一种含镉生物质厌氧发酵的方法与流程

本发明属于生物质厌氧发酵技术领域，具体涉及一种含镉生物质厌氧发酵的方法。

背景技术：

环境污染物，事实上是在不正确时间和地方放置不正确量的资源。在众多环境污染修复技术中，生态修复因其低成本和环境友好而被认为是一种切实可行的环境治理技术，尤其适用于发展中国家。生态修复技术在水体和土壤重金属污染修复领域的重要性日渐突出，然而修复过程产生的生物质材料的处理和处置是一个重要的问题，限制了生态修复技术的推广。利用这些重金属污染的植物进行厌氧发酵，一方面可以产出生物能源，另一方面又可以避免植物营养体分解造成的二次污染问题。

对于厌氧发酵过程，产甲烷过程是最富含金属的酶路径之一，产甲烷菌的活性可以被多种重金属促进，但是所有的产甲烷菌都需要钴、镍和铁，对于微量金属元素，例如镉对厌氧发酵过程微生物和酶的影响的研究和认识则非常少。镉已经被报道为全球向土壤中散布最广的金属，由于工业生产、农业灌溉以及其他的人类活动，大面积的土壤被重金属污染，不仅危害植物和微生物的生存和正常生长，通过食物链富集危害动物，同时这一现象已经危害到了生态系统的健康和人类自身。

有关含镉厌氧发酵过程的影响报道很少。zhang等人报道了含镉油菜、玉米、燕麦、小麦和甜高粱具有一定的生物能源能力(h.zhang,y.tian,l.wang,l.zhang,l.dai,ecophysiologicalcharacteristicsandbiogasproductionofcadmium-contaminatedcrops,bioresour.technol.146(2013)628–636.)；等人的研究结果表明，镉污染的玉米对厌氧发酵过程没有抑制作用(m.j.p.máchal,t.m.e.etal.,biogasproductionofphytoremediationplantscontaminatedwithcadmium,научнитрудовенарусенскияуниверситет.53(2014)174–174.)；镉可以激活海洋古菌乙酸甲烷八叠球菌属(methanosarcinaacetivorans)的产甲烷过程(e.lira-silva,m.g.santiago-martínez,v.hernández-juárez,r.garcía-contreras,r.moreno-sánchez,r.jasso-chávez,etal.,activationofmethanogenesisbycadmiuminthemarinearchaeonmethanosarcinaacetivorans.,plosone.7(2012)5225–5235.)。现有报道整体体现出含镉生物质厌氧发酵过程稳定性有待提高，产气量有待提高的问题。

截至目前，对含镉生物质厌氧发酵过程稳定性的调控以及提高产气量的技术尚未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种含镉生物质厌氧发酵的方法，具体技术方案为：

一种含镉生物质厌氧发酵的方法包括如下步骤：向包括含镉生物质的发酵体系中添加镍，然后进行厌氧发酵。

所述镍以镍盐形式添加。

所述发酵体系中镉与镍的质量比为(0.5～1.5):(1.5～2.5)，且镉的质量浓度不超过1.0mg/l；优选地，发酵体系中镉与镍的质量比为1:2。

所述发酵体系还包括畜禽粪便，其中含镉生物质与畜禽粪便的干物质质量比为(1～2):(1～2)，且混合原料碳氮比范围为20～30:1；优选地，含镉生物质与畜禽粪便的干物质质量比为1:1。

所述厌氧发酵的温度为54℃～56℃，发酵时间为15～28天。

所述方法还包括：发酵填料前，将发酵罐进行高温蒸汽灭菌。

所述方法还包括：发酵加料完成、排空发酵罐中空气后，立即封闭进料口，进行厌氧发酵。

所述的方法在镉污染生物质的资源化利用中的应用。

所述应用为制备沼气。

本发明的有益效果为：

(1)本发明针对重金属污染生物质的资源化利用率低的问题，为了克服含镉农作物秸秆产气效率低、产气过程不稳定的难题，在厌氧发酵开始前向包括含镉生物质的发酵体系中添加适量镍离子，调整镉和镍的质量比为(0.5～1.5):(1.5～2.5)，提高发酵液的ph值，避免过度酸化，达到提高发酵过程稳定性和产气量的目的。

