本發(fā)明涉及植物次生代謝產物在促進生物質厭氧消化提高產甲烷效率方面的新用途，屬于生物質資源化利用領域。
背景技術：
生物質包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動物及其生產的廢棄物，主要是指農林廢棄物、能源植物、畜禽廢棄物等。我國生物質資源十分豐富，如能對其進行高效開發(fā)利用，對解決我國能源、生態(tài)和環(huán)境問題具有重要作用。厭氧發(fā)酵技術是生物質資源實現(xiàn)高效開發(fā)利用的重要途徑之一，生物質厭氧發(fā)酵是指利用厭氧微生物的同化作用，在適宜的條件下將生物質原料經過特定的代謝途徑轉化為人類所需產物的過程，其中生物質厭氧發(fā)酵產沼氣過程主要包括水解、酸化、產甲烷等階段。
國內外針對生物質資源的厭氧發(fā)酵進行了大量的研究，主要包括發(fā)酵原料、發(fā)酵方法與工藝以及發(fā)酵裝置等方面。其中通過向發(fā)酵液中添加不同的催化劑(是指促進有機物分解，并能提高產氣率的各種物質的統(tǒng)稱)，創(chuàng)造滿足微生物生長和發(fā)酵的條件，是該領域的研究熱點之一。目前發(fā)現(xiàn)的厭氧發(fā)酵催化劑主要包括各種微生物(水解菌、產酸菌、產甲烷菌等)、酶類(纖維素酶、半纖維素酶、蛋白酶等)、營養(yǎng)物質(氮、磷、鉀、鈣等)、螯合劑(伊紅美藍、絲氨酸-鈷配合物等)、微量元素(鐵、鈷、鎳、硒等)、吸附劑(活性炭、皂土、果膠、鋁粉等)以及各種抑制劑(重金屬離子、酸類、氰化物、硫酸鹽)等。如xi等將亞鐵血紅素添加到活性污泥中，并以麥稈為底物進行厭氧發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)亞鐵血紅素能夠顯著提高其產氣量。公開號為cn106929540a的中國公開了一種提高厭氧發(fā)酵產甲烷效率及沼氣中甲烷含量的方法，其技術方案主要為：一種提高厭氧發(fā)酵產甲烷效率及沼氣中甲烷含量的方法，利用向固體廢棄物發(fā)酵原料中加入cao2，形成微好氧的環(huán)境,進而固定一部分co2從而提高厭氧發(fā)酵產甲烷效率及沼氣中甲烷含量。具體是：將固體濃度可在4-20％之間的有機廢棄物原料與cao2混合，使加入的cao2與體系內水緩慢反應產生氧氣形成微好氧的環(huán)境，進一步水解進而提高體系沼氣中甲烷含量并提高穩(wěn)定性；其中，cao2用量為0.032-0.064g/gvs底物。所述cao2為直徑1mm左右的顆粒物。所述厭氧發(fā)酵過程中原料為農作物秸稈廢棄物、糞便或餐廚垃圾。因此，尋找安全、高效的催化劑是推動生物質厭氧發(fā)酵技術應用的重要途徑之一。
植物次生代謝產物是植物對環(huán)境的一種適應，是在長期進化過程中植物與生物和非生物因素相互作用的結果，在對環(huán)境脅迫的適應、植物與植物之間的相互競爭和協(xié)同進化、植物對昆蟲的危害、草食性動物的采食及病原微生物的侵襲等過程的防御中起著重要作用。植物次生代謝產物種類豐富、來源多樣，根據其基本結構特點主要分為萜類、酚類和含氮化合物三大類，是天然藥物和工業(yè)原料的重要來源，目前被廣泛應用于藥物、香料、化妝品、燃料和食品等領域，但尚未見其在厭氧發(fā)酵領域中的應用。
技術實現(xiàn)要素：
