一种工程化高氨氮厌氧发酵菌种驯化及发酵液浓缩的方法技术

本发明专利技术涉及一种工程化高氨氮厌氧发酵菌种驯化及发酵液浓缩的方法，所述工程化高氨氮厌氧发酵菌种驯化的方法通过厌氧发酵体系培菌阶段、耐高氨氮厌氧发酵菌种一级驯化阶段、耐高氨氮厌氧发酵菌种二级驯化阶段，在不增加工程运行成本的情况下，氨氮耐受浓度达到7000mg/L以上，而不产生发酵抑制现象；发酵液浓缩采用高氨氮畜禽粪污水解预处理结合固氨、超声波预处理与膜浓缩的工艺，增加膜对氨氮的截留率，减少氨氮损失，保障后续膜浓缩系统的稳定运行。稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种工程化高氨氮厌氧发酵菌种驯化及发酵液浓缩的方法


[0001]本专利技术属于养殖废弃物资源化利用与农业生产
，涉及一种工程化高氨氮厌氧发酵菌种驯化及发酵液浓缩的方法。

技术介绍

[0002]高氨氮抑制问题是影响沼气工程厌氧发酵体系稳定运行的重要因素。有机物厌氧发酵产甲烷的四个阶段：(1)水解阶段，复杂的非可溶性有机物(碳水化合物、脂类、蛋白质等)在胞外酶作用下转化为简单的可被微生物利用的小分子有机物。(2)产酸阶段，水解产生的小分子有机物在产酸菌作用下进一步分解为醇类和挥发性脂肪酸。(3)产氢产乙酸阶段，产酸阶段产生的醇类和挥发性脂肪酸在产氢产乙酸菌的作用下，进一步转化为乙酸、碳酸、氢气等。(4)产甲烷阶段，乙酸、碳酸、氢气、甲酸等在嗜乙酸产甲烷菌、嗜氢产甲烷菌等产甲烷菌的作用下转化为甲烷。已有研究表明，氨氮浓度对产甲烷菌群结构具有重要的影响，高浓度氨氮会抑制嗜乙酸产甲烷菌活性，以嗜氢产甲烷菌作用为主产生甲烷，造成厌氧发酵产甲烷效率降低，发酵体系易酸化崩溃。研究发现，一定浓度的高氨氮会促使产甲烷途径由乙酸利用型为主向氢利用型为主转变(孟晓山，张玉秀，隋倩雯等.氨氮浓度对猪粪厌氧消化及产甲烷菌群结构的影响[J].环境工程学报，2018,12(8):2346
‑
2356)。
[0003]鸡粪物料由于自身的高浓度有机氮，在厌氧发酵过程中产生了高浓度的氨氮，鸡粪高氨氮物料抑制厌氧发酵过程，使发酵效率降低、系统酸化崩溃。常规的消除高氨氮厌氧发酵抑制的方法一、浓度缓冲，降低TS浓度、添加秸秆等物料调节碳氮比、氨氮原位脱除，导致工程对废弃物的处理能力大幅降低，无法实现工程应用功能，或者额外增加工程运行成本；方法二、添加微量元素等发酵促进剂，但如何适应连续运行的规模化沼气工程的需求尚在研究过程中，存在工程化运行难、成本高的挑战性；方法三、高氨氮发酵体系菌种驯化，具有低投入、稳定性好、适应高氨氮厌氧发酵沼气工程的优势，是目前高氨氮厌氧发酵研究的重要方向，但目前重点集中于通过添加碳源与氮源物质、单一逐级提高进料浓度的方法进行实验室菌剂驯化的研究，如CN 201611127389.1一种耐氨氮丙酸产甲烷菌系的驯化方法，尚未见对于规模化沼气工程运行中氨氮浓度高于7000mg/L的高氨氮厌氧发酵菌种驯化的整个方法体系，包括前后工艺段匹配、工艺运行参数控制及高氨氮菌种驯化过程的相关报道。
[0004]由于厌氧发酵液浓度高、粘稠度大的原因，特别是鸡粪厌氧发酵液在膜浓缩过程中，易导致膜堵塞现象，使膜通量下降、膜损坏严重，增加工程运行成本或使工程无法正常运行，同时高氨氮厌氧发酵液中大量的游离氨在膜浓缩过程无法截留，造成氨氮损失。常规克服膜堵塞的包括沉淀过滤法，该方法对于高粘稠度胶质悬浮物的处理效果较差，(杜静，张聪，奚永兰等.沼液膜前预处理及纳滤膜浓缩工艺参数优化论文[J]，浙江农业科学，2021，62(9)：1844
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1848)；气浮法或者水解法，该方法能耗较高，且预处理效果不稳定。尚未见水解+超声波膜前预处理以减少膜堵塞，以及通过膜前固定游离氨增加膜对氨氮截留率、减少氨氮损失的相关报道。

