CN114891676A - 一种促进市政有机垃圾协同处理的高性能微生物制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能促进餐厨垃圾与市政污泥协同处理的高性能微生物的制备方法，该微生物能有效解决餐厨垃圾与市政污泥处理过程中降解率低的问题，提高了有机废物的发酵产沼气的总量；该微生物菌株还有效地解决了其所产生厌氧消化酶难以适应厌氧发酵环境，酶比活性低的问题。使有机废物厌氧发酵所需的总停留时间缩短至7天左右，沼气产量提高了68.18%，甲烷产生量高达240L/kg。

Description

一种促进市政有机垃圾协同处理的高性能微生物制备方法
技术领域
本发明涉及一种高性能微生物的制备方法，尤其涉及一种促进市政有机垃圾协同处理的高性能微生物制备方法。
背景技术
随着我国经济的发展，城市化进程的日益推进，全国年均产生餐厨垃圾与市政污泥总量破十亿吨，历年来累计未处理的有机固废垃圾高达60亿吨。中国政府逐步提高对餐厨垃圾、市政污泥等有机废物减量化、无害化、资源化的推行力度，并鼓励餐厨垃圾与市政污泥的协同处理，提高资源利用率。然而现有的污泥等废物的处理方式主要为焚烧技术、好氧堆肥、厌氧堆肥等，每吨运营成本均在200元以上，同时还会对环境造成一定的污染。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种能促进餐厨垃圾与市政污泥协同处理的高性能，高降解率微生物菌种的制备方法。
技术方案：本发明所述的促进市政有机垃圾协同处理的高性能微生物的制备方法，步骤如下：
（1）从污水处理厂的厌氧消化池中直接提取接种物样本，分装标记后带回培养室；
（2）制作无菌厌氧培养基，配置液体培养基溶液，并加入刃天青作为指示剂，当溶液中有溶解氧时显示蓝色或粉红色，无氧状态时显示无色，然后将无色的培养基溶液于高温高压环境中灭菌，然后取出放入超净工作台冷却；
（3）将厨余垃圾的浸出液稀释，保留作为细菌的营养源；
（4）将营养源和接种物放入培养基，分组，利用滚管技术培养；
（5）根据产气量和分解率两个指标对每组细菌进行评估，选取指标性能优异的组对其再进行分组继续培养；
（6）重复步骤（5），最后得到高性能微生物菌种。
进一步地，步骤（2）中所述灭菌温度为110-120℃，灭菌时间为15-25min；所述冷却温度为30-50℃。
进一步地，步骤（4）中培养环境为pH=6.7~6.9。
进一步地，步骤（4）中所述培养基加入COCl2、NiCl2和FeSO4；所述COCl2的浓度为0.16~0.18 g／L，NiCl2的浓度为0.03~0.05 g／L，FeSO4的浓度为0.20~0.22 g／L。
所述准备方法制得的微生物菌种产生的厌氧消化酶，其特征在于：所述厌氧消化酶是通过菌株在厌氧发酵罐中，利用餐厨垃圾和剩余活性污泥中有机营养物质进行代谢，迅速分泌产生的，其酶比活力为29500~30500 u/g。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：（1）本发明制备得到的微生物菌种降解率高，该微生物能有效解决餐厨垃圾与市政污泥处理过程中降解率低的问题，提高了有机废物的发酵产沼气的总量，该微生物菌株有效地解决了其所产生厌氧消化酶难以适应厌氧发酵环境，酶比活性低的问题。使有机废物厌氧发酵所需的总停留时间缩短至7天左右，沼气产量提高了68.18%；（2）所述菌株厌氧发酵产生的厌氧酶在PH=6的酸性环境下，仍能保持高活性，且其酶比活力可高达30000 u/g，提升甲烷产生量提高至240L/kg。
附图说明
图1为不同初始pH对底物利用率和末端pH的影响；
图2为不同氯化钴浓度对甲烷含量和比产甲烷速率的影响；
图3为不同氯化镍对比产甲烷速率和甲烷含量的影响；
图4为不同浓度硫酸亚铁对甲烷含量和比产甲烷速率的影响。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明所述培养基：
（1）产甲烷培养基：MgCl2 1 g、NH4Cl 1 g、KH2PO4 0.4 g、KH2PO4 0.4 g、蛋白胨1g、酵母浸粉1 g、半胱氨酸0.5 g、维生素溶液10.0 mL、刃天青2 mL、微量元素溶液10.0mL、蒸馏水1000 mL。
（2）维生素溶液的组成(mg／L)：对氨基苯甲酸5.0、烟酸5.0、生物素2.0、硫胺素(B1)5.0、泛酸钙5.0、核黄素(B2)5.0、B12 0.1、叶酸2.0、硫辛酸5.0。
（3）还原试剂及发酵底物：a、25％甲酸钠；b、无氧Na2S(1％)和NaHCO3(5％) 混合试剂；C、无氧青霉素液；d、2．5mol／L乙酸钠；e、50％甲醇溶液。
甲烷含量测定方法：
