本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种提高秸秆产甲烷潜力的生物预处理方法。
背景技术：
当今全球正面临着气候变化和能源短缺的双重挑战，减少温室气体排放、发展低碳绿色经济已成为世界各国的共识。通过对生物质废弃物进行厌氧发酵，可产生甲烷、氢气和乙醇等生物质能源，可节约和代替部分化石能源，有利于改善能源结构，减少温室气体的排放，缓解和应对气候变化。
秸秆是世界上产量最大的生物质废弃物，我国每年产生大约8亿吨秸秆，约占世界总量的30％。秸秆厌氧发酵既可产生清洁沼气，又避免了传统焚烧带来的环境污染，是高效清洁的生物质能源利用技术。但秸秆中木质纤维素的复杂结构限制了厌氧发酵的甲烷转化效率。
生物预处理技术在目前我国秸秆预处理领域应用较少的一种工艺，但其独特的优点，成本低、污染少、反应条件温和等，成为未来秸秆厌氧发酵应用热点，但现有的生物预处理方法对秸秆产甲烷潜力的提升量过低。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种提高秸秆产甲烷潜力的生物预处理方法，其有效解决了生物预处理对秸秆产甲烷潜力的提升量过低的问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种提高秸秆产甲烷潜力的生物预处理方法，包括如下步骤：
(1)秸秆破碎：将秸秆破碎成小段；
(2)秸秆烘干：对步骤(1)所得的秸秆小段进行烘干处理，调节小麦秸秆含水率为55-75％；
(3)接种孢子：对步骤(2)所得的烘干后的秸秆小段接种2.5×105-4×105/g孢子量的黄孢原毛平革菌的孢子悬浮液，调节反应ph至4-7，25-35℃恒温培养15-20d。
根据上述技术方案，本发明具有以下优点：
1、通过黄孢原毛平革菌有效降低秸秆中木质素含量，改变纤维素结构，提高生物质利用效率；
2、黄孢原毛平革菌的降解过程对环境因素的敏感性极高，通过优化预处理调节，极大的提高了小麦秸秆厌氧发酵产甲烷效率。
优选地，步骤(2)中小麦秸秆含水率为65.91％。
优选地，步骤(3)中对步骤(2)所得的烘干后的秸秆小段接种孢子量为4×105/g的黄孢原毛平革菌的孢子悬浮液。
优选地，步骤(3)中ph值为5.58。
优选地，步骤(3)中温度为25.0℃。
优选地，步骤(3)中恒温培养时间为20d。
根据上述优选技术方案，本发明具有以下优点：
步骤(2)中小麦秸秆含水率为65.91％，步骤(3)中孢子量为4×105/g、ph值为5.58、步骤(3)中温度为25.0℃、步骤(3)中恒温培养时间为480小时时，生物预处理效果最好，产甲烷量为355.97ml·g-1vs，与未经预处理的小麦秸秆相比(265.58mlg-1vs)产甲烷量提高了34.03％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。实施例中所述原料如无特殊说明，均为普通市售产品。实施例中所述的实验方法无特别说明，即按常规实验方法操作。
实施例1单因素筛选实验
单因素筛选实验，包括以下步骤：
(1)预处理秸秆：将秸秆破碎至2-4cm长的小段，通过烘干调整秸秆含水率，选择每2g秸秆接种孢子量，调整反应ph值、反应温度、外源葡萄糖含量、外源尿素含量、外源mn2 离子含量和预处理时间；选取每2g秸秆孢子接种量(5×10个5、8×105个)、预处理时间(15d、20d)、秸秆含水率(55％、75％)、反应ph值(4、7)、反应温度(25℃、35℃)、外源葡萄糖(20mg/g、0mg/g)、外源尿素(10mg/g、0mg/g)、外源mn2 离子(0.01mm/g、0mm/g)8个因素各两个水平进行plackett-burman单因素筛选实验；
(2)计算产甲烷潜力：预处理结束后，范氏洗涤法检测未经预处理的秸秆和预处理后的秸秆的木质素含量、半纤维素含量和纤维素含量，根据检测结果计算秸秆产甲烷潜力，计算公式如下：
秸秆产甲烷潜力＝360.148-481.252*木质素含量 216.066*半纤维素含量-299.981*纤维素含量
其中，秸秆产甲烷潜力的单位为ml·g-1vs，木质素含量、半纤维素含量和纤维素含量的单位均为g·g-1。
结果如表1所示，秸秆含水率为55％、每2g秸秆接种孢子量为8×105、预处理反应ph为4、预处理反应温度为25℃、外源葡萄糖浓度为20mg/g、外源尿素浓度为10mg/g、无外源mn2 离子和预处理时间为20d时的预处理10处理效果最好，产甲烷潜力值为315.9ml·g-1vs，未经预处理的秸秆产甲烷潜力值为267.60ml·g-1vs，预处理10较未经预处理的秸秆产甲烷潜力提高18.05％，预处理3的秸秆产甲烷潜力值为280.7ml·g-1vs，预处理10较预处理3的秸秆产甲烷潜力提高12.54％；由表1可知，孢子接种量、预处理时间、秸秆含水率、反应ph值、反应温度、外源葡萄糖浓度、外源尿素浓度和外源mn2 离子浓度8个因素均对秸秆产甲烷潜力具有显著影响。
