CN116083495A - 一种利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机废弃物处置技术领域，涉及一种利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法。该方法包括：有机废弃物进行厌氧消化发生氨氮抑制时，添加酵母菌。本发明利用酵母菌促进了高氨氮底物的水解、产VFAs过程，实现了高氨氮抑制条件下的稳定产氢烷，解决了有机废弃物进行厌氧消化发生氨氮抑制的技术问题。本发明适用于氨氮浓度高于2000mg/L的氨氮抑制解除或减轻，更能适用于氨氮浓度高于6000mg/L的氨氮抑制解除或减轻。
Description
技术领域
本发明属于有机废弃物处置技术领域，涉及一种利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法。
背景技术
有机废弃物一般具有高氨氮高有机物含量的特点，随意排放或堆积会对环境产生负面影响，如增加水中有机物和氨氮的浓度。为了减少有机废弃物对环境的危害，厌氧消化技术常被用来实现有机废弃物资源化，生产氢气、甲烷等能源。有机废弃物厌氧消化过程中，特别是针对高氮原料（餐厨垃圾、粪便、食品加工废物等）而言，氨氮是一个十分重要的控制条件。在厌氧消化过程中，由于厌氧微生物的细胞增殖很少，因此只有很少量的氮被转化成为细胞物质，大部分可生物降解的有机氮都被还原为厌氧消化液中的氨氮。氨氮是微生物重要的氮源，并且在反应过程中能够中和厌氧消化产生的挥发性有机酸，对系统的pH具有缓冲作用，但若其浓度过高，将会发生氨氮抑制，影响微生物的活性、抑制甲烷菌的活性、抑制氢烷的产生。
目前解除或减轻有机废弃物厌氧消化的氨氮抑制的方法主要有不同反应器类型、不同发酵温度、不同微生物种群和添加外源物这四个方面。（1）基于反应器类型，目前用于解除或减轻氨氮抑制的厌氧处理工艺为两相厌氧反应器（例如CN111019811A）。两相厌氧消化工艺把酸化和甲烷化两个阶段分离在两个串联反应器中，使产酸菌和产甲烷菌各自在最佳环境条件下生长。厌氧消化是由多种菌群参与作用的生物过程，这些微生物种群的有效代谢是互相影响、相互联结的，而两相厌氧消化会将这一有机联系的过程分开，这势必会改变中间代谢产物成分，对整个消化过程产生一定程度的影响。所以，如选择两相反应器进行氨氮抑制解除，必须要采取的适当的相分离，从而创造有利于不同细菌的生态环境。此外，由于高氮原料厌氧消化对反应器的最大有机负荷有一定的限制要求，因此在反应器和实验的设计过程中要考虑到发酵浓度和氨氮作用的敏感性。（2）不同发酵温度解除或减轻氨氮抑制的原理基于厌氧消化的温度。现有研究表明，在不同温度条件下，氨氮的抑制程度是不同的，温度越高，产生的氨氮浓度越高，自由NH3的浓度越高，甲烷含量越低。中温或者高温消化工艺对于氨氮抑制的解除，两者优缺点并重。中温消化，经济性强、产生的沼气纯度高，而高温消化产气量高、病原菌灭杀率高、原料降解更完全。（3）不同微生物种群解除或减轻氨氮抑制的原理基于经过高浓度氨氮驯化过的甲烷菌或通过培育筛选耐高浓度氨氮甲烷菌（例如CN114314831A、CN106754611B）。但是高氨氮不是氨氮抑制的唯一条件，甲烷菌的活性主要受氨氮影响，但是氮氧化物，如NO2、NO和N2O也会对参与厌氧消化的细菌产生毒性作用。（4）添加外源物解除或减轻氨氮抑制的原理基于外源物对氨氮产生一定吸附作用，目前针对氨氮去除，常用的添加剂有沸石、麦饭石、活性碳和膨润土等（例如CN109607984A、CN104211168B）。
不同反应器类型、不同发酵温度、不同微生物种群和添加外源物这四个方面用于解除或减轻有机废弃物厌氧消化的氨氮抑制均基于直接减少氨氮，其中不同发酵温度、不同微生物种群和添加外源物这三个方面均少见用于解决氨氮浓度高于6000mg/L时的氨氮抑制。两相厌氧反应器虽能用于解决氨氮浓度高于6000mg/L时的氨氮抑制，但其对厌氧消化操作要求高，且会改变中间代谢产物，影响整个消化过程。此外，解除或减轻有机废弃物厌氧消化的氨氮抑制时，采用直接减少氨氮含量的技术手段存在另外的问题。在高氨氮浓度情况下，相应非离子化NH3的浓度会处于高值，氮氧化合物的浓度也会处于高值，对参与厌氧消化的细菌产生较高的毒性危害。
