CN113308496B - 一种利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法 - Google Patents

一种利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法，该方法以光合细菌作为菌源，经扩大化培养和离心处理得到光合细菌菌体，将光合细菌菌体投入到厌氧发酵反应器并辅助光照，通过检测指标变化判断恢复厌氧发酵酸抑制体系正常产气和产甲烷能力。该方法可以在12d内解除酸抑制、恢复正常发酵性能，而且不会对体系内微生物群落结构产生较大影响，可以保持体系内原有的微生物功能。

Description

一种利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的 方法
技术领域
本发明属于水处理工艺技术领域，具体涉及一种利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法。
背景技术
厌氧发酵作为一种成熟的污水处理工艺，目前已经广泛应用于食品加工、纺织化工、造纸印刷等行业的废水处理中。但传统的厌氧发酵工艺在实际运行中常因系统运行有机负荷过高或者进水中C/N不平衡等造成挥发性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)的积累，进而导致酸抑制问题，限制了该工艺的进一步推广应用。
中国专利号为201210490706.1的《一种缓解有机废水厌氧消化产甲烷相的酸性抑制的方法》申请案，该专利通过利用TiO2改善厌氧活性污泥的沉降特性，提高产甲烷活性污泥的浓度，减少产甲烷活性污泥的流失，并在厌氧消化装置中使用碳酸氢根型强碱性离子交换树脂，降低分子态有机酸的存在比例，在总体上缓冲由于有机酸累积而造成的pH酸性环境对产甲烷过程的不利影响。该方法存在的问题在于：操作步骤繁琐、厌氧消化反应器中强碱性阴离子交换树脂的添加量难以确定。
中国专利号为201510818782.4的《一种抑制蔬菜废弃物厌氧发酵过酸化的复合微生物制剂》申请案，该专利制备了一种复合微生物菌剂(包含枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、毕赤酵母和酿酒酵母等)，利用该复合微生物菌剂所具有的分解有机酸和产生碱性物质的能力，维持蔬菜废弃物厌氧发酵体系的酸碱平衡，保障产沼气过程的顺利进行。该方法存在的问题在于：微生物菌剂构成复杂，配比繁琐，培养困难，难以在实际工程中大范围推广应用。
中国专利号为201710833822.1的《一种快速缓解厌氧发酵系统有机酸抑制的方法》申请案，该专利通过停止进料同时投加生物炭来缓解有机酸抑制，并通过监测发酵液的pH、挥发性脂肪酸和产气量综合评估厌氧发酵系统恢复程度；当pH、VFA和产气量逐渐恢复酸化前状态，即可低负荷进料，待发酵系统稳定后逐渐增加负荷恢复厌氧发酵系统。该方法存在的问题在于：恢复范围较窄(可恢复pH下限仅为6.6)，恢复时间较长(需用30～45d)，限制了该方法的进一步应用。
基于实际废水厌氧发酵过程中存在的酸抑制问题和以上专利文献存在的不足，本发明旨在提出一种可以快速解除厌氧发酵系统酸抑制，恢复系统正常pH 值和产甲烷能力的方法，该方法不仅可以在12d内解除酸抑制、恢复正常发酵性能，而且不会对体系内微生物群落结构产生较大影响，可以保持体系内原有的微生物功能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种可以快速解除厌氧发酵酸抑制、恢复系统正常产气和产甲烷能力的方法，该方法不仅可以在12d内解除酸抑制、恢复正常发酵性能，而且不会对体系内微生物群落结构产生较大影响，可以保持体系内原有的微生物功能。该方法基于光合细菌可以吸收挥发性脂肪酸同时产生碱性代谢产物的特点，以市售廉价的光合细菌作为生物强化菌剂，经简单扩培后，向受挥发性脂肪酸抑制的发酵系统中投加光合菌剂，使其通过自身代谢消耗挥发性脂肪酸、提升系统pH，进而解除发酵系统酸抑制，恢复系统正常产气和产甲烷能力。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法，该方法以光合细菌作为菌源，经扩大化培养和离心处理得到光合细菌菌体，将光合细菌菌体投入到厌氧发酵反应器并辅助光照，通过检测指标变化判断恢复厌氧发酵酸抑制体系正常产气和产甲烷能力。
其中，所述光合细菌菌体以改良RCVBN培养基对光合细菌进行富集培养 7～10天，离心去除上清液得到。
进一步，所述改良RCVBN培养基为：DL苹果酸(4g/L)，硫酸镁(0.1g/L)，硫酸钙(1g/L)，氯化钙(0.075g/L)，磷酸二氢钾(0.5g/L)，磷酸氢二钾(0.3g/L)，乙二胺四乙酸二钠(0.02g/L)，生物素(0.015g/L)，尼克酸(0.001g/L)，维生素 B1(0.001g/L)。
优选的，所述离心条件为：12000-13000r下离心1min。
所述光合细菌菌体的添加量为发酵体系总体积的10-15％。
所述光照为白炽灯光照，保持光强为5400-6000lux。
所述厌氧发酵反应器通过以下方式启动：接种污泥和废水，以1000mg COD /L/d的低负荷启动厌氧发酵反应器，产气量及产甲烷率缓慢升高；待反应器稳定运行后，提升有机负荷至5000mg COD/L/d，反应器pH急剧降低，产气量及产甲烷率降低，系统明显酸化。
所述检测指标包括产气量、产甲烷率、pH等指标。
所述恢复厌氧发酵酸抑制体系正常产气和产甲烷能力时间为12～15天。
一种利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法的应用，其特征在于：可以应用于啤酒酿造废水厌氧发酵处理、餐厨垃圾厌氧发酵处理、畜禽粪便厌氧发酵等易于发生厌氧发酵酸抑制的领域。
本发明优点：
(1)光合细菌廉价易得，繁殖速度快。目前市售光合细菌的价格仅为15～45 元/升，且其生长速度较快，可以在较短时间(7～10d)迅速繁殖出大量微生物菌体。
(2)系统酸抑制解除速度快，该技术可在约12d时间内解除发酵系统的酸抑制，恢复正常产气和产甲烷能力。