針對目前在沼氣發(fā)酵過程中，沼氣池中微生物轉化速度越快直接影響沼氣產生速度快慢，沼氣質量好壞與甲烷含量直接相關，因此主要指標是沼氣產生速度和甲烷產生量。若沼氣中甲烷含量越高，說明沼氣池的轉化效率越高。本發(fā)明的目的是提供一種運用植物次生代謝產物促進生物質有機物分解，提高其厭氧發(fā)酵產甲烷含量的方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：
植物次生代謝產物在生物質厭氧發(fā)酵中的應用，通過向生物質厭氧發(fā)酵原料中加入植物次生代謝產物，促進微生物的活動，從而提高生物質資源厭氧發(fā)酵產甲烷的含量。
具體是：在總固體(totalsolid，ts)含量4-45％之間的厭氧發(fā)酵原料中加入植物次生代謝產物，混勻，從而使加入的植物次生代謝產物能夠促進厭氧發(fā)酵體系中相關微生物的活動，從而提高厭氧發(fā)酵體系中所產沼氣的含量；其中，植物次生代謝產物的用量為0.0001-0.02g/gvs物料。
所述厭氧發(fā)酵原料為秸稈、玉米桿、木屑等農林廢棄物；各種樹皮、果皮；芒草、桉木等能源植物、畜禽廢棄物、餐廚垃圾或其它固體廢棄物等中的一種或者多種。
所述發(fā)酵體系中還可以添加其他催化劑，其他催化劑包括微生物、酶類、營養(yǎng)物質、螯合劑、微量元素、吸附劑、抑制劑以及其他具有催化作用的物質等中的一種或者幾種。
所述植物次生代謝產物包括芍藥甙、銀杏黃酮、茶多酚、薯蕷皂甙、葛根黃酮、檸檬醛、樟腦等在內的各類植物次生代謝產物中的一種或幾種。
所述各種植物次生代謝產物用于促進多種農業(yè)廢棄物厭氧共消化產甲烷性能的方法,具體包括以下步驟:
⑴物料預處理方式:厭氧發(fā)酵原料取回后自然風干，破碎至1cm左右的小段，置于陰涼干燥處備用；豬糞為人工干清糞，取回后置于4℃冰箱中冷藏備用；厭氧活性污泥取自cstr反應器，取回后調節(jié)含水率，儲存于密封的容器中并通入氮氣，使之與大氣中的氧氣隔絕，并使容器中的溫度保持在15-25℃；在隔離空氣的條件下向容器內加入營養(yǎng)物，其每天的營養(yǎng)物加入量為容器內污泥容積的0.5-1.5％，并隨時導出容器內的氣體；
⑵植物次生代謝產物添加方式：將不同濃度的植物次生代謝產物與物料一并投入厭氧活性污泥中,使物料中每克揮發(fā)性固體所含植物次生代謝產物的量為0.0001-0.02g/gvs物料。
⑶厭氧消化進料要求：利用全自動甲烷潛能測試裝置ampts進行中溫批式厭氧消化反應。按照厭氧活性污泥與物料的揮發(fā)性固體比例為2:1，豬糞與厭氧發(fā)酵原料的揮發(fā)性固體比為1:1進料，并控制發(fā)酵罐內總固體濃度為10％左右。按照步驟⑵添加提取物；添加完畢后，手動搖勻反應瓶，利用橡膠塞將瓶口封住，連接機械攪拌，然后將瓶子裝進37℃恒溫水浴鍋，采用聚乙烯軟管將實驗裝置的各個單元連接起來，充氮氣2min保證厭氧環(huán)境，在充氮完畢后迅速連接co2吸收單元；設置攪拌周期為開啟60s，停止60s，攪拌強度約為84rpm；實驗啟動，產生的數(shù)據被ampts軟件記錄并處理，實驗結束后從電腦中導出標準狀態(tài)下的數(shù)據。
定義：
總固體又稱蒸發(fā)總殘留物，是在規(guī)定條件下，水樣蒸發(fā)烘干至恒重時殘留的物質。
揮發(fā)性固體(volatilesolid，vs)：是指在總固體中能在550℃高溫下?lián)]發(fā)的那部分固體。
技術效果
