CN103923968A - 利用异化金属还原菌促进产甲烷菌产甲烷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用异化金属还原菌促进产甲烷菌产甲烷的方法，包括以下步骤：以厌氧污泥、水底沉积物和/或污水为接种物富集异化金属还原菌；以厌氧污泥和/或水底沉积物为接种物筛选富集产甲烷菌；将富集获得的异化金属还原菌浓缩，然后与产甲烷菌接种物和厌氧消化污泥按一定的比例混合装入厌氧发酵罐，以有机废弃物为原料发酵产甲烷。本发明具有如下技术效果：解决了产甲烷菌不能利用水解和发酵产生的许多小分子有机化合物（如葡萄糖、氨基酸、丁酸、丙酸、乳酸及乙醇等），同时提高了发酵过程中甲烷生成量及有机物向甲烷转化的转化率。因此该技术在厌氧发酵产甲烷方面具有很好的应用前景。

Description

利用异化金属还原菌促进产甲烷菌产甲烷的方法
 
技术领域
本发明属有机废弃物资源化利用技术领域，涉及一种在处理有机废弃物的同时产甲烷的方法，并且具体地涉及一种利用异化金属还原菌促进产甲烷菌产甲烷的方法。
背景技术
能源、环境与水资源是人类赖以生存的基础。近年来随着化石燃料，特别是石油和天然气使用量的快速增长，触发了全球性的能源危机。此外，化石燃料在使用过程中排放的大量CO2会引起温室效应，并导致气候变暖。与此同时，化石燃料的开采与使用导致各种生态破坏及环境污染。随着全球气候变化与低碳经济发展的趋势不可避免，开发清洁能源、减少碳排放正成为国际社会各国的新目标，而节能减排也已成为世界经济发展与环境保护的主题之一。
中国作为能源消费大国，新能源的开发利用对国民经济的可持续发展具有重要的意义，随着农村社会经济的迅速发展，农村能源消耗也日益增大。在此背景下，沼气资源作为一项极具应用前景的新能源，其开发利用是解决能源紧张形势下农村能源供应问题的有效举措，其发展日益受到国家的重视。沼气是各种有机物质，在隔绝空气（还原条件），并在适宜的温度、pH值下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。沼气属于二次能源，并且是可再生能源。
在沼气产生过程中：首先由梭菌属、拟杆菌属等细菌将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物，如葡萄糖、氨基酸等；然后由梭菌属、拟杆菌属及其他细菌（如乳酸菌类、丙酸杆菌属）进一步将水解的产物降解为小分子的醇类、有机酸类、二氧化碳、氢气、氨气等；再然后发酵性细菌把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢；最后产甲烷菌利用乙酸、甲酸及二氧化碳和氢产甲烷。在这一过程中，产甲烷菌不能利用小分子有机化合物（如葡萄糖、氨基酸等），也不能利用这类小分子有机化合物在发酵过程中产生的丁酸、丙酸、乳酸及乙醇，从而降低了甲烷的产量及有机物转为甲烷的转化率。
发明内容
为解决产甲烷菌不能利用水解及发酵产生的许多小分子有机化合物（如葡萄糖、氨基酸、丁酸、丙酸、乳酸及乙醇）及现有产甲烷技术中甲烷产量低的技术问题，本发明提出了利用异化还原金属菌催进产甲烷菌产甲烷的方法，它采用如下技术方案：
本发明提供了一种利用异化金属还原菌促进产甲烷菌产甲烷的方法，其特征在于：以厌氧消化污泥、水底沉积物、和/或污水为接种物富集异化金属还原菌；以厌氧消化污泥和/或水底沉积物为接种物筛选富集产甲烷菌；将富集获得的异化金属还原菌离心浓缩，然后与产甲烷菌接种物和厌氧消化污泥按一定的比例混合装入厌氧发酵罐，以有机废弃物为原料发酵产甲烷；
其中异化金属还原菌包括地杆菌属Geobacterspp、希瓦氏菌属Shewanella spp 和Rhodoferax ferrireducens中的一种或多种；
其中离心浓缩的异化金属还原菌的浓度为1×1010个/mL；
其中离心浓缩的异化金属还原菌、产甲烷菌接种物和厌氧污泥的体积比为3:3:4。
优选地，其中地杆菌属Geobacterspp为Geobacter metallireducens和/或Geobacter sulfurreducens DL1，并且希瓦氏菌属Shewanella spp为Shewanella oneidensis strain MR-1。
优选地，其中以水稻田的沉积污泥为接种物、三氧化二铁为电子受体，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
优选地，其中以海底沉积物为接种物接种微生物燃料电池，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
优选地，其中以厌氧消化污泥为接种物、三氧化二铁为电子受体，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
优选地，其中以厌氧消化污泥为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
