一种甲烷氧化混合菌培养系统及构建方法

1.本发明涉及一种甲烷氧化混合菌培养系统及构建方法，属于甲烷氧化混合菌培养技术领域。


背景技术：

2.甲烷氧化菌是一种能够将甲烷作为碳源和能源物质的微生物，广泛分布于污水处理厂污泥、生活垃圾填埋场、人工湿地、湖泊或者水库底泥以及河岸和深海的沉积物中等，这类微生物不仅能够参与全球甲烷温室气体的控制，还能够参与水陆生态环境内的多元素循环，如碳循环、氮循环以及氧循环等。甲烷氧化菌作为利用甲烷的主体微生物，通过自身特有的甲烷单加氧酶有选择地将甲烷转化为甲醇、甲醛、乙酸和柠檬酸等中间有机体，这些中间有机体可以进一步分离利用或被其他非甲烷微生物使用进行生物代谢。
3.目前，纯培养是获得功能微生物的主要途径，该种途径通过人工筛选自然界中的单一物种。但是自然界存在的大多数微生物无法在人工环境中生存，这种培养方式不仅导致甲烷氧化菌生长缓慢且极易受到污染，并且纯化后的甲烷氧化菌株只能产生较单一的物质。甲烷氧化混合菌是以甲烷氧化菌为主的不同共生菌体组合，相比于纯菌，其具有以下优势：1)生长繁殖快；2)不必担心杂菌的污染；3)可以通过更改某些特定参数从而实现多种化合物的同时转化；4)可以适应更加复杂的环境。研究表明，混合微生物培养法是最有效、最经济、最有前途的方法。
4.由于甲烷在水中的溶解度较低，导致甲烷氧化菌生长缓慢，这也是限制甲烷氧化混合菌工业化的瓶颈，为此通常的做法是通过提高甲烷的进气浓度和进气量。但是提高甲烷的进气浓度和进气量，一方面大量的高浓度甲烷会有潜在安全隐患，另一方面增大进气量会增大动力消耗，增加培养成本。与培养其他的好氧微生物不同，在甲烷氧化混合菌的培养中，不仅需要空气，还需要甲烷气体，当两者混合比例超过一定范围还会引起自燃甚至是爆炸的危险。因此亟须构建一种安全、快速、高密度培养甲烷氧化混合菌的方法。
5.现有技术的甲烷混合菌培养技术主要是通入高浓度的甲烷并设置气体回流装置保证甲烷的高效利用，一些会添加中空纤维膜等填料用以微生物挂膜启动，另外还有的通过投加石蜡油，这些石蜡油在机械作用下可以提高甲烷的溶解度，从而强化甲烷的利用率。然而，现有甲烷混合菌培养技术虽然能达到培养的目的，但是高浓度的甲烷会有潜在的安全隐患，且装置设计复杂，通过添加填料和石蜡油等会导致培养成本增加，不利于推广使用。