1、本發(fā)明是通過直接向厭氧發(fā)酵體系中添加植物次生代謝產物，促進有關微生物的活動，加速有機物的分解，從而提高發(fā)酵產物沼氣中甲烷的含量；同時該發(fā)明無需增加額外設備，操作簡單易行。
2、該方法所適用的厭氧發(fā)酵底物廣泛，可為秸稈等農林廢棄物、芒草等能源作物、畜禽廢棄物、餐廚垃圾或其它固體廢棄物等；所適用的發(fā)酵濃度范圍寬，厭氧發(fā)酵過程中總固體含量可在4-45％之間。
3、本發(fā)明所使用的植物次生代謝產物用量少，成本低。
附圖說明
圖1.每進料周期的累積甲烷產量。
具體實施方式
以下用本發(fā)明的實施例來進一步說明本發(fā)明的實質性內容，但并不以此限制本發(fā)明。
實施例1：復合沼氣發(fā)酵菌劑制備
復合沼氣發(fā)酵菌劑由下述方法制備：(1)培養(yǎng)沼氣發(fā)酵菌劑：將馬氏甲烷球菌，地下甲烷桿菌，西西里甲烷八疊球菌，竹節(jié)狀甲烷鬃菌，分別從斜面接種入培養(yǎng)基中在溫度20-25℃分別培養(yǎng)20-30小時后于2-10℃低溫培養(yǎng)70-96小時，除去培養(yǎng)基上層的甲烷，充入二氧化碳，獲得產沼氣的微生物發(fā)酵液；將寒冷產甲烷菌，嗜酸甲烷八疊球菌，分別從斜面接種入培養(yǎng)基中在溫度20-23℃分別培養(yǎng)24小時后，于2-5℃培養(yǎng)20-40小時后調整溫度為20-22℃繼續(xù)培養(yǎng)50-70小時，除去培養(yǎng)基上層的甲烷，充入二氧化碳，得產沼氣的微生物發(fā)酵液；(2)離心或絮凝處理：得微生物菌泥，將上述菌泥按照重量份數(shù)比例混合：(3)添加保護劑載體：將保護劑載體與步驟2混合的微生物菌泥以1-10∶1按照質量比例混合混勻；(4)干燥和包裝：將步驟3所得加入保護劑的菌劑與植物次生代謝產物以質量比20-100∶1混合，30-45℃風干成固體沼氣發(fā)酵菌劑；(5)將上述風干后的固體沼氣發(fā)酵菌劑用塑料袋密封包裝，包裝時再次添加總重量5-15％的植物次生代謝產物混合。
實施例：芍藥甙促進多種農業(yè)廢棄物厭氧產甲烷性能的方法
物料預處理方式:芒草莖稈取回后自然風干，破碎至1cm左右的小段，置于陰涼干燥處備用。豬糞為人工干清糞，取回后置于4℃冰箱中冷藏備用。厭氧活性污泥取自cstr反應器,取回后調節(jié)含水率，儲存于密封的容器中并通入氮氣，使之與大氣中的氧氣隔絕，并使容器中的溫度保持在15-25℃；在隔離空氣的條件下向容器內加入營養(yǎng)物，其每天的營養(yǎng)物加入量為容器內污泥容積的0.5-1.5％，并隨時導出容器內的氣體。
芍藥甙添加方式：將不同濃度的芍藥甙與物料一并投入厭氧活性污泥中,使物料中每克揮發(fā)性固體所含芍藥甙的量為0.0001-0.01g/gvs物料。
厭氧消化進料要求：利用全自動甲烷潛能測試裝置ampts進行中溫批式厭氧消化反應。按照厭氧活性污泥與物料的揮發(fā)性固體比例為2:1，豬糞與芒草莖稈的揮發(fā)性固體比為1:1進料，并控制發(fā)酵罐內總固體濃度為10％左右。按照步驟⑵添加芍藥甙。添加完畢后，手動搖勻反應瓶，利用橡膠塞將瓶口封住，連接機械攪拌，然后將瓶子裝進37℃恒溫水浴鍋，采用聚乙烯軟管將實驗裝置的各個單元連接起來，充氮氣2min保證厭氧環(huán)境，在充氮完畢后迅速連接co2吸收單元。設置攪拌周期為開啟60s，停止60s，攪拌強度約為84rpm。實驗啟動，產生的數(shù)據被ampts軟件記錄并處理，實驗結束后從電腦中導出標準狀態(tài)下的數(shù)據。為了保證實驗的重復性，每組實驗設計3個平行。以厭氧活性污泥作為空白對照。
