一种厌氧发酵过程稳定剂及其在餐厨垃圾厌氧发酵中的应用

技术领域

本发明属于固体废弃物处理处置技术领域，也属于生物强化技术的范畴，具体涉及一种厌氧发酵过程稳定剂及其制备方法与在稳定餐厨垃圾厌氧发酵过程中的应用。

背景技术

中国每年产生数量惊人的固体废弃物，其中典型代表的为市政垃圾中的餐厨垃圾和农业垃圾中的畜禽粪污。截止到2020年，我国餐厨垃圾的日产生量约为35万吨/天，然而当年餐厨垃圾的资源化处理量仅为5.9吨/天，日处理率不到17％，因此我国急需快速、有效的固体废弃物资源化利用技术。

在“双碳”背景下，厌氧发酵产沼气技术成为近年来固废处理的研究热点。以餐厨为代表的固废，因其含水量较高，含有丰富的蛋白质、碳水化合物等有机物，具有较好的可生化性，是优质的厌氧发酵原料，因此作为典型的可资源化市政固废，在科研领域、产业化领域中餐厨垃圾成为代表性的研究对象。然而，传统的厌氧发酵系统在处理餐厨垃圾的过程中，存在启动时间长，过程不稳定，日有机负荷低，生物沼气产量低等缺陷，主要因为我国餐厨垃圾受地域及饮食习惯等影响，具有高油、高氮，高盐浓度的特点，由此引发的厌氧过程碳氮比失衡，高氨氮胁迫，高盐度胁迫等问题，均对厌氧过程的稳定性有极大影响，严重情况下甚至会导致厌氧反应器酸化，甚至气停产等问题。

厌氧发酵过程主要分为酸化(水解、酸化)、甲烷化(产氢产乙酸、产甲烷)两大阶段。厌氧发酵过程的不稳定主要由于水解产酸和产甲烷过程的失衡引起的，由于水解酸化速率过快，导致的餐厨垃圾的厌氧系统中积累了大量的挥发性脂肪酸(VFA)，常常伴随着pH值下降，进而抑制产甲烷菌的活性，反应器性能也会随之降低。在这些积累的挥发酸中，丙酸的积累最为严重。目前已知的厌氧发酵过程中针对丙酸降解、产甲烷的过程，需要依赖特殊的厌氧细菌和产甲烷菌，通过这些不同功能的微生物菌群“互营”协作，降解丙酸来维持厌氧过程的稳定性。此外，与丙酸降解互营的氢型产甲烷菌系对厌氧内部环境有较好的耐受性，如高氨氮、高盐浓度的冲击等。因此，有必要开发一种具有定向性的能够有效维持厌氧发酵过程稳定性的稳定剂。微量元素是丙酸降解及产甲烷代谢关键酶活性中心的组分，微量元素的添加能够有效提高产甲烷代谢速率，促进发酵过程的稳定性的同时提高沼气产量，市售的沼气促进剂大部分对微量元素的剂量并没有很好的定义，添加形式往往以过量添加为主，然而这样也容易造成重金属超标及二次污染，同时也增加了产品的成本。

传统的沼气发酵工程中，通常采用投加碱性物质提高系统pH或者降低餐厨垃圾的有机负荷量来实现过程的稳定性，然而前者由于指标的不可靠性和滞后性，以及大量的人力、物力等原因，最终往往会导致反应器的失败，而后者通过降低餐厨垃圾的日处理量来维持厌氧过程的稳定，对沼气工程的经济收益有明显影响。因此效果明显，操作方便的维稳工艺及生物制剂的研发，已经成为本领域密切关注的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种厌氧发酵过程稳定剂。

