CN104805125A

CN104805125A - 一种沼气工程菌剂及其制备方法

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Publication number: CN104805125A
Application number: CN201510227272.XA
Authority: CN
Inventors: 马力通; 李珺
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2035-05-07
Also published as: CN104805125B

Abstract

本发明公开了一种沼气工程菌剂及其制备方法，解决目前沼气工程，厌氧发酵速度慢，发酵周期长，沼气工程产气率和工程运行效率有待提高的难题。以有机废弃物污泥或沼液为原料，根据厌氧发酵原理和微生物生态学原理，通过混菌培养和固定化厌氧发酵微生物菌群制备沼气工程专用菌剂。与将单一菌种分别培养然后按比例混合制备菌剂的现有技术相比，本发明利用污泥或沼液混菌培养制备的菌剂，获得的菌剂不仅微生态稳定，而且能够显著缩短沼气工程发酵周期，提高沼气得率，提高沼气工程经济效益。

Description

一种沼气工程菌剂及其制备方法

技术领域

本发明属于沼气、甲烷等清洁能源应用领域，特别涉及到沼气工程菌剂的制备方法。

背景技术

沼气(生物天然气)是微生物发酵产生的一种以甲烷为主的可燃混合气体。作为清洁能源的重要组成部分，沼气兼具化石能源(特别是天然气)和可再生能源优越性，在美国、英国、德国、法国、瑞典、瑞士等国家实现了商品化和产业化，作为天然气的补充和部分替代。

目前，中国农村户用沼气池的建设规模和使用量居全球之首，成为中国利用技术最成熟、推广规模最大、效益最突出的可再生能源开发领域之一。而以沼气为纽带的各种类型能源生态模式和工程技术得到了各级政府的大力支持，大中小型沼气工程迅猛发展。沼气工程可以将畜禽粪便、秸秆等各种生物质原料经过厌氧发酵转化为沼气进行供热、发电或提纯为生物天然气，既消除了环境污染又可获得宝贵的可再生能源，减少现代工业对于化石燃料的依赖，因而世界各国对沼气工程建设极为重视。

目前，全国沼气用户已达到4300 万户，规模化沼气工程已发展到10 万处。国内沼气工程普遍以畜禽粪便为原料，约占目前沼气生产原料的90%以上，部分解决了规模化养殖场在发展规模化、集约化、标准化养殖过程中大量畜禽粪尿集中处置的难题。

中国的沼气产业已经初具规模，但在运行中存在以下问题：

（1）许多沼气工程受经济条件的限制，采用的是常温的发酵工艺，冬季也未作任何保温或者增温措施，导致产气率不高，特别是冬季产气量急剧降低，而冬季正是用气量大的时候，对沼气工程声誉造成了负面影响，工程运行效率有待提高。

（2）原料来源单一，绝大部分都是畜禽粪便和农作物秸秆，厌氧发酵速度慢，发酵周期较长，不能满足沼气发电或车用生物天然气等大规模的能源化利用的需求。

上述问题在很大程度上影响了沼气工程的效益，已成为制约沼气工程健康和可持续发展的因素。

厌氧发酵过程是一个多种微生物协同参与的生化反应，微生物的菌群结构及代谢类型决定有机物的降解途径及产甲烷效率。功能微生物发酵菌剂的投加可以有针对性、有方向性的引导厌氧反应沿着高效稳定的途径进行。

专利（201110088983.5）公开了一种东北低温产沼气混合微生物菌剂及其制备方法，由绿色木霉1.4-1.8份，枯草芽孢杆菌1.8-2.3份，恶臭假单胞菌4.1-6.5份，地衣芽孢杆菌1.1-1.5 份，产碱杆菌0.1-0.2份的发酵菌液混合而成。

专利（201110413022.7）公开了一种适用于低温沼气发酵的复合微生物菌剂及其制备方法，由假单胞菌(Pseudomonas sp.)CGMCC No.4764、成团泛菌(Pantoea agglomerans)CGMCC No.4765 和成团泛菌(Pantoea agglomerans) 三种菌的发酵液按重量比计，将三种菌分别发酵后的发酵液按1:1:1 比例混匀，即为液体剂型。

专利（201210021688.2）公开了一种沼气干发酵复合菌剂的制备方法，将纤维素分解细菌、蛋白分解细菌、脂肪分解细菌、产氢产乙酸细菌、硫酸盐还原菌和产甲烷古菌组成的复合菌作为接种物，将接种物与发酵底物混合，并调节混合料的水分含量至70~80%，pH 值7.0，在35℃±2℃条件下进行厌氧发酵，发酵60~90 天后，获得沼气干发酵复合菌剂。

