CN114106977A - 生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微生物厌氧发酵技术和厌氧活性污泥技术领域，具体为一种生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统和方法，用于制备厌氧发酵反应器快速启动的接种物。系统主要包括厌氧微生物驯化系统、固液分离系统和真空冻干封装系统。通过生物炭载体实现厌氧微生物的快速富集和驯化，利用固液分离实现污泥脱水，利用真空冷冻干燥技术并添加冻干保护剂来进一步减少水分和提高菌种的活性，大大降低菌泥的储运成本和提高应用时效性。

Description

生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统和方法
技术领域
本发明涉及微生物厌氧发酵技术和厌氧活性污泥技术领域，具体为一种生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统和方法，用于制备厌氧发酵反应器快速启动的接种物。
背景技术
厌氧消化是一个多菌种混合、多过程叠加、多物质传递、多相态变化、多能量转换的复杂过程，采用厌氧微生物技术处理废弃物具有处理效果好、成本低廉，无二次污染等特点，符合绿色环保理念。
生物炭具有孔径多、比表面积大、官能团多和导电等特点，作为载体介导有机质厌氧消化系统，可支持细胞的固定化和微生物的生长，有利于生物膜的形成和增殖，有利于产甲烷古菌的增殖，其中甲烷八叠球菌属易富集在粒径2～5mm的生物炭表面结构紧密区域,甲烷鬃毛菌属易富集在全粒径生物炭表面结构疏松的区域，以及75～150μm粒径结构紧密的部分。具有导电性的生物炭作为厌氧消化过程中的电子导体，能够促进产氢产乙酸菌与产甲烷菌群之间的直接种间电子传递，从而加速甲烷的生成。生物炭在有机质厌氧发酵体系中起到了生物膜载体的介导作用，通过固定化微生物、吸附有机质、调控CO2与活性氢[H]的浓度配比，使有机质厌氧发酵体系的日产甲烷量与甲烷含量显著提升。因此，生物炭是一种对厌氧微生物具有很好选择性的载体材料。固定化的微生物比游离的微生物产气效率更好，但污泥颗粒化要很长时间才能形成。将生物炭固定微生物的载体材料，将加快污泥颗粒化，实现污泥快速培养驯化。
在厌氧发酵反应器启动阶段，优良活性的接种物是实现厌氧反应器快速启动的一个关键性因素。正常情况下，厌氧反应器内活性污泥浓度越高，厌氧反应器处理能力就越强。目前，工程应用的活性污泥通常含水率高，存在运输不便等缺点。固态接种物在运输、贮藏和质量控制等方面都优于液态菌剂，其保藏成本较低，易于规模化生产。但是，国内目前对固态接种物的研究还比较少，存在细胞存活率不高，菌剂活性低，应用效果不佳等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统和方法，用于快速启动厌氧消化系统，快速富集和稳定微生物，有效提高厌氧消化有机物降解效率，提高菌剂活性和降低储运成本。
本发明的技术原理：一种生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统，通过生物炭载体实现厌氧微生物的快速富集和驯化，利用固液分离实现污泥脱水，利用真空冷冻干燥技术并添加冻干保护剂来进一步减少水分和提高菌种的活性，大大降低菌泥的储运成本和提高应用时效性。
本发明的技术方案：一种生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统，主要包括厌氧微生物驯化系统、固液分离系统和真空冻干封装系统；所述厌氧微生物驯化系统，主要由厌氧反应器、沼气罐、污泥泵和沼气回流泵组成；所述厌氧反应器内产生的沼气流向所述沼气罐；所述沼气回流泵进气端连接所述沼气罐，出气端连接所述厌氧反应器底部的曝气盘；所述厌氧反应器出泥口连接所述污泥泵的进口端；所述固液分离系统主要由低温离心机和沼气吹洗泵组成；所述污泥泵的另一端连入所述低温离心机；所述沼气冲洗泵的一端连接所述沼气罐，另一端接入所述低温离心机；所述真空冻干封装系统主要由真空冷冻干燥机和真空封装机组成。
进一步，所述厌氧反应器为厌氧气提反应器，底部布置微孔曝气盘，气源为所述沼气罐内的沼气。
进一步，所述厌氧反应器内添加有接种污泥、营养底物和生物炭粉；所述营养底物可根据活性微生物聚合体应用环境而定向配置；所述生物炭粉由农林废弃物热解炭化制得，经粉碎至0.45mm-1mm粒径后加入厌氧反应器作为微生物载体。
进一步，所述低温离心机设有排气孔、进泥孔、进气孔和排水孔，沼气吹洗泵接入进气孔，通入沼气吹洗所述低温离心机腔体并形成厌氧环境，吹洗后有排气孔流向集气袋；所述低温离心机安装有可取换的离心桶，污泥泵接入低温离心机的进泥口并将炭基泥液混合物泵入离心桶内。