技术实现要素：

6.针对现有的甲烷氧化菌培养方式需要高浓度甲烷，培养装置复杂，培养成本高、资源浪费、安全性能低、需要添加填料的问题，本发明提供一种甲烷氧化混合菌培养系统及构建方法，该系统具有占地面积小，操作简单，参数易控制，成本低、安全性高等优点。
7.本发明的技术方案：一种甲烷氧化混合菌培养系统，包括进气装置、进水装置以及
甲烷氧化混合菌培养罐，所述进气装置包括高压气瓶、进气管以及微孔曝气头，在甲烷氧化混合菌培养罐的底部固定安装有微孔曝气头，所述高压气瓶与微孔曝气头之间通过进气管连接，在进气管上依次安装有气体流量调节阀、气体流量计、球阀以及止回阀；所述进水装置包括配水桶和进水管，在甲烷氧化混合菌培养罐的侧壁上部开设有进水口，所述配水桶与进水口之间通过进水管连接，在进水管上依次安装有进水泵、球阀以及水体流量计，在甲烷氧化混合菌培养罐的顶部安装有排气管，在甲烷氧化混合菌培养罐的侧壁上开设有出水口。
8.进一步，所述甲烷氧化混合菌培养罐的顶部固定安装有搅拌电机，且搅拌电机的转轴伸入甲烷氧化混合菌培养罐中，在搅拌电机的转轴上固定安装有搅拌叶片。
9.进一步，所述甲烷氧化混合菌培养罐的外壁固定安装有水浴保温层，且水浴保温层与热水循环泵连接。
10.进一步，所述出水口设置有三个，且位于进水口与微孔曝气头之间。
11.同时，本发明还提供一种基于上述甲烷氧化混合菌培养系统的构建方法，包括以下步骤：
12.步骤一：向甲烷氧化混合菌培养罐内加入城镇污水厂活性污泥和微生物培养液后密封好，然后启动进气装置与搅拌电机，使甲烷氧化混合菌培养罐内只进气不进水，进行1～2周的微生物适应阶段；
13.步骤二：微生物适应阶段结束后，同时启动进气装置和进水装置，使甲烷氧化混合菌培养罐内正常进气和进水，并通过气体流量调节阀和气体流量计控制微孔曝气头的曝气流量，使甲烷氧化混合菌培养罐中甲烷的浓度为0.5～4.5％，同时通过热水循环泵控制水浴保温层温度为25～30℃；
14.步骤三：检测进气管与排气管中甲烷的浓度，定期检测甲烷氧化混合菌培养罐内的do、ph、温度、ec、orp等物化指标；
15.步骤四：运行一段时间后，对比进气管与排气管中甲烷的浓度，计算甲烷氧化混合菌培养罐对甲烷的消耗量；
16.步骤五：系统运行稳定后，观察甲烷氧化混合菌培养罐内微生物生长情况，并分析识别系统富集的甲烷氧化菌及其丰度变化；
17.步骤六：根据实际情况调整反应时间、曝气流量和进气甲烷浓度。
18.上述方法中，所述微孔曝气头的曝气流量为60～300ml/min。
19.由于采用了上述技术方案，本发明的优点在于：
20.(1)本发明构建的培养系统占地面积小，操作简单，参数易控制，成本低、安全性高；
21.(2)本发明的进气甲烷浓度低，可以利用厌氧装置产生的甲烷与空气混合获得，降低培养成本，并实现对甲烷的资源化利用，减缓因甲烷排放造成的温室效应，应用前景广泛；
22.(3)本发明无需添加中空纤维膜、石蜡油等填料，降低了培养成本增加，便于推广使用。
附图说明
23.图1是本发明的结构示意图；
24.图2是实施例一和实施例二中甲烷平均日消耗量；
25.图3是实施例一和实施例二中甲烷氧化菌相对丰度；
26.附图中的标记为：1-高压气瓶，2-进气管，3-气体流量调节阀，4-气体流量计，5-球阀，6-止回阀，7-水浴保温层，8-微孔曝气头，9-出水口，10-进水口，11-搅拌电机，12-配水桶，13-进水泵，14-球阀，15-水体流量计，16-进水管，17-排气管，18-甲烷氧化混合菌培养罐。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
28.参见图1，本发明的一种甲烷氧化混合菌培养系统，包括进气装置、进水装置以及甲烷氧化混合菌培养罐18，所述进气装置包括高压气瓶1、进气管2以及微孔曝气头8，在甲烷氧化混合菌培养罐18的底部固定安装有微孔曝气头8，所述高压气瓶1与微孔曝气头8之间通过进气管2连接，在进气管2上依次安装有气体流量调节阀3、气体流量计4、球阀5以及止回阀6；所述进水装置包括配水桶12和进水管16，在甲烷氧化混合菌培养罐18的侧壁上部开设有进水口10，所述配水桶12与进水口10之间通过进水管16连接，在进水管16上依次安装有进水泵13、球阀14以及水体流量计15，在甲烷氧化混合菌培养罐18的顶部安装有排气管17，在甲烷氧化混合菌培养罐18的侧壁上开设有出水口9。所述甲烷氧化混合菌培养罐18的顶部固定安装有搅拌电机11，且搅拌电机11的转轴伸入甲烷氧化混合菌培养罐18中，在搅拌电机11的转轴上固定安装有搅拌叶片。所述甲烷氧化混合菌培养罐18的外壁固定安装有水浴保温层7，且水浴保温层7与热水循环泵连接。所述出水口9设置有三个，且位于进水口10与微孔曝气头8之间。
29.同时，本发明还提供一种基于上述甲烷氧化混合菌培养系统的构建方法，包括以下步骤：
30.步骤一：向甲烷氧化混合菌培养罐18内加入城镇污水厂活性污泥和微生物培养液后密封好，然后启动进气装置与搅拌电机11，使甲烷氧化混合菌培养罐18内只进气不进水，进行1～2周的微生物适应阶段；
31.步骤二：微生物适应阶段结束后，同时启动进气装置和进水装置，使甲烷氧化混合菌培养罐18内正常进气和进水，并通过气体流量调节阀3和气体流量计4控制微孔曝气头8的曝气流量，使甲烷氧化混合菌培养罐18中甲烷的浓度为0.5～4.5％，同时通过热水循环泵控制水浴保温层7温度为25～30℃；
32.步骤三：检测进气管2与排气管17中甲烷的浓度，定期检测甲烷氧化混合菌培养罐18内的do、ph、温度、ec、orp等物化指标；
33.步骤四：运行一段时间后，对比进气管2与排气管17中甲烷的浓度，计算甲烷氧化混合菌培养罐18对甲烷的消耗量；
34.步骤五：系统运行稳定后，观察甲烷氧化混合菌培养罐18内微生物生长情况，并分析识别系统富集的甲烷氧化菌及其丰度变化；
35.步骤六：根据实际情况调整反应时间、曝气流量和进气甲烷浓度。
36.实施例一：
37.本实施例中，甲烷气体浓度为3％，所述微孔曝气头8的曝气流量为30ml/min；
38.甲烷平均日消耗量为0.76％，甲烷氧化菌相对丰度为4.95％，其中甲基孢囊菌属、甲基八叠球菌属、甲基单胞菌属和甲基杆菌属是主要的微生物，相对丰度分别为2.37％，0.89％，0.15％和0.27％。
39.实施例二：
40.本实施例中，甲烷气体浓度为3％，所述微孔曝气头8的曝气流量为300ml/min；
41.甲烷平均日消耗量为0.35％，甲烷氧化菌相对丰度为6.13％，其中甲基孢囊菌属、甲基八叠球菌属、甲基单胞菌属和甲基杆菌属是主要的微生物，相对丰度分别为0.88％，2.58％，0.35％和0.79％。