高有機(jī)負(fù)荷高溫沼氣發(fā)酵復(fù)合菌劑、其制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高有機(jī)負(fù)荷高溫沼氣發(fā)酵復(fù)合菌劑及其制備方法和用途，屬于生 物發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 沼氣發(fā)酵已被廣泛用于處理各種有機(jī)廢棄物，包括農(nóng)作物秸桿、畜禽養(yǎng)殖廢棄物、 輕工業(yè)廢水廢渣、生活有機(jī)垃圾、污水污泥等，獲得較為清潔的沼氣能源以及沼渣、沼液等 有機(jī)肥。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)累計(jì)建成戶用沼氣池4500萬(wàn)個(gè)、大中型沼氣工程2. 26萬(wàn)處、 養(yǎng)殖小區(qū)和聯(lián)戶沼氣工程1. 99萬(wàn)處、秸桿沼氣示范工程50處。其中，大部分沼氣工程至今 無(wú)法盈利運(yùn)行。
[0003] 德國(guó)沼氣工程的容積有機(jī)負(fù)荷較高，一般在2. 5-5. OkgVSAm3. d)，對(duì)應(yīng)的 池容產(chǎn)氣率為I. 3-2. 5m3 Am3. d);而我國(guó)沼氣工程的容積有機(jī)負(fù)荷相對(duì)較低，一般在 I. 2-1. 5kgVSAm3. d)，對(duì)應(yīng)的池容產(chǎn)氣率僅為0. 5-0. 6m3Am3. d)。當(dāng)日處理原料量相同時(shí)， 我國(guó)的沼氣工程規(guī)模是德國(guó)沼氣工程規(guī)模的2~3倍；當(dāng)沼氣工程規(guī)模相同時(shí)，我國(guó)沼氣工 程的日產(chǎn)氣量?jī)H為德國(guó)沼氣工程日產(chǎn)氣量的1/4~1/2。
[0004] 現(xiàn)有沼氣工程一般在低有機(jī)負(fù)荷條件下運(yùn)行，雖然能夠保證沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn) 定，但無(wú)法兼顧效率，造成反應(yīng)器體積資源的浪費(fèi)，使得工程整體經(jīng)濟(jì)性較差。而高有機(jī)負(fù) 荷厭氧發(fā)酵系統(tǒng)容易超過(guò)系統(tǒng)微生物的最大承受能力，導(dǎo)致大量的微生物停止生長(zhǎng)或死 亡，從而使系統(tǒng)崩潰、酸化，造成沼氣發(fā)酵失敗，尤其對(duì)于果蔬垃圾、農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物、餐 廚垃圾等易腐原料的發(fā)酵系統(tǒng)。
[0005] 發(fā)明人以餐廚垃圾為原料考察不同有機(jī)負(fù)荷條件下對(duì)沼氣發(fā)酵池容產(chǎn)氣率和 穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，有機(jī)負(fù)荷升高到5. 588kgVSAm3. d)時(shí)，池容產(chǎn)氣率最高可達(dá) 4. 4ImV (m3. d)，然而，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷繼續(xù)升高時(shí)（6. 0~8. 4kgVSAm3. d))，沼氣發(fā)酵系統(tǒng) 產(chǎn)生大量揮發(fā)性有機(jī)脂肪酸，包括乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸、異戊酸，由于遭受 嚴(yán)重的揮發(fā)性有機(jī)酸抑制，尤其是丙酸抑制，池容產(chǎn)氣率逐漸顯著下降。其中揮發(fā)性脂 肪酸和丙酸濃度分別最高達(dá)到 8738mg/L 和 2864mg/L[Dong Li, Yongming Sun, Yanfeng Guo, Zhenhong Yuan,Yao Wang, Feng Zhen. Continuous anaerobic digestion of food waste and design of digester with lipid removal, Environmental Technolo gy，2013, 34:13-14, 2135-2143]。在眾多揮發(fā)性脂肪酸中，乙酸是產(chǎn)甲烷的直接底物，丙酸、 正丁酸、異丁酸、正戊酸、異戊酸、2-甲基丁酸需要先氧化為乙酸+C0 2+H2，才能夠被氫營(yíng)養(yǎng) 型產(chǎn)甲烷菌（利用C02+H2產(chǎn)甲烷）和乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌（利用乙酸產(chǎn)甲烷）產(chǎn)生甲烷。 因此，丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸、異戊酸、2-甲基丁酸等的氧化降解往往成為高有機(jī)負(fù) 荷沼氣發(fā)酵過(guò)程的限速步驟。