一种用于降解废气中甲烷的复合菌群及其培育方法和应用

1.本发明属于属于微生物培养、大气污染控制、环保技术领域，涉及一种用于降解废气中甲烷的复合菌群及其培育方法和应用。


背景技术：

2.近年来，温室效应日益严重，不仅导致了冰川消融，海平面上升，同时致使台风、飓风、干旱和洪涝等自然灾害频发，给人民的生命财产和社会经济带来了严重的危害。温室效应的控制已成为目前全民关注的热点和努力的方向。
3.引起温室效应的温室气体主要有二氧化碳、甲烷、氧化亚氮和氟利昂等，其中甲烷作为清洁能源天然气的主要成分，在工业锅炉燃烧，供暖以及家庭烹饪等工业生产和日常生活中发挥着不替代的作用。然而，由于甲烷具有超强的短波辐射能力，其温室效应是二氧化碳引起的温室效应的28-120倍。2018年4月2日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员直接证明了甲烷是导致地球表面温室效应不断增加的因素。因此，甲烷产生的温室效应是不容忽视的。国内和国际上也都在密切关注温室效应，世界各国以全球协约的方式进行温室气体的减排，中国在联合国大会上向世界宣布并提出了碳达峰和碳中和目标计划。
4.大气中的甲烷具有广泛的来源，例如天然气和煤气的泄漏、动植物尸体腐烂、填埋场填埋过程中产生的填埋气、农村地区沼气池产生的沼气、煤矿开采过程中矿区产生的瓦斯以及反刍动物肠道发酵等。但是，一直以来，无论是国内还是国际上都未将甲烷作为环境污染物而限定废气中甲烷的排放浓度，从而导致大气中甲烷的浓度逐年升高，加剧温室效应的形成。随着甲烷引起的温室效应日益严重，亟需开发出一种绿色高效、经济节能的甲烷有机废气净化技术。
5.传统处理技术，如高温焚烧虽然具有去除效率高的优点，但是往往仅适用于甲烷浓度高的有机废气(如垃圾填埋场填埋中期)，且存在能耗高，二氧化碳产生量大的特点。吸附法虽然适用于处理低浓度有机废气，但是吸附剂再生过程中甲烷解吸后又回到大气中，而不进行吸附剂回收产生的废吸附剂的后续处理会进一步增加运行成本。生物法是目前处理有机废气最为绿色经济的方法，也是目前最有应用前景和最能缓解甲烷带来的温室效应的方法。但是由于甲烷属于疏水性有机物，在利用生物法进行处理过程中，存在着气液传质阻力大，微生物对甲烷的耐受性低以及生物处理系统稳定性弱等问题。这些不利因素的存在制约了生物法在甲烷有机废气处理中的广泛应用。
6.微生物是废水废气污染治理过程中的主力军，强化微生物对目标物质甲烷的耐受能力，培育出具有特异性降解甲烷的微生物菌群是生物法净化甲烷污染缓解温室效应的关键和核心。因此，发明一种去除废气中甲烷的好氧甲烷氧化菌的培育方法，以获得能够以甲烷为营养的特异性微生物菌群，实现甲烷有机废气的高效生物降解，对于有效净化甲烷有机废气以及实现碳达峰碳中和目标具有十分重要的意义。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是克服现有生物法降解去除疏水性甲烷过程中的不足，提供一种操作简单、经济环保、安全节能、易于工程化推广的好氧甲烷氧化菌群的培育手段，以提供一种能够高效降解甲烷，缓解温室效应的处理甲烷有机物废气的方法。
8.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
9.一种用于降解废气中甲烷的复合菌群及其培育方法和应用，包括以下步骤：
10.步骤1)微生物菌种的选取及预处理：选取炼油污水处理站好氧池回流出口污泥沉降比(sv)为20％-25％，污泥容积指数(svi)为80-120ml/g的活性污泥，进行过筛和沉降浓缩；
11.步骤2)丝瓜络凝胶载体的制备：选取老龄育种丝瓜囊，去籽晒干后，先浸泡于海藻酸钠溶液中，再浸泡于氯化钙和硼酸复合溶液中，取出清水洗净备用；