发明内容
本发明的目的在于解除或缓解厌氧消化氨氮抑制，特别是高浓度氨氮的氨氮抑制。
基于上述目的，本发明提供了一种利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法来解决本领域内的这种需要。本发明利用酵母菌的高效水解特性，基于促进水解、产VFAs过程，通过强化厌氧消化过程的非产氢烷阶段，构建高效产氢烷途径，提供了一种高氨氮抑制条件下的稳定可重复利用的解除或缓解厌氧消化氨氮抑制产氢烷的方法。
一方面，本发明涉及一种利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法，包含有机废弃物的发酵底物进行厌氧消化，向所述发酵底物中接种酵母菌，解除或减轻氨氮抑制。
具体地，本发明所述有机废弃物为能利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应的废弃物，特别包含高氨氮有机废弃物，例如猪粪、鸡粪、牛粪、人粪、餐厨垃圾含氮量高的生物质固废。
进一步地，本发明提供的利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法中，以质量比计，所述酵母菌和所述有机废弃物的总固体的配比为0.1~3:1。
进一步地，本发明提供的利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法中，所述厌氧消化的温度为30~40℃。
进一步地，本发明提供的利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法中，以质量比计，所述有机废弃物进行厌氧消化时，总固体浓度为4~30%。
进一步地，本发明提供的利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法中，所述酵母菌接种前进行活化。
进一步地，本发明提供的利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法中，所述活化包括：将所述酵母菌与水混合进行振荡培养，直至酵母菌菌液的OD600值大于1.0。
进一步地，本发明提供的利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法中，以体积比计，所述酵母菌与所述水的配比不大于1:2。
进一步地，本发明提供的利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法中，所述振荡培养的温度为60~240r/min，所述振荡培养的温度为30~40℃。
另一方面，本发明涉及酵母菌菌液在解除或减轻氨氮抑制中的应用。
另一方面，本发明涉及酵母菌菌液在促进厌氧消化的底物分解中的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有下述的优点或有益效果：
（1）本发明利用酵母菌促进了高氨氮底物的水解、产VFAs过程，实现了高氨氮抑制条件下的稳定产氢烷，在6000~6200mg/L氨氮抑制条件下经本方法处理前后甲烷产量从1~1.2mL提升至120~280mL。
（2）本发明采用酵母菌的高效水解特点，使有机物快速产VFAs，降低了厌氧消化体系的pH，确保了氨氮主要以NH4 +-N形式存在，降低了游离氨的浓度，避免了微生物活性受到大幅抑制，具有无需额外添加化学酸碱试剂的优点，削减了运行成本，提高了厌氧消化活性。
（3）本发明采用酵母菌构建的生物强化体系可以重复利用，本次厌氧消化后剩余的底物和酵母菌的混合物可以保留，用作下一周期的接种物，同样具有缓解氨氮抑制的效果，具有成本低、可持续、效果好、操作简单、无二次污染、底物利用率高等优点。
（4）本发明采用酵母菌对厌氧消化体系进行生物强化，不仅可缓解氨氮抑制，在未被抑制的条件下也具有促进效果。可促进底物高值化利用，增加氢烷的产量。
