CN107555596B

CN107555596B - 一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法

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Publication number: CN107555596B
Application number: CN201711056142.XA
Authority: CN
Inventors: 潘丙才; 郭琼; 花铭; 刘常宏; 许友; 孙得胜
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2020-08-21
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: CN107555596A

Abstract

本发明提供了一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，属于废水厌氧生物处理领域，所述方法包括以下步骤：步骤(1)、制备真菌载菌小球；步骤(2)、将所述步骤(1)制备的载菌小球与厌氧活性污泥以1:(2～15)的体积比例混合，构建真菌‑细菌耦合废水厌氧处理系统进行培养；所述真菌为兼性厌氧或厌氧真菌。该方法将真菌与厌氧污泥系统中的细菌耦合，使两种不同类型的微生物之间产生协同作用，真菌的加入有效强化了厌氧污泥系统中细菌分解有机物的能力，进而显著提高厌氧污泥系统的产甲烷效率。

Description

一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法

技术领域

本发明属于废水厌氧生物处理领域，具体地，涉及一种利用真菌提高厌氧污泥产甲烷性能的方法。

背景技术

厌氧生物处理技术是在厌氧条件下，兼性厌氧和厌氧微生物群体将有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程，又称为厌氧消化。由于该技术能耗低，剩余污泥产量少，并可回收生物质能(甲烷)，在废水处理中得到了广泛关注与应用。随着废水厌氧生物处理技术的发展，废水中有机物的去除已经可以基本满足出水水质的要求。然而，废水中所蕴藏的能量没有被充分发掘成为限制废水厌氧处理工艺发展的一个瓶颈。作为厌氧生物处理的主体-厌氧污泥，其高效的生物产甲烷性能不仅是厌氧生物处理工艺高效运行的保障，也很可能为未来能源开发提供新的途径。

常见的提高厌氧污泥产甲烷性能的方法有：1)酸、碱、热等预处理，2)利用反应器外加电、磁场；3)投加化学药剂；4)改进反应器内流场分布；5)添加生物酶、菌剂等。

经检索，现有技术已公布了较多的技术方案，中国专利申请号CN201310708986.3，公告日为2014.04.09的申请案公布了一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其先碱解预处理后的剩余污泥，使其中的有机物液化，再液化消化甲烷，反应周期短，可以在短时间内快速完成产甲烷过程，然而该方法在进行碱解处理前需要将污泥进行预处理以使其含水率提高至96％～99％，操作工艺较为复杂，且添加化学试剂后，剩余污泥处理难度增加。

中国专利申请号CN201410170001.0，公告日为2016.04.06的申请案公布了利用异化金属还原菌促进产甲烷菌产甲烷的方法，该申请案以厌氧污泥、水底沉积物或污水为接种物富集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，该申请案利用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，同时提高了发酵过程中甲烷的生成量及有机物向甲烷转化的转化率，然而采用的菌剂需持续添加，进一步增加了成本。

真菌是一种具有细胞核和细胞壁的异养生物，是生物界中很大的一个类群，在废水处理领域利用较少，近几年的研究表明某些真菌对自然界有毒有害的物质具有较强的降解能力，因此，一些真菌在废水处理领域的应用价值也逐渐得到开发利用；如中国专利申请号CN200910083386.6，公告日为2011.06.29的申请案公布了一种利用白腐真菌和载体处理难降解废水的方法，其先利用载体吸附废水中的COD，后利用载体给白腐真菌提供纤维素刺激性底物诱发其产酶，处理载体吸附的难降解物质。该申请案利用真菌产生的酶对废水中难降解物质的处理，对废水具有一定的处理效果，且无二次污染，然而利用真菌处理废水无法进行甲烷的回收利用。

Schizophyllum commune为裂褶菌，在世界各地分布广泛，该菌含有较强活性的纤维素酶，并能产生苹果酸，菌丝深层发酵时可产生大量有机酸，还可产生促生素吲哚乙酸；此外，从裂褶菌中提取的多糖(SPG)能刺激单核吞噬细胞系统活性，对慢性细菌感染有显著的防御效能，对肿瘤有抑制作用；因此，基于Schizophyllum commune菌的特性，其在食品、医药工业及生物化学等领域具有广泛的应用价值，而在废水治理领域的应用未有报道。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对于现有技术中利用厌氧污泥废水处理系统产甲烷效率不高的问题，本发明旨在提供一种真菌与厌氧污泥系统耦合的方法以提高厌氧污泥系统的产甲烷效率。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供了一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，所述方法利用真菌提高厌氧污泥系统的产甲烷性能。