表1plackett-burman单因素筛选实验实验结果
实施例2多因素筛选实验
多因素筛选实验，包括以下步骤：
(1)预处理秸秆：将秸秆破碎至2-4cm长的小段，通过烘干调整秸秆含水率，选择每2g秸秆接种孢子量，调整反应ph值和预处理时间，设定反应温度为25℃。由于每2g秸秆孢子接种量、预处理时间、秸秆含水率和反应ph值4个影响因素是显著的且在实际工程易控制，故选取每2g秸秆孢子接种量(5×105个、6.5×105个、8×105个)、预处理时间(15d、18d、20d)、秸秆含水率(55％、65％、75％)及反应ph(4、5.5、7)这4个显著影响因素各三个水平进行box-behnken筛选实验；
(2)计算产甲烷潜力：预处理结束后，范氏洗涤法检测未经预处理的秸秆和预处理后的秸秆的木质素含量、半纤维素含量和纤维素含量，根据检测结果计算秸秆产甲烷潜力，计算公式如下：
秸秆产甲烷潜力＝360.148-481.252*木质素含量 216.066*半纤维素含量-299.981*纤维素含量
其中，秸秆产甲烷潜力的单位为ml·g-1vs，木质素含量、半纤维素含量和纤维素含量的单位均为g·g-1。
表2多因素box-behnken筛选实验实验结果
实验结果如表2所示，用minitab16.0对实验结果数据进行进一步处理，构建rsm模型。拟合时采用完全二次项，得到以产甲烷潜力为响应值的回归方程，回归方程如下所示：
bmp＝-1092.27-13.31014a 19.1884b 34.1792c 36.0637d 0.055085ab 0.392726ac 2.3006ad-0.105958bc 0.148097bd 0.137931cd-2.363808a2-0.292819b2-0.261025c2-5.13206d2
其中，bmp(biochemicalmethanepotential)为产甲烷潜力，a为每克秸秆孢子接种量(×105)，b为预处理时间(d)，c为秸秆含水率(％)，d为ph值。
由回归方程可得，最优的参数变量组合为每克秸秆孢子接种量4×105、预处理时间20d、含水率65.91％和反应ph为5.58，该条件下的产甲烷潜力值为330.45mlg-1vs，与未经预处理的秸秆产甲烷潜力(267.60ml·g-1vs)相比提高23.49％，与实施例1最优处理的产甲烷潜力(315.9ml·g-1vs)相比，提高了4.61％。
按照最优的参数变量预处理小麦秸秆，再将预处理过后的小麦秸秆按进料浓度为15g/l装入1l发酵罐内，再加入接种污泥，发酵周期为30天，发酵温度为37℃，利用排水集气法检测产甲烷量，为355.97ml·g-1vs，与最优条件下的产甲烷潜力(330.45mlg-1vs)的偏差为7.7％，与未经预处理的秸秆甲烷产量(265.58mlg-1vs)相比提高了34.03％。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1.一种提高秸秆产甲烷潜力的生物预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)秸秆破碎：将秸秆破碎成小段；
(2)秸秆烘干：对步骤(1)所得的秸秆小段进行烘干处理，调节秸秆含水率为55-75％；
(3)接种孢子：对步骤(2)所得的烘干后的秸秆小段接种2.5×105-4×105/g孢子量的黄孢原毛平革菌的孢子悬浮液，调节反应ph至4-7，25-35℃恒温培养15-20d。
2.根据权利要求1所述的提高秸秆产甲烷潜力的生物预处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中秸秆含水率为65.91％。
3.根据权利要求1所述的提高秸秆产甲烷潜力的生物预处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中对步骤(2)所得的烘干后的秸秆小段接种孢子量为4×105/g的黄孢原毛平革菌的孢子悬浮液。
4.根据权利要求1所述的提高秸秆产甲烷潜力的生物预处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中调节ph值为5.58。
5.根据权利要求1所述的提高秸秆产甲烷潜力的生物预处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中培养温度为25.0℃。
6.根据权利要求1所述的提高秸秆产甲烷潜力的生物预处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中培养时间为20d。
技术总结