具体实施方式
下面，结合实施例对本发明的技术方案进行说明，但是，本发明并不限于下述的实施例。
下述各实施例中实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；药剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到；指标数据，如无特殊说明，均为常规测量方法。
实施例
本实施例提供了在6000mg/L氨氮抑制条件下本发明的应用效果。
试验原料为西北农林科技大学动物科学实验站提供的牛粪和废弃活性污泥。牛粪的总固体质量浓度（TS）为18.0%，挥发性固体质量浓度（VS）为16.8%，pH为7.2。牛粪和废弃活性污泥混合后作为有机废弃物进行厌氧消化，混合底物的总TS为6%，有机物浓度（COD）为3000mg/L，氨氮浓度800mg/L。厌氧消化过程中，外加氨氮至6000mg/L，温度为35℃，混合底物总体积300mL，实验室采用500mL玻璃消化罐进行实验，底物体积占厌氧消化罐体积60%，pH为6.5。按照以质量比计，酵母菌和有机废弃物的总固体的配比为1:1的比例添加活化后的酵母菌。
活化后的酵母菌的流程为：采用购买自安琪酵母公司（北京）的酵母菌。接种前，在锥形瓶中按照酵母菌体积和无菌水的体积比例为1:2混合，放入摇床活化。控制活化温度在30~40℃范围内以确保酵母菌高活性，设置适当转速200r/min使得酵母菌能够混合均匀。期间需要定期间隔24h测定酵母菌OD600值，当酵母菌菌液逐渐浓稠，颜色转变为白色，且OD600值大于1.0后，则酵母菌活化完成。
统计在6000mg/L氨氮抑制条件下经本方法处理前后有机物含量、挥发性有机酸（VFAs）、累积甲烷产量变化，试验结果如表1所示。其中，强化率=使用本发明方法的厌氧消化组的量化指标÷常规厌氧消化组的量化指标。添加酵母菌后，由于高浓度VFAs生成，厌氧消化罐中的pH由初始6.5降低至6.0左右，期间调整pH至6.5左右。6000mg/L的氨氮由73.29mg/L的游离氨和5926.71mg/L的NH4 +-N组成。
表1，6000mg/L氨氮抑制条件下本方法的缓解效果
由表1可知，本发明提供的方法处理后，6000mg/L氨氮抑制得到显著缓解，有机物含量从4500mg/L恢复至7100mg/L，挥发性有机酸（VFAs）从3230mg/L恢复至5210mg/L，累积甲烷产量从1mL恢复至120mL。
实施例
本实施例提供了在6200mg/L氨氮抑制条件下本发明的应用效果。
试验原料为西北农林科技大学动物科学实验站提供的牛粪和废弃活性污泥。牛粪的总固体质量浓度（TS）为17.2%，挥发性固体质量浓度（VS）为16.0%，pH为7.3。牛粪和废弃活性污泥混合后作为有机废弃物进行厌氧消化，混合底物的总TS为12%，COD浓度为6200mg/L，氨氮浓度1950mg/L。厌氧消化过程中，外加氨氮至6200mg/L，温度为35℃，混合底物总体积300mL，实验室采用500mL玻璃消化罐进行实验，底物体积占厌氧消化罐体积60%，pH为6.8。按照以质量比计，酵母菌和有机废弃物的总固体的配比为1.2:1的比例添加活化后的酵母菌。
活化后的酵母菌的流程为：采用购买自安琪酵母公司（北京）的酵母菌。接种前，在锥形瓶中按照酵母菌体积和无菌水的体积比例为1:2混合，放入摇床活化。控制活化温度在30~40℃范围内以确保酵母菌高活性，设置适当转速180r/min使得酵母菌能够混合均匀。期间需要定期间隔24h测定酵母菌OD600值，当酵母菌菌液逐渐浓稠，颜色转变为白色，且OD600值大于1.0后，则酵母菌活化完成。
统计在6200mg/L氨氮抑制条件下经本方法处理前后有机物含量、挥发性有机酸（VFAs）、累积甲烷产量变化，试验结果如表2所示。其中，强化率=使用本发明方法的厌氧消化组的量化指标÷常规厌氧消化组的量化指标。添加酵母菌后，由于高浓度VFAs生成，厌氧消化罐中的pH由初始6.8降低至5.0左右，期间调整pH至6.5左右。6000mg/L的氨氮由75.75mg/L的游离氨和6124.25mg/L的NH4 +-N组成。
