一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法

本发明涉及一种强化厌氧发酵产甲烷的方法。

背景技术：

1、甲烷(ch4)是优质的气体燃料，同时也是重要的生物质能源。厌氧生物处理技术，不仅可以有效去除废水中的有机物，同时还可产生ch4，具有处理负荷高、剩余污泥少、运行成本低等优点，因而在高浓度有机废水处理中得到了广泛应用。基于生物相分离技术而研发的有机废水两相厌氧生物处理工艺，可通过对产酸相(产酸发酵菌群)和产甲烷相(产甲烷菌群)的分离，显著提高废水处理效能和系统运行稳定性。基于厌氧生物处理微生物生理生态学研究的最新成果，不断提高两相厌氧生物处理系统的效能，是工程实践的迫切需求，亦是废水厌氧生物处理技术研究的热点问题。

2、目前，产甲烷过程常常被认为有三个阶段，分别是产酸发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。现有技术是在包含有全部这三个阶段的完全混合反应器中通过投加co2+对系统效能进行强化，但是该技术有三个缺陷。首先，产甲烷过程的三个阶段分别由三种不同的菌群完成，其中产酸发酵阶段通常是由产酸发酵菌群完成，而产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段则分别由产氢产乙酸剧菌群和产甲烷菌群完成。由于生理生态特性的显著差异，co2+对这三种菌群的调控作用有较大差别。然而，已有技术并不能基于不同菌群的生理生态特性进行调节，并且在投加后并不能确定co2+具体针对哪一类菌群起作用，提高了哪一类菌群的活性，这导致了对co2+的盲目投加。其次，在工程实践中，由于生物可利用性的限制，直接向系统中投加co2+会与废水中微生物代谢过程中产生的某些物质发生反应而沉淀，只有30％～70％可以被微生物有效利用。并且由于沉淀作用，投加的微量金属会在处理系统中逐渐累积，这不仅造成了co2+的无谓消耗，也有产生二次污染的风险。尽管降低ph的工程调控方法可以有效提高co2+的生物可利用性，但也会显著抑制产甲烷菌群的生长代谢。最后，当产甲烷相反应器受到环境冲击，效率下降后，现有的co2+投加技术并不能促进产甲烷相的恢复。因此，提供一种高生物利用性的co2+投加技术以分别调控产酸相和产甲烷相，最终使两相厌氧反应器的产ch4效能提高是十分有必要的。

技术实现思路

1、本发明要解决现有两相厌氧发酵的co2+投加调控效果差，co2+投加浪费大，容易造成二次污染，产甲烷相受冲击后恢复缓慢的问题，而提供一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法。

2、一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，它是按以下步骤进行：

3、一、在避光条件下，将cocl2·6h2o溶液和n,n'-乙二胺二琥珀酸溶液混合，然后在避光条件下恒温搅拌，得到co-edds螯合物溶液；

4、所述的cocl2·6h2o溶液中cocl2·6h2o与n,n'-乙二胺二琥珀酸溶液中n,n'-乙二胺二琥珀酸的摩尔比为1:(0.8～1)；

5、二、构建产酸相反应器和产甲烷相反应器并连接，得到两相厌氧反应器，向产酸相反应器中加入富集好的产酸相接种污泥，向产甲烷相反应器中加入富集好的产甲烷相接种污泥，然后将co-edds螯合物溶液加入到产甲烷相反应器中，启动两相厌氧反应器并进水，两相厌氧反应器总的水力停留时间为18h～36h，即完成基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法；

6、所述的co-edds螯合物溶液中co2+每日投加量为每升进水投加1mg～2mg。

7、本发明的有益效果是：

8、本发明在两相厌氧发酵中通过向产甲烷相投加co-edds，可以提高发酵效能，提高菌群关键酶的活性，影响微生物的发酵过程，以获得更高的产ch4效能，并可以提高产甲烷相对环境冲击的耐受性，使两相厌氧发酵系统的效能获得更快的恢复。该方法具有如下优点：

9、(1)通过co-edds螯合物的投加，显著提升了co的生物可利用性，减少了co的浪费并避免了潜在的二次环境污染问题。

10、(2)通过直接向产甲烷相反应器投加的方式，避开了效果不明显的产酸相反应器，使co-edds的投加更有效率。

11、(3)co-edds明显改变了产甲烷相的微生物群落结构，参与氮素循环及耐氨氮毒性的非产甲烷菌群(如thauera、thermovirga、sbr1031、aminivibrio和brachymonas等)以及具有耐毒性和更高效能产甲烷菌群(如methanofollis和methanosarcina等)的相对丰度显著提高。

12、(4)co-edds投加后可以显著提高产甲烷相中关键酶的浓度，使产甲烷相活性污泥的产甲烷活性提高127.73％左右，分别达到201.21mlch4/gvss，出水cod较未投加co时分别降低37.81％左右。