本发明还要解决的技术问题是，提供上述厌氧发酵过程稳定剂在餐厨垃圾厌氧发酵中的应用。

发明思路：在餐厨垃圾厌氧发酵系统中，经常存在丙酸及乙酸积累的现象，引发厌氧过程不稳定，沼气产量低，严重时产生厌氧系统“酸败”等一系列问题。主要原因为，餐厨垃圾含氮量高、含盐量高等原因引起产甲烷菌的活性受到抑制，丙酸及乙酸不能及时的甲烷化，造成了水解酸化过程与甲烷化过程的失衡。因此，本发明想发明一种的厌氧发酵过程稳定剂，通过定向强化丙酸降解过程及产甲烷过程，提高厌氧过程对低碳氮比、高氨氮浓度、高盐等环境胁迫的抗逆性，以期提高厌氧过程的稳定性和沼气产量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种厌氧发酵过程稳定剂，所述的稳定剂包括互营丙酸降解菌和嗜酸耐酸产甲烷菌，

其中，所述的互营丙酸降解菌为：解芳烃互营杆菌Syntrophorhabdusaromaticivorans DSM No.17771、还原硫酸盐互营杆菌Syntrophobactersulfatireducens DSM No.16706中的任意一种或两种的组合。

优选的，互营丙酸降解菌为：解芳烃互营杆菌Syntrophorhabdusaromaticivorans DSM No.17771、还原硫酸盐互营杆菌Syntrophobactersulfatireducens DSM No.16706的组合。

其中，所述的嗜酸耐酸产甲烷菌为：布雷斯甲烷袋状菌Methanoculleusbourgensis DSM No.3045、运动甲烷微球菌Methanomicrobium mobile 1DSM No.1539中的任意一种或两种的组合。

优选的，嗜酸耐酸产甲烷菌为：布雷斯甲烷袋状菌Methanoculleus bourgensisDSM No.3045、运动甲烷微球菌Methanomicrobium mobile 1DSM No.1539的组合。

其中，所述的互营丙酸降解菌和所述的嗜酸耐酸产甲烷菌的细胞数量比为1-2:1-2，细胞总浓度至少为1.0*10

其中，所述的解芳烃互营杆菌Syntrophorhabdus aromaticivorans DSMNo.17771和所述的还原硫酸盐互营杆菌Syntrophobacter sulfatireducens DSMNo.16706细胞数量比为1:1；所述的布雷斯甲烷袋状菌Methanoculleus bourgensis DSMNo.3045和所述的运动甲烷微球菌Methanomicrobium mobile 1DSM No.1539细胞数量比为1:1。

上述稳定剂包括含有钴Co的化合物和硒Se的化合物。

具体的，所述的钴Co的化合物为金属水合物CoCl

最优选的，一种厌氧发酵过程稳定剂，包括互营丙酸降解菌、嗜酸耐酸产甲烷菌、钴Co的化合物和硒Se的化合物。其中，所述的互营丙酸降解菌、嗜酸耐酸产甲烷菌的细胞数量比为2:1，细胞总浓度至少为1.0*10

上述厌氧发酵过程稳定剂在餐厨垃圾厌氧发酵中的应用也在本发明所保护的范围之内。

具体的，所述的餐厨垃圾为低碳氮比的餐厨废水时，在开展厌氧过程调试工作中，餐厨废液含固率为11％上下，COD

具体的，所述的餐厨垃圾为低碳氮比且高氨氮的，经三相分离后的餐厨固渣时，在开展低碳氮比、高氨氮条件下厌氧过程调试工作中，餐厨含固率为24％上下，pH 3.48，氮含量为11.57g/L，含氮量高于文献报道(Chengfang Song,2017)中厌氧发酵的耐受浓度7-8g/L，C/N比也低于厌氧发酵的推荐值20-30(RuiHong Zhang etc,2006)。厌氧过程稳定剂中餐厨废液比例为

具体的，所述的餐厨垃圾为现场脱油制浆后的餐厨垃圾时，在开展高盐胁迫条件下厌氧过程调试工作中，餐厨含固率为20-22％上下，pH 3.84，总氮8.47g/L，含盐度约0.8％-1.5％，在此基础上额外添加1.5％的NaCl，配置含盐量3％左右的高盐餐厨垃圾。过程稳定剂中餐厨废液比例为