作为本发明更进一步的改进，所述真菌为兼性厌氧或厌氧真菌。

作为本发明更进一步的改进，所述真菌为Schizophyllum commune菌中的兼性厌氧或厌氧真菌。

作为本发明更进一步的改进，所述方法包括如下步骤：

步骤(1)、制备真菌载菌小球；

步骤(2)、将所述步骤(1)制备的载菌小球与厌氧活性污泥以1:(2～15)的体积比例混合，进行厌氧培养，构建真菌-细菌耦合废水厌氧处理系统。

作为本发明更进一步的改进，所述步骤(1)中，真菌载菌小球制备过程为：

步骤a)、将聚乙烯醇和海藻酸钠的混合液与真菌菌悬液在无氧条件下以体积比(8～15):1混合均匀，制成含菌混合液；

步骤b)、将步骤a)中的含菌混合液在无氧环境下，静滴入含有CaCl₂的饱和硼酸溶液中。

作为本发明更进一步的改进，所述的厌氧培养条件为：pH6.5～7.8、温度25℃～37℃。

作为本发明更进一步的改进，所述真菌-细菌耦合废水厌氧处理系统运行过程中COD:N:P为(500～200):(8～2):1。

作为本发明更进一步的改进，所述厌氧培养方式为静止培养、震荡培养、连续流培养中的任意一种。

作为本发明更进一步的改进，所述的混合液中，聚乙烯醇的质量浓度5.5％～9.5％，海藻酸钠的质量浓度为3.5％～5％；所述的饱和硼酸中CaCl₂质量浓度为3％～7％。

作为本发明更进一步的改进，所述的厌氧污泥系统为普通消化池、厌氧接触消化池、升流式厌氧污泥床、厌氧颗粒污泥膨胀床中的任意一种。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，可以在降解废水中有机物的同时有效回收甲烷，达到环境治理和资源化回收的双重目的，该方法针对于现有的厌氧污泥系统中利用细菌分解有机物产甲烷效率不高的特点，将真菌与厌氧污泥系统中的细菌耦合，使两种不同类型的微生物之间产生协同作用：真菌的加入有效强化了厌氧污泥系统中细菌分解有机物的能力，进而显著提高厌氧污泥系统的产甲烷效率；现有技术中对于真菌在废水处理方面的应用仅限于使用真菌分解有机物，本发明的方法使真菌在废水进行甲烷回收的价值得到有效发挥，利于推广。

(2)本发明的一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，采用将真菌负载在载菌小球内，并使载菌小球与厌氧污泥按照1：(2～15)体积比耦合，一方面避免因真菌数量过少，在最初耦合系统中活性较低，不能充分发挥作用；另一方面避免因真菌数量过多从而影响厌氧污泥系统中的细菌生长；使耦合系统形成最佳的真菌-细菌菌落结构，最大限度的发挥真菌和细菌之间互营协作关系，从而产生优异的产甲烷性能。

(3)本发明的一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，该方法作用时间长，为达到使真菌发挥长效作用的目的，将载菌小球作为真菌的载体，为真菌提供相对独立的生长环境，同时真菌的分泌物等可以通过载菌小球的孔隙排出至耦合系统，在保证废水处理过程中真菌活性的同时，使其有效发挥作用，载菌小球制备条件温和，制备步骤简单，无环境污染。

(4)本发明的一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，所使用的真菌为Schizophyllum commune菌中的兼性厌氧真菌，Schizophyllum commune真菌在自然界分布较为广泛，在食品、医药工业及生物化学等领域具有广泛的应用价值，而在废水治理领域的应用未有报道，本发明的方法进一步拓宽了Schizophyllum commune菌的应用范围，使得Schizophyllum commune菌应用于废水生物处理领域，达到充分的资源化利用。

(5)本发明的一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，该方法具有环境友好性，不需要添加任何化学试剂，有效防止在废水处理过程中的二次污染问题。

(6)本发明的一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，适用范围广，可以对颗粒污泥和絮状污泥等的多种有机废水厌氧生物污泥进行处理。

附图说明

图1为本发明中不同条件下厌氧污泥系统产甲烷性能表征结果图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