(2)本发明将环境整治和生物能源产出结合在一起，技术简单快捷，成本低，运行维护方便，使用范围广，体现了污染控制生物学的理念，可应用于受重金属污染河流、库塘、湿地和土壤的生物质资源化中。

附图说明

图1为添加镍的含镉生物质厌氧发酵过程累积产气量。

图2为添加镍的含镉生物质厌氧发酵过程ph值。

图3为本发明厌氧发酵实验装置。

具体实施方式

以下实施例便于更好地理解本发明。

实施例1

如图3所示的厌氧发酵实验装置，采用自动搅拌不锈钢发酵系统，罐体总容积为30l，工作容积为20l，厌氧发酵具体步骤包括：

(1)发酵罐进行高温蒸汽灭菌：排空发酵罐保温层中的水分，连接蒸汽发生器，用蒸汽发生器提供蒸汽，加热保温层，调整蒸汽进入和排除速度，提高发酵罐内的温度到121℃，维持30min，之后关闭蒸汽发生器和进出口阀，完成灭菌。

(2)通过进料口向发酵罐中加入料液，料液的总固体浓度为8％(总固体浓度是发酵原料干重/(发酵原料干重+水重))，搅匀放置2h，使发酵液体系稳定。

其中，料液由发酵原料和去离子水按照总固体浓度8％比例添加好，然后加入镉(cdcl2·2^1/2h2o)得到，调整镉的质量浓度为1mg/l。

发酵原料选用玉米秸秆与牛粪混合。选取玉米根部以上部分，就地切至5-10cm长，运回实验室，在烘箱内70℃条件下烘干24h，将烘干的玉米秸秆用粉碎机磨碎，过0.5mm标准土壤筛。牛粪取自奶牛新鲜牛粪。玉米秸秆和牛粪的干物质质量比为1:1。

(3)向发酵罐中添加镍的质量浓度为2.0mg/l的镍盐，以氯盐形态添加入发酵体系(nicl2·6h2o)。

(4)加料完成后向发酵罐内充氮气(n2)5min，以驱逐发酵罐内的空气，后立即封闭进料口，厌氧发酵开始；发酵温度设定为55.0±1.0℃，发酵时间为28天。

(5)厌氧发酵性能表征：发酵过程中每天09:00记录当天的ph和产气量数据，用以表征厌氧发酵过程稳定性和产气量。

同时以不添加镍的厌氧发酵作为对照。

发酵过程累积产气量如图1，发酵过程ph值变化过程如图2。

经过发酵后，添加2.0mg/l镍后发酵体系的累积产气量为396.00ml/gts，高于同等条件下不添加镍的发酵体系产气量(180.20ml/gts)119.76％。添加2.0mg/l镍后发酵体系的平均ph值7.21，高于不含镍的发酵体系平均ph值0.52，添加镍后发酵体系的ph值更接近中性，属于产甲烷菌最适ph值范围(6.7-7.4)；且添加镍后发酵体系ph值变化幅度小，发酵体系更加稳定。

实施例2

一种含镉生物质厌氧发酵制备沼气的方法，包括如下步骤：

(1)发酵罐进行高温蒸汽灭菌，步骤同实施例1。

(2)向发酵罐中加入由发酵原料、去离子水和镍(以nicl2·6h2o加入)配制而成的料液，料液的总固体浓度为8％(总固体浓度是发酵原料干重/(发酵原料干重+水重))，搅匀放置2h，使发酵液体系稳定；所述发酵原料包括含镉生物质和牛粪，两者的干物质质量比为1:1；

(3)加料完成后向发酵罐内充氮气(n2)5min，以驱逐发酵罐内的空气，后立即封闭进料口，于55.0℃下进行厌氧发酵，收集产生的气体。