芍藥甙添加量為0.0002、0.0004、0.0008、0.001、0.01時，芒草莖稈于豬糞厭氧共消化的的產甲烷性能見表1：
表1不同芍藥苷添加量對農業(yè)廢棄物厭氧共消化性能的影響
實施例3：黃酮醇苷促進多種農業(yè)廢棄物厭氧產甲烷性能的方法
物料預處理方式:芒草莖稈取回后自然風干，破碎后過20目篩，置于陰涼干燥處備用。豬糞為人工干清糞，取回后置于4℃冰箱中冷藏備用。厭氧活性污泥取自cstr反應器,取回后調節(jié)含水率，儲存于密封的容器中并通入氮氣，使之與大氣中的氧氣隔絕，并使容器中的溫度保持在15-25℃；在隔離空氣的條件下向容器內加入營養(yǎng)物，其每天的營養(yǎng)物加入量為容器內污泥容積的0.5-1.5％，并隨時導出容器內的氣體。
黃酮醇苷的添加方式：黃酮醇苷添加量為，物料每克揮發(fā)性固體中含0.0002、0.0006g黃酮醇苷，將黃酮醇苷與物料混勻后，調節(jié)物料的含水率和ph后，投入裝有厭氧活性污泥的發(fā)酵罐中。
連續(xù)厭氧消化實驗：采用cstr反應器進行中溫連續(xù)厭氧消化反應。反應器運行過程中，每天由底部出料口經蠕動泵排出厭氧消化物，然后由頂部進料口投加步驟⑵所述的農業(yè)生物質物料。在其頂部設有攪拌器，轉速為120r/min，每小時攪拌20min。采用恒溫水浴鍋加熱水，熱水經蠕動泵提升進入水浴夾套，自下而上循環(huán)，以保證反應器內的溫度穩(wěn)定在35±1℃。反應器內所產生的沼氣經濕式氣體流量計計量后排出室外。隨著運行時間的延長，逐漸提高有機負荷。三個實驗組的進料中，黃酮醇苷添加量為0.0000、0.0002、0.0006g/gvs物料。
黃酮醇苷添加量為0.0000、0.0002、0.0006g/gvs物料時，反應器的甲烷產率和容積產氣率如表2所示：
表2連續(xù)厭氧消化過程中的甲烷產率和容積產氣率
實施例3：芍藥甙促進纖維類農業(yè)廢棄物厭氧消化性能的方法,該方法包括以下步驟:
物料預處理方式:芒草莖稈取回后自然風干，破碎后過20目篩，置于陰涼干燥處備用。厭氧活性污泥取自cstr反應器,取回后調節(jié)含水率，儲存于密封的容器中并通入氮氣，使之與大氣中的氧氣隔絕，并使容器中的溫度保持在15-25℃；在隔離空氣的條件下向容器內加入營養(yǎng)物，其每天的營養(yǎng)物加入量為容器內污泥容積的0.5-1.5％，并隨時導出容器內的氣體。
芍藥甙的添加方式：每日進料前，按照物料中每克揮發(fā)性固體中含0.23mg芍藥甙的劑量，將芍藥甙與物料混勻，一并添加至發(fā)酵罐中。
連續(xù)批式厭氧消化實驗：采用cstr反應器進行中溫連續(xù)厭氧消化反應。反應器采用序批進出料，反應器運行過程中，每隔10d由底部出料口經蠕動泵排出厭氧消化物，然后由頂部進料口投加步驟⑵所述的物料。在其頂部設有攪拌器，轉速為120r/min，每小時攪拌20min。采用恒溫水浴鍋加熱水，熱水經蠕動泵提升進入水浴夾套，自下而上循環(huán)，以保證反應器內的溫度穩(wěn)定在35±1℃。反應器內所產生的沼氣經濕式氣體流量計計量后排出室外。隨著運行時間的延長，逐漸提高有機負荷。兩組實驗的進料中含芍藥甙的量為0.00和0.23mg/gvs物料。
單個進料周期內，進料中未添加芍藥甙的實驗組與添加有0.23mg/gvs物料芍藥甙的實驗組，其累積甲烷產量如圖1所示。