具体的，在对南京六合某餐厨垃圾厌氧处理中心酸化罐体修复期间，过程稳定剂中餐厨废液比例为

有益效果：

(1)本发明提供的厌氧过程稳定剂，其主要成分不会对人体、周围环境与生态平衡造成危害，将其应用于厌氧发酵能有效提高厌氧稳定性，提高产沼气效率。

(2)本发明提供的厌氧过程稳定剂，有效降低了乙酸和丙酸的浓度，提高了厌氧发酵的稳定性。

(3)本发明提供的厌氧过程稳定剂，有效提高了厌氧发酵过程对高氨氮浓度的耐受性。

(4)本发明提供的厌氧过程稳定剂，有效提高了厌氧发酵过程对高盐浓度的耐受性。

(5)本发明提供的厌氧过程稳定剂，有效缩短了厌氧反应器的启动时间，且在厌氧发酵过程中，可以提高固废的日处理量及沼气产量，具有经济高效的双重优势。

(6)本发明提供的厌氧过程稳定剂，其适用范围广，对低碳氮比，含氮高，含盐高类原料(如畜禽粪污)厌氧发酵的过程都有较好的促进稳定的作用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为OLR 2kg VS/m

图2为OLR 2kg VS/m

图3为OLR 2kg VS/m

具体实施方式

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

下述实施例中，所述的解芳烃互营杆菌(Syntrophorhabdus aromaticivorans)、还原硫酸盐互营杆菌(Syntrophobacter sulfatireducens)、布雷斯甲烷袋状菌(Methanoculleus bourgensis)、运动甲烷微球菌(Methanomicrobium mobile 1)均购自于明舟生物科技有限公司。

实施例1：厌氧过程稳定剂的制备及筛选方法

多数产甲烷菌的适宜生长的pH条件为6.7-8.0，对环境要求较高，当这部分产甲烷菌群为厌氧体系中优势菌群时，厌氧过程常常呈现不稳定状态；还有一部分产甲烷菌，如甲烷布袋菌，运动甲烷微球菌，对环境pH耐受范围广，对氨氮和钠盐耐受度较高，是典型的嗜酸耐酸产甲烷菌。同时，这些产甲烷菌需要与特殊的丙酸或乙酸降解菌“互营”作用实现甲烷化。基于降丙酸、耐氨氮、耐盐一系列稳定性的需求，本发明选择了下述的4株厌氧菌作为稳定剂中的功能菌株。

厌氧过程稳定剂是由混合微生物菌液(互营丙酸降解菌、嗜酸耐酸产甲烷菌)及微量元素按比例复配而成的。其中互营丙酸氧化菌为解芳烃互营杆菌(Syntrophorhabdusaromaticivorans)、还原硫酸盐互营杆菌(Syntrophobacter sulfatireducens)中的任意一种或两种的组合，嗜酸耐酸产甲烷菌为布雷斯甲烷袋状菌(Methanoculleusbourgensis)、运动甲烷微球菌(Methanomicrobium mobile 1)中的任意一种或两种的组合；四种菌均购自于德国微生物菌种保藏中心(DSMZ)，它们的基本特征如表1所示。其中微量元素为金属水合物形式的Co

表1互营丙酸降解菌及嗜酸耐酸产甲烷菌的基本特征

互营丙酸降解菌的混合菌液的制备方法是，将菌种编号为DSM No.17771的解芳烃互营杆菌(Syntrophorhabdus aromaticivorans)和菌种编号为DSM No.16706的还原硫酸盐互营杆菌(Syntrophobacter sulfatireducens)作为接种互营丙酸降解菌，分别单独在厌氧条件下以2-4％v/v接种于互营丙酸降解菌液体培养基，然后分别单独在厌氧条件下以相同接种量逐级扩大培养得到互营丙酸降解菌单一菌剂。嗜酸耐酸产甲烷菌的混合菌液的制备方法是，将菌种编号为DSM No.3045的布雷斯甲烷袋状菌(Methanoculleusbourgensis)和菌种编号为DSM No.1539的运动甲烷微球菌(Methanomicrobium mobile 1)为2-4％v/v接种甲烷菌，分别单独在厌氧条件下接种于甲烷菌液体培养基，然后分别单独在厌氧条件下按相同接种量逐级扩大培养得到产甲烷菌单一菌剂。最后将上述四种菌液在厌氧条件下按体积比混配成嗜酸耐酸产甲烷菌和互营丙酸降解菌的混合菌液。