进一步，所述真空冷冻干燥机用于冻干炭基污泥；所述真空封装机用于保存冻干后的生物炭基厌氧微生物聚合体。
进一步，所述所有管路连接处、管路与装置连接处及装置连接处均作密封处理。
本发明还提供一种上述系统的方法，具体操作步骤如下：
（1）连接各装置，将定向驯化接种物的发酵料液定期泵入厌氧反应器中，同时按发酵底物TS量的5%-10%添加生物炭粉末，按厌氧反应器体积的30%加入接种物，按曝气1h停止1h间歇方式对发酵液气动搅拌，加快生物炭富集厌氧微生物形成炭基微生物聚合体。
（2）反应器运行稳定，取样测量炭基活性微生物聚合体的MLSS、SV值，待测定COD去除率达到90%以上，NH3-N去除率在30%以上，可认为培养阶段结束。
（3）停止对厌氧反应器曝气并静置3-6h后，启动沼气冲洗泵对低温离心机冲洗，形成厌氧环境；而后，启动污泥泵将炭基污泥泵入低温离心机内置的离心桶，加满后关闭污泥泵、沼气冲洗泵及离心机的排气孔，然后启动离心机实现固液分离。
（4）待固液分离完成后，取出离心桶加入冻干保护剂并搅拌，再置于-20℃低温预冷冻3-5h，然后放置在冷冻干燥机内冻干，冻干结束后，将干燥的生物炭基厌氧微生物聚合体真空包装并置于4℃低温保存。
进一步，步骤（4）中所述的冻干保护剂的添加量为炭基污泥的1/10；冻干保护剂是由15%脱脂乳、10%蔗糖和甘油组成，其配制比例为0.6：0.3：0.1（以体积比计）。
本发明的有益效果：（1）本发明利用生物炭为载体，实现厌氧微生物快速富集驯化，加快颗粒化炭基微生物聚合体的形成。
（2）本发明中生物炭基厌氧微生物聚合体具有菌活性高、环境适应性强以及易储运等优点。
（3）本发明的系统利用沼气循环实现原位气动搅拌和离心机腔体冲洗，提高了聚合体形成速率、维持了离心系统的厌氧环境进一步提高厌氧微生物聚合体的成活率。
附图说明
图1为本发明的生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统的流程示意图。
图2为本发明的生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统的低温离心机部分结构示意图。
图中标记说明：1厌氧反应器；2沼气回流泵；3导气管a；4沼气罐；5沼气冲洗泵；6导气管b；7污泥泵；8污泥管；9低温离心机；10真空冷冻干燥机；11真空封装机；12排气孔；13进泥孔；14进气孔；15离心桶；16排水孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例一：
如图1所示，本发明的一种生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统，主要包括厌氧微生物驯化系统、固液分离系统和真空冻干封装系统；所述厌氧微生物驯化系统，主要由厌氧反应器1、沼气回流泵2、沼气罐4和污泥泵7组成；所述厌氧反应器1内产生的沼气经导气管a3流向所述沼气罐4；所述沼气回流泵2进气端连接所述沼气罐4，出气端连接所述厌氧反应器1底部的曝气盘；所述厌氧反应器1的出泥口连接所述污泥泵7的进口端；所述固液分离系统主要由低温离心机9和沼气吹洗泵5组成；所述污泥泵7的另一端经污泥管8连入所述低温离心机9；所述沼气冲洗泵5的一端连接所述沼气罐4，另一端经导气管6接入所述低温离心机9；所述真空冻干封装系统主要由真空冷冻干燥机10和真空封装机11组成。
进一步，所述厌氧反应器1为厌氧气提反应器，底部布置微孔曝气盘，气源为所述沼气罐4内的沼气；所述厌氧反应器1内添加有接种污泥、营养底物和生物炭粉；所述营养底物可根据活性微生物聚合体应用环境而定向配置；所述生物炭粉由农林废弃物热解炭化制得，经粉碎至0.45mm-1mm粒径后加入厌氧反应器1内作为微生物载体。
进一步，所述低温离心机9设有排气孔12、进泥孔13、进气孔14和排水孔16，沼气吹洗泵5接入进气孔14，通入沼气吹洗所述低温离心机9的腔体并形成厌氧环境，吹洗后有排气孔12流向集气袋；所述低温离心机9安装有可取换的离心桶15，污泥泵7接入低温离心机9的进泥口13并将炭基泥液混合物泵入离心桶15内。
进一步，所述真空冷冻干燥机10用于冻干炭基污泥；所述真空封装机11用于保存冻干后的生物炭基厌氧微生物聚合体。
实施例二：
如图1-图2所示，本发明的一种生物炭基厌氧微生物聚合体制备方法，具体操作如下：
（1）连接各装置，将定向驯化接种物的发酵料液定期泵入厌氧反应器1中，同时按发酵底物TS量的5%-10%添加生物炭粉末，按厌氧反应器1体积的30%加入接种物，按曝气1h停止1h间歇方式对发酵液气动搅拌，加快生物炭富集厌氧微生物形成炭基微生物聚合体。
（2）反应器运行稳定，取样测量炭基活性微生物聚合体的MLSS、SV值，待测定COD去除率达到90%以上，NH3-N去除率在30%以上，可认为培养阶段结束。