专利（201310234786.9）公开了一种低温沼气发酵剂及其制备方法，复合沼气发酵菌剂包括混合微生物、抗氧化剂和保护剂载体组成；混合微生物重量份数组成如下：马氏甲烷球菌DSM10132 5-10 份，地下甲烷杆菌DSM11074 6-8 份，寒冷产甲烷菌DSM16458 10-20 份，嗜酸甲烷八叠球菌DSM2834 5-9份，西西里甲烷八叠球菌DSM11916 6-10 份，竹节状甲烷鬃菌DSM-17206 8-14 份；所述抗氧化剂由下列成分配比而成：半胱氨酸盐酸盐0.1％～ 1％，硫化钠2％～ 10％，抗坏血酸2％～ 5％，余量为沙土；所述保护剂载体由下列成分配比而成：沙土0.5％，膨润土2％，硅藻土5％，玉米淀粉20％，余量为秸秆粉碎物。

专利（201310744961.9）公开了一种沼气发酵用功能性生物催化剂及利用催化剂发酵的方法，催化剂包括微生物复合菌剂1-3 份；水解酶促进剂100 份；矿质养分促进剂61-329 份。矿质养分促进剂为微晶化磷矿粉、微晶化沸石粉、微晶化碳酸钙粉、尿素、磷酸盐、膨润土或活性炭中的一种或两种以上。

专利（201410257058.4）公开了一种秸秆与粪便沼气发酵预处理微生物菌剂，由以下菌种共同组成：灰绿青霉2~8×10¹⁰cfu/g，米根霉2~8×10¹⁰cfu/g，黄孢原毛平革菌2~8×10¹⁰cfu/g，黄曲霉2~8×10¹⁰cfu/g，螺孢菌2~8×10¹⁰cfu/g。。

专利（200510077792.3）公开了一种复合菌剂预处理秸杆的沼气发酵方法。所述符合菌剂是由保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心的登记入册编号为CGMCC NO.1364的高温单胞菌（Thermomonospora）, 登记入册编号为CGMCC NO.1365的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）, 登记入册编号为CGMCC NO.1366的木霉菌（Trichoderma）和中国普通微生物菌种保藏中心1997年版的菌种目录中公开的菌种编号为1.813的地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）混配而成，所述各组分的重量比为高温单胞菌：枯草芽孢杆菌：木霉菌：地衣芽孢杆菌=9~13: 2~4: 3~4: 2~3。

专利（200810140400.7）公开了一种沼气池用复合微生物菌剂及其制备方法。它是由荧光假单胞菌液0.06-0.15份，蜡质芽孢杆菌液0.04-0.08份，枯草芽孢杆菌液0.06-0.10份和环状芽孢杆菌0.05-0.08份4种微生物发酵液按比例混合而成。

专利（200810158002.8）公开了秸秆分解和低温产沼气双功能复合菌剂的应用。所述秸秆分解和低温产沼气双功能复合菌剂，是由荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）、蜡质芽孢杆菌（Bacillus cereus）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和环状芽孢杆菌（Bacillus circulans）四种菌的发酵液按如下重量份组成：荧光假单胞菌液6-15份，蜡质芽孢杆菌液4-8份，枯草芽孢杆菌液6-10份，环状芽孢杆菌液5-8份；四种菌的发酵液中有效活菌数分别都在10亿个/毫升以上。

专利（200910013635.4）公开了一种直接分解农作物秸秆发酵产沼气的专用微生物复合菌剂制备及其应用方法。此专用微生物复合菌剂为液态或固态，由蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、球状芽孢杆菌、产芽孢梭菌、丙酮丁酸梭菌、巴氏梭菌、拜氏梭菌、热纤梭菌、绿色木霉、瑞氏木霉、黑曲霉中的一株或几株，经发酵培养后，组合复配而成。

专利（201010178304.9）公开了一种复合微生物菌剂及其应用。该复合微生物菌剂由地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae) 和粗状假丝酵母(Candida valida) 4种菌的发酵液组成。

专利（201010178313.8）公开了一种复合菌剂及其应用，它是由大肠杆菌(Escherichia. coli) 发酵液1～3份，木霉(Trichoderma virens) 发酵液2～3份，荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens) 发酵液1～4份，枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) 发酵液4～6 份混合而成。