其中，解芳烃互营杆菌(Syntrophorhabdus aromaticivorans)的互营丙酸降解菌液体培养基和逐级扩大培养培养基为德国菌种保藏中心提供的编号为DSM No.960的培养基，每一级的培养温度为37℃，培养时间为14～20天；还原硫酸盐互营杆菌(Syntrophobacter sulfatireducens)的互营丙酸降解菌液体培养基和逐级扩大培养培养基为德国菌种保藏中心提供的编号为DSM No.212的培养基，每一级的培养温度为37℃，培养时间为14～20天；布雷斯甲烷袋状菌(Methanoculleus bourgensis)的甲烷菌液体培养基和逐级扩大培养培养基为德国菌种保藏中心提供的编号为DSM No.332的培养基，每一级的培养温度为37℃，培养时间为7～12天；运动甲烷微球菌(Methanomicrobium mobile 1)的甲烷菌液体培养基和逐级扩大培养培养基为德国菌种保藏中心提供的编号为DSMNo.161的培养基，每一级的培养温度为37℃，培养时间为7～12天。

在厌氧过程稳定剂的复配中，相同功能菌株之间的细胞数量比为1:1。针对微生物添加量、各功能菌株的搭配及剂量的应用展开筛选实验。具体实验步骤如下：

向厌氧摇瓶中加入400mL(总体积500mL，反应体积为400mL)的厌氧接种物污泥、复合碳源为进料基质以形成混合体系。所述复合碳源包含4g/L葡萄糖，5g/L的丙酸，4.5g/L的乙酸，4g/L的淀粉，2g/L的氯化铵，按照实验要求添加不同种类及剂量的稳定剂。所有实验组及对照组均设3个重复。

(1)当四种菌株细胞数量比为1:1:1:1，制剂总量添加比例为

表2厌氧过程稳定剂的各菌株种类搭配

从表2可以看出，实验组6-9中乙酸和丙酸的降解率最高，其中乙酸降解率在77％以上，丙酸降解率在74％以上，其中实验组9中总VFA降解率最高，在81％。因此在实验组9中，当四种菌株都添加时，混合菌液的降解效果最好。

(2)当四种菌株细胞数量比为1:1:1:1，同时添加四种菌株时，筛选厌氧过程稳定剂的添加比例，添加范围为

表3厌氧过程稳定剂的添加比例

从表3可以看出，当稳定剂的添加剂量达到

(3)当四种菌株细胞数量比为1:1:1:1，同时添加四种菌株时，厌氧过程稳定剂的添加比例为

表4厌氧过程稳定剂中不同功能菌的配比

从表4可以看出，当丙酸降解互营功能菌与嗜酸耐酸产甲烷菌的添加比例为2:1的时候，乙酸、丙酸和总VFA的降解率均达到最高，故实验3的配比效果最好。

微量元素对厌氧发酵的促进作用在上世纪70年代被R.E.Speece提出，近年来的研究表明微量元素是丙酸降解及产甲烷代谢关键酶活性中心的组分，即微量元素的添加能够有效提高丙酸降解菌和产甲烷菌的活性，其中又以钴(Co)，硒(Se)为主。然而过往的研究大部分对微量元素的添加种类进行了筛选，对剂量并无深入的研究，因此本发明针对上述两种微量元素的最低适用剂量做了验证实验。具体实验步骤如下：

实验在六个5L(反应体积为4L)全混式餐厨垃圾厌氧发酵罐中进行，按照日有机负荷为2kg VS/m

图1表示在无微量元素添加的情况下，反应器运行了不到80天，丙酸积累超过15000mg/L，乙酸积累超过15000mg/L，总VFA积累超过35000mg/L，反应器完全“酸败”。图2表示在0.5mg/kg的Se添加的情况下，餐厨垃圾无法单独稳定运行，当Co浓度达到0.3mg/kg的时候，酸积累快速降解，反应器恢复稳定状态；图3表示在1mg/kg的Co添加的情况下，餐厨垃圾无法单独稳定运行，当Se浓度达到0.2mg/kg的时候，酸积累快速降解，反应器恢复稳定状态。