表2，6200mg/L氨氮抑制条件下本方法的缓解效果
由表2可知，本发明提供的方法处理后，6200mg/L氨氮抑制得到显著缓解，有机物含量从13500mg/L恢复至22000mg/L，挥发性有机酸（VFAs）从9500mg/L恢复至15000mg/L，累积甲烷产量从1mL恢复至280mL。
实施例
本实施例提供了在5500mg/L氨氮抑制条件下本发明的应用效果。
试验原料为西北农林科技大学动物科学实验站提供的牛粪和废弃活性污泥。牛粪的总固体质量浓度（TS）为18.9%，挥发性固体质量浓度（VS）为16.6%，pH为7.5。牛粪和废弃活性污泥混合后作为有机废弃物进行厌氧消化，混合底物的总TS为6%，COD浓度为3500mg/L，氨氮浓度790mg/L。厌氧消化过程中，外加氨氮至5500mg/L，温度为35℃，混合底物总体积300mL，实验室采用500mL玻璃消化罐进行实验，底物体积占厌氧消化罐体积60%，pH为6.6。按照以质量比计，酵母菌和有机废弃物的总固体的配比为0.1:1的比例添加活化后的酵母菌。
活化后的酵母菌的流程为：采用购买自安琪酵母公司（北京）的酵母菌接种前，在锥形瓶中按照酵母菌体积和无菌水的体积比例为1:2混合，放入摇床活化。控制活化温度在30~40℃范围内以确保酵母菌高活性，设置适当转速190r/min使得酵母菌能够混合均匀。期间需要定期间隔24h测定酵母菌OD600值，当酵母菌菌液逐渐浓稠，颜色转变为白色，且OD600值大于1.1后，则酵母菌活化完成。
统计在5500mg/L氨氮抑制条件下经本方法处理前后有机物含量、VFAs、累积甲烷产量变化，试验结果如表3所示。其中，强化率=使用本发明方法的厌氧消化组的量化指标÷常规厌氧消化组的量化指标。添加酵母菌后，由于高浓度VFAs生成，厌氧消化罐中的pH由初始6.6降低至6.0左右，期间调整pH至6.5左右。5500mg/L的氨氮由67.18mg/L的游离氨和5432.82mg/L的NH4 +-N组成。
表3，5500mg/L氨氮抑制条件下本方法的缓解效果
由表3可知，本发明提供的方法处理后，5500mg/L氨氮抑制得到显著缓解，有机物含量从4380mg/L恢复至5150mg/L，挥发性有机酸（VFAs）从3080mg/L恢复至3580mg/L，累积甲烷产量从0.8mL恢复至30mL。
实施例
本实施例提供了在未被氨氮抑制条件下本发明的应用效果。
试验原料为西北农林科技大学动物科学实验站提供的牛粪和废弃活性污泥。牛粪的总固体质量浓度（TS）为19.5%，挥发性固体质量浓度（VS）为17.4%，pH为7.6。牛粪和废弃活性污泥混合后作为有机废弃物进行厌氧消化，混合底物的总TS为6%，COD浓度为3600mg/L，氨氮浓度780mg/L。厌氧消化过程中，温度为35℃，混合底物总体积300mL，实验室采用500mL玻璃消化罐进行实验，底物体积占厌氧消化罐体积60%，pH为7.0。按照以质量比计，酵母菌和有机废弃物的总固体的配比为3:1的比例添加活化后的酵母菌。
活化后的酵母菌的流程为：采用购买自安琪酵母公司（北京）的酵母菌接种前，在锥形瓶中按照酵母菌体积和无菌水的体积比例为1:2混合，放入摇床活化。控制活化温度在30~40℃范围内以确保酵母菌高活性，设置适当转速240r/min使得酵母菌能够混合均匀。期间需要定期间隔24h测定酵母菌OD600值，当酵母菌菌液逐渐浓稠，颜色转变为白色，且OD600值大于1.1后，则酵母菌活化完成。
统计在未被氨氮抑制条件下经本方法处理前后有机物含量、VFAs、累积甲烷产量变化，试验结果如表4所示。其中，强化率=使用本发明方法的厌氧消化组的量化指标÷常规厌氧消化组的量化指标。添加酵母菌后，由于高浓度VFAs生成，厌氧消化罐中的pH由初始7.0降低至6.0左右，期间调整pH至7.0左右。
表4，未被氨氮抑制条件下本方法的促进效果
由表3可知，本发明提供的方法处理后，甲烷产量得到增加，有机物含量从4050mg/L增加至8500mg/L，挥发性有机酸（VFAs）从3860mg/L增加至7060mg/L，累积甲烷产量从200mL增加至240mL。