专利（201010248279.7）公开了一种用于沼气发酵的复合菌剂。该复合菌剂按重量份数比包括8～15 份溶纤维素拟杆菌发酵液、12～ 20份巴氏芽孢梭菌发酵液、30～45份黑海甲烷袋状菌发酵液及20～50份马氏甲烷八叠球菌发酵液；以上四种菌的发酵液中的有效活菌数均为109个/mL 以上。

以上专利都是分别将各菌种如枯草芽孢杆菌、木霉菌等微生物进行液体放大培养，然后按比例混合，得到菌剂。

但是，从有机物厌氧发酵到形成甲烷，是非常复杂的过程，不是一种细菌或有限几种微生物所能完成的，是由很多细菌参与联合作用的结果，即需要分解菌群（纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌和脂肪分解菌等梭菌属、拟杆菌属微生物）、产酸菌群（丁酸弧菌属、双岐杆菌属等）、产氢产乙酸菌群（互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等）和产甲烷菌群（产甲烷八叠球菌、产甲烷丝状菌等）。在厌氧发酵过程中，分解菌群、产酸菌群发酵有机物产H₂、CO₂，H₂又被甲烷细菌用于还原CO₂合成CH₄。这些微生物及其所进行的代谢都不是在孤立的环境中单独进行，而是在一个混杂的环境中相互影响。它们之间的互相作用包括有不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的作用，不产甲烷细菌之间的作用和产甲烷菌之间的作用，它们相互依赖，互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境条件，但它们之间又互相制约，在发酵过程中总处于平衡状态。

此外，国内沼气工程为保证高效产气大多从国外购买商业化的功能微生物菌剂，其价格高昂且存在技术封锁，国内沼气工程正处在快速发展阶段，购买量并不能满足国内逐年增长的需求。而且，国外产品对我国环境中长期的影响，残留菌剂的污水回用对土壤、作物、地下水的影响未经论证。开发适合中国沼气工程厌氧消化特性的功能微生物菌剂对推动我国沼气工程的高效稳定运行意义重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种混菌培养，制备出富含分解细菌、产酸细菌和产甲烷菌群的一种沼气工程菌剂及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种沼气工程菌剂，主要包括下列微生物：Clostridium beijerinckii、Bacteroides graminisolvens、Acetobacterium woodii、Kosmotoga olearia、Aminobacterium colombiense、Dethiosulfatibacter aminovorans、Methanobrevibacter ruminantium、Methanosaeta harundinacea、Methanosaeta concilii、Methanolinea tarda。

本发明还包括：Clostridium cellulovorans。

一种沼气工程菌剂的制备方法，其特征是：取一定质量的总固体Ts 0.8%～12%的城市污水处理厂污泥或者沼气工程沼液，在20～35℃或50～55℃下静置培养或20~120rpm震荡培养，添加0.1～3%质量分数的40-200目的白云鄂博铁矿粉，然后每隔1～3天添加质量分数0.4%～1.2%有机废弃物直到培养液pH下降到6.0～6.8，再每隔1～3天添加质量分数1.5%～3.0%有机废弃物，直到培养液辅酶F420荧光分光光度值为20.0～250.0为止，然后所得培养液添加固化剂至水分含量为10%～70%，置于30～50℃干燥1～120小时，即得沼气工程菌剂。

进一步：加入的有机废弃物为40-100目猪粪、鸡粪、牛粪、餐厨垃圾、剩余污泥、玉米秸秆之一或混合。

进一步：加入固化剂是20-200目pH调节为7.0的猪粪、鸡粪、牛粪、泥炭、粉煤灰、聚氨酯泡沫之一或混合。

进一步：添加的固化剂与所得培养液的质量之比为(1～4)：1。

本发明以污泥或沼液为原料制备沼气工程发酵菌剂，依据厌氧发酵原理和微生物生态学原理，通过培养工艺参数的精确控制，实现污泥或沼液中的不产甲烷菌和产甲烷菌协同参与，形成厌氧微生物体系，体系中的厌氧微生物代谢途径协调发挥作用，完成分解、产酸、产甲烷，实现单一菌种或有限菌种复配难以完成的复杂代谢作用，即目标代谢产物沼气生产的高产量、高产率和高生产强度，提高沼气工程的经济效益。最终解决沼气工程发酵周期长、产气率不高的缺点，提高大中小型沼气工程的运行效率，促进生物质能源和沼气产业的发展。

