专利名称：一种生物电化学技术筛选高效产甲烷菌群的方法
技术领域：
本发明属于废水处理技术领域，特别涉及一种筛选产甲烷菌的工艺和操作方法。
背景技术：
厌氧处理又称为厌氧消化，是在无氧条件下，由多种微生物共同作用，使有机物分 解并生成CH4、CO2、H2O、H2S和NH3的过程。有机物的厌氧处理过程可分为三个阶段①水解、 发酵阶段，复杂的有机物被微生物的胞外酶分解为小分子化合物后，进入发酵细菌(即酸 化菌)的细胞内，并在其中转化为更加简单的化合物，同时，细菌利用部分物质合成新的细 胞物质；②产氢产乙酸阶段，由一类专门的细菌(产氢产乙酸细菌)将丙酸、丁酸等挥发性 脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2和co2 ；③产甲烷阶段，由产甲烷的细菌利用乙酸、H2和co2 产生甲烷(CH4)。从系统发育来看，产甲烷菌可以分成5个目，分别为甲烷杆菌目、甲烷球菌目、甲 烷八叠球菌目、甲烷微菌目和甲烷超高温菌目。对产甲烷菌再进行细分，可以分为19个属 甲烷杆菌属、甲烷嗜热菌属、甲烷球形菌属、甲烷卵形菌属、甲烷短杆菌属、甲烷微菌属、甲 烷螺菌属、甲烷粒菌属、甲烷袋状菌属、甲烷盘状菌属、甲烷球菌属、产甲烷菌属、甲烷叶形 菌属、甲烷丝菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷叶菌属、甲烷嗜盐菌属和甲烷盐菌属等。目前已分 离鉴定的产甲烷菌达200多种。产甲烷菌是一类极端严格厌氧、化能自养或化能异养的微 生物，这类微生物能够利用H2+C02、乙酸盐、甲基化合物(如甲醇、甲基胺、甲基硫化物、甲酸 盐和甲基硒化物)等，并将其转化为甲烷。甲烷的生物合成和氮素的固定是产甲烷菌独特的代谢过程。目前发现产甲烷菌中 甲烷生物合成过程有三种途径以乙酸为原料的甲烷合成途径、以H2与co2为原料的甲烷 合成途径和以甲基化合物为原料的甲烷合成途径。在厌氧处理过程中，产甲烷菌能够利用 产氢产乙酸阶段产生的压、0)2和乙酸等，合成甲烷。乙酸产甲烷和二氧化碳与氢气产甲烷 是厌氧处理过程中两种主要产甲烷过程，分别对应两类产甲烷菌嗜乙酸产甲烷菌和嗜氢 产甲烷菌。由于约70%的有机物经酸化、水解会转化为乙酸，而氢气产生量较少，导致厌氧 处理过程中产生的甲烷超过70%来自于乙酸转化，因此嗜乙酸产甲烷菌在传统厌氧消化的 产甲烷菌群中占优势，乙酸产甲烷是甲烷化的主要途径。然而，在目前发现的所有产甲烷菌 中，仅有2属(八叠甲烷球菌属-Methanosarcina sp.和丝状甲烷菌-Methanothrix sp.) 为嗜乙酸产甲烷菌，而有机物水解、酸化的另外两种产物_H2和C02可以被除上述两属产甲 烷菌外的其它产甲烷菌所利用，来产生甲烷。因此，应该在厌氧处理中筛选嗜氢产甲烷菌， 并使之在厌氧处理过程中占优势，能够改变传统厌氧处理过程中产甲烷菌群结构，改变甲 烷产生的途径，加速甲烷的产生，提高甲烷的产量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种运行费用低、工艺简单、操作方便、能耗低的高效产甲 烷菌筛选方法。本发明是为了克服传统厌氧处理存在的不足，利用生物电化学技术，通过生物化学与电化学的协同作用，筛选高效产甲烷菌，加速甲烷的产生，并提高甲烷的产量。本发明的方案如下厌氧发酵罐中加入发酵罐有效体积1/3-1的污泥，通氮气排除发酵罐系统氧气后 密封，发酵罐的温度控制在30°C -40°C，pH值控制在5. 0-9. 0，搅拌速度在300-700rpm。发 酵过程中向发酵罐中投加液态有机物料，固定在发酵罐中的两电极板通过导线与直流电源 相连，在发酵期间，直流电源处于开启状态，直流电源输出的电压为0. 1-2. 0V。