对照例1

本对照例1为不含真菌的厌氧污泥系统的对照组，具体操作如下：

步骤(1)、制备非载菌小球作为空白对照，将质量浓度为5.5％的聚乙烯醇和质量浓度为3.5％的海藻酸钠混合液，制成混合液I。

将上述混合液I在无氧环境下，以5mL/min速度静滴入低速搅拌的溶液II中制备非载菌小球，该溶液II为CaCl₂质量浓度为3％的饱和硼酸溶液；将制备的非载菌小球在N₂环境中用生理盐水润洗3次，载菌小球直径为3～4mm，呈现多孔微观结构，孔径约0.30mm。

步骤(2)、将制备的非载菌小球与厌氧颗粒污泥以体积比1:10混合接种于血清瓶内培养，以血清瓶作为厌氧污泥系统的反应器，该血清瓶内有机物的COD浓度为1000mg/L，COD:N:P为200:5:1以模拟有机废水条件，添加厌氧污泥系统运行必需的无机盐和微量元素，调整系统pH至7.0，曝Ar气10min后，于25℃条件下混合培养。

测得的比污泥产甲烷效率(SMA)为0.163±0.009gCOD_CH4/(g-VSS d)。

对照例2：

本对照例1为单独利用真菌产甲烷的对照组，具体操作如下：

步骤(1)、制备载菌小球。将质量浓度为5.5％的聚乙烯醇和质量浓度为3.5％的海藻酸钠混合液与Schizophyllum commune菌悬液在无氧条件下以体积比8:1混合均匀，制成含菌混合液I。

将上述混合液I在无氧环境下，以5mL/min速度静滴入低速搅拌的溶液II中制备载菌小球，该溶液II的组成为CaCl₂质量浓度为3％的饱和硼酸溶液；将制备的非载菌小球在N₂环境中用生理盐水润洗3次，载菌小球直径为3～4mm，呈现多孔微观结构，孔径约0.30mm。

步骤(2)、制备的载菌小球接种于血清瓶内，以血清瓶作为厌氧污泥系统的反应器，该血清瓶内有机物的COD浓度为1000mg/L，COD:N:P为200:5:1以模拟有机废水条件，添加厌氧污泥系统运行必需的无机盐和微量元素，调整系统pH至7.0，曝Ar气10min后，于25℃条件下混合培养，测得甲烷产率为12μmol CH₄/d。

试验发现，在只有真菌存在的废水处理系统中，几乎无法利用真菌进行产甲烷。

实施例1：

本实施例利用真菌提高厌氧污泥系统产甲烷性能的具体操作步骤如下：

步骤(1)、制备载菌小球。将质量浓度5.5％的聚乙烯醇和质量浓度为3.5％的海藻酸钠混合液，与Aspergillus sydowii菌悬液在无氧条件下以体积比8:1混合均匀，制成含菌混合液。将上述含菌混合液I在无氧环境下，以5mL/min速度静滴入低速搅拌的溶液II中制备载菌小球，该溶液II的组成为CaCl₂质量浓度为3％的饱和硼酸溶液；将制备的载菌小球在N₂环境中用生理盐水润洗3次，载菌小球直径为3～4mm，呈现多孔微观结构，孔径约0.33mm。该载菌小球的孔径小于Schizophyllum commune菌直径，将该菌体控制在载菌小球的内部以保证其良好的生存环境。

步骤(2)、真菌-细菌耦合厌氧污泥废水处理系统的构建。将制备的载菌小球与厌氧颗粒污泥以体积比1:6混合接种于血清瓶内，该血清瓶内有机物的COD浓度为1000mg/L，COD:N:P为200:5:1以模拟有机废水条件，添加厌氧污泥系统运行必需的无机盐和微量元素等，调整pH至6.5，曝Ar气10min，于25℃，180rpm下混合培养。

测得的比污泥产甲烷效率(SMA)为0.206±0.012gCOD_CH4/(g-VSS d)，结合图1所示，相较于对照例1，SMA提升约26.4％。

由上述结果可得，将Schizophyllum commune菌与厌氧污泥系统中的细菌耦合，两种不同类型的微生物之间产生协同作用，Schizophyllum commune菌的加入有效强化了厌氧污泥系统中细菌分解有机物的能力，显著提高厌氧污泥系统的产甲烷效率。