13、(5)本发明提供的方法可以使产甲烷相反应器可以在高浓度氨氮和低ph(4.5)冲击后快速恢复。其中受高浓度氨氮冲击的产甲烷系统的处理效能能够在5d内得以快速恢复。而对于受低ph冲击的产甲烷相处理系统，也可在5d内得以恢复。

14、(6)本发明提供的方法，使发酵底物更多的流向ch4合成的代谢途径，明显提高了ch4产量和产率。由此可知，在产甲烷相中定向投加co-edds是强化两相厌氧发酵系统效能的有效手段，在较低的投加浓度下，即可获得较高的生物可利用性并较大幅度地提高两相厌氧发酵系统的产ch4效能，具有很好的技术经济性。

15、本发明用于一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法。

技术特征：

1.一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，其特征在于它是按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，其特征在于步骤一中所述的cocl2·6h2o溶液的浓度为1mol/l～1.2mol/l；步骤一中所述的n,n'-乙二胺二琥珀酸溶液的浓度为1mol/l～1.2mol/l。

3.根据权利要求1所述的一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，其特征在于步骤一中所述的避光条件下恒温搅拌具体是在避光、温度为20℃～25℃及转速为120r/min～130r/min的条件下，恒温搅拌12h～24h；步骤一中制备的co-edds螯合物溶液在温度为0℃～4℃的条件下保存待用。

4.根据权利要求1所述的一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，其特征在于步骤二中产酸相反应器接种污泥后，产酸相反应器中每升反应容积内含有可挥发性悬浮物为15g～16g；步骤二中产甲烷相反应器接种污泥后，产甲烷相反应器中每升反应容积内含有可挥发性悬浮物为20g～21g。

5.根据权利要求1所述的一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，其特征在于步骤二中所述的富集好的产酸相接种污泥具体是按以下驯化过程进行：按质量比为1:(0.8～1):(0.8～1):(0.8～1):(0.8～1)，依次从牛粪、沼气渣、猪粪堆肥、水沟底泥及城市污水厂二沉池排泥中采集污泥，将采集的污泥混合，并在温度为35℃～37℃及转速为120r/min～130r/min的条件下，将混合后的污泥置于以稀释糖蜜为碳源的富集培养基中震荡富集培养，连续培养5个月～6个月，得到富集好的产酸相接种污泥。

6.根据权利要求5所述的一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，其特征在于所述的以稀释糖蜜为碳源的富集培养基具体是按以下步骤制备：每升去离子水中加入8g～8.5g糖蜜、0.5g～0.6gnh4cl和0.1g～0.2gkh2po4，然后通入n2气10min～15min，密封。

7.根据权利要求1所述的一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，其特征在于步骤二中所述的富集好的产甲烷相接种污泥具体是按以下驯化过程进行：按质量比为1:(0.8～1):(0.8～1):(0.8～1):(0.8～1)，依次从牛粪、沼气渣、猪粪堆肥、水沟底泥及城市污水厂二沉池排泥中采集污泥，将采集的污泥混合，并在温度为35℃～37℃及转速为120r/min～130r/min的条件下，将混合后的污泥置于以乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠为碳源的富集培养基中震荡富集培养，连续培养5个月～6个月，得到富集好的产甲烷相接种污泥。

8.根据权利要求7所述的一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，其特征在于所述的以乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠为碳源的富集培养基具体是按以下步骤制备：每升去离子水中加入5g～5.5g乙酸钠、1.2g～1.5g丙酸钠、0.3g～0.5g丁酸钠、0.25g～0.35gnh4cl和0.32g～0.42gkh2po4，然后通入n2气10min～15min，密封。

9.根据权利要求1所述的一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，其特征在于步骤二中利用nh4cl和kh2po4调节进水中c:n:p的质量比为(450～500):(45～50):1，利用浓度为1mol/l～1.1mol/l的hcl或浓度为1mol/l～1.1mol/l的naoh调节进水ph＝6.9～7.1，最后向进水中加入nahco3作ph缓冲剂，所述的nahco3的加入量为3g/l～4g/l。

10.根据权利要求1所述的一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，其特征在于步骤二在厌氧、温度为35℃～37℃及转速为120r/min～130r/min的条件下震荡培养，两相厌氧反应器总的水力停留时间为18h～36h。

技术总结
一种基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能的方法，本发明涉及一种强化厌氧发酵产甲烷的方法。解决现有两相厌氧发酵的Co<supgt;2+</supgt;投加调控效果差，Co<supgt;2+</supgt;投加浪费大，容易造成二次污染，产甲烷相受冲击后恢复缓慢的问题。方法：一、制备Co‑EDDS螯合物溶液；二、向产酸相反应器中加入富集好的产酸相接种污泥，向产甲烷相反应器中加入富集好的产甲烷相接种污泥，然后将Co‑EDDS螯合物溶液加入到产甲烷相反应器中，启动两相厌氧反应器并进水。本发明用于基于钴强化产甲烷菌活性提高两相厌氧发酵系统效能。

技术研发人员：孟佳,陈其一,李建政,潘震
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12