一种利用导电载体形成希瓦氏菌电活性生物膜强化厨余垃圾厌氧处理的方法

1.本发明具体涉及一种利用导电载体形成希瓦氏菌电活性生物膜强化厨余垃圾厌 氧处理的方法，属于有机废物处理与资源化技术领域。


背景技术：

2.作为生活垃圾中主要组成部分的厨余垃圾含有大量有机物，回收利用价值高。每 日产生的厨余垃圾的处理问题日益突出的同时，也带来了巨大的市场，厨余垃圾资源 化和无害化方面成为各方关注焦点。
3.目前我国处理厨余垃圾的主要手段是湿式厌氧消化技术。厌氧消化技术与物理、 化学方法相比，具有装置成本低、无二次污染、有效回收利用资源等优势。厌氧消化 厨余垃圾过程中，厨余垃圾中的有机组分经微生物的水解发酵作用分解成小分子的有 机酸、醇等物质，再经过产氢产乙酸过程将这些小分子酸、醇分解成乙酸、氢气和co2， 最后在乙酸营养型甲烷菌的作用下将乙酸转化为甲烷和co2，在氢营养型甲烷菌的作 用下将氢气和co2转化为甲烷和水。然而，厨余垃圾成分复杂且易酸化，水解发酵过 程速率快，高负荷运行时产甲烷过程不能及时消化降解厨余垃圾产生的挥发酸，进而 出现挥发酸积累的现象，抑制产甲烷菌活性，影响厨余垃圾的高效处理。投加强碱调 节ph是处理酸积累问题的常用手段，能够提供厌氧体系内的产甲烷适宜的生长环境， 但增加了厨余垃圾处理成本，同时长期投加强碱会导致体系盐度提升，也会影响微生 物的生长，不利于体系的长期稳定运行。