实施例2：

步骤(1)、制备真菌-载菌小球。将质量浓度6％的聚乙烯醇和质量浓度为3.5％的海藻酸钠混合液，与Schizophyllum commune菌悬液在无氧条件下以体积比10:1混合均匀，制成含菌混合液I；将上述含菌混合液I在无氧环境下，以5mL/min速度静滴入低速搅拌的溶液II中制备载菌小球，该溶液II的组成为CaCl₂质量浓度为4％的饱和硼酸溶液；将制备的载菌小球在N₂环境中用生理盐水润洗3次，载菌小球直径为3～4mm，呈现多孔微观结构，孔径约0.3mm。

步骤(2)、真菌-细菌耦合厌氧污泥废水处理系统的构建。将制备的载菌小球与厌氧颗粒污泥以体积比1:5混合接种于血清瓶内，该血清瓶内有机物的COD浓度为1000mg/L，COD:N:P为200:5:1以模拟有机废水条件，添加厌氧污泥系统运行必需的无机盐和微量元素等，调整pH至6.8，曝Ar气10min，于35℃，180rpm下混合培养。

测得的比污泥产甲烷效率(SMA)为0.224±0.014gCOD_CH4/(g-VSS d)，结合图1所示，相较于对照例1，SMA提升约37.4％。

实施例3：

步骤(1)、制备厌氧真菌-载菌小球。将质量浓度9.5％的聚乙烯醇和质量浓度为5％的海藻酸钠混合液，与Schizophyllum commune菌悬液在无氧条件下以体积比15:1混合均匀，制成含菌混合液I；将上述含菌混合液I在无氧环境下，以5mL/min速度静滴入低速搅拌的溶液II中制备载菌小球，该溶液II的组成为CaCl₂质量浓度为7％的饱和硼酸溶液；将制备的载菌小球在N₂环境中用生理盐水润洗5次，载菌小球直径为3～4mm，呈现多孔微观结构，孔径约0.35mm。

步骤(2)、真菌-细菌耦合厌氧污泥废水处理系统的构建。将制备的载菌小球与厌氧颗粒污泥以体积比1:2混合，接种于血清瓶内，该血清瓶内有机物的COD浓度为1000mg/L，COD:N:P为500:8:1以模拟有机废水条件，添加厌氧污泥系统运行必需的无机盐和微量元素等，调整pH至7.8，曝Ar气12min，于37℃，180rpm下混合培养。

测得的比污泥产甲烷效率(SMA)为0.204±0.007gCOD_CH4/(g-VSS d)，结合图1所示，相较于对照例1，SMA提升约25.2％。

实施例4：

步骤(1)、制备真菌-载菌小球。将质量浓度5.5％的聚乙烯醇和质量浓度为4％的海藻酸钠混合液，与Schizophyllum commune菌悬液在无氧条件下以体积比9:1混合均匀，制成含菌混合液I；将上述含菌混合液I在无氧环境下，以10mL/min速度静滴入低速搅拌的溶液II中制备载菌小球，该溶液II的组成为CaCl₂质量浓度为3.5％的饱和硼酸溶液；将制备的载菌小球在N₂环境中用生理盐水润洗5次，载菌小球直径为3～4mm，呈现多孔微观结构，孔径约0.29mm。

步骤(2)、真菌-细菌耦合厌氧污泥废水处理系统的构建。将制备的载菌小球与厌氧颗粒污泥混合以体积比1:15混合，接种于血清瓶内，该血清瓶内有机物的COD浓度为1000mg/L，COD:N:P为300:2:1以模拟有机废水条件，添加厌氧污泥系统运行必需的无机盐和微量元素等，调整pH至7.2，曝Ar气10min，于30℃，180rpm下混合培养。

测得的比污泥产甲烷效率(SMA)为0.184±0.019gCOD_CH4/(g-VSS d)，结合图1所示，相较于对照例1，SMA提升约12.9％。

对照例3

对照例中载菌小球与厌氧污泥的体积比1:1，具体操作步骤如下：

步骤(2)、真菌-细菌耦合厌氧污泥废水处理系统的构建。将制备的载菌小球与厌氧污泥混合以体积比1:1混合，接种于血清瓶内，该血清瓶内有机物的COD浓度为1000mg/L，COD:N:P为200:5:1以模拟有机废水条件，添加厌氧污泥系统运行必需的无机盐和微量元素等，调整pH至6.8，曝Ar气10min，于35℃，180rpm下混合培养。