因此，提供一種可氧化降解揮發(fā)性脂肪酸的菌劑，從而提高高 溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)在高有機(jī)負(fù)荷條件下運(yùn)行的穩(wěn)定性是當(dāng)前研宄的熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中大量揮發(fā)性有機(jī)脂肪酸難于被降解，從而 影響高溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)在高有機(jī)負(fù)荷條件下運(yùn)行的穩(wěn)定性的問題，提供一種高有機(jī)負(fù)荷高 溫沼氣發(fā)酵復(fù)合菌劑，該復(fù)合菌劑主要用于強(qiáng)化高溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中的揮發(fā)性脂肪酸（丙 酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸、異戊酸、2-甲基丁酸等）氧化降解為乙酸+C0 2+H2，避免揮發(fā)性 脂肪酸抑制，提高高溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)在高有機(jī)負(fù)荷條件下運(yùn)行的穩(wěn)定性。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0008] 高有機(jī)負(fù)荷高溫沼氣發(fā)酵復(fù)合菌劑，該復(fù)合菌劑含有高溫互營(yíng)丙酸氧化菌和高溫 互營(yíng)丁酸/戊酸氧化菌，所述高溫互營(yíng)丙酸氧化菌是一類能夠在高溫條件下，與氫或甲酸 營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌互營(yíng)共生降解丙酸的細(xì)菌，它能夠?qū)⒈嵫趸到鉃橐宜?C0 2+H2，其中， C02+H2能夠被氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌直接利用產(chǎn)甲烷，乙酸能夠被乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌直接 利用產(chǎn)甲燒，所述高溫互營(yíng)丙酸氧化菌為脫硫腸菌（Desulfotomaculum thermobenzoicum subsp. Thermosyntrophicum)、Pelotomaculum thermopropionicum 的一種或兩種組合， 兩種菌的基本特征如表1所示；所述高溫互營(yíng)丁酸/戊酸氧化菌是一類能夠在高溫條件 下，與氫或甲酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌互營(yíng)共生降解正丁酸、異丁酸、正戊酸、2-甲基丁酸的細(xì) 菌，它能夠?qū)⒄∷?、異丁酸氧化降解為乙酸、將正戊酸?-甲基丁酸氧化降解為丙酸和乙 酸，其中，丙酸又能夠被所述的互營(yíng)丙酸氧化菌氧化降解為乙酸+C0 2+H2，所述高溫互營(yíng)丁 酸/戊酸氧化菌為騰沖熱互營(yíng)細(xì)菌（Thermosyntropha tengcongensis)、解脂熱互營(yíng)細(xì)菌 (Thermosyntropha Iipolytica)、月旨肪卡氏互營(yíng)熱菌（Syntrophothermus Iipocalidus)的 一種或多種任意組合，三種菌的基本特征如表2所示；所述高溫互營(yíng)丙酸氧化菌與高溫互 營(yíng)丁酸/戊酸氧化菌的細(xì)胞數(shù)量比為6~9 : 4~1，且所述高溫互營(yíng)丙酸氧化菌和高溫互 營(yíng)丁酸/戊酸氧化菌的細(xì)胞總濃度彡IX IO9個(gè)/mL。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種上述高有機(jī)負(fù)荷高溫沼氣發(fā)酵復(fù)合菌劑的制備方法，該方法 包括如下步驟：
[0010] (1)分別將高溫互營(yíng)丙酸氧化菌和高溫互營(yíng)丁酸/戊酸氧化菌培養(yǎng)成菌液，在厭 氧條件下混合得到復(fù)合菌液；
[0011] (2)對(duì)步驟（1)得到的復(fù)合菌液進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)，并依據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)其濃縮至細(xì)胞 總濃度多IX IO9個(gè)/mL，其中高溫互營(yíng)丙酸氧化菌與高溫互營(yíng)丁酸/戊酸氧化菌的細(xì)胞數(shù) 量比為6~9 : 4~1 ;
[0012] (3)封裝，2~8°C保存，得到復(fù)合菌劑。
[0013] 所述高溫互營(yíng)丙酸氧化菌菌液的制備方法是，采用保藏在德國(guó)菌種保藏中心編號(hào) 為 DSM No. 14055 的 Desulfotomaculum thermobenzoicum subsp. Thermosyntrophicum、編 號(hào)為DSM No. 13744的Pelotomaculum thermopropionicumi作為接種高溫互營(yíng)丙酸氧化 菌，分別單獨(dú)在厭氧條件下接種于高溫互營(yíng)丙酸氧化菌培養(yǎng)基中，然后分別單獨(dú)在厭氧條 件下逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)得到高溫互營(yíng)丙酸氧化菌單一菌液，每一種高溫互營(yíng)丙酸氧化菌單一菌 液均可直接作為高溫互營(yíng)丙酸氧化菌菌液，也可將兩種