技术实现思路

[0005]为了弥补现有技术的不足，本专利技术创造性的开发了水解酸化+酶解的畜禽粪污预处理工艺，加入纤维素酶和蛋白酶显著增强了水解酸化预处理的效果。畜禽粪污在水解酸化+酶解辅助作用的预处理过程中，大多数的杂质被去除，大分子物质分解为小分子物质，利于后续发酵体系的利用，缩短后续厌氧发酵罐内的产甲烷周期，并可避免厌氧发酵体系的酸化，提高后续高氨氮厌氧发酵体系的运行效果。
[0006]本专利技术创造性的提供了一种高效的工程化高氨氮畜禽粪污厌氧发酵菌种驯化系统及方法，有效克服了高氨氮畜禽粪污厌氧发酵抑制的难题，发酵体系的氨氮耐受浓度可提高至7000mg/L以上，发酵体系无抑制。
[0007]本专利技术创造性的开发了通过高氨氮厌氧发酵液“水解+超声波”的膜前预处理系统及方法，克服了高浓度高粘稠厌氧发酵液膜堵塞的技术难题，保障了后续膜浓缩系统的稳定运行。通过高氨氮厌氧发酵液膜前固氨预处理，增加膜对氨氮的截留率，减少氨氮损失，更加有利于提升高氨氮厌氧发酵浓缩提取液的农业利用价值。具体的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0008]本专利技术第一方面提供了一种畜禽粪污预处理的方法，所述方法包括：
[0009]畜禽粪便与污水进行混合调配，经调配好的粪污进入水解酸化池中进行水解酸化，向水解酸化池中加入酶。
[0010]在一些实施方案中，所述水解酸化池采用两级水解酸化池。
[0011]在一些实施方案中，初级水解酸化池控制温度为15
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25℃。
[0012]在一些实施方案中，次级水解酸化池控制温度为25～30℃。
[0013]在一些实施方案中，向初级水解酸化池中加入酶。
[0014]在一些实施方案中，初级水解酸化池内酶添加量为0.02～0.1％(以水解物料TS计)。
[0015]在一些实施方案中，所述酶包括纤维素酶、蛋白酶。
[0016]在本专利技术的具体实施方案中，所述方法包括：畜禽粪便与污水进行混合调配，经调配好的粪污进入两级水解酸化池中，初级水解酸化池控制温度为15
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25℃，次级水解酸化池控制温度为25～30℃，搅拌速率15～20r/min，初级水解酸化池内酶添加量为0.02～0.1％(以水解物料TS计)，各池内水解处理时间1～3天。
[0017]本专利技术第二方面提供了一种高氨氮畜禽粪污厌氧发酵菌种驯化方法，所述方法包括：
[0018]培菌阶段：向发酵罐中接种适量的接种污泥，确认接种有效后，连续加入预处理后的畜禽粪污物料，逐步提高进料量；采用多级发酵罐进行菌种扩繁，全部发酵罐填充满后培菌结束；
[0019]一级驯化阶段：连续加入预处理后的畜禽粪污物料，固定进料量，固定水力停留时间，逐步提高进料浓度，以逐步提高发酵罐有机负荷，进行发酵菌种氨氮耐受驯化，提高进料浓度至发酵罐达到一级目标氨氮浓度后结束；
[0020]二级驯化阶段：保持发酵罐有机负荷不变，提高进料浓度，同比减少日进料量，延长水力停留时间，进一步进行发酵菌种氨氮耐受驯化，提高进料浓度至发酵罐氨氮浓度达到最终目标氨氮浓度后结束。
[0021]其中，发酵罐有机负荷＝进料Ts浓度*日进料量/总有效发酵罐容积。
[0022]在一些实施方案中，一级目标氨氮浓度为4000
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5000mg/L。
[0023]在一些实施方案中，最终目标氨氮浓度为7000
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8000mg/L。
[0024]在一些实施方案中，预处理后的畜禽粪污物料为采用本专利技术第一方面所述的方法处理的畜禽粪污物料。
[0025]在一些实施方案中，培菌阶段，日进料量随着发酵罐物料体积增加逐步提高。每次提高进料量后，第一级发酵罐沼气甲烷浓度、产量呈升高趋势，则继续提高进料量。
[0026]在一些实施方案中，培菌阶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种畜禽粪污预处理的方法，其特征在于，所述方法包括：畜禽粪便与污水进行混合调配，经调配好的粪污进入水解酸化池中进行水解酸化，向水解酸化池中加入酶；优选地，所述水解酸化池采用两级水解酸化池；优选地，初级水解酸化池控制温度为15