12.步骤3)微生物的培养及固定：配制营养液并在曝气条件下进行微生物的培养，将丝瓜络凝胶、聚氨酯海绵和鲍尔环填料置于微生物培养系统中进行微生物的固定；
13.步骤4)微生物的逐步驯化和培育：将固定了微生物的丝瓜络凝胶、聚氨酯海绵和鲍尔环填料置于生物滤柱中，并分阶段依次向生物滤柱中通入单一正戊烷、正戊烷和甲烷复合污染物、单一甲烷进行降解废气中甲烷的复合菌群的驯化和培育；
14.步骤5)将驯化的微生物用于处理含甲烷的有机废气：将实际生产过程中产生的含甲烷的有机废气引入驯化和培育好的生物滤柱中进行处理。
15.优选的，步骤1)选取的活性污泥过100-200目的筛网，沉降浓缩过程中弃去上清液，获得的活性污泥浓度(mlss)为10.0-20.0g/l。
16.优选的，步骤2)所述丝瓜囊在海藻酸钠溶液中浸泡的时间为5-12h，海藻酸钠的质量浓度为0.05％-0.5％，所述氯化钙水和硼酸复合溶液中，氯化钙溶液的质量浓度为1.0％-2.5％，硼酸的质量浓度为4.0％-5.3％，浸泡时间为5-12h。
17.优选的，步骤3)营养液配方为nano3(500mg/l)，nahco3(25mg/l)，mgso4(4.5mg/l)，k2hpo4(30mg/l)，kh2po4(9mg/l)，cacl2(2.7mg/l)，cocl2·
6h2o(0.9mg/l)，fecl3(0.0926mg/l)，cucl2·
4h2o(0.062mg/l)，mncl2·
4h2o(0.144mg/l)，叶酸(0.89ug/l)，d-泛酸(3.5ug/l)，维生素b2(2.3ug/l)，烟酸(2.3ug/l)，生物素(2.3ug/l)，5-10ml正戊烷/30l营养液，且每隔6-8h补充正戊烷3-5ml；所述曝气条件为连续曝气，曝气量为100-200l/h；
18.所述填料聚氨酯海绵和鲍尔环在投入微生物培养系统前预先用水浸泡10-24h，丝瓜络凝胶、聚氨酯海绵和鲍尔环的投加体积比为1:20～30:4～5，聚氨酯海绵为10-20ppi，孔隙率大于95％，表观密度15-30kg/m3，鲍尔环为塑料材质，直径所述固定时间为36-48h。
19.优选的，步骤4)生物滤柱中填料的堆放顺序从上至下分别为聚氨酯海绵、丝瓜络凝胶、鲍尔环，生物滤柱高径比为1:0.2-0.25，驯化过程中营养液从生物滤柱顶部雾化后喷出，含正戊烷的废气从生物滤柱底部通入，正戊烷浓度500-800mg/m3，气液比为0.05-0.10l/m3，单一正戊烷培养时间为15-30天；所述正戊烷和甲烷复合污染物浓度为正戊烷500-800mg/m3，甲烷500-1000mg/m3，培养时间为15-30天；所述单一甲烷浓度为500-1000mg/m3，培养时间为15-30天。
20.所述能够降解废气中甲烷的复合菌群包括变形菌、浮霉菌、绿弯菌、匿杆菌、放线
菌、杆菌、疣微菌、粘球菌和牙单胞菌。
21.优选的，步骤5)处理的实际含甲烷有机废气主要来自垃圾填埋场的早期和后期填埋气，煤矿区产生的有机废气和石化行业生产过程中以及炼油污水处理站产生的含甲烷的有机废气。
22.与现有技术相比，本发明的优点在于：
23.(1)本发明提供了一种操作简单、简便易行的好氧甲烷氧化菌的培育方法；
24.(2)本发明培育的降解废气中甲烷的复合菌群能够以甲烷为营养，对甲烷温室气体具有高效的降解代谢能力；
25.(3)本发明培育的降解废气中甲烷的复合菌群，对处理的甲烷废气的冲击负荷具有良好的抵抗能力；
26.(4)本发明提供的生物法降解去除甲烷有机废气无需额外的能源输入，有着经济节能、无二次污染的优势，是一种绿色、安全、经济的有机废气处理方法，使用价值高，应用前景好。