为验证微量元素与混合微生物菌液的复配而成的稳定剂对厌氧过程稳定性的效应，本发明展开下述筛选实验具体实验步骤如下：(餐厨垃圾的密度利用经验密度1kg/L计算)

以上述第一组对照组的“酸化”发酵液为底物，在500mL(反应体积400mL)厌氧摇瓶中，比较筛选得到的混合微生物菌液与微量元素(Co 3*10

表5不同微生物菌液与微量元素的搭配对厌氧发酵过程的效应

表5数据表明，当实验组3中混合微生物菌液(4种菌同细胞数量比混合)与微量元素(Co 3*10

实施例2：厌氧过程稳定剂对提高低碳氮比餐厨垃圾稳定性和沼气产率的效用

取常州某餐厨垃圾处理现场餐厨废水为原料，开展厌氧过程调试工作。其中，餐厨废液含固率为11％上下，COD

表6厌氧稳定剂的添加对餐厨废水厌氧发酵的效应对比表

通过添加厌氧过程稳定剂，影响厌氧过程稳定性的中间产物乙酸和丙酸都降低到1000mg/L以下，产甲烷过程得到有效强化，厌氧过程稳定性良好。后续有机负荷量的提高对稳定性并无影响，表明该厌氧发酵过程抗逆性良好。在不提高日有机负荷量的过程中，每吨餐厨垃圾的产沼气力提高了约20％-25％，在提高了日有机负荷之后，稳定性维持良好，产气速率也没有降低。

实施例3：厌氧过程稳定剂对低碳氮比、高氨氮餐厨垃圾厌氧反应器的快速启动的功效

取常州某餐厨垃圾处理现场三相分离后餐厨固渣为原料，开展低碳氮比、高氨氮条件下厌氧过程调试工作。其中，餐厨含固率为24％上下，pH 3.48，氮含量为11.57g/L，C/N比在9-13之间，含氮量高于文献报道(Chengfang Song,2017)中厌氧发酵的耐受浓度7-8g/L，C/N比也低于厌氧发酵的推荐值20-30(RuiHong Zhang etc,2006)。过程稳定剂中餐厨废液比例为

实验启动初期，反应器日有机负荷量为2kg VS/m

在传统厌氧反应器中，当底物含氮量高于7-8g/L的时候，有机质降解会产生高浓度的氨氮，产甲烷过程受到抑制，导致大量的乙酸丙酸积累，严重会直接导致反应器的失败。本厌氧过程稳定剂的添加，能够有效缓解高氨氮浓度对产甲烷过程的抑制，提高乙酸丙酸的降解率，提高了过程的稳定性(表7)。

表7厌氧稳定剂的添加对地碳氮比，高氨氮餐厨垃圾厌氧发酵的效应对比表

实施例4：厌氧过程稳定剂对高盐胁迫餐厨垃圾厌氧发酵过程的功效

取常州某餐厨垃圾处理现场脱油制浆后的餐厨垃圾为原料，开展高盐胁迫条件下厌氧过程调试工作。其中餐厨含固率为20-22％上下，pH 3.84，总氮8.47g/L，含盐度约0.8％-1.5％，在此基础上额外添加1.5％的NaCl，配置含盐量3％左右的高盐餐厨垃圾。过程稳定剂中餐厨废液比例为

表8厌氧稳定剂的添加对高盐餐厨废水厌氧发酵的效果对比表

我国各地饮食习惯不同，餐厨垃圾的含盐量及含油量都有所不同。通过表3的对比可以看出，含盐量0.8-1.5％之间的餐厨垃圾在有机负荷2.0kg VS/m

实施例5：厌氧过程稳定剂对“酸化”厌氧反应器修复的功效

案例实施现场为南京六合某餐厨垃圾厌氧处理中心，日有机负荷1.8kg VS/m

表9厌氧稳定剂的添加对“酸化”餐厨厌氧系统的修复效应对比表

本发明提供了一种厌氧发酵过程稳定剂及其在餐厨垃圾厌氧发酵中的应用的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。