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25℃；优选地，次级水解酸化池控制温度为25～30℃；优选地，向初级水解酸化池中加入酶；优选地，初级水解酸化池内酶添加量为0.02～0.1％；优选地，所述酶包括纤维素酶、蛋白酶。2.一种高氨氮畜禽粪污厌氧发酵菌种驯化方法，其特征在于，所述方法包括：培菌阶段:向发酵罐中接种适量的接种污泥，确认接种有效后，连续加入预处理后的畜禽粪污物料，逐步提高进料量；采用多级发酵罐进行菌种扩繁，全部发酵罐填充满后培菌结束；一级驯化阶段：连续加入预处理后的畜禽粪污物料，逐步提高进料浓度，固定进料量，固定水力停留时间，逐步提高发酵罐有机负荷，进行发酵菌种氨氮耐受驯化，提高进料浓度至发酵罐达到一级目标氨氮浓度后结束；二级驯化阶段：保持发酵罐有机负荷不变，提高进料浓度，同比减少日进料量，以延长水力停留时间，进一步进行发酵菌种氨氮耐受驯化，提高进料浓度至发酵罐氨氮浓度达到最终目标氨氮浓度后结束；优选地，一级目标氨氮浓度为4000
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5000mg/L；优选地，最终目标氨氮浓度为7000
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8000mg/L；优选地，预处理后的畜禽粪污物料为采用权利要求1所述的方法处理的畜禽粪污物料。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在培菌阶段，日进料量随着发酵罐物料体积增加逐步提高；优选地，培菌阶段接种污泥的接种量为20～60％；优选地，接种有效的判断方法为发酵产出的沼气可点燃；优选地，培菌阶段所述日进料量为发酵罐物料体积1～3％；优选地，发酵罐的温度为35
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38℃；优选地，培菌阶段采用三级发酵罐进行菌种扩繁；优选地，三级发酵罐包括至少一个第一级发酵罐、至少一个第二级发酵罐、至少一个第三级发酵罐；优选地，三级发酵罐包括一组或多组发酵罐，一个或多个第一级发酵罐与一个第二级发酵罐为一组；优选地，各组第二级发酵罐之间、第三级发酵罐之间底部连通；优选地，第一级、第二级发酵罐均设置有溢流管道；优选地，第二级、第三级发酵罐均设置有回流管道；优选地，多级发酵罐进行菌种扩繁的方法如下：填充第一级发酵罐的第一个发酵罐，该发酵罐罐填充满后，溢流至第二级发酵罐，由第二级发酵罐回流填充第一级发酵罐的其它发酵罐，每个发酵罐填充容积大于50％后，该发
酵罐开始同步进料，第一级发酵罐各罐均填充满后溢流填充第二级发酵罐，第二级发酵罐填充满后，溢流填充第三级发酵罐，至全部发酵罐填充满后培菌结束；优选地，培菌阶段发酵罐氨氮浓度维持1000
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2000mg/L。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，一级驯化阶段每次进料浓度较现有进料浓度提高10％～30％比例；优选地，一级驯化阶段每次提高进料浓度后需维持运行1～3个周期的发酵水力停留时间；优选地，在一级驯化阶段，每次提高进料浓度后，沼气产量呈升高趋势，确认沼气产量稳定、沼气甲烷浓度稳定后，再提高进料浓度；优选地，一级驯化阶段发酵过程采用两级溢流的出料方式，采用两级回流的方式增加一级发酵罐菌群量；优选地，两级溢流、两级回流的过程如下：第一级发酵罐向第二级发酵罐、第二级发酵罐向第三级发酵罐溢流，第二级发酵罐向第一级发酵罐回流、第三级发酵罐向第一级发酵罐回流，增加一级发酵罐菌群量。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，二级驯化阶段每次进料浓度较现有进料浓度提高3％
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10％比例；优选地，二级驯化阶段每次提高进料浓度后需维持运行2～4个周期的发酵水力停留时间；优选地，在二级驯化阶段，每次提高进料浓度后，确认沼气产量稳定、沼气甲烷浓度稳定后，再提高进料浓度；优选地，二级驯化阶段发酵过程采用两级溢流的出料方式，采用两...

【专利技术属性】
技术研发人员：董泰丽，孙宪法，张东明，孙颖材，陈莉，崔青青，宁彩宏，吴军宁，李晓萍，
申请(专利权)人：山东民和生物科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：