电极板之间 的距离为2-50厘米。发酵培养20-30天，即能得到含有高效产甲烷菌的混合液。发酵过程中有机物料一次性、分批或连续向发酵罐中投加。有机物料包括高浓度有机废水、污泥、厨余垃圾、醋酸或醋酸盐溶液等；所述有机物料中添加有葡萄糖、酵母膏、MgCl2 6H20或NaHC03。本发明中厌氧罐设备结构如下电化学部分由可调直流电源、导线和两电极组成， 厌氧发酵罐中固定有两电极极板，两电极极板通过导线与可调直流电源连接。两电极极板 可由可导电的材料制成，所述可导电材料为铁、铜、铝、钛、钼、银、金或石墨等非金属，电极 极板形状可以是网状、块状、条状、棒状。本发明中所述可调直流电源的输出电压范围为0. 1-2. 0V，优选范围为0. 4-1. 2V。所述两电极极板的距离在5-30厘米。本发明中发酵罐培养温度优选为35 38 °C ；培养pH为6. 5-7. 5 ；极板面积和极板距离根据发酵罐大小进行调整。发酵罐的运行采用间隙加料、连续搅拌运行。发酵过程中为防止液态有机物料在发酵罐中酸化过快，可将物料在有效控制下进 行预酸化。预酸化过程为采用厌氧水解酸化菌的方法处理物料。本发明是通过生物电化学作用从剩余活性污泥、厌氧污泥或河道底泥中筛选高效 产甲烷菌。厌氧发酵罐的进料可采用连续式或分批式，进料采用含有机物的水溶液。接种用污泥为活性污泥、厌氧污泥或河道底泥。本发明筛选得到的高效产甲烷菌为一种混合菌群，这种混合菌群以嗜氢产甲烷菌为主。发酵罐中混合液的体积达到发酵罐有效体积后，即发酵罐体积的70% -75%，筛 选过程完成，得到含高效产甲烷菌的混合物。经微生物检验发现，这种混合物中的产甲烷 菌主要为嗜氢产甲烷菌，如卡里亚萨产甲烷菌(Methanogenium cariaci)、瘤胃甲烷短杆菌 (Methanobrevibacterruminantium)等。经产甲烷能力检验实验发现，这种混合物比普通厌 氧污泥(包括原来用来作为接种的厌氧污泥)的产甲烷能力高0.25-0. 85倍。有益效果本发明的发明特点在于通过输入较低的电压，采用生物电化学技术从 自污水处理厂的剩余活性污泥、厌氧污泥或河道的底泥中筛选出异于传统的厌氧处理优势 产甲烷菌群的高效产甲烷菌群。电化学的加入可以改变传统厌氧处理系统中生物过程，主 要是甲烷产生途径。通过电化学与生物作用的协同可以实现高效产甲烷菌的筛选，所筛得 的产甲烷菌群的产甲烷能力比传统厌氧处理优势产甲烷菌高0. 25-0. 85倍。
图1为本发明的设备示意图
具体实施例方式下面结合实施对本发明作进一步说明实施例1发酵罐为圆柱形，其体积为130L(dXh = 46mmX80mm)，有效工作体积为100L，电 极极板的长度为发酵罐有效高度的2/3，宽度为发酵罐直径的2/3。两者之间的距离为20厘 米。所述极板材料为铁，所述两电极形状是网状。自北京市某污水处理厂的厌氧消化池中 取得厌氧污泥，将厌氧污泥加入到发酵罐中，污泥的加入量(即接种量)约为发酵罐有效体 积的1/2，污泥的浓度为10g/L。向发酵罐通氮气排除其中的氧气后，密封。为保证发酵罐 中有足够的营养物质，定时向发酵罐中连续流加市场购得食用醋酸，醋酸的流加速度按表1 进行表1、醋酸的流加速度
时间每日流加量
第1-8天1/80发酵罐有效体积 通过温度控制系统将发酵罐的温度保持在37 士 1°C，通过pH值控制系统用氢氧化 钠或盐酸将发酵罐的PH值保持在6. 8-7. 2之间，搅拌速度为500rpm。发酵过程中直流电 源连续向两电极输入1. 0V的电压。20天后，发酵罐中混合液的体积达到其有效体积，筛选 过程完成，得到含高效产甲烷菌群的混合物。经微生物检验发现，这种混合物中的产甲烷 菌主要为嗜氢产甲烷菌，如卡里亚萨产甲烷菌(Methanogenium cariaci)、瘤胃甲烷短杆菌 (Methanobrevibacter ruminantium)等()。