申请日2013.01.08
公开(公告)日2013.04.24
IPC分类号C12N1/20; C02F11/04
摘要
本发明涉及一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培的方法，包括以下步骤：功能菌的采集和筛选;功能菌的扩大培养，制备功能菌菌液;在对污泥进行厌氧消化的10～15天后，将功能菌菌液接种到含有污泥的厌氧消化反应器中，继续进行污泥的厌氧消化15～30天，功能菌将污泥中较难降解的蛋白质水解成小分子有机物，产甲烷菌将小分子有机物水解形成甲烷，功能菌进行菌体细胞自身的增殖，最终获得富含产甲烷菌与功能菌的污泥消化残余物。与现有技术相比，本发明实现了功能菌的优势富集和自身扩培;获得的污泥消化残余物富含目标功能菌，可作为接种剂通过循环接种应用于污泥的厌氧消化处理，持续提高污泥的厌氧消化效率，降低处理成本。
权利要求书
1.一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培的方法，其特征在于， 该方法包括以下步骤：
(1)功能菌的采集和筛选：取生活垃圾、污泥、制革厂废物或粪便处理的厌 氧消化沼渣，置于蛋白质培养基中密封避光厌氧培养，得到蛋白酶活力不低于100 U/mL的含功能菌的菌液;
(2)功能菌的扩大培养：取步骤(1)获得的含功能菌的菌液，加入蛋白质培 养基中密封避光厌氧培养，并重复培养3次以上得蛋白酶活力不低于300U/mL、 活菌数不低于105cfu/mL的功能菌菌液;
(3)污泥厌氧消化过程中接种功能菌：在对污泥进行厌氧消化的10～15天后， 将步骤(2)得到的功能菌菌液接种到含有污泥的厌氧消化反应器中，继续进行污 泥的厌氧消化15～30天，功能菌将污泥中较难降解的蛋白质水解成小分子有机物， 产甲烷菌将小分子有机物水解形成甲烷，功能菌进行菌体细胞自身的增殖，最终获 得富含产甲烷菌与功能菌的污泥消化残余物。
2.根据权利要求1所述的一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培 的方法，其特征在于，步骤(1)或步骤(2)中，培养功能菌的温度与步骤(3) 中污泥厌氧消化的温度相对应。
3.根据权利要求2所述的一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培 的方法，其特征在于，当步骤(3)中污泥采用30～40℃的中温厌氧消化时，步骤 (1)或步骤(2)中培养功能菌的温度为30～40℃当步骤(3)中污泥采用50～65 ℃的高温厌氧消化时，步骤(1)或步骤(2)中培养功能菌的温度为50～65℃。
4.根据权利要求1所述的一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培 的方法，其特征在于，步骤(1)或步骤(2)中培养功能菌的工艺条件为：在pH 为6.5～7.5的条件下厌氧培养5～10d。
5.根据权利要求1所述的一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培 的方法，其特征在于，步骤(1)所述的蛋白质培养基为有机物类型仅为蛋白质的 培养基，所述的蛋白质培养基选自凝胶、牛肉膏、蛋白胨、酵母浸膏或胰酶解蛋白。
6.根据权利要求5所述的一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培 的方法，其特征在于，步骤(2)所述的蛋白质培养基与步骤(1)所述的蛋白质培 养基的组分相同。
7.根据权利要求1所述的一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培 的方法，其特征在于，步骤(2)所述的蛋白质培养基由污泥替代。
8.根据权利要求1所述的一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培 的方法，其特征在于，所述的功能菌为厌氧蛋白水解菌。
9.根据权利要求1所述的一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培 的方法，其特征在于，步骤(3)中，接种到厌氧消化反应器中的步骤(2)所得的 功能菌菌液还可以由污泥消化残余物代替，或者为步骤(2)所得的功能菌菌液与 步骤(3)所述的污泥消化残余物的混合物。
10.根据权利要求9所述的一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培 的方法，其特征在于，步骤(2)所得的功能菌菌液与步骤(3)所述的污泥消化残 余物的体积比为1∶10～1∶300。
说明书