本发明特点如下：

（1）添加菌剂能提高沼气工程的有机物降解速率，缩短发酵启动时间，使发酵过程向着有利于甲烷产生的方向进行，提高沼气工程的产气效率和产气稳定性。

（2）强化沼气发酵微生物系统，显著加快新建沼气工程和沼气工程大换料时的产沼气的启动时间。

（3）缩短有机废弃物混合物料尤其是以畜禽粪污为主要发酵原料的沼气工程水解和酸化时间，提高沼气工程冬季低温时的沼气产量。

（4）降低运行成本，提高沼气工程运行稳定性和总体效益，促进沼气工程的推广和产业化发展。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：取50kg的总固体Ts 1.8%的沼气工程沼液，在28℃下静置培养，先添加1.2%质量分数的60目的白云鄂博铁矿粉，然后每隔2天添加质量分数0.6%即0.3kg 60目猪粪直到培养液pH下降到6.4，再每隔2天添加质量分数2.0% 即1kg 60目猪粪，直到培养液辅酶F420荧光分光光度值为58.2为止，然后所得培养物添加40目的pH调节为7.0的猪粪至水分含量为50%，猪粪与培养液的质量之比为1.5：1，放置于30℃干燥96小时，即得沼气工程菌剂。菌剂经PCR-DGGE检测，主要由Dyella marensis、Roseospira goensis、Clostridium lactatifermentans、Clostridium beijerinckii、Kosmotoga olearia、Aminobacterium colombiense、Bacteroides graminisolvens、Parabacteroides merdae、Thermovirga lienii、Dethiosulfatibacter aminovorans、Clostridium saccharoperbutylacetonicum、Acetobacterium woodii、Clostridium populeti、Clostridium xylanolyticum、Clostridium hathewayi、Clostridium aciditolerans、Thermanaerovibrio acidaminovoran、Methanobrevibacter ruminantium、Methanobacterium beijingense、Methanosaeta harundinacea、Methanobacterium subterraneum、Methanosaeta concilii、Methanolinea tarda组成，尤其优势菌Clostridium beijerinckii拜氏梭菌，能同时利用木糖和葡萄糖产丁醇；Kosmotoga olearia能发酵麦芽糖产生CO₂、H₂、乙酸、乙醇和丙酸；Aminobacterium colombiense 氨基杆菌属，代谢产物为乙酸和少量的NH₃、甲酸、CO₂、H₂、丙酸，有时伴有其他脂肪酸；Bacteroides graminisolvens类(拟)杆菌属，能分解葡萄糖，产生琥珀酸、乙酸、甲酸、乳酸和丙酸等；Thermovirga lienii属于单胞菌科能降解脂肪产脂肪酸；Dethiosulfatibacter aminovorans能够发酵各种有机物为乙酸、丙酸、CO₂和H₂；Acetobacterium woodii能利用葡萄糖、果糖、乳酸、丙酮酸、甘油、甲酸等有机基质产生乙酸，或者利用CO₂和H₂产生乙酸；Methanobrevibacter ruminantium甲烷短杆菌，能利用CO₂/H₂和甲酸产生甲烷；Methanosaeta harundinacea竹节状甲烷鬃菌，能利用乙酸产生甲烷；Methanosaeta concilii联合鬃毛甲烷菌，能利用乙酸产生甲烷；Methanolinea tarda利用氢和甲酸产甲烷。将所得菌剂投加到正在运行的发酵罐体积500立方的猪粪为原料的沼气工程中，发酵周期20天内，相对于未添加本发明菌剂的对照期，添加本发明菌剂后发酵罐可提高日平均产气量24.8%，所产沼气中甲烷含量平均由53.1%提高到61.5%。

