CN111733190B - 一种自给自足的沼气发酵性能生物强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自给自足的沼气发酵性能生物强化方法。该方法在沼气发酵体系运行中，从辅助罐中取出生物强化菌剂，按一定剂量及周期投加到沼气发酵灌中，提高沼气发酵性能，所述的生物强化菌剂是以沼气发酵灌的出料发酵液为接种物，利用含碳源和无机盐的培养基培养获得。本发明利用自给自足的生物强化菌剂提高沼气发酵性能，具体是提高厌氧发酵有机负荷、发酵浓度及产气率等，还可缓解酸抑制及氨抑制，促进沼气发酵罐启动，促进酸败发酵体系恢复产气，并且无需购买菌剂，可避免菌剂的保存，运输，节约生物强化成本。
Description
技术领域
本发明涉及厌氧发酵制备生物燃气的技术领域，具体涉及一种自给自足的沼气发酵性能生物强化方法。
背景技术
利用厌氧发酵技术处理废弃物可减少环境污染并缓解能源短缺。近年来，我国沼气产业发展较快，但部分沼气工程运行管理不善，导致发酵性能不佳，甚至处于闲置状态。而多数沼气工程为了避免有机负荷过载，在相对较低的发酵浓度下连运行，以提高连续运行的稳定性。但是，低负荷运行就导致沼气工程容积产气率低，经济效益差。而高有机负荷厌氧发酵系统容易发生挥发性脂肪酸累积，导致发酵体系内pH下降，抑制产甲烷活性，从而使沼气工程产气下降，甚至停止产气。
不改变沼气发酵罐及工艺的前提下，提高厌氧发酵的性能主要方法有：通过混合发酵调节C/N使发酵微生物营养均衡，提高生物量；或添加微量元素促进微生物生长，促进产甲烷关键酶活，提高产气。然而沼气发酵性能促进方法，各有利弊，混合发酵对原料的选择和供应要求较高，添加微量元素的种类和剂量较难快速确定，且过量的微量元素对发酵后沼渣的利用也有不利影响。此外，以上两种方法均无法从根本上解决厌氧发酵产酸和产甲烷阶段不匹配的问题。因参与厌氧发酵产酸阶段的为细菌，而参与产甲烷阶段的为古菌，细菌的生长速度及对不利环境的抗逆性菌高于产甲烷古菌，因此，提高厌氧发酵产气需从微生物层面入手，提高产甲烷菌的生物量，使其与产酸细菌的代谢速率匹配。
利用生物强化技术即通过向沼气发酵体系投加产甲烷菌的方式，提高产甲烷菌在发酵系统内的生物量及比例，从而与产酸菌的数量剂代谢速度现匹配，以此提高发酵效率。然而，目前有效且生产工艺较成熟的产甲烷菌剂产品甚少，而且产甲烷纯菌需严格厌氧，培养技术要求高；另外菌剂液体或固体产品的制备、保存技术仍未突破。因此，有必要开发一种产甲烷菌剂培养工艺简单，无需购买菌剂、自给自足的生物强化厌氧发酵方法，即可避免菌剂的保存，运输，又可节约生物强化成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种自给自足的沼气发酵性能生物强化方法。通过该方法获得的生物强化菌剂，由具有协同代谢的多种类型的微生物组成，主要包括降解丙酸的细菌以及产甲烷古菌，该菌剂的微生物在培养基中呈分散状，不会聚集成团，将该菌剂投加到沼气发酵罐中可提高厌氧发酵的有机负荷，提高原料利用率，从而提高池容产气率及原料产气率，具有培养简单，强化效果明显、低成本等优点。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种自给自足的沼气发酵性能生物强化方法，是在沼气发酵罐附近配置一个生物强化辅助罐，用于培养产甲烷菌群，在沼气发酵体系运行中，从辅助罐中取出生物强化菌剂，按一定剂量及周期投加到沼气发酵灌中，提高沼气发酵性能，所述的生物强化菌剂是以沼气发酵灌的出料发酵液为接种物，利用含碳源和无机盐的培养基培养获得。
优选，所述的生物强化菌剂的培养方法包括以下步骤：
(1)接种阶段：将沼气发酵罐中的出料发酵液泵入辅助罐中，当发酵液体积达到辅助罐工作体积的60％时，每24h加一次培养基至辅助罐中，培养基添加量为辅助罐工作体积10％，连续添加4天，直至发酵液及培养基的总体积达到辅助罐的总工作体积；
