一种提高厌氧产甲烷效率的方法与流程

本发明属于甲烷生物生产技术领域，具体涉及一种提高厌氧产甲烷效率的方法。

背景技术：

环境与能源一直是人类生存和发展的两大难题，随着化石能源的大量消耗以及由此引发的一系列环境问题，使得研究者将注意力转向厌氧产甲烷过程。在对生物资源的利用和废弃物的处理方面，厌氧产甲烷过程可以使得有机废水、畜禽废水、餐厨垃圾等得到充分利用与降解，最终产生可被利用的气体燃料，沼液和沼渣还是很好的有机肥料。在当前传统能源短缺、我国经济转型阶段，厌氧产甲烷技术具有巨大的发展潜力。

厌氧生物处理是一个多种群微生物协同作用的结果，从复杂有机物的水解酸化到产氢产乙酸过程，再到最终产物甲烷，涉及物质与能量的流动、氧化还原反应及物种间的电子传递过程。而其中互营菌与产甲烷菌之间的电子传递过程被认为是整个过程的关键环节，该过程若进行不畅，将会导致有机酸积累，导致发酵过程缓慢和产甲烷效率低下，严重时甚至导致整个反应系统不可逆的崩溃。因此，平衡好互营菌与产甲烷的相互作用关系是决定厌氧产甲烷过程高效稳定运行的核心。

最新的研究表明，互营菌和产甲烷菌能够通过种间直接电子传递的方式进行，该方式能够克服较早发现的种间h2传递和种间甲酸传递易受扩散速率限制和搅拌影响的缺陷，同时可以借助纳米导线/细胞色素等进行长程的电子传递。基于此，可以通过外源添加纳米材料行驶纳米导线/细胞色素的作用，从而介导种间直接电子传递过程，最终取得人为影响微生物厌氧产甲烷过程的效果。这将会改善目前厌氧产甲烷过程速率缓慢，厌氧发酵周期过长的弊端，从而实现厌氧消化的高效和快速运行。

综上所述，迫切需要开发一种通过影响种间电子传递过程，最终实现产甲烷效率提高的技术，无论是对于工业生产应用还是科学研究，都具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种提高厌氧产甲烷效率的方法。

本发明的技术方案如下：

一种提高厌氧产甲烷效率的方法，厌氧培养体系中在以碳原子数为2～5的短链脂肪酸作为电子供体、以纳米二氧化钛作为电子穿梭体，其中，上述短链脂肪酸在培养基中的终浓度为8～35mm，上述纳米二氧化钛为锐钛矿型且亲水的纳米二氧化钛，且其在培养基中的终浓度为4～6g/l。

在本方发明的一个优选实施方案中，所述短链脂肪酸为乙酸。

进一步优选的，所述短链脂肪酸在培养基中的浓度为25～35mm。

在本方发明的一个优选实施方案中，所述短链脂肪酸为丁酸。

进一步优选的，所述短链脂肪酸在培养基中的浓度为8～15mm。

在本方发明的一个优选实施方案中，所述纳米二氧化钛的粒径为80～120nm。

在本方发明的一个优选实施方案中，所述厌氧培养体系在33℃下避光静置培养。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过添加廉价的纳米二氧化钛，充分利用其所提供的微生物附着面和导电性，强化种间直接电子传递过程，相比种间h2传递和种间甲酸传递过程，效率更高；同时也节约了用于生长微生物纳米导线的碳元素，从而将更大比例的碳素流向甲烷，提高了底物经济性。

2、本发明可以加速厌氧产甲烷的反应进程，缩短反应周期，使短链脂肪酸被迅速降解，提高了厌氧产甲烷效率。

附图说明

图1为本发明实施例1中以乙酸为电子供体的厌氧反应中各组累计甲烷产量与时间的关系曲线；

图2为本发明实施例1中以乙酸为电子供体的厌氧反应中各组的最大产甲烷速率；

图3为本发明实施例2中以丁酸为电子供体的厌氧反应中各组累计甲烷产量与时间的关系曲线；

图4为本发明实施例2中以丁酸为电子供体的厌氧反应中各组的最大产甲烷速率。

具体实施方式

以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

实施例1

从市场购买100nm的锐钛矿型、亲水性纳米二氧化钛(粒径100nm)，称取6g，加入到100ml培养基中配制成60g/l溶液，超声2h后形成材料分散液，待用。选用红树林湿地沉积物为接种物，电子供体为乙酸。

将上述的5g红树林湿地沉积物，终浓度30mm的乙酸、55ml的培养基和5ml上述材料分散液加入到150ml厌氧血清瓶中(纳米二氧化钛终浓度为5g/l)，并用80％氮气和20％二氧化碳的混合气体进行曝气脱氧，密封后在ph＝7.2、30±2℃的条件下避光静置培养。

同时，以未添加纳米二氧化钛作为对照组，即加入5g红树林湿地沉积物，终浓度30mm的乙酸、60ml的培养基加入到150ml厌氧血清瓶中，其余同上(参见图1、图2)。

由图2所示，在以乙酸作为电子供体时，添加纳米二氧化钛实验组的产甲烷效率比空白提高了49.16％。

培养基配方是：

nh4cl0.53g/l，kh2po40.1g/l，mgcl2·6h2o4g/l，cacl2·2h2o1g/l，nahco32g/l，na2s·9h2o0.04g，微量元素水溶液1ml和维生素水溶液1ml。

微量元素水溶液中所含微量元素浓度为：fecl2·4h2o1.27g/l，mncl2·4h2o0.2g/l，na2moo4·2h2o0.02g/l，cocl20.13g/l，zncl20.14g/l，cucl2·2h2o0.001g/l，alcl30.01g/l，h3bo30.006g/l，nicl20.01g/l，na2seo30.002g/l和na2wo4·2h2o0.003g/l。

维生素水溶液中所含维生素浓度为：对氨基苯甲酸0.1g/l，维生素b20.1g/l，维生素b10.2g/l，烟酸0.2g/l，维生素b60.5g/l，泛酸0.1g/l，钴胺素0.1g/l，维生素h0.02g/l，叶酸0.05g/l，硫辛酸0.05g/l。

红树林湿地沉积物取自九龙江口红树林自然保护区。

实施例2

从市场购买100m的锐钛矿型、亲水性纳米二氧化钛(粒径100m)，称取6g，加入到100ml培养基中配制成60g/l溶液，超声2h后形成材料分散液，待用。选用红树林湿地沉积物为接种物，电子供体为丁酸。

将上述的5g红树林湿地沉积物，终浓度10mm的丁酸、55ml的培养基和5ml上述材料分散液加入到150ml厌氧血清瓶中(纳米二氧化钛终浓度为5g/l)，并用80％氮气和20％二氧化碳的混合气体进行曝气脱氧，密封后在ph＝7.2、30±2℃的条件下避光静置培养。培养基同实施例1。

同时，以未添加纳米二氧化钛作为对照组，即加入5g红树林湿地沉积物，终浓度10mm的丁酸、60ml的培养基加入到150ml厌氧血清瓶中，其余同上(参见图3、图4)。

由图4所示，在以丁酸作为电子供体时，添加纳米二氧化钛实验组的产甲烷效率比空白提高了48.64％。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。