一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培的方法
技术领域
本发明属于环境保护和资源综合利用领域，涉及一种对污泥进行厌氧消化处 理的工艺，尤其是涉及一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培的方法。
背景技术
城市污水处理厂污泥是污水处理产生的主要二次污染物。预计十二·五期间全 国干污泥产量将达700万～1200万吨/年。数量如此巨大的污泥如得不到妥善处置， 将对环境造成严重的二次污染。污泥的生物处理包括好氧处理、发酵和厌氧消化。 污泥厌氧消化是目前广泛采用的污泥处理工艺，指在无氧条件下，由兼性厌氧菌及 专性厌氧菌降解污泥所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪等有机物，并产生特征性的 能源气体--沼气(甲烷和二氧化碳)的过程。厌氧消化一般可划分成水解酸化和甲 烷化两个环节。水解酸化环节使得污泥中的有机物从污泥固相基质中被水解释放到 液相，液态的大分子有机物进一步被酸化形成小分子的有机酸。甲烷化环节则是有 机酸在产甲烷菌的作用下被转化成气相的甲烷和二氧化碳。厌氧消化的主要优势在 于可以产生具有能量回收价值的沼气，沼气的回收不仅可以补偿处理过程的能耗， 还可有额外部分作净输出，并且消化后产生的有机残余物可做农用土壤调理剂利 用。
但目前污泥厌氧消化存在所需消化时间长、消化效率低、沼气产量低无法补偿 运行能耗等问题。这主要是由于污泥中含有较多量的颗粒态的多糖、蛋白质和脂肪 等慢速降解的有机物，这些大分子有机物的水解是限速步骤，导致污泥厌氧消化整 体效率的下降。特别是由于消化前期大多数相对较易降解的有机物会被微生物利 用，导致剩余的污泥中所含的是相对难降解的有机物，使得在污泥厌氧消化中后期 污泥的可降解性进一步恶化，厌氧消化效率更低，而且剩余污泥中的生物质能不能 得到充分的转化利用。这些难降解的有机物中就包括了20%～30%的蛋白质(以干基 计)。
为了改善污泥的厌氧消化性能，可以采用各类预处理方法来缩短污泥厌氧消化 时间和提高厌氧消化效率，包括物理法、化学法和生物法等三大类预处理方法。比 如，中国发明专利(申请号：200910227265.4)采用的是“超声-磁场”耦合的物理法 破解污泥使污泥减量;中国发明专利(申请号201010562436.1)利用“超声波”物理 法预处理改善污泥消化性能;中国发明专利(申请号：201210086018.9)利用“臭氧和 磁场”强化污泥的好氧消化降解;中国发明专利(申请号：201110064020.1)采用“高 温和高压”物理化学法对污泥进行改性预处理然后在进行厌氧消化。碱解法、臭氧 氧化法、氯氧化法是较常见的化学预处理法。而生物预处理法就是加入酶或者是接 种生物菌，加快污泥中有机物的降解。物理法和化学法存在产生三氯甲烷副产物、 梅拉德反应抑制后续生物降解、基建和运行费用大、能耗高、存在安全隐患等问题。 相比而言。生物预处理法的能耗、污染和成本都较低，安全性也更高，而越来越受 到人们的重视。
中国发明专利(申请号：201110445557.2)采用“中性蛋白酶和α-淀粉酶”强化剩 余污泥的减量;中国发明专利(申请号：201110262277.8)采用“蛋白酶、淀粉酶、漆 酶、纤维素酶等”多种生物酶制成复合生物酶制剂用于污泥的处理;中国发明专利 (申请号：201210262361.4)也是采用“蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶”等生物酶法加速 污泥的好氧降解。但生物酶的催化性能具有专一性，只会水解特定的有机物，因此 一般需要多种生物酶的混配使用;而且生物酶对环境条件极为敏感容易失活，只能 一次性投加而难以反复使用。相比而言，生物菌是具有生命的活细胞，可以持续分 泌多种生物酶，降低了酶失活的风险。中国发明专利(申请号：201110341833.0)接种 了一种“嗜热芽孢杆菌”对污泥进行发酵产氢，并抑制甲烷的产生;该“嗜热芽孢 杆菌”属芽孢杆菌纲的芽孢杆菌属，该菌分离于绿化带花园土壤，属好氧或兼性厌 氧菌，可分泌淀粉酶和蛋白酶。中国发明专利(申请号：201110294105.9)接种了从土 壤和好氧活性污泥分离出来的好氧菌株和微型后生动物应用于污泥的好氧生物处 理。中国发明专利(申请号：201110146084.6)制备了一种从酶粉和光合细菌以及从污 泥分离培养获得的好氧或兼性土著菌，用于污泥的处理。中国发明专利(申请号： 201110199742.8)接种了含17种好氧或兼性的微生物复合菌剂用于污泥的好氧降 解。