实施例
本实施例提供了接种物循环利用本发明的应用效果。
试验原料为西北农林科技大学动物科学实验站提供的牛粪和废弃活性污泥。牛粪的总固体质量浓度（TS）为16.9%，挥发性固体质量浓度（VS）为16.1%，pH为7.2。牛粪和废弃活性污泥混合后作为有机废弃物进行厌氧消化，混合底物的总TS为6%，COD浓度为3200mg/L，氨氮浓度690mg/L。厌氧消化过程中，温度为35℃，混合底物总体积300mL，实验室采用500mL玻璃消化罐进行实验，底物体积占厌氧消化罐体积60%，pH为7.0。接种物采用实例1中经本发明处理后的厌氧消化剩余物，按照以质量比计，接种物和有机废弃物的总固体的配比为1:1的比例添加活化后的酵母菌。
统计在未被氨氮抑制条件下经本方法处理前后有机物含量、VFAs、累积甲烷产量变化，试验结果如表5所示。其中，强化率=使用本发明方法的厌氧消化组的量化指标÷常规厌氧消化组的量化指标。添加接种物后，由于高浓度VFAs生成，厌氧消化罐中的pH由初始7.0降低至6.0左右，期间调整pH至7.0左右。
表5，未被氨氮抑制条件下本方法的促进效果
由表5可知，本发明提供的方法处理后，甲烷产量得到增加，有机物含量从3850mg/L增加至4200mg/L，挥发性有机酸（VFAs）从3420mg/L增加至3880mg/L，累积甲烷产量从320mL增加至390mL。
综上所述，本发明厌氧消化前先对酵母菌进行活化，在适宜温度和转速条件下活化时间较短，再利用高OD600值的酵母菌按照比例加入厌氧消化罐中，可以实现对被抑制的厌氧消化体系快速缓解，实现稳定产氢烷。本方法能适用于高氨氮抑制条件下的解除或缓解，同时也适用于不同总固体质量浓度和有机物浓度的厌氧发酵底物（有机废弃物）。现有缓解氨氮抑制方法结束后需要处理装置和回收材料，而本发明厌氧消化剩余底物和酵母菌的混合物可以保留，用作下周期实验的接种物。具有清洁、高效、操作简单、成本低、无二次污染等优点。
如上，即可较好地实现本发明，上述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种改变和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种利用酵母菌缓解厌氧消化氨氮抑制的方法，包含有机废弃物的发酵底物进行厌氧消化，其特征在于，向所述发酵底物中接种酵母菌，解除或减轻氨氮抑制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以质量比计，所述酵母菌和所述有机废弃物的总固体的配比为0.1~3:1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述厌氧消化的温度为30~40℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以质量比计，所述有机废弃物进行厌氧消化时，总固体浓度为4~30%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酵母菌接种前进行活化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述活化包括：将所述酵母菌与水混合进行振荡培养，直至酵母菌菌液的OD600值大于1.0。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，以体积比计，所述酵母菌与所述水的配比不大于1:2。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述振荡培养的温度为60~240r/min，所述振荡培养的温度为30~40℃。
9.酵母菌菌液在解除或减轻氨氮抑制中的应用。
10.酵母菌菌液在促进厌氧消化的底物分解中的应用。
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