采用SC．II型气相色谱仪测定甲烷含量。气相色谱柱长2 m，担体为TDX-01，60-80目，氮气作载气，流速为60 ml／min。柱温100℃，气化室温度100℃，检测室温度100 ℃，测量柱0.18 MPa，参与柱0.12 MPa，进样量200 μL，依次测定峰高。各峰保留时间分别为：H20.59 min，CH4 3.51 min，CO2 6.92 min。色谱仪上峰高与甲烷浓度的线性方程为y=77908.6x+43354.8，相关系数为0.9958。
总气体产生量测定方法：采用排水收集法。
厌氧发酵产甲烷实验方法：
将配置好的培养基一边煮沸一边通氮气，采用50 mL无菌注射器吸取40 mL培养基迅速注入100 mL厌氧瓶中，继续通氮气5 min 以排尽氧气，121℃高温灭菌20min。待培养基冷却至室温后，在无菌操作间进行接种，接种量为每瓶接种4 mL污泥，置于35℃摇床培养15d，进行发酵产甲烷。此过程中定时监测底物利用情况、总产气量和甲烷含量。
所述能促进餐厨垃圾与市政污泥协同处理的高性能微生物菌种的制备方法，步骤如下：
（1）从污水处理厂的厌氧消化池中提取接种物样本2-3份，分装标记后带回培养室；
（2）制作无菌厌氧培养基，配置液体培养基溶液，并加入刃天青作为指示剂，当溶液中有溶解氧时显示蓝色或粉红色，无氧状态时显示无色，然后将无色的培养基溶液放入高压灭菌锅内于110-120℃下灭菌15-25min，然后取出放入超净工作台冷却至30-50℃；
（3）将厨余垃圾的浸出液稀释100倍，保留作为细菌的营养源；
（4）将营养源和接种物放入培养基，分组，利用滚管技术培养；
（5）根据产气量和分解率两个指标对每组细菌进行评估，选取指标性能优异的组对其再进行分组继续培养；
（6）重复步骤（5），最后得到高性能微生物菌种。
实验用餐厨垃圾样品剔除其中杂质，用粉碎机匀浆，过 10 目筛子后装入自封袋放入冰箱中在 -20 °C下保存备用。剩余污泥收集后置于 4 °C下保存备用。实验装置主要由恒温搅拌发酵装置及集气装置构成，用橡胶管连接。实验前检测气密性，并按实验计划装入实验材料，实验运行 30 d。每天定时记录产气量并检测收集气体组分；定期取样发酵液并进行相关理化指标分析。
探究pH对产甲烷菌产甲烷效能的影响，在基础培养基中加入发酵底物：25%甲酸钠溶液、50%甲醇和2.5 mol/L乙酸钠各0.8 mL，按培养基体积5%接种经四次传代培养后的产甲烷菌稳定菌群，初始pH值分别调节为6.4~7.4共6个梯度，分别置于35℃空气浴摇床内培养15天。发酵过程结束后，测定比产甲烷速率、底物利用率、甲烷含量等生理指标，每组做3个平行实验。
从图1可以看到生物量和甲烷含量均随着初始pH上升而呈现先升高后下降的趋势。当初始pH为7.0时，甲烷含量为64.4%，是6组初始pH对应的甲烷含量中的最大值，此时的生物量为0.426 g/L，这组实验中生物量的最大值为0.432 g/L，此时对应的初始pH值为6.8。初始pH值低于6.8或高于6.8都会导致生物量的降低。
为获得最佳氯化钴浓度，在基础培养基中加入发酵底物:25%甲酸钠溶液、50%甲醇和2.5 mol/L乙酸钠各0.8 ml，接种经四次传代培养后的产甲烷菌稳定菌群5ml，设置氯化钴浓度分别为0.05 g/L到0.25 g/L共5个梯度，初始pH调节为6.8，分别置于35 ℃空气浴摇床内培养15天。发酵过程结束后，测定比产甲烷速率、底物利用率、甲烷含量等生理指标，每组做3个平行实验。
由图2可以看出生物量和累积产甲烷量与氯化钴浓度关系较为密切。随着氯化钴浓度从0.05 g/L 增加到0.15 g/L，累积产甲烷量和生物量随之上升，并当氯化钴浓度为0.15 g/L 时对应出现两者的最大值（分别为4.01 L/L和0.445 g/L)，达到顶峰之后氯化钴浓度继续上升两者数量不断下降。累积产甲烷量减少其原因可能是氯化钴的浓度过高，抑制了细胞内酶的活性，导致气体产生量减少。生物量减少可能是因为过高的钻离子对产甲烷菌的毒害作用，影响了发酵液中菌种的生长繁殖。累积产甲烷量和生物量的最低点对应的氯化钴浓度为0.05 g/L。
在基础培养基中加入发酵底物：25%甲酸钠溶液、50%甲醇和2.5 mol/L乙酸钠各0.8 mL，接种经四次传代培养后的产甲烷菌稳定菌群5 mL，设置氯化钴浓度分别为0.01 g/L到0.05 gL 共5个梯度，初始pH调节为6.8，分别置于35℃空气浴摇床内培养15天。发酵过程结束后，测定比产甲烷速率、底物利用率、甲烷含量等生理指标，每组做3个平行实验。