经产甲烷能力检验实验发现，这种混合物比普 通厌氧污泥(包括原来用来作为接种的厌氧污泥)的产甲烷能力高0.85倍。实施例2发酵罐为圆柱形，其体积为26. 5L(dXh = 26mmX50mm)，其有效工作体积为20L。 电极极板的长度为发酵罐有效高度的1/2，宽度为发酵罐直径的2/3。两者之间的距离为 5厘米。所述可导电材料为铜，所述两电极形状是棒状。自北京市某河道的底部取得底 层污泥，将污泥加入到厌氧发酵罐中，厌氧污泥的加入量(即接种量)约为发酵罐有效体 积的1/4。向发酵罐通氮气排除其中的氧气后密封。向发酵罐中连续流加总化学需氧量 约为2000mg/L的合成有机废水，有机废水的组成如下葡萄糖16. 2g/L、酵母膏0. 42g/L、 MgCl2 6H20 0. 3g/L、NaH2C032g/L。合成废水的流加速度按表2进行表2、合成废水的流加速度
通过温度控制系统将发酵罐的温度保持在35 士 1°C，通过pH值控制系统用氢氧化 钠或盐酸将发酵罐的PH值保持在6. 8 7. 2之间，搅拌速度为500rpm。直流电源连续向 两电极输入0. 7V的电压。30天后，发酵罐中混合液的体积达到其有效体积后，筛选过程完 成，得到含高效产甲烷菌的混合物。采用分子生物学进行微生物分析发现，这种混合物中的 产甲烷菌主要为嗜氢产甲烷菌，如瘤胃甲烷短杆菌(Methanobrevibacter ruminantium)、 万氏甲烧球菌(Methanococcus vannielii)、布雷斯甲烧袋状菌(Methanoculleus bourgense)等。经产甲烷能力检验分析发现，这种混合物比普通厌氧污泥(包括原来用来 作为接种的厌氧污泥)的产甲烷能力高0.76倍。实施例3发酵罐为圆柱形，其体积为26. 5L(dXh = 26mmX50mm)，其有效工作体积为20L。 电极极板的长度为发酵罐有效高度的1/2，宽度为发酵罐直径的2/3。两者之间的距离 为50厘米。电极极板为条状，所述电极极板材料为铝，所述两电极形状可以是网状、块 状、条状、棒状。自北京市某污水处理厂的曝气池中取得活性污泥，并将污泥加入到发酵 罐中，污泥的加入量(即接种量)达到发酵罐有效体积，污泥的浓度为(总固形物(TS) 为4 10g/L，挥发性固形物(V)为3 8g/L)。向发酵罐通氮气排除其中的氧气后密 封。通过温度控制系统将发酵罐的温度保持在35士 1°C，通过pH值控制系统用氢氧化钠 或盐酸将发酵罐的PH值保持在6. 8 7. 2之间，搅拌速度为500rpm。直流电源连续向 两电极输入0.5V的电压。24天后，筛选过程完成，得到含高效产甲烷菌的混合物。经微 生物检验分析发现，这种混合物中的产甲烷菌主要为嗜氢产甲烷菌，如瘤胃甲烷短杆菌 (Methanobrevibacter ruminantium)、万氏甲烧球菌(Methanococcus vannielii)、卡里亚 萨产甲烷菌(Methanogenium cariaci)等。经产甲烷能力检验分析发现，这种混合物比普 通厌氧污泥(包括原来用来作为接种的厌氧污泥)的产甲烷能力高0.32倍。实施例4发酵罐为圆柱形，其体积为400L(dXh = 60mmX 142mm)，其有效工作体积为300L。 电极极板的长度为发酵罐有效高度的1/2，宽度为发酵罐直径的2/3。两电极极板之间的距 离为2厘米。电极极板为网状，自北京市某污水处理厂的曝气池中取得活性污泥，并将污泥 加入到发酵罐中，污泥的加入量(即接种量)达到发酵罐有效体积，污泥的浓度为(TS为 4 10g/L，VS为3 8g/L)。向发酵罐通氮气排除其中的氧气后密封。通过温度控制系统 将发酵罐的温度保持在35 士 1 °C，通过pH值控制系统用氢氧化钠或盐酸将发酵罐的pH值保 持在6.8 7.2之间，搅拌速度为500印111。