附图说明
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
28.图1为本发明实施例1中废气处理过程的工艺流程图。
29.图2为本发明实施例1中生物滤柱对戊烷的处理性能图。
30.图3为本发明实施例1中生物滤柱对甲烷的处理性能图。
31.图4为本发明实施例2中生物滤柱对甲烷的处理性能图。
32.图5为本发明培养废气中降解甲烷的复合菌群的流程图。
具体实施方式
33.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
34.实施例1
35.某炼油污水处理站废气处理设施排放口废气经检测其非甲烷烃排放浓度满足当地现行的地方标准，而甲烷含量为0.084％，折合质量浓度约为600mg/m3，直接外排必然会使大气中甲烷含量升高，加剧温室效应。为了降低排气口甲烷浓度，进一步净化炼油污水处理站产生的有机废气，从该炼油污水处理厂曝气池中获取好氧活性污泥，进行降解废气中甲烷的复合菌群的驯化培养，并在现有废气处理设施的末端增设具有驯化好的微生物菌群的生物滤柱进行甲烷的净化。具体步骤如下：
36.(1)将老龄去籽晾干的丝瓜囊，于质量浓度为0.05％的海藻酸钠溶液中浸泡12h，取出后再在氯化钙质量浓度为1.0％-硼酸质量浓度为5.3％的复合溶液中浸泡12h，15ppi的聚氨酯海绵和的鲍尔环填料于水中浸泡24h。
37.(2)检测分析该炼油污水处理厂曝气池中活性污泥的污泥沉降比sv为25％，污泥容积指数svi为100ml/g，污泥密度为2.5g/m3，表明该炼油污水处理厂曝气池中活性污泥具有较好的污泥活性，就地选取该曝气池中的活性污泥过200目的筛网，静置沉降，待上清液
的体积达到总体积的80％以上时，弃去上清液，获得浓缩污泥。
38.(3)对获得的浓缩污泥进行曝气处理，曝气量为200l/h，将浸泡好的填料投放于正在曝气处理的浓缩污泥中进行微生物固定。
39.(4)配制微生物培养的营养液，配方为nano3(500mg/l)，nahco3(25mg/l)，mgso4(4.5mg/l)，k2hpo4(30mg/l)，kh2po4(9mg/l)，cacl2(2.7mg/l)，cocl2·
6h2o(0.9mg/l)，fecl3(0.0926mg/l)，cucl2·
4h2o(0.062mg/l)，mncl2·
4h2o(0.144mg/l)，叶酸(0.89ug/l)，d-泛酸(3.5ug/l)，维生素b2(2.3ug/l)，烟酸(2.3ug/l)，生物素(2.3ug/l)，10ml正戊烷/30l营养液，每隔8h补充正戊烷5ml，48h后完成微生物的固定化培养。
40.(5)将固定化微生物的丝瓜络凝胶、聚氨酯海绵和鲍尔环填料转移至生物滤柱中，填料的安装顺序从下到上分别为鲍尔环、丝瓜络凝胶和聚氨酯海绵，对应的体积比为5:1:25。
41.(6)填料安装完成后，通入炼油厂废水处理站以戊烷和甲烷为主要污染物的有机废气进行驯化培养，戊烷浓度为600-800mg/m3(阶段a)。
42.(7)驯化培养15天后，降低戊烷负荷，将炼油废水处理站产生的有机废气分成两段分别进入原有处理设施和新增生物滤柱处理设施(阶段b)。
43.(8)分段处理培养25天后，关闭直接进入新增生物滤柱的有机废气通路，废水处理站有机废气经原有处理设施处理达标后进入新增生物滤柱处理系统进行甲烷的脱除(阶段c)，流程如图1所示。
