一種互營脂肪酸氧化菌與產電菌優勢菌群的構建方法與流程
2023-04-26 06:43:51 1
本發明涉及汙水生物處理及其回用領域，具體涉及一種互營脂肪酸氧化菌與產電菌優勢菌群的構建方法。
背景技術：
厭氧生物處理技術憑藉其經濟性、安全環保性被廣泛應用於高濃度有機廢水的處理之中，並逐漸成為首選工藝。傳統意義上大分子有機物厭氧降解過程的完成，是在產酸發酵細菌、互營脂肪酸氧化菌和產甲烷菌等不同微生物類群的相互配合下逐步完成的。這些微生物類群在營養生態位上是一種「生物鏈」關係：產酸發酵細菌為互營脂肪酸氧化菌提供可利用的底物揮發酸（VFAs），互營脂肪酸氧化菌的代謝產物乙酸和H2則為產甲烷菌所利用。互營脂肪酸氧化菌的功能生態位在產酸發酵菌和產甲烷菌之間，起著承上啟下的關鍵作用，是厭氧代謝的第一限速步驟。但由於熱動力學的限制，互營脂肪酸氧化菌的代謝反應無法自發進行，必須依靠噬氫菌(產甲烷菌、同型產乙酸菌、硫酸鹽還原菌等)的代謝來拉動，在傳統的厭氧工藝中主要是通過和產甲烷菌互營共生來實現。但是產酸發酵菌的代謝生長速率遠遠高於互營脂肪酸氧化菌和產甲烷菌，這種中間產物代謝和轉化的不平衡很容易引起厭氧反應器酸化的問題，影響反應器運行穩定性。累積的有機酸不僅嚴重抑制後續的乙酸化及甲烷化的過程，還會反饋抑制剩餘有機物的水解酸化，使厭氧代謝過程全程受阻，不利於有機廢水處理效能的提高。目前提高高濃度有機廢水處理效能和運行穩定性的主要思路是：構建高效互營脂肪酸氧化菌共培養體和培育酸性產甲烷菌。通過對pH,ORP(氧化還原電位)和鹼度等生態因子的研究，找出共培養體最適合的生態因子範圍，通過在工程上調控其最適合參數達到提高處理效能的目的，但是依舊不能解決中間產物代謝和轉化的不平衡的問題；目前能被分離培養出的耐酸產甲烷菌是有限的，並且這些菌株生長環境苛刻，對外界環境的適應能力不強，對有機物的去除能力有限，這些都不能從根本上解決反應器酸化的問題。
技術實現要素：
本發明所要解決的問題是針對厭氧發酵領域出現的「反應器酸化和運行不穩定」現象，提供一種高效去除揮發性有機脂肪酸、提高高濃度有機廢水的處理效能和運行穩定性的方法。為了解決該問題，本發明提供了一種互營脂肪酸氧化菌和產電菌優勢菌群的構建方法，包括以下步驟：（1）互營脂肪酸氧化菌的富集通過在連續攪拌槽反應器(CSTR)中接種汙水處理廠二沉池好氧活性汙泥（固體懸浮物SS=19.56g/L）並調控相關因子來實現。反應器通過固定水力停留時間，以揮發性有機脂肪酸（丙酸、丁酸）為底物，逐步增加進水負荷的方式啟動。運行穩定後主要通過測定底物的去除率、甲烷產量來判斷互營脂肪酸氧化菌是否富集成功。（2）產電菌的富集則以微生物燃料電池（MFC）的方式進行，構建MFC反應器接種二沉池好氧活性汙泥，通過測定電極兩端產生的電壓和底物的降解率來判斷產電菌的富集情況。（3）將富集成功的產電菌陽極生物膜轉移到微生物電解池(MEC)中，外加0.9V電壓，按照1:10的接種比例加入富集成功的優勢互營脂肪酸氧化菌進行混合培養。MEC反應器以揮發性有機脂肪酸（丙酸或丁酸）為底物，調節進水化學需氧量（COD）為3000mg/L，在35℃恆溫箱中進行靜態實驗，底物有機揮發酸的去除率可達到96.7%，產氫效率可在現有基礎上提高1倍。本發明的主要特點在於：1、互營脂肪酸氧化菌的富集：以揮發性有機脂肪酸（丙酸或丁酸）為底物，以固定水力停留時間逐步增加進水濃度的方式實現CSTR反應器的啟動及穩定運行,具有及時高效、啟動迅速的特點。2、產電菌的富集：採用微生物燃料電池（MFC）的方式實現，通過測定電極兩端產生的電壓和底物的降解率來判定產電菌的富集情況，該方法方便快捷；3、將互營脂肪酸氧化菌的末端代謝產物乙酸作為產電菌底物來源，實現了有機物的梯級利用，具有節約成本和保持厭氧系統穩定的特點。