实施例2：取100kg的总固体Ts 7%的城市污水处理厂污泥，在35℃下60rpm震荡培养，先添加2.5%质量分数的100目的白云鄂博铁矿粉，然后每隔1天添加质量分数1%即1kg 60目牛粪直到培养液pH下降到6.5，再每隔3天添加质量分数2% 即2kg 60目按牛粪和玉米秸秆质量比1：1混合物，直到培养液辅酶F420荧光分光光度值为89.6为止，然后所得培养液添加40目的pH调节为7.0的牛粪和泥炭质量份数各半的混合物至水分含量为60%，混合物与培养液的质量之比为2.5：1，置于40℃干燥60小时，即得沼气工程菌剂。菌剂经PCR-DGGE检测，主要由Clostridium beijerinckii、Aminobacterium colombiense、Clostridium cellulovorans、Kosmotoga olearia、Salmonella enterica、Capnocytophaga gingivalis、Dethiosulfatibacter aminovorans、Desulfitobacterium metallireducens、Enterobacter cloacae、Rhodobacter vinaykumarii、Parabacteroides merdae、Zeaxanthinibacter enoshimensis、Acetobacterium woodii、Bacteroides graminisolvens、Methanobrevibacter ruminantium、Methanobacterium beijingense、Methanosaeta harundinacea、Methanobacterium subterraneum、Methanosaeta concilii、Methanolinea tarda组成。尤其优势菌Clostridium beijerinckii拜氏梭菌，能同时利用木糖和葡萄糖产丁醇；Clostridium cellulovorans食纤维梭菌，能分解纤维素纤维产生可发酵糖；Aminobacterium colombiense 氨基杆菌属，代谢产物为乙酸和少量的NH₃、甲酸、CO₂、H₂、丙酸，有时伴有其他脂肪酸； Enterobacter cloacae阴沟肠杆菌，能利用柠檬酸盐和醋酸盐，发酵葡萄糖产酸产气；Dethiosulfatibacter aminovorans能够发酵各种有机物为乙酸、丙酸、CO₂和H₂；Acetobacterium woodii能利用葡萄糖、果糖、乳酸、丙酮酸、甘油、甲酸等有机基质产生乙酸，或者利用CO₂和H₂产生乙酸；Bacteroides graminisolvens 类(拟)杆菌属，能分解葡萄糖，产生琥珀酸、乙酸、甲酸、乳酸和丙酸等；Methanobrevibacter ruminantium甲烷短杆菌，能利用CO₂/H₂和甲酸产生甲烷；Methanobacterium beijingense甲烷杆菌属，专性厌氧产甲烷菌；Methanosaeta harundinacea竹节状甲烷鬃菌，能利用乙酸产生甲烷；Methanosaeta concilii联合鬃毛甲烷菌，能利用乙酸产生甲烷；Methanolinea tarda利用氢和甲酸产甲烷。将所得菌剂投加到正在运行的CSTR发酵罐体积1000×2立方的奶牛粪为原料的沼气工程中，发酵周期25天内，相对于对照罐添加本发明菌剂的发酵罐可提高日平均产气量21.2%，所产沼气中平均甲烷含量由52.4%提高到60.3%。

经实验畜禽类粪污与泥炭、粉煤灰或聚氨酯泡沫混合制备出主要含上述Clostridium beijerinckii、Bacteroides graminisolvens、Acetobacterium woodii、Kosmotoga olearia、Aminobacterium colombiense、Dethiosulfatibacter aminovorans、Methanobrevibacter ruminantium、Methanosaeta harundinacea、Methanosaeta concilii、Methanolinea tarda的沼气工程菌剂，投加到正在运行的沼气工程中，能够显著提高沼气产量和甲烷含量，缩短发酵周期。

Claims

1.一种沼气工程菌剂，其特征是：主要包括下列微生物：Clostridium beijerinckii、Bacteroides graminisolvens、Acetobacterium woodii、Kosmotoga olearia、Aminobacterium colombiense、Dethiosulfatibacter aminovorans、Methanobrevibacter ruminantium、Methanosaeta harundinacea、Methanosaeta concilii、Methanolinea tarda。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：Clostridium cellulovorans。

3.一种沼气工程菌剂的制备方法，其特征是：取一定质量的总固体Ts 0.8%～12%的城市污水处理厂污泥或者沼气工程沼液，在20～35℃或50～55℃下静置培养或20~120rpm震荡培养，添加0.1～3%质量分数的40-200目的白云鄂博铁矿粉，然后每隔1～3天添加质量分数0.4%～1.2%有机废弃物直到培养液pH下降到6.0～6.8，再每隔1～3天添加质量分数1.5%～3.0%有机废弃物，直到培养液辅酶F420荧光分光光度值为20.0～250.0为止，然后所得培养液添加固化剂至水分含量为10%～70%，置于30～50℃干燥1～120小时，即得沼气工程菌剂。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，加入的有机废弃物为40-100目猪粪、鸡粪、牛粪、餐厨垃圾、剩余污泥、玉米秸秆之一或混合。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，加入固化剂是20-200目pH调节为7.0的猪粪、鸡粪、牛粪、泥炭、粉煤灰、聚氨酯泡沫之一或混合。

6.根据权利要求3或5所述的方法，其特征在于，添加的固化剂与所得培养液的质量之比为(1～4)：1。