[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于养殖废弃物资源化利用与农业生产技术领域，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。

背景技术

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)。

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。

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)：1844-1848)；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。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明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。

本发明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。