4、MEC系統耦合參數的調控能同時滿足互營脂肪酸氧化菌和產電菌的生長條件。本發明以厭氧降解易積累的中間代謝產物揮發性有機脂肪酸（丙酸或丁酸）為底物，通過耦合互營脂肪酸氧化菌和產電菌，產電菌在利用乙酸的同時可拉動互營脂肪酸氧化菌的代謝，實現揮發性有機脂肪酸的高效去除，為緩解反應器酸化問題及提高高濃度有機廢水的處理效能和運行穩定性提供了新的思路。具有結構簡單、操作靈活、運行穩定，無需調節鹼度，運行費用低等優點。具體實施方式下面依據具體實施方式對本發明做詳細說明。下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。1、產電菌的富集產電菌的富集採用MFC的方式：陽極材料：碳布（長×寬為4×2cm）催化陰極的製備：陰極不鏽鋼網的兩面作為擴散層和催化層，在擴散層，將PTFE（聚四氟乙烯，wt60%）均勻塗布於不鏽鋼網上，置於350℃的馬弗爐中灼燒10min，重複上述步驟3次；在催化層，將16mg鎳納米顆粒溶於13.28uL的去離子水中，加入53.28uL異丙醇和106.7uL的PTFE（wt60%）溶液中，漩渦震蕩30s，最後將溶解後的鎳納米顆粒液均勻塗布於不鏽鋼網的催化層一面，置於馬弗爐中350℃灼燒0.5h。MFC進水的配製：配製pH=6.80的磷酸鹽緩衝液，以葡萄糖為底物調節COD=1600mg/L，同時加入1ml/L的營養元素和微量元素溶液。微量元素：H3BO350mg/L；CuCl230mg/L；MnSO4·H2O50mg/L；AlCl350mg/L；CoCl2·6H2O50mg/L；NiCl250mg/L，ZnCl250mg/L.營養元素：NH4Cl238.8g/L;KH2PO455g/L;CaCl230g/L;MgSO420g/LandFeSO4·7H2O10g/L.以靜態培養的方式連續7個周期後，陽極生物膜的電壓達到450mv以上並保持穩定，COD的去除率也穩定在90%左右，說明陽極生物膜富集成功。2.互營脂肪酸氧化菌的富集互營脂肪酸氧化菌的富集在CSTR反應器中完成，首先將汙水處理廠的二沉池好氧汙泥加入到CSTR反應器中，使反應器內接種汙泥濃度為12gVSS/L，然後將配製的有機廢水通過蠕動泵導入反應器，反應器總有效體積為9.6L，溫度通過恆溫控制儀保持在35±1℃。反應器頂部中央設置氣體收集口，產生的氣體藉助橡膠管，通過水封到達溼式氣體流量計。每天固定時間測定反應器內水樣的pH、COD、鹼度、底物丙酸的濃度和氣體成分及比率。固定水力停留時間48h不變，逐步增加進水COD濃度，初期進水COD為1600mg/L，經過兩個月的運行，進水丙酸的濃度為7000mg/L時，COD的去除率穩定在97%左右，代謝產物乙酸的濃度在25mg/L以下，氣體中甲烷的比例達到65%左右，說明該反應器中互營脂肪酸氧化菌優勢生長。後期提取汙泥的DNA,測序後檢測到互營丙酸降解菌UnculturedSmithellaspp.Clone(EU888819.1,NCBIdatabase)，驗證了互營脂肪酸氧化菌為該厭氧系統的優勢菌群。3.互營脂肪酸氧化菌和產電菌的耦合將富集成功的陽極生物膜轉入單室MEC中，同時添加優勢互營脂肪酸氧化菌種泥8.5mL，通過氮氣吹脫的方式構造厭氧環境。MEC為內部直徑5cm的單室結構，有效溶液體積為85mL。溫度控制在35±1℃。附加的額外電壓為0.9V。MEC進水的配製：配製pH=7.00的磷酸鹽緩衝液，以丙酸為底物調節COD=3000mg/L，同時加入1ml/L的營養元素和微量元素溶液，營養元素和微量元素溶液配方同產電菌富集一致。4.產氫產乙酸菌與產電菌優勢菌群的生態特徵：通過幾個周期的連續監測，MEC穩定運行後，丙酸COD的去除率可達到95%以上。此時溶液的ORP範圍為-350mV~-420mV，氫氣的百分比達到20%左右。