一种耐高酸高氨氮的厌氧产甲烷菌系的驯化方法

本发明属于微生物处理降解，具体涉及一种耐高酸高氨氮的厌氧产甲烷菌系的驯化方法。

背景技术：

1、近些年来，畜禽养殖业发展迅速，畜禽粪污已成为最大的污染源之一，对空气、水体和土地造成了严重的污染。将畜禽粪污进行无害化、资源化处理，对保护环境和可持续发展有重要意义。

2、目前，南方县域范围畜禽粪污处理的主要方式是第三方大型集中式沼气工程模式，可以系统性解决养殖粪污处理，如江西以沼气工程和有机肥生产为核心的“n2n”模式，收集处理区域内畜禽粪污、产生沼气和有机肥，种养结合进行消纳沼液，解决区域内粪污的污染排放问题。但是，实际运行过程中产生新的关键瓶颈问题：全量化粪污收集过程中易严重水解，进而导致理化性质发生重大改变，液相部分中挥发性脂肪酸和氨氮浓度分别超过10000mg·l-1和4000mg·l-1，属于典型的高酸、高氨氮类发酵原料；与传统干清粪方式收集相比，粪污中挥发酸及氨氮浓度提高了2-3倍，并且对产甲烷菌毒害作用极大的丙酸占比超过30%。全量化粪污的高酸、高氨氮的特性，导致沼气工程厌氧处理全量化粪污出现产气效率低、容易失稳。

3、目前，针对酸中毒的解决方案，第一种是采用化学法调节ph解决酸中毒问题，主要通过将氢氧化钠、生石灰等碱性试剂添加到反应器中来中和酸，这种方案需要大量的试剂，且试剂价格高，处理成本高，同时会发生剧烈的中和反应，产生的大量碱金属盐，对厌氧反应有抑制作用；第二种是采用生物强化技术缓解酸抑制的问题，投加一种或多种功能微生物改善或恢复厌氧发酵的性能，但是这些菌剂价格高，用量大，且纯培养的菌剂也难以适应含有高丙酸、乙酸的环境，同时难以与土著微生物竞争保持优势生物量发挥强化作用。

4、针对氨中毒的解决方案，主要有六种方法来消除或缓解氨抑制：1)具有吸附性能的添加剂，以降低厌氧消化（ad）中的实际总氨氮（tan）水平，如生物炭、膨润土；2)通过调节温度或ph促进游离氨（fan）向铵态氮的转化；3)在高tan浓度下驯化微生物，获得耐氨微生物联盟；4)补充微量元素，弥补氨氮高可能导致的微量元素缺乏；5)与碳氮比较高的基质如作物秸秆、能量草等共消化可降低tan浓度；6)通过氨汽提、鸟粪石沉淀等方法降低氨浓度。这些方法在实验室水平上显示了积极的结果，共消化是最广泛使用的方法，总体而言，其他几个方法在大规模沼气的实用性项目仍需进一步评价。

5、因此，本发明研究基于耐高酸、高氨氮的厌氧菌群原位驯化和配套生物强化工艺，获得生物量大且活性稳定的耐高酸、高氨氮的厌氧菌群。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种耐高酸高氨氮的厌氧产甲烷菌系的驯化方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案包括：

3、一种耐高酸高氨氮的厌氧产甲烷菌系的驯化方法，包括：以正常沼气工程的发酵液为接种物，以全量化粪污、秸秆和新鲜猪粪为混合原料，按照vs（全量化粪污+新鲜猪粪:秸秆）比例4:1,c:n为22～25:1的配比，通过梯级递增（ts=6%-20%）负荷的方法，逐步提高发酵液中的挥发性脂肪酸和氨氮的浓度驯化发酵液，以此获得耐高酸高氨氮的产甲烷菌系；还包括一套适合高浓度厌氧且主要特性为在ts=20%时能正常进出料的发酵系统。

4、具体驯化步骤为：

5、以正常沼气工程的发酵液30%的体积作为接种物，初始以全量化粪污、新鲜猪粪和秸秆为混合原料的ts为6%，进料量为70%，在37±1℃进行培养，经过7d，沼气的甲烷含量达到55%以上。以ts=6%为初始进料负荷浓度，进料总质量为2kg，以olr为0.22 gvs·l-1·d-1的速度从1.34gvs·l-1·d-1（ts=6%）递增至4.48gvs·l-1·d-1（ts=20%）；在保持进料ts为20%时，以olr为0.55gvs·l-1·d-1的速度从4.48gvs·l-1·d-1递增至8.39gvs·l-1·d-1。每个负荷浓度驯化时间15～20d，期间通过监测产气量、甲烷含量、ph、vfa/tic、氨氮、挥发性脂肪酸等指标控制操作。

6、进一步地，所述产甲烷菌系优势特征微生物为互养丙酸氧化裂解菌 candidatus_ cloacimonas、互营脂肪酸氧化菌（ synergistetes），乙酸型产甲烷菌（ methanosaeta），氢营养型产甲烷菌（ methanospirillum、methanobrevibacter）。

7、进一步地，驯化进料ts最终浓度为20%，olr最终达到8.39gvs·l-1·d-1，水力停留时间（hrt）为19d。

8、进一步地，所述发酵系统为卧式+立式的组合二级厌氧发酵系统，包括卧式厌氧驯化罐（70l）、立式接种物储存罐（50l）、气液分离器、plc控制系统及相关在线监测仪表，发酵系统的运行条件为在37±1℃下发酵、卧式罐搅拌转速6r/min、立式罐搅拌转速24r/min。

9、进一步地，所述产甲烷菌系为ts＞10%、vs/ts＜0.6、乙酸含量＜200mg·l-1、丙酸含量＜2800mg·l-1、灰色或偏黑色、污泥蓬松且呈絮状的半固体样品。

10、进一步地，所述秸秆优选为富含纤维素的底物，如稻杆、能源草，所述全量化粪污为冲栏粪污水解后的含高酸高氨氮的粪污。

11、本发明的有益效果在于：

12、（1）通过本发明所述驯化方法得到的 candidatus_cloacimonas、互营脂肪酸氧化菌（ synergistetes），乙酸型产甲烷菌（ methanosaeta），氢营养型产甲烷菌（ methanospirillum、methanobrevibacter）等菌系，其具有耐高酸、高氨氮、耐负荷冲击性强，生物强化稳定性好等特性，同时其表面具有许多空隙和洞穴，这些空隙和洞穴是基质传递的通道，气体可由此输送出去。添加5%发酵罐体积，可以在1~2d内恢复酸中毒后的厌氧反应器，并提高产气量和甲烷含量，明显提高沼气发酵性能。

13、（2）本发明通过提高进料负荷浓度，富集厌氧发酵微生物。主要优势特征微生物为互养丙酸氧化裂解菌 candidatus_cloacimonas、乙酸型产甲烷菌（ methanosaeta）。在细菌方面， candidatus_cloacimonas的丰度占比10%以上。在古菌方面，乙酸型产甲烷菌（ methanosaeta）的丰度占比60%以上。

14、（3）本发明自有设计的卧式+立式的组合二级厌氧发酵系统中搅拌系统解决了高固体搅拌条件下产生的传质传热差、内部短流、分层等问题，气液分离器的压力控制可以保证气、液自动分离，出料顺畅，充分的搅拌能保证高负荷高浓度下的传热传质 ，防止物料短流、局部酸化、气体快速充分逸出等功能，保证了菌种在高酸、高氨氮的生态环境下驯化富集。