(3)光合细菌可控性强，不会对体系内原有微生物群落产生较大影响。由于光合细菌生长需要以光为能源，因此当系统酸抑制解除后，可以通过停止外部光照来降低光合细菌活性，使其转变为休眠状态，减少对于体系内原有微生物的干扰。
(4)处理后无二次污染，传统的添加碱性化学药剂解除酸抑制的方法会产生大量含盐废水，需要后续深度处理，进而导致处理成本的提升，并对体系内其他处理装置造成一定的污染风险。光合细菌酸抑制解除法作为一种微生物恢复方法，在处理后不会产生类似的化学污染物，可以有效避免这一问题。
(5)可以提高后续好氧段的污水处理效率，光合菌剂因其自身同时具有好氧、厌氧两种代谢模式，可以在前部厌氧段添加后，随出水流入后部好氧段，继续发挥污水处理作用，进一步提高整体的污水处理效率。
(6)与传统的添加碱性化学药剂法相比，该方法性价比更高。目前市售光合细菌菌液价格约为15～45元/升，其实际pH约为9～10.5，而相同pH的市售缓冲溶液价格约为68元/升，因而在相同投加量下该方法的成本更低。
(7)该方法简单可行，所需微生物菌剂成本较低，酸抑制解除效果较好，适于大规模推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明工艺流程图；
图2为厌氧发酵系统酸抑制解除过程中pH变化图；
图3为厌氧发酵系统酸抑制解除过程中气体甲烷含量变化图；
图4为厌氧发酵系统酸抑制解除过程中累积产气量变化图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的实质，下面结合具体实施例和附图对本发明进一步的阐述。
实施例1
本发明提供了一种利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法，工艺流程图如图1所示，具体实施如下：
(1)光合细菌的培养：以改良的RCVBN培养基对市场上购得的光合细菌进行富集培养，约7～10d后，获得大量微生物菌体，于12000r下离心1min，去除上清液，获得光合细菌菌体。
(2)启动反应器，模拟酸化条件：以某啤酒厂污水处理站厌氧塔污泥作为接种污泥，采用500mL蓝盖瓶作为厌氧批次反应器，接种人工模拟废水，以1000 mg COD/L/d的低负荷启动三组相同的反应器，产气量及产甲烷率缓慢升高。约 18d后，反应器达到稳定运行状态，提升有机负荷至5000mg COD/L/d，如图 2-图4所示，反应器pH急剧降低至6.0左右，产甲烷率降低至30％，相应产气量也大幅度降低，系统明显酸化。
(3)投加光合菌体进行恢复：将步骤(1)中得到的光合细菌菌体以10％比例投加到其中一组反应器中，并辅助白炽灯光照，保持光强为5400lux。另外两组分别保持只投加光合细菌但不施加光照以及不采取任何恢复措施的处理，持续监测三组反应器的产气量、产甲烷率、pH等指标变化。
(4)反应器恢复正常运行：约15d后，如图2～图4所示，投加光合细菌并施加光照组反应器的pH恢复至7.0左右，产甲烷率恢复至62％，产气量恢复至正常水平，此时对该组停止施加光照和投加光合细菌，恢复正常发酵过程。相应地，只投加光合细菌但不施加光照组pH恢复至6.8，产甲烷率恢复至58％，产气量有所恢复。不采取任何恢复措施组pH降低至5.8，产甲烷率仍维持在30％，产气量无明显恢复，表明其仍处于酸抑制状态。
实施例2
光合细菌的培养：以改良的RCVBN培养基对市场上购得的光合细菌进行富集培养，约7d后，获得大量微生物菌体，于12000r下离心1min，去除上清液，获得光合细菌菌体。
启动反应器，模拟酸化条件：以某啤酒厂污水处理站厌氧塔污泥作为接种污泥，采用1000mL蓝盖瓶作为厌氧批次反应器，接种人工模拟废水，以1200mg COD/L/d的低负荷启动三组相同的反应器，产气量及产甲烷率缓慢升高。约18d 后，反应器达到稳定运行状态，提升有机负荷至6000mg COD/L/d，如图2～图 4所示，反应器pH急剧降低至6.0左右，产甲烷率降低至30％，相应产气量也大幅度降低，系统明显酸化。
投加光合菌体进行恢复：将步骤(1)中得到的光合细菌菌体以10％比例投加到其中一组反应器中，并辅助白炽灯光照，保持光强为6000lux。另外两组分别保持只投加光合细菌但不施加光照以及不采取任何恢复措施的处理，持续监测三组反应器的产气量、产甲烷率、pH等指标变化。
反应器恢复正常运行：约15d后，如图2～图4所示，投加光合细菌并施加光照组反应器的pH恢复至7.0左右，产甲烷率恢复至62％，产气量恢复至正常水平，此时对该组停止施加光照和投加光合细菌，恢复正常发酵过程。相应地，只投加光合细菌但不施加光照组pH恢复至6.8，产甲烷率恢复至58％，产气量有所恢复。不采取任何恢复措施组pH降低至5.8，产甲烷率仍维持在30％，产气量无明显恢复，表明其仍处于酸抑制状态。
实施例3
光合细菌的培养：以啤酒废水对市场上购得的光合细菌进行富集培养，约 10d后，获得大量微生物菌体，于13000r下离心1min，去除上清液，获得光合细菌菌体。
启动反应器，模拟酸化条件：以某工业废水处理站厌氧污泥作为接种污泥，采用三组相同的UASB反应器对高浓度有机废水进行处理，约18d后，反应器达到稳定运行状态，此时突然增大有机负荷，如图2～图4所示，反应器pH急剧降低至6.0左右，产甲烷率降低至30％，相应产气量也大幅度降低，系统明显酸化。
投加光合菌体进行恢复：将步骤(1)中得到的光合细菌菌体以15％比例投加到其中一组反应器中，并辅助白炽灯光照，保持光强为6000lux。另外两组分别保持只投加光合细菌但不施加光照以及不采取任何恢复措施的处理，持续监测三组反应器的产气量、产甲烷率、pH等指标变化。
反应器恢复正常运行：约16d后，如图2～图4所示，投加光合细菌并施加光照组反应器的pH恢复至7.0左右，产甲烷率恢复至62％，产气量恢复至正常水平，此时对该组停止施加光照和投加光合细菌，恢复正常发酵过程。相应地，只投加光合细菌但不施加光照组pH恢复至6.8，产甲烷率恢复至58％，产气量有所恢复。不采取任何恢复措施组pH降低至5.8，产甲烷率仍维持在30％，产气量无明显恢复，表明其仍处于酸抑制状态。