本发明提供的利用异化金属还原菌促进产甲烷菌产甲烷的方法，使得异化金属还原菌代谢产甲烷菌所不能利用的小分子有机化合物（如葡萄糖、氨基酸、丁酸、丙酸、乳酸及乙醇等）产生乙酸以供食乙酸型产甲烷菌利用产甲烷。此外，异化金属还原菌代谢产甲烷菌不能利用的小分子有机化合物（如葡萄糖、氨基酸、丁酸、丙酸、乳酸及乙醇等）产生电子和质子，产生的电子经异化金属还原菌表面的纳米导线或/和细胞色素传递给产甲烷菌，并将产甲烷菌胞内的氧化态铁氧还原蛋白（Fdox）还原生成还原态铁氧还原蛋白（Fdred 2-），然后产甲烷菌利用CO2、还原态铁氧还原蛋白（Fdred 2-）及质子产甲烷。
本发明富集筛选的产甲烷菌为混合菌，可以用乙酸、甲酸、甲醇、CO2/H2，以及CO2、电子和质子来产甲烷。
本发明具有如下技术效果：解决了产甲烷菌不能利用水解及发酵产生的小分子有机化合物（如葡萄糖、氨基酸、丁酸、丙酸、乳酸及乙醇等），同时提高了发酵过程中甲烷生成量及有机物向甲烷转化的转化率。
附图说明
图 1 为实施本发明的方法所采用的装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，实施本发明的方法所采用的装置包括采用由有机玻璃、碳钢或混凝土等材质制成的发酵罐1，在发酵罐1内设置有搅拌器2，在发酵罐1的顶端分别设有进料口3和气体收集管7，在发酵罐1的底部设有出样口4，在发酵罐1的下部和上部分别设有冷却水（或加热水）的进水管5和出水管6。
以水稻田的沉积污泥为接种物、三氧化二铁为电子受体，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
以厌氧消化污泥为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
将富集获得的异化金属还原菌离心浓缩后（1×1010个/mL）与富集筛选获得的产甲烷菌接种物、厌氧消化污泥按体积比为3:3:4的比例加入到发酵罐中，以葡萄糖（10 g/L）为底物37℃发酵产甲烷。甲烷的产气速率为2.5 L·L-1 ·d-1，比没有添加异化金属还原菌的产气速率提高了25%，且葡萄糖转化为甲烷的转化率达85%。
实施例2
以厌氧消化污泥为接种物、三氧化二铁为电子受体，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
以厌氧消化污泥为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
将富集获得的异化金属还原菌离心浓缩后（1×1010个/mL）与富集筛选获得的产甲烷菌接种物、厌氧消化污泥按体积比为3:3:4的比例加入到发酵罐中，以葡萄糖（10 g/L）为底物37℃发酵产甲烷。甲烷的产气速率为2.3 L·L-1 ·d-1，比没有添加异化金属还原菌的产气速率提高了15%，且葡萄糖转化为甲烷的转化率达78%。
实施例3
以海底沉积物为接种物接种微生物燃料电池（或微生物电解池），乙酸钠为底物富集获得电活性异化金属还原菌。
以厌氧消化污泥为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
将富集获得的电活性异化金属还原菌离心浓缩后（1×1010个/mL）与富集筛选获得的产甲烷菌接种物、厌氧消化污泥按体积比为3:3:4的比例加入到发酵罐中，以葡萄糖（10 g/L）为底物37℃发酵产甲烷。甲烷的产气速率为2.4 L·L-1 ·d-1，比没有添加异化金属还原菌的产气速率提高了20%，且葡萄糖转化为甲烷的转化率达81%。
实施例4
以海底沉积物为接种物接种微生物燃料电池（或微生物电解池），乙酸钠为底物富集获得电活性异化金属还原菌。
以厌氧消化污泥/芦苇湖沉积物（体积比1:1）为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
将富集获得的电活性异化金属还原菌离心浓缩后（1×1010个/mL）与富集筛选获得的产甲烷菌接种物、厌氧消化污泥按体积比为3:3:4的比例加入到发酵罐中，以葡萄糖（10 g/L）为底物37℃发酵产甲烷。甲烷的产气速率为2.35 L·L-1 ·d-1，比没有添加异化金属还原菌的产气速率提高了17.5%，且葡萄糖转化为甲烷的转化率达80%。
实施例5
以海底沉积物为接种物接种微生物燃料电池（或微生物电解池），乙酸钠为底物富集获得电活性异化金属还原菌。
以厌氧消化污泥为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
将富集获得的电活性异化金属还原菌离心浓缩后（1×1010个/mL）与富集筛选获得的产甲烷菌接种物、厌氧消化污泥按体积比为3:3:4的比例加入到发酵罐中，以葡萄糖（10 g/L）为底物37℃发酵产甲烷。甲烷的产气速率为2.4 L·L-1 ·d-1，比没有添加异化金属还原菌的产气速率提高了20%，且葡萄糖转化为甲烷的转化率达81%。
实施例6
以水稻田的沉积污泥/厌氧消化污泥（体积比1:1）为接种物、三氧化二铁为电子受体，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