通过观察图3可以清楚发现，氯化镍浓度为0.03 g/L时各个产假甲烷菌的生理指标均呈现最大值，因此可以确定0.03 g/L氯化镍为产甲烷菌群的最适镍离子浓度。当氯化镍浓度由0.01 g/L上升到0.03 g/L时，生物量由0.373 g/L增大到0.433 g/L，累积产甲烷量由3.22 L/L增至3.95 L/L，比产甲烷速率和甲烷含量分别由27.726 mmol/d g-dcw增至27.152 mmol/d g-dcw、49.4%增至63.9%。综上所述，浓度为0.03 g/L的氯化镍的确可以加快厌氧消化反应的代谢速率，利于产甲烷菌群生长，由此时的累积产甲烷量最大可以得出此浓度下适宜产甲烷菌群产生甲烷气体。
在基础培养基中加入发酵底物：25%甲酸钠溶液、50%甲醇和2.5 mol/L乙酸钠各0.8 mL，接种经四次传代培养后的产甲烷菌稳定菌群5 mL，设置硫酸亚铁浓度分别为0.05g/L到0.25 gL共5个梯度，初始pH 调节为6.8，分别置于35℃空气浴摇床内培养15天。发酵过程结束后，测定比产甲烷速率、底物利用率、甲烷含量等生理指标，每组做3个平行实验。浴摇床内培养15天。发酵过程结束后，测定比产甲烷速率、底物利用率、甲烷含量等生理指标,每组做3个平行实验。
图4显示的是不同浓度的硫酸亚铁对甲烷含量和比产甲烷速率的影响，可以看出当硫酸亚铁浓度在0.05 g/L到0.25 g/L范围之间时，甲烷含量出现两次高峰点，分别是67.1%和67.4%。硫酸亚铁浓度由0.05 g/L增加到0.25 g/L过程中比产甲烷速率先下降后增加但总体变化不大，最低值为25.892 mmol/d g-dcw，当硫酸亚铁浓度增加到0.25 g/L时，比产甲烷速率呈现本组实验中的最大值27.054 mmold g-dcw。由图4可见，硫酸亚铁浓度对产甲烷菌对底物的利用率影响不显著，末端pH都在7.0以上。
本发明所述的高性能微生物主要为产甲烷菌。产甲烷菌维持生命活动所需能量来自于甲烷的生物合成过程，且因产甲烷菌是化能自养型微生物，只能利用环境中的化学能，因此环境中的理化因素如温度、氧化还原电位、盐分、酸碱度等与产甲烷菌效能密切相关。在实验中氯化钴浓度为0.15 g/L时累积产甲烷量和生物量出现最大值（分别为4.01L/L和0.445g/L)，三种底物的利用率达到最大值；氯化镍浓度为0.03 g/L时各个产假甲烷菌的生理指标均呈现最大值，可以确定0.03 g/L氯化镍为产甲烷菌群的最适镍离子浓度；在硫酸亚铁浓度为0.15 g/L和0.20 g/L 时，累积产甲烷量和生物量分别达到最大值4.07L/L和0.468 g/L。

Claims (7)

1.一种促进市政有机垃圾协同处理的高性能微生物的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）从污水处理厂的厌氧消化池中直接提取接种物样本，分装标记后带回培养室；
（2）制作无菌厌氧培养基，配置液体培养基溶液，并加入刃天青作为指示剂，当溶液中有溶解氧时显示蓝色或粉红色，无氧状态时显示无色，然后将无色的培养基溶液于高温高压环境中灭菌，然后取出放入超净工作台冷却；
（3）将厨余垃圾的浸出液稀释，保留作为细菌的营养源；
（4）将营养源和接种物放入培养基，分组，利用滚管技术培养；
（5）根据产气量和分解率两个指标对每组细菌进行评估，选取指标性能优异的组对其再进行分组继续培养；
（6）重复步骤（5），最后得到高性能微生物菌种。
2.根据权利要求1所述的促进市政有机垃圾协同处理的高性能微生物的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述灭菌温度为110-120℃，灭菌时间为15-25min。
3.根据权利要求1所述的促进市政有机垃圾协同处理的高性能微生物的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述冷却温度为30-50℃。
4.根据权利要求1所述的促进市政有机垃圾协同处理的高性能微生物的制备方法，其特征在于，步骤（4）中培养环境为pH=6.7~6.9。
5.根据权利要求1所述的促进市政有机垃圾协同处理的高性能微生物的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述培养基中加入COCl2、NiCl2和FeSO4。
6.根据权利要求5所述的促进市政有机垃圾协同处理的高性能微生物的制备方法，其特征在于，所述COCl2的浓度为0.16~0.18 g／L，NiCl2的浓度为0.03~0.05 g／L，FeSO4的浓度为0.20~0.22 g／L。
7.一种权利要求1-6任一所述准备方法制得的微生物菌种，其特征在于，所述微生物菌株在厌氧发酵罐中，利用餐厨垃圾和剩余活性污泥中有机营养物质进行代谢，迅速分泌产生厌氧消化酶，其酶比活力为29500~30500 u/g。
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