可见，目前的生物菌预处理法一般用于污泥的好氧或兼性发酵，而很少跟污泥 的厌氧消化衔接;采用的生物菌是好氧菌或兼性菌，很难在污泥厌氧消化过程的无 氧环境中获得竞争优势，进行污泥厌氧消化反应器后很容易被反应器中的土著厌氧 菌所取代，这意味着这些生物菌只能用于污泥厌氧消化之前，每次投加的都是要利 用特殊培养基重新扩大培养的新鲜菌剂，大大增加了预处理成本;并且这类生物菌 利用的是污泥中相对易降解的有机物部分，而对于污泥厌氧消化中后期残余的大量 相对难降解的有机物部分难以起到强化水解作用。因此，有必要筛选出适合于厌氧 处理污泥中难降解的有机物、改善污泥的厌氧消化性能的厌氧高效微生物菌株，并 且能在污泥的厌氧消化过程实现该菌株的优势富集和自身扩培。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用功能菌 改善污泥厌氧消化性能并同步扩培的方法，利用厌氧蛋白水解功能菌来水解污泥的 大分子结构，促进污泥的甲烷化利用;并且在污泥降解的同时，实现该功能菌的优 势富集和自身扩培;获得的污泥消化残余物富含目标功能菌，可作为接种剂通过循 环接种应用于污泥的厌氧消化处理，持续提高污泥的厌氧消化效率，降低处理成本。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用功能菌改善污泥厌氧消化性能并同步扩培的方法，该方法包括以下步 骤：
(1)功能菌的采集和筛选：取生活垃圾、污泥、制革厂废物或粪便处理的厌 氧消化沼渣，置于蛋白质培养基中密封避光厌氧培养，得到蛋白酶活力不低于100 U/mL的含功能菌的菌液;
(2)功能菌的扩大培养：取步骤(1)获得的含功能菌的菌液，加入蛋白质培 养基中密封避光厌氧培养，并重复培养3次以上得蛋白酶活力不低于300U/mL、 活菌数不低于105cfu/mL的功能菌菌液;
(3)污泥厌氧消化过程中接种功能菌：在对污泥进行厌氧消化的10～15天后， 将步骤(2)得到的功能菌菌液接种到含有污泥的厌氧消化反应器中，继续进行污 泥的厌氧消化15～30天，功能菌将污泥中较难降解的蛋白质水解成小分子有机物， 产甲烷菌将小分子有机物水解形成甲烷，功能菌进行菌体细胞自身的增殖，最终获 得富含产甲烷菌与功能菌的污泥消化残余物。
步骤(1)或步骤(2)中，培养功能菌的温度与步骤(3)中污泥厌氧消化的 温度相对应。
当步骤(3)中污泥采用30～40℃的中温厌氧消化时，步骤(1)或步骤(2) 中培养功能菌的温度为30～40℃;当步骤(3)中污泥采用50～65℃的高温厌氧消 化时，步骤(1)或步骤(2)中培养功能菌的温度为50～65℃。
步骤(1)或步骤(2)中培养功能菌的工艺条件为：在pH为6.5～7.5的条件 下厌氧培养5～10d。
步骤(1)所述的蛋白质培养基为有机物类型仅为蛋白质的培养基，所述的蛋 白质培养基选自凝胶、牛肉膏、蛋白胨、酵母浸膏或胰酶解蛋白。
步骤(2)所述的蛋白质培养基与步骤(1)所述的蛋白质培养基的组分相同。
步骤(2)所述的蛋白质培养基由污泥替代。
所述的功能菌为厌氧蛋白水解菌，专性厌氧、能分泌数十种蛋白酶、生长温度 为30～75℃、生长pH为5.5～8.5、对蛋白质的利用效率非常高、对糖类的利用效率 较低。
步骤(3)中，接种到厌氧消化反应器中的步骤(2)所得的功能菌菌液还可以 由污泥消化残余物代替，或者为步骤(2)所得的功能菌菌液与步骤(3)所述的污 泥消化残余物的混合物。
步骤(2)所得的功能菌菌液与步骤(3)所述的污泥消化残余物的体积比为 1∶10～1∶300。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明的厌氧蛋白水解功能菌具有高效的蛋白质水解效率，可以将污泥中 较难降解的蛋白质水解成小分子有机物，便于产甲烷菌利用形成甲烷;而且被蛋白 质包裹的污泥中的其它有机物也会随着蛋白质的水解被释放出来，增加了被其它细 菌利用的机会，也会被水解然后形成甲烷;从而提高了污泥的厌氧消化效率。
2、功能菌的接种和蛋白质水解可以在原有的污泥厌氧消化反应器中与甲烷化 同步进行，无需另外设置处理单元，或余出功能菌处理时间，从而降低了处理成本， 缩短了运行周期。
3、功能菌被接种到污泥厌氧消化反应器后，在水解污泥蛋白质的同时，进行 功能菌菌体细胞自身的增殖，实现在污泥厌氧消化过程中的自身扩培;最终的污泥 消化残余物富含功能菌和产甲烷菌，可作为接种剂循环接种应用于污泥的厌氧消化 处理，持续提高污泥的厌氧消化效率，降低处理成本。
4、功能菌是在污泥厌氧消化过程进行到中后期在投加的，此时厌氧消化反应 器中的土著微生物对污泥剩余有机物的利用能力有限，而功能菌则能高效水解污泥 剩余有机物，从而取得竞争优势，同时功能菌还能利用其它细菌死细胞、其它细菌 的胞外有机物或者利用分泌的生物素抑制其它细菌的生长，从而成为厌氧消化器中 优势的细菌，确保其较高的细胞得率和自身扩培，具有明显的经济价值和开发潜能。