（3）停止对厌氧反应器1曝气并静置3-6h后，启动沼气冲洗泵5对低温离心机9冲洗，形成厌氧环境；而后，启动污泥泵7将炭基污泥泵入低温离心机9内置的离心桶15，加满后关闭污泥泵7、沼气冲洗泵5及离心机的排气孔12，然后启动低温离心机9实现固液分离。
（4）待固液分离完成后，取出离心桶15加入冻干保护剂并搅拌，再置于-20℃低温预冷冻3-5h，然后放置在冷冻干燥机10内冻干，冻干结束后，将干燥的生物炭基厌氧微生物聚合体真空包装并置于4℃低温保存。
进一步，作为优选，步骤（4）中所述的冻干保护剂的添加量为炭基污泥的1/10；冻干保护剂是由15%脱脂乳、10%蔗糖和甘油组成，其配制比例为0.6：0.3：0.1（以体积比计）。
结果表明，由上述方法制得的生物炭基厌氧微生物聚合体具有较高的活性、较快的恢复能力以及较强的氨酸适应能力，能够用于快速启动厌氧消化系统，快速富集和稳定微生物，有效提高厌氧消化有机物降解效率，提高菌剂活性和降低储运成本。
以上实施例仅为本发明的优选实施例而已，但本发明的保护范围并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内，根据本发明的技术方案及其发明构思所作的等同替换或改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统，其特征在于：主要包括厌氧微生物驯化系统、固液分离系统和真空冻干封装系统；所述厌氧微生物驯化系统，主要由厌氧反应器、沼气罐、污泥泵和沼气回流泵组成；所述厌氧反应器内产生的沼气流向所述沼气罐；所述沼气回流泵进气端连接所述沼气罐，出气端连接所述厌氧反应器底部的曝气盘；所述厌氧反应器出泥口连接所述污泥泵的进口端；所述固液分离系统主要由低温离心机和沼气吹洗泵组成；所述污泥泵的另一端连入所述低温离心机；所述沼气冲洗泵的一端连接所述沼气罐，另一端接入所述低温离心机；所述真空冻干封装系统主要由真空冷冻干燥机和真空封装机组成。
2.按照权利要求1所述的生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统，其特征在于：厌氧反应器为厌氧气提反应器，底部布置微孔曝气盘，气源为所述沼气罐内的沼气。
3.按照权利要求1所述的生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统，其特征在于：厌氧反应器内添加有接种污泥、营养底物和生物炭粉；所述营养底物可根据活性微生物聚合体应用环境而定向配置；所述生物炭粉由农林废弃物热解炭化制得，经粉碎至0.45mm-1mm粒径后加入厌氧反应器作为微生物载体。
4.按照权利要求1所述的生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统，其特征在于，低温离心机设有排气孔、进泥孔、进气孔和排水孔，沼气吹洗泵接入进气孔，通入沼气吹洗所述低温离心机腔体并形成厌氧环境，吹洗后有排气孔流向集气袋；所述低温离心机安装有可取换的离心桶，污泥泵接入低温离心机的进泥口并将炭基泥液混合物泵入离心桶内。
5.按照权利要求1和4所述的生物炭基厌氧微生物聚合体制备系统，其特征在于：真空冷冻干燥机用于冻干炭基污泥；真空封装机用于保存冻干后的生物炭基厌氧微生物聚合体。
6.一种生物炭基厌氧微生物聚合体制备方法，其特征在于：具体操作步骤如下：（1）连接各装置，将定向驯化接种物的发酵料液定期泵入厌氧反应器中，同时按发酵底物TS量的5%-10%添加生物炭粉末，按厌氧反应器体积的30%加入接种物，按曝气1h停止1h间歇方式对发酵液气动搅拌，加快生物炭富集厌氧微生物形成炭基微生物聚合体；（2）反应器运行稳定，取样测量炭基活性微生物聚合体的MLSS、SV值，待测定COD去除率达到90%以上，NH3-N去除率在30%以上，可认为培养阶段结束；（3）停止对厌氧反应器曝气并静置3-6h后，启动沼气冲洗泵对低温离心机冲洗，形成厌氧环境；而后，启动污泥泵将炭基污泥泵入低温离心机内置的离心桶，加满后关闭污泥泵、沼气冲洗泵及离心机的排气孔，然后启动离心机实现固液分离；（4）待固液分离完成后，取出离心桶加入冻干保护剂并搅拌，再置于-20℃低温预冷冻3-5h，然后放置在冷冻干燥机内冻干，冻干结束后，将干燥的生物炭基厌氧微生物聚合体真空包装并置于4℃低温保存。
7.按照权利要求6所述的一种生物炭基厌氧微生物聚合体制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的冻干保护剂的添加量为炭基污泥的1/10；冻干保护剂是由15%脱脂乳、10%蔗糖和甘油组成，其配制比例为0.6：0.3：0.1（以体积比计）。
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