氧化产甲烷效率。采用本发明方法可显著提高短链脂肪酸的能源利用效率。本发明对提高产甲烷反应器的运行效率具有重要意义，同时具有良好的经济效益。
【专利说明】一种利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物质能源领域，涉及一种利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法。
【背景技术】
[0002]互营是不同微生物种属间存在的一种密切相连的互惠合作行为，是产甲烷生态系统必需的组成部分。互营在厌氧发酵产甲烷体系中有着非常重要的作用，短链脂肪酸(如丙酸、丁酸)转化为甲烷需要互营细菌和甲烷菌之间的种间接力，它通过种间电子传递来实现。
[0003]在厌氧产甲烷体系中，互营关系主要存在于互营细菌和甲烷菌之间。一般认为，在产甲烷过程中，产酸发酵细菌转化大分子有机物(如碳水化合物和脂类)生成的短链脂肪酸(如丙酸和丁酸)，经互营细菌降解成为甲烷菌的底物(乙酸、氢气和co2)。然而，在标准状态下，互营细菌氧化短链脂肪酸成为乙酸是吸热反应，在热力学上不能自发进行。它们需要与甲烷菌之间建立互营关系，才能完成从短链脂肪酸到甲烷的转化。因此，氧化短链脂肪酸产乙酸的步骤是产甲烷过程中的限速步骤。
[0004]长期以来，研究人员一直认为H2或甲酸可作为种间电子传递的载体完成短链脂肪酸降解产甲烷过程。然而，由于溶液中H2或甲酸的扩散速率的限制以及发酵过程中搅拌的影响，互营菌群的空间距离很大程度上限制了有机物的高效和快速转化。因此，这种形式的互营关系大大限制了沼气发酵过程的速率，导致沼气发酵周期过长，提高了沼气工程的运行成本。
[0005]综上所述，迫切需要开发一种不以H2或甲酸为电子载体的产甲烷过程，对于突破有机物降解过程中热力学障碍，保障厌氧消化反应器高效和快速运行，具有重要意义。`
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法。
[0007]为实现上述目的，本发明采用技术方案为:
[0008]一种利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法，以短链脂肪酸作为电子供体，纳米磁铁矿作为电子载体，在厌氧发酵培养条件下，短链脂肪酸发生快速降解进而提高体系互营氧化产甲烷效率。
[0009]进一步说，以厌氧消化污泥或水稻土为接种物、短链脂肪酸为电子供体和纳米磁铁矿作为电子载体依次添加到培养基中，在pH=7.0和30-37°C的条件下，厌氧发酵产甲烷。
[0010]所述培养基组成是: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]所述每升培养基中依次加入1-1Og的电子供体，l-4g磁铁矿和10_20g的接种物。[0012]其中，电子供体为丙酸和/或丁酸(丙酸和丁酸可按任意比混合);磁铁矿终浓度是l_4g/L，直径为5-50nm ;接种物终浓度是10_20g/L。
[0013]本发明所具有的优点:
[0014]1.本发明利用纳米磁铁矿生产甲烷，显著提高了短链脂肪酸的能源利用效率，对维持产甲烷反应器的稳定和高速运行并可显著提高沼气组分中甲烷含量，进而提高了甲烷浓度。
[0015]2.采用本发明的方法使短链脂肪酸(如丙酸、丁酸)迅速降解，从而解决了厌氧发酵过程中丙酸、丁酸等短链脂肪酸降解存在的热力学限制这一瓶颈问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明实施例提供的添加磁铁矿后的厌氧消化污泥产甲烷的表现图。
[0017]图2为本发明实施例提供的厌氧消化污泥电流-电压响应分析图。
[0018]图3为本发明实施例提供的添加磁铁矿后的水稻土产甲烷的表现图。
【具体实施方式】
[0019]以下实施例是对本发明的详细描述。
[0020]实施例1
[0021]按照现有技术利用共沉淀法合成IOnm的磁铁矿胶体溶液，待用。选用厌氧消化污泥为接种物，电子供体为丙酸和丁酸的混合物(质量比，1:1)。
[0022]将上述终浓度2g/L的磁铁矿、终浓度15g/L的厌氧消化污泥、丙酸和丁酸(各5g/L)和150mL培养基加入到用高纯氮气吹扫除掉厌氧瓶中残留的氧气的厌氧反应器中，在pH=7.0、37 °C的密封条件下厌氧发酵。
[0023]同时，以未添加磁铁矿作为对照组(参见图1)。
[0024]由图1所示，添加磁铁矿导致系统甲烷产量比未添加磁铁矿组提高90%，甲烷生成速率提高1.9倍，富集的互营微生物菌群具有显著的电化学活性(图2)。
[0025]培养基配方是:
[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]厌氧消化污泥性质:pH、总固体(TS )和挥发性悬浮固体(VSS )分别是6.94、
3.63土 L 30g/L 和 11.75±0.79g/L。
[0028]实施例2
[0029]按照现有技术利用共沉淀法合成IOnm的磁铁矿胶体溶液，待用。选用水稻土为接种物，电子供体为丙酸。
[0030]将上述 终浓度2g/L的磁铁矿、终浓度10g/L的水稻土、丙酸(5g/L)和培养基(30mL)加入到用高纯氮气吹扫除掉厌氧瓶中残留的氧气的厌氧反应器中，在pH=7.0、37°C的密封条件下厌氧发酵。
[0031]同时，以未添加磁铁矿作为对照组(参见图3)。[0032]由图3所示，添加磁铁矿导致系统甲烷产量比未添加磁铁矿组提高7倍，甲烷生成速率提高12倍。
[0033]水稻土性质:ρΗ6.3,有机质 20.lg/kg。
[0034]实施例4
[0035]按照现有技术利用共沉淀法合成30nm的磁铁矿胶体溶液，待用。选用水稻土为接种物，电子供体为丁酸。
[0036]将上述各物质加入到培养基中，再转入到到用高纯氮气吹扫除掉厌氧瓶中残留的氧气的厌氧反应器中，每升培养基中依次加入Sg的丁酸，3g磁铁矿和20g的水稻土。在反应器中以pH=7.0、37°C的密 封条件下厌氧发酵。
【权利要求】
1.一种利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法，其特征在于:以短链脂肪酸作为电子供体，纳米磁铁矿作为电子载体，在厌氧发酵培养条件下，短链脂肪酸发生快速降解进而提高体系互营氧化产甲烷效率。
2.按权利要求1所述的利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法，其特征在于:以厌氧消化污泥或水稻土为接种物、短链脂肪酸为电子供体和纳米磁铁矿作为电子载体依次添加到培养基中，在pH=7.0和30-37°C的条件下，厌氧发酵产甲烷。
3.按权利要求2所述的利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法，其特征在于:所述培养基组成是=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.按权利要求2所述的利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法，其特征在于: 所述电子供体是丙酸和/或丁酸等短链脂肪酸(l-10g/L)。
5.按权利要求2所述的利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法，其特征在于: 所述磁铁矿终浓度是l_4g/L，直径为5-50nm。
6.按权利要求2所述的利用纳米磁铁矿提高厌氧产甲烷效率的方法，其特征在于: 所述接种物终浓度是1`0-20g/L。
【文档编号】C12P5/02GK103773807SQ201310728818
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】郭荣波, 杨智满, 王传水, 许晓辉, 戴萌 申请人:中国科学院青岛生物能源与过程研究所