技术实现要素：

4.本发明提出一种希瓦氏菌耦合导电载体的方法及其在处理厨余垃圾中的应用。
5.本发明的创新点在于向厌氧装置投加表面形成希瓦氏菌电活性生物膜的导电载 体，希瓦氏菌电活性生物膜形成在导电载体表面，便于固定和利用希瓦氏菌及其分泌 出的黄素，同时更容易在该希瓦氏菌电活性生物膜上富集电活性发酵菌和可以直接接 受电子产甲烷的电活性产甲烷菌，电活性生物膜作为微生物之间电子传递的介质提高 厌氧消化的电子传递速率强化厨余垃圾厌氧消化效果。
6.本发明能够通过利用希瓦氏菌将有机物发酵产酸分解成小分子物质，并且分泌出 的黄素能够特异性强化电活性产甲烷菌的产甲烷过程，导电载体固定黄素和希瓦氏菌 进一步促进表面微生物传递电子的速率和保证一定量浓度的黄素，维持高负荷厨余垃 圾厌氧消化处理时水解发酵和产甲烷过程的动态平衡，同时避免了黄素的流失或持续 添加。
7.为了达到上述目的，本发明提供一种在导电载体表面形成希瓦氏菌电活性生物膜 的方法。
8.本发明所提供的在导电载体表面形成希瓦氏菌电活性生物膜的方法，包括如下步 骤：
9.1)制备希瓦氏菌菌液；
10.2)将预处理后的导电载体浸泡在添加0.5m～1.5m乳糖后的步骤1)所得希瓦氏菌菌液中，从而在导电载体表面形成希瓦氏菌电活性生物膜。
11.上述方法步骤1)的操作为：将希瓦氏菌菌种接种至液体培养基中培养，得到希瓦氏菌菌液；
12.其中，所述希瓦氏菌具有黄素分泌能力，具体可为市售的希瓦氏菌shewanellaoneidensis菌种；商业平台购买得到的希瓦氏菌剂为shewanellaoneidensismr-1菌剂希瓦氏菌浓度为1
×
108～4
×
108个/ml
13.所述液体培养基由蛋白胨、nacl、酵母浸粉、琼脂粉和去离子水配制而成；具体地，所述液体培养基由如下成分配制而成：将5g蛋白胨、5gnacl、2.5g酵母浸粉、500ml去离子水。
14.每100μg希瓦氏菌(活菌数1
×
105～4
×
105个/μg)至100ml所述液体培养基中；
15.所述培养的温度可为28-32℃，具体可为30℃，时间可为0.8-1.5天，具体可为1天；
16.所得希瓦氏菌菌液的液体od600保持在0.36以上；
17.上述方法步骤2中，所述导电载体可为导电碳布、碳毡和碳刷中的任一种；
18.具体可为导电碳布，更具体可为360μm厚度、125g/m2密度、电阻率＜2ω
·
m的导电碳布；
19.所述预处理包括裁剪、清洗和酸浸泡处理；
20.所述清洗的操作为：将裁剪后的导电载体在乙醇和丙酮的混合溶液中浸泡并超声波处理，取出风干，即可；
21.其中，所述混合溶液中乙醇和丙酮的体积比可为1：1；
22.上述预处理还可进一步包括将风干后的导电载体用清水冲洗2～3遍并浸泡在清水中洗去浮渣的操作；
23.所述酸浸泡的操作为：将导电载体先浸泡在0.5～1.5m硝酸溶液1-3h；再浸泡在0.5m～1.5m硫酸溶液1-3h，取出烘干，即可；
24.所述酸浸泡的温度具体可为30
±
2℃。
25.上述方法步骤2)中，所述将预处理后的导电载体在希瓦氏菌菌液的浸泡可进行多次，具体可为2-3次，每次浸泡的时间可为1d，每次浸泡后均进行风干操作；
26.所述浸泡温度为30
±
2℃。
27.所述希瓦氏菌菌液的ph在6.5
±
0.5范围内。
28.上述表面形成有希瓦氏菌电活性生物膜的导电载体在厨余垃圾厌氧处理中的应用也属于本发明的保护范围。
29.本发明还提供一种利用导电载体形成希瓦氏菌电活性生物膜强化厨余垃圾厌氧处理的方法。
30.本发明所提供的利用导电载体形成希瓦氏菌电活性生物膜强化厨余垃圾厌氧处理的方法，包括如下步骤：
31.将通过上述方法制得的表面形成有希瓦氏菌电活性生物膜的导电载体投加进厨余垃圾厌氧处理装置，进行厨余垃圾厌氧消化处理即可；
32.其中，在运行初期定期投加希瓦氏菌菌液(添加0.5m～1.5m乳糖后的步骤1)所得希瓦氏菌菌液)。
33.上述厨余垃圾厌氧处理方法中，将啤酒废水处理厂中的厌氧颗粒污泥和牛粪混合 均匀作为接种污泥，污泥与牛粪的质量比为3:1～5:1；
34.所述厌氧颗粒污泥为本领域公知的名词，具体包括处理高浓度cod废水的厌氧污 泥。
35.所述导电载体投加进厌氧处理装置，导电载体与所述厌氧颗粒污泥的质量比为 4～5：100；
36.所述希瓦氏菌菌液在运行初期每3d投加1/1000厌氧处理装置体积的量，
37.所述投加重复进行多次，具体可为2～3次。
38.所述的厨余垃圾在运行初期投加进厌氧处理装置，厨余垃圾与厌氧颗粒污泥的质 量比为1：50，出现产气后，定期提升装置有机负荷。
39.所述的有机负荷在装置达到80％以上的去除率后提升，提升程度不超过前一负荷 的50％。
40.所述的厨余垃圾厌氧消化前破碎至粒度小于5mm，并混合均匀。
41.所述厌氧消化在ph＝7.0
±
1.0，温度为30℃～35℃下进行。
42.本发明将希瓦氏菌与导电碳布结合使用，在厨余垃圾厌氧装置中起耦合作用。将 所述希瓦氏菌剂与导电碳布及厨余垃圾混合，进行厌氧消化处理，实现高效处理厨余 垃圾。
43.本发明具有以下优点：
44.(1)本发明的导电碳布经酸浸泡预处理，碳布比表面积增大、电导率上升、附 着亲水性功能团。在厨余垃圾处理应用中，能够提供微生物生长环境和电子传递的路 径，形成以直接种间电子传递为主要代谢途径的厌氧消化体系。
45.(2)本发明的希瓦氏菌在进入厌氧装置的72h～96h内会产生一定量的黄素积累， 黄素特异性强化电子传递功能蛋白，提高了产甲烷菌的直接种间电子传递(directinterspecies electron transfer,diet)的产甲烷路径，并且装置能在不外加黄素情况下 长期维持diet的贡献。
46.(3)本发明结合导电碳布和希瓦氏菌剂(如图1)，能够利用多种有机物的产电 菌希瓦氏菌的电活性生物膜更容易附着在导电碳布表面，生物膜的毛细管作用，减少 了电子传递过程的距离，加速有机物降解和电子传递。
47.(4)本发明的耦合技术在厨余垃圾处理应用中，操作简单、管理方便，具有优 良的应用前景和经济效益。
附图说明
48.图1为本发明形成希瓦氏菌电活性生物膜的导电碳布模拟图。各个标记如下：1 为导电碳布；2为电活性生物膜；3为希瓦氏菌；4为黄素。
具体实施方式
49.下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了 阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域 普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。
置投加实施例1制备的希瓦氏菌菌液，与装置的体积比为1：1000，重复该步骤3次) 和接种污泥，其他均采用相同操作。
67.对比例4
68.仅实施例3中在启动期仅向装置投加所述接种污泥，其他均采用相同操作。
[0069][0070]
检测实施例3和对比例在厌氧消化厨余垃圾过程中cod、ph、挥发酸、甲烷等指 标的变化，结果表明，实施例3有机物去除负荷最高达到9.0gcod/(m3·
d)，比对比例1 高13％，比对比例2高29％，比对比例3高39％，比对比例4高64％。实施例3的ph维持 在6.8～7.5之间，而对比例4的ph在高有机负荷下逐渐下降至5.5。同时，实施例3的挥 发酸含量分别为对比例含量的65％、42％、33％、20％。实施例3的甲烷转化率达到 520mlch4/gvs,高于转化率最高的对比例1 14％。
[0071]
以上对本发明进行了详述。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的宗旨 和范围，以及无需进行不必要的实验情况下，可在等同参数、浓度和条件下，在较 宽范围内实施本发明。虽然本发明给出了特殊的实施例，应该理解为，可以对本发 明作进一步的改进。总之，按本发明的原理，本技术欲包括任何变更、用途或对本 发明的改进，包括脱离了本技术中已公开范围，而用本领域已知的常规技术进行的 改变。