Claims (5)

1.一种利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法，其特征在于：该方法以光合细菌作为菌源，经扩大化培养和离心处理得到光合细菌菌体，将光合细菌菌体投入到厌氧发酵反应器并辅助光照，通过检测指标变化判断恢复厌氧发酵酸抑制体系正常产气和产甲烷能力；
所述光合细菌菌体以改良RCVBN培养基对光合细菌进行富集培养7~10天，离心去除上清液得到；所述光合细菌菌体的添加量为发酵体系总体积的10-15%；所述厌氧发酵反应器通过以下方式启动：接种污泥和废水，以1000 mg COD /L/d的低负荷启动厌氧发酵反应器，产气量及产甲烷率缓慢升高；待反应器稳定运行后，提升有机负荷至5000 mg COD /L/d，反应器pH急剧降低，产气量及产甲烷率降低，系统明显酸化; 所述光照为白炽灯光照，保持光强为5400-6000lux；
所述改良RCVBN培养基为：DL苹果酸4g/L，硫酸镁0.1g/L，硫酸钙1g/L，氯化钙0.075g/L，磷酸二氢钾0.5g/L，磷酸氢二钾0.3g/L，乙二胺四乙酸二钠0.02g/L，生物素0.015g/L，尼克酸0.001g/L，维生素B10.001g/L。
2.根据权利要求1所述的利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法，其特征在于：所述离心条件为：12000-13000r/min，离心1min。
3.根据权利要求1所述的利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法，其特征在于：所述检测指标包括产气量、产甲烷率、pH指标。
4.根据权利要求1所述的利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法，其特征在于：所述恢复厌氧发酵酸抑制体系正常产气和产甲烷能力时间为12~15天。
5.一种如权利要求1所述的利用光合细菌恢复厌氧发酵酸抑制体系产甲烷性能的方法的应用，其特征在于：应用于易于发生厌氧发酵酸抑制的领域，包括啤酒酿造废水厌氧发酵处理、餐厨垃圾厌氧发酵处理、畜禽粪便厌氧发酵。
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