(2)富集培养阶段：每24h排出辅助罐工作体积5％-10％的菌液，并加入相同体积的新鲜培养基，监测产气量及pH，培养至少20d后，当产气量达到理论产气量的60％以上时，菌液和菌泥可作为生物强化菌剂用于生物强化。
优选，所述的培养基组成为：NH4Cl 400mg/L、MgSO4 250mg/L、KCl 400mg/L、CaCl2120mg/L、(NH4)2HPO4 80mg/L、FeCl3 55mg/L、CoCl2 0.5mg/L、NiCl2 0.5mg/L、MnCl2 0.5mg/L、CuCl2 0.5mg/L、AlCl3 0.5mg/L、ZnCl2 0.5mg/L、Na2WO4 0.5m g/L、H3BO3 0.5mg/L、Na2SeO3 0.5mg/L、Ma2MoO4 0.5mg/L，溶剂为水，并加入丙酸、乙酸或二者按1:1体积比的混合物作为碳源，所述的碳源是按0.2～0.5L/1000L菌液的比例加入。
所述的培养基配制过程中，先配制无机盐营养液，加添加碳源；也可以先配置无机盐浓缩液室温保存，使用时再稀释相应的倍数，如1000倍无机盐浓缩液根据以上试剂标准含量的1000倍配置。使用前，稀释1000倍后，再添加碳源。所述的碳源为丙酸、乙酸或二者按1:1体积比的混合物，碳源的添加剂量视辅助罐中菌剂的体积而定，标准为每m3菌液(即1000L菌液)碳源的总添加剂量为0.2-0.5L。
优选，所述的生物强化菌剂为菌液原液、菌液浓缩液或经固液分离得到的菌泥。
优选，所述的菌液原液的添加量为沼气发酵罐中发酵液体积的0.1-1％；所述的菌液浓缩液的添加量为沼气发酵罐中发酵液体积的(0.1-1％)/浓缩倍数；所述的菌泥的添加量为当日进料有机物固体含量的1-10％。
本发明的技术效果为：本发明提供了一种自给自足的沼气发酵性能生物强化方法，该方法利用自给自足的生物强化菌剂提高沼气发酵性能，具体是提高厌氧发酵有机负荷、发酵浓度及产气率等，还可缓解酸抑制及氨抑制，促进沼气发酵罐启动，促进酸败发酵体系恢复产气，并且无需购买菌剂，可避免菌剂的保存，运输，节约生物强化成本。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的能够更加明显易懂，下面结合具体实施例来对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1沼气发酵自给自足的生物强化方法
(1)沼气发酵主罐及生物强化辅助罐设置
以50L全混式厌氧发酵反应器作为处理餐厨垃圾的沼气发酵主罐，5L全混式厌氧发酵反应器作为生物强化辅助罐。处理餐厨垃圾的沼气发酵主罐的水力停留时间(Hydraulic Retention Time，简称HRT)为25天，即每天进出料各2L。生物强化辅助罐在菌剂富集培养阶段，菌液的水力停留时间为10天，即每天排出500mL菌液，并加入500mL新鲜培养基。
(2)生物强化辅助罐接种
将沼气发酵主罐中每天排出的发酵液作为接种物加到生物强化辅助罐中，当发酵液体积达到辅助罐工作体积的60％(即3L)时，每24h加一次培养基至辅助罐中，培养基添加量为辅助罐工作体积10％(即0.5L)，连续添加4天，直至发酵液及培养基的总体积达到辅助罐的总工作体积5L时完成接种。
(3)产甲烷菌群的富集培养
5L的辅助罐完成接种后，开始每日进出料进行产甲烷菌群的富集培养，菌液的水力停留时间为10天，即每天排出500mL菌液，并加入500mL以丙酸为碳源的新鲜培养基，连续进出料富集30天。定期检测产气量，当产气量达到丙酸理论产气量的60％以上后，菌液和菌泥可用于生物强化，若未达到60％，则需延长富集培养时间。此外，富集培养阶段需定期取样检测出料菌液的pH，当出料菌液pH低于6.5时，当日进料只加无机盐营养液，不加丙酸，待pH高于6.5后，恢复正常进料。