以厌氧消化污泥为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
将富集获得的异化金属还原菌离心浓缩后（1×1010个/mL）与富集筛选获得的产甲烷菌接种物、厌氧消化污泥按体积比为3:3:4的比例加入到发酵罐中，以葡萄糖（10 g/L）为底物37℃发酵产甲烷。甲烷的产气速率为2.45 L·L-1 ·d-1，比没有添加异化金属还原菌的产气速率提高了22.5%，且葡萄糖转化为甲烷的转化率达82%。
实施例7
以水稻田的沉积污泥/生活污水（体积比1:1）为接种物、三氧化二铁为电子受体，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
以厌氧消化污泥为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
将富集获得的异化金属还原菌离心浓缩后（1×1010个/mL）与富集筛选获得的产甲烷菌接种物、厌氧消化污泥按体积比为3:3:4的比例加入到发酵罐中，以葡萄糖（10 g/L）为底物37℃发酵产甲烷。甲烷的产气速率为2.48 L·L-1 ·d-1，比没有添加异化金属还原菌的产气速率提高了22%，且葡萄糖转化为甲烷的转化率达83%。
实施例8
以水稻田的沉积污泥为接种物、三氧化二铁为电子受体，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
以厌氧消化污泥为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
将富集获得的异化金属还原菌离心浓缩后（1×1010个/mL）与富集筛选获得的产甲烷菌接种物、厌氧消化污泥按体积比为3:3:4的比例加入到发酵罐中，以乙醇（10 g/L）为底物37℃发酵产甲烷。甲烷的产气速率为2.3 L·L-1 ·d-1，比没有添加异化金属还原菌的产气速率提高了7倍，且乙醇转化为甲烷的转化率达90%。
实施例9
以水稻田的沉积污泥为接种物、三氧化二铁为电子受体，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
以厌氧消化污泥为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
将富集获得的异化金属还原菌离心浓缩后（1×1010个/mL）与富集筛选获得的产甲烷菌接种物、厌氧消化污泥按体积比为3:3:4的比例加入到发酵罐中，以丙酸（5 g/L）为底物37℃发酵产甲烷。甲烷的产气速率为1.3 L·L-1 ·d-1，比没有添加异化金属还原菌的产气速率提高了6倍，且丙酸转化为甲烷的转化率达88%。
本发明提供了一种利用异化金属还原菌促进产甲烷菌产甲烷的方法，具有操作简单及提高了甲烷产量和有机物向甲烷转化的转化率等特点。因此本发明在有机质废弃物能源化利用方面具有很好的应用前景。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种利用异化金属还原菌促进产甲烷菌产甲烷的方法，其特征在于：以厌氧消化污泥、水底沉积物、和/或污水为接种物富集异化金属还原菌；以厌氧消化污泥和/或水底沉积物为接种物筛选富集产甲烷菌；将富集获得的异化金属还原菌离心浓缩，然后与产甲烷菌接种物和厌氧消化污泥按一定的比例混合装入厌氧发酵罐，以有机废弃物为原料发酵产甲烷；
其中异化金属还原菌包括地杆菌属Geobacterspp、希瓦氏菌属Shewanella spp 和Rhodoferax ferrireducens中的一种或多种；
其中离心浓缩的异化金属还原菌的浓度为1×1010个/mL；
其中离心浓缩的异化金属还原菌、产甲烷菌接种物和厌氧污泥的体积比为3:3:4。
2.根据权利要求1所述的方法，其中地杆菌属Geobacterspp为Geobacter metallireducens和/或Geobacter sulfurreducens DL1，并且希瓦氏菌属Shewanella spp为Shewanella oneidensis strain MR-1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中以水稻田的沉积污泥为接种物、三氧化二铁为电子受体，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中以海底沉积物为接种物接种微生物燃料电池，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中以厌氧消化污泥为接种物、三氧化二铁为电子受体，乙酸钠为底物富集获得异化金属还原菌。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中以厌氧消化污泥为接种物、葡萄糖为底物富集筛选获得产甲烷菌。
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