直流电源连续向两电极输入0.2V的电压。在 培养过程中，定期从发酵罐的排气口进行排气，并进行排气中甲烷检测。24天后，筛选过程 完成，得到含高效产甲烷菌的混合物。经微生物检验分析发现，这种混合物中的产甲烷菌主 要为嗜氢产甲烷菌，如瘤胃甲烷短杆菌(Methanobrevibacterruminantium)、万氏甲烷球菌(Methanococcus vannielii)、卡里亚萨产甲烷菌(Methanogeniumcariaci)等。经产甲烷 能力检验分析发现，这种混合物比普通厌氧污泥(包括原来用来作为接种的厌氧污泥)的 产甲烷能力高0. 32倍。
权利要求
一种生物电化学筛选高效产甲烷菌群的方法，包括如下步骤在厌氧发酵罐中加入发酵罐有效体积1/3-1的污泥，通氮气排除发酵罐系统氧气后密封进行发酵培养，发酵过程中向发酵罐中投加液态有机物料，固定在发酵罐中的两电极板通过导线与直流电源相连，在发酵期间，直流电源处于开启状态，直流电源输出电压为0.1-2.0V，电极板之间的距离为2-50厘米，培养20-30天即得到含有高效产甲烷菌的混合液。
2.根据权利要求1所述生物电化学筛选高效产甲烷菌群的方法，其特征在于所述发酵 培养温度控制在30°C 40°C，pH值控制在5-9，搅拌速度在300_700rpm。
3.根据权利要求1或2所述生物电化学筛选高效产甲烷菌群的方法，其特征在于所述 发酵培养温度控制在35°C 38°C，pH值控制在6-8。
4.根据权利要求1、2或3所述生物电化学筛选高效产甲烷菌群的方法，其特征在于所 述有机物料包括高浓度有机废水、污泥、厨余垃圾、醋酸或醋酸盐溶液 >等。
5.根据权利要求1、或4所述生物电化学筛选高效产甲烷菌群的方法，其特征在于所述 有机物料中添加有葡萄糖、酵母膏、MgCl2 6H20或NaHC03。
6.根据权利要求1或2所述生物电化学筛选高效产甲烷菌群的方法，其特征在于所述 可调直流电源向两电极输入的电压为0. 4-1. 2V。
7.根据权利要求1所述生物电化学筛选高效产甲烷菌群的方法，其特征在于所述污泥 为活性污泥、厌氧污泥或河道底泥。
8.根据权利要求1或2所述生物电化学筛选高效产甲烷菌群的方法，其特征在于所述 高效产甲烷菌群为一种混合菌群，这种混合菌群以嗜氢产甲烷菌为主。
9.如权利要求1所述用于生物电化学筛选高效产甲烷菌群方法的设备，包括厌氧发酵 罐，其特征在于所述厌氧发酵罐中固定有两电极极板，两电极极板通过导线与可调直流电 源连接。
10.根据权利要求9所述用于生物电化学筛选高效产甲烷菌群方法的设备，其特征在 于所述两电极材料为铁、铜、铝、钛、钼、银、金或石墨，所述电极形状为网状、块状、条状或棒 状；所述两电极极板的距离在2-50厘米。
全文摘要
本发明涉及一种生物电化学技术筛选高效产甲烷菌的方法。该方法由厌氧部分和电化学部分两部分组成；是通过生物电化学作用从剩余活性污泥、厌氧污泥或河道底泥中筛选高效产甲烷菌(群)。该方法的操作方法是将接种物置于厌氧发酵罐中，在发酵罐中加入阴阳两电极，并向两极上输入0.1-2.0 V的直流电，向发酵罐中连续或批量补充一些营养，发酵液的pH值控制在5-9，温度控制在30℃-40℃。经过大约30-40天，可完成筛选过程，筛选得到的高效产甲烷菌为一种混合菌群，这种混合菌群以嗜氢产甲烷菌为主。本发明适合在有机废弃物(包括有机固体废弃物和有机废水)的厌氧发酵产甲烷启动过程中培养高效产甲烷菌。
文档编号C12R1/01GK101875962SQ20091023793
公开日2010年11月3日 申请日期2010年2月8日 优先权日2010年2月8日
发明者刘俊新, 李义晋, 肖本益 申请人:中国科学院生态环境研究中心