所述培养基的配制方法为：每1L水中加入NH4Cl 400mg、MgSO4 250mg、KCl 400mg、CaCl2 120mg、(NH4)2HPO4 80mg、FeCl3 55mg及CoCl2、NiCl2、MnCl2、CuCl2、AlCl3、ZnCl2、Na2WO4、H3BO3、Na2SeO3、Ma2MoO4各0.5mg，得到无机盐营养液，取497.5mL无机盐营养液，加入2.5mL丙酸，混合，即得培养基。辅助罐中丙酸的浓度为0.5L/1000L菌液。
(4)生物强化餐厨垃圾厌氧发酵
为对比生物强化效果，相同条件下运行的两个50L反应器(沼气发酵主罐)，进行餐厨垃圾连续厌氧发酵，在有机负荷为0.5g/Ld的条件下，连续运行一个水力停留时间(HRT)，即25d。从第二个HRT开始，将有机负荷提高至0.75g/Ld，其中一个发酵罐R1投加1％体积的生物强化菌液，另一个发酵罐R2不加菌液，作为空白对照。生物强化的具体操作步骤如下：当生物强化辅助罐中菌液富集培养30d后，且日产气量达到理论产气的60％以上，将生物强化辅助罐每天排出的菌液500mL，直接投加到餐厨垃圾的发酵主罐中。生物强化开始的第一个HRT(前25天)每天进行菌液投加，每次500mL，生物强化进行到第二个HRT(26-50天)时，每三天投加一次，每次500mL；生物强化进行到第二个HRT(50-75天)时，每七天投加一次，每次500mL；此后，不再投加生物强化菌液。
(5)餐厨垃圾厌氧发酵生物强化效果
经过100d的连续发酵对比，发现进行生物强化的反应器有机负荷可升至3.0gVS/Ld，而未进行生物强化的反应器无法在有机负荷为1.0gVS/Ld的条件下连续运行。此外，经过生物强化的发酵体系容积产气率可提高30％。在经过3个HRT的生物强化后，停止添加菌液，仍可保持20％的产气率提高水平。经中间产物分析，发现生物强化可加速中间产物丙酸及乙酸的降解，从而避免挥发性脂肪酸累积，提高产气，且不易发生酸败。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种自给自足的沼气发酵性能生物强化方法，其特征在于，在沼气发酵体系运行中，从辅助罐中取出生物强化菌剂，按一定剂量及周期投加到沼气发酵灌中，提高沼气发酵性能，所述的生物强化菌剂是以沼气发酵灌的出料发酵液为接种物，利用含碳源和无机盐的培养基培养获得；所述的生物强化菌剂的培养方法包括以下步骤：
(1)接种阶段：将沼气发酵罐中的出料发酵液泵入辅助罐中，当发酵液体积达到辅助罐工作体积的60％时，每24h加一次培养基至辅助罐中，培养基添加量为辅助罐工作体积10％，连续添加4天，直至发酵液及培养基的总体积达到辅助罐的总工作体积；
(2)富集培养阶段：每24h排出辅助罐工作体积5％-10％的菌液，并加入相同体积的新鲜培养基，监测产气量及pH，培养至少20d后，当产气量达到理论产气量的60％以上时，菌液和菌泥可作为生物强化菌剂用于生物强化；
所述的培养基组成为：NH4Cl 400mg/L、MgSO4 250mg/L、KCl 400mg/L、CaCl2 120mg/L、(NH4)2HPO4 80mg/L、FeCl3 55mg/L、CoCl2 0.5mg/L、NiCl2 0.5mg/L、MnCl2 0.5mg/L、CuCl20.5mg/L、AlCl3 0.5mg/L、ZnCl2 0.5mg/L、Na2WO4 0.5mg/L、H3BO3 0.5mg/L、Na2SeO3 0.5mg/L、Ma2MoO4 0.5mg/L，溶剂为水，并加入丙酸、乙酸或二者按1:1体积比的混合物作为碳源，所述的碳源是按0.2～0.5L/1000L菌液的比例加入。
2.根据权利要求1所述的自给自足的沼气发酵性能生物强化方法，其特征在于，所述的生物强化菌剂为菌液原液、菌液浓缩液或经固液分离得到的菌泥。
3.根据权利要求2所述的自给自足的沼气发酵性能生物强化方法，其特征在于，所述的菌液原液的添加量为沼气发酵罐中发酵液体积的0.1-1％；所述的菌液浓缩液的添加量为沼气发酵罐中发酵液体积的(0.1-1％)/浓缩倍数；所述的菌泥的添加量为当日进料有机物固体含量的1-10％。
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