测得的比污泥产甲烷效率(SMA)为0.166±0.014gCOD_CH4/(g-VSS d)，结合图1所示，相较于对照例1，比污泥产甲烷效率(SMA)基本没有提升。

结果表明，载菌小球与厌氧污泥的体积比1:1时不能明显提高厌氧污泥产甲烷性能；分析其结果在于，在真菌-细菌耦合系统中真菌处于生长优势，干扰了厌氧污泥中厌氧细菌的活性。

对照例4

对照例中载菌小球与厌氧污泥的体积比1:20，具体操作步骤如下：

步骤(1)、制备真菌-载菌小球。将质量浓度6％的聚乙烯醇和质量浓度为3.5％的海藻酸钠混合液，与Schizophyllum commune菌悬液悬液在无氧条件下以体积比10:1混合均匀，制成含菌混合液I；将上述含菌混合液I在无氧环境下，以5mL/min速度静滴入低速搅拌的溶液II中制备载菌小球，该溶液II的组成为CaCl₂质量浓度为4％的饱和硼酸溶液；将制备的载菌小球在N₂环境中用生理盐水润洗3次，载菌小球直径为3～4mm，呈现多孔微观结构，孔径约0.3mm。

步骤(2)、真菌-细菌耦合厌氧污泥废水处理系统的构建。将制备的载菌小球与厌氧污泥混合以体积比1:20混合，接种于血清瓶内，该血清瓶内有机物的COD浓度为1000mg/L，COD:N:P为200:5:1以模拟有机废水条件，添加厌氧污泥系统运行必需的无机盐和微量元素等，调整pH至6.8，曝Ar气10min，于35℃，180rpm下混合培养。

测得的比污泥产甲烷效率(SMA)为0.169±0.020gCOD_CH4/(g-VSS d)，结合图1所示，相较于对照例1，比污泥产甲烷效率(SMA)基本没有提升。

结果表明，载菌小球与厌氧污泥的体积比1:20条件下不能明显提高厌氧污泥产甲烷性能。分析其原因在于：1)真菌所占的比例过小时，不能很好的发挥其作用；2)在最初构建耦合系统时，由于真菌数量较少不能适应厌氧污泥系统环境，存在大量失活的现象。

表1为各种试验条件下对照组和实验组对比结果。

表1对照组和实验组对比结果

根据表1结果可知，将Schizophyllum commune菌与厌氧污泥系统中的细菌耦合显著提高厌氧污泥系统的产甲烷效率，提高率为12.9％～37.4％。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，其特征在于：所述方法利用真菌提高厌氧污泥系统产甲烷的性能，所述真菌为Schizophyllum commune菌中的兼性厌氧或厌氧真菌，所述方法包括如下步骤：步骤（1）、制备真菌载菌小球，载菌小球的直径为 3~4mm，载菌小球孔径0.29~0.35mm；步骤（2）、将所述步骤（1）制备的载菌小球与厌氧活性污泥以 1:（2~15）的体积比例混合，进行厌氧培养，构建真菌-细菌耦合废水厌氧处理系统，所述的步骤（1）中，真菌载菌小球制备过程为：步骤 a）、将聚乙烯醇和海藻酸钠的混合液与真菌菌悬液在无氧条件下以体积比（8~15）:1 混合均匀，制成含菌混合液；步骤 b）、将步骤 a）中的含菌混合液在无氧环境下，静滴入含有 CaCl₂的饱和硼酸溶液中。

2.根据权利要求 1 所述的提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，其特征在于：所述的厌氧培养条件为：pH6.5~7.8、温度 25°C~37°C。

3.根据权利要求 2 所述的提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，其特征在于：所述真菌-细菌耦合废水厌氧处理系统运行过程中 COD:N:P 为（500~200）:（8~2）:1。

4.根据权利要求 2所述的提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，其特征在于：所述厌氧培养方式为静止培养、震荡培养、连续流培养中的任意一种。

5.根据权利要求3 所述的提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，其特征在于：所述的混合液中，聚乙烯醇的质量浓度 5.5%~9.5%，海藻酸钠的质量浓度为 3.5%~5%；所述的饱和硼酸中 CaCl₂质量浓度为 3%~7%。

6.根据权利要求 1 或 2 所述的提高厌氧污泥产甲烷性能的方法，其特征在于：所述的厌氧污泥系统为普通消化池、厌氧接触消化池、升流式厌氧污泥床、厌氧颗粒污泥膨胀床中的任意一种。