44.(9)采用气相色谱仪对生物滤柱进出口戊烷和甲烷浓度进行监测，结果如图2、图3所示，阶段a，生物滤柱中的微生物主要以戊烷为培养，废气出气口戊烷浓度呈下降趋势甲烷浓度几乎保持不变，表明生物滤柱中的微生物正在逐步适应戊烷废气环境。阶段b，降低戊烷负荷后，生物滤柱中的微生物逐渐开始以甲烷为营养，出气口甲烷浓度逐渐下降，微生物开始适应甲烷废气环境。阶段c，当生物滤柱中戊烷负荷极低时，出气中甲烷去除率可达到95％左右，生物滤柱中的微生物可实现以甲烷为营养，从而培育出好氧甲烷氧化菌。
45.(10)对运行了70天的生物滤柱填料上的微生物进行生物鉴定，结果表明驯化后的能够降解废气中甲烷的复合菌群包括变形菌、浮霉菌、绿弯菌、匿杆菌、放线菌、杆菌和牙单胞菌。
46.实施例2
47.某液化天然气工厂废气中检测到甲烷含量高达0.105％-0.14％，折合质量浓度约为750-1000mg/m3，直接外排已经造成了周围环境中甲烷含量的急剧升高，加剧了温室效应的形成。为了降低排气口甲烷浓度，该液化天然气工厂购置了一套生物滤柱用于处理含甲烷的废气，在生物滤柱启动前，从某炼油污水处理厂曝气池中获取活性污泥，按照传统的方法进行驯化培养，具体步骤如下：
48.(1)15ppi的聚氨酯海绵和的鲍尔环填料于水中浸泡24h。
49.(2)检测分析炼油污水处理厂曝气池中活性污泥的污泥沉降比sv为20％，污泥容积指数svi为95ml/g，污泥密度为2.3g/m3，表明该炼油污水处理厂曝气池中活性污泥具有较好的污泥活性，就地选取该曝气池中的活性污泥过200目的筛网，静置沉降，待上清液的体积达到总体积的80％以上时，弃去上清液，获得浓缩污泥。
50.(3)对获得的浓缩污泥进行曝气处理，曝气量为200l/h，将浸泡好的填料投放于正
在曝气处理的浓缩污泥中进行微生物固定。
51.(4)配制微生物培养的营养液，配方为nano3(500mg/l)，nahco3(25mg/l)，mgso4(4.5mg/l)，k2hpo4(30mg/l)，kh2po4(9mg/l)，cacl2(2.7mg/l)，cocl2·
6h2o(0.9mg/l)，fecl3(0.0926mg/l)，cucl2·
4h2o(0.062mg/l)，mncl2·
4h2o(0.144mg/l)，叶酸(0.89ug/l)，d-泛酸(3.5ug/l)，维生素b2(2.3ug/l)，烟酸(2.3ug/l)，生物素(2.3ug/l)，葡萄糖(4200mg/l)48h后完成微生物的固定化培养。
52.(5)将固定化微生物的聚氨酯海绵和鲍尔环填料转移至生物滤柱中，填料的安装顺序为鲍尔环在下聚氨酯海绵在上，对应的体积比为5:25(1:5)。
53.(6)填料安装完成后，通入液化天然气工厂含甲烷废气进行驯化培养和处理。
54.(7)采用气相色谱仪对生物滤柱进出口甲烷浓度进行监测，结果如图4所示，在无丝瓜络凝胶载体和按照传统方法进行驯化培养的情况下，生物过滤系统对疏水性甲烷的去除性能并不高，即使在运行了70天系统稳定后，甲烷的去除率也仅50％。
55.传统的微生物驯化方法普遍是直接以污染物为营养进行特异性微生物的驯化，这种方法对于驯化培养特异性降解去除水体污染物的微生物或者特异性降解去除亲水性的有机物的微生物或许是一种很好的驯化方式。但是，对于甲烷这种性质稳定的疏水性有机物，由于气液传质阻力大，微生物耐受性低等原因很难培育出能够高效降解废气中甲烷的复合菌群。本发明提供的降解废气中甲烷的复合菌群的培育方法具有操作简单，绿色经济，节能环保，易于工程化推广等优点，可广泛用于处理含甲烷的有机废气，对于有效净化含甲烷的有机废气、降低全球温室效应以及实现碳达峰碳中和目标具有十分重要的意义。特别是对于炼油污水处理厂、市政生活污水处理厂等自带好氧处理工艺的废水处理厂，可就地取材进行微生物的培养驯化。
56.以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。