一种互营脂肪酸氧化菌与产电菌优势菌群的构建方法

摘要

本发明公开了一种互营脂肪酸氧化菌与产电菌优势菌群的构建方法，互营脂肪酸氧化菌利用挥发性有机脂肪酸为底物进行代谢，其发酵末端产物乙酸在外加电压的催化下被产电菌进一步利用，实现了有机物的梯级降解，提高了高浓度有机废水的处理效能和系统的稳定性，同时提高了氢气的产率，达到治污与产能的统一。构建方法包括以下步骤：互营脂肪酸氧化菌的富集，产电菌的富集，两种富集成功菌群加入到MEC反应器中去除挥发性有机脂肪酸等过程。具有结构简单、操作灵活、运行稳定，无需调节碱度，运行费用低等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及污水生物处理及其回用领域，具体涉及一种互营脂肪酸氧化菌与产电菌优势菌群的构建方法。

背景技术

厌氧生物处理技术凭借其经济性、安全环保性被广泛应用于高浓度有机废水的处理之中，并逐渐成为首选工艺。

传统意义上大分子有机物厌氧降解过程的完成，是在产酸发酵细菌、互营脂肪酸氧化菌和产甲烷菌等不同微生物类群的相互配合下逐步完成的。这些微生物类群在营养生态位上是一种“生物链”关系：产酸发酵细菌为互营脂肪酸氧化菌提供可利用的底物挥发酸（VFAs），互营脂肪酸氧化菌的代谢产物乙酸和H₂则为产甲烷菌所利用。互营脂肪酸氧化菌的功能生态位在产酸发酵菌和产甲烷菌之间，起着承上启下的关键作用，是厌氧代谢的第一限速步骤。但由于热动力学的限制，互营脂肪酸氧化菌的代谢反应无法自发进行，必须依靠噬氢菌(产甲烷菌、同型产乙酸菌、硫酸盐还原菌等)的代谢来拉动，在传统的厌氧工艺中主要是通过和产甲烷菌互营共生来实现。但是产酸发酵菌的代谢生长速率远远高于互营脂肪酸氧化菌和产甲烷菌，这种中间产物代谢和转化的不平衡很容易引起厌氧反应器酸化的问题，影响反应器运行稳定性。累积的有机酸不仅严重抑制后续的乙酸化及甲烷化的过程，还会反馈抑制剩余有机物的水解酸化，使厌氧代谢过程全程受阻，不利于有机废水处理效能的提高。

目前提高高浓度有机废水处理效能和运行稳定性的主要思路是：构建高效互营脂肪酸氧化菌共培养体和培育酸性产甲烷菌。通过对pH, ORP(氧化还原电位)和碱度等生态因子的研究，找出共培养体最适合的生态因子范围，通过在工程上调控其最适合参数达到提高处理效能的目的，但是依旧不能解决中间产物代谢和转化的不平衡的问题；目前能被分离培养出的耐酸产甲烷菌是有限的，并且这些菌株生长环境苛刻，对外界环境的适应能力不强，对有机物的去除能力有限，这些都不能从根本上解决反应器酸化的问题。

 发明内容

本发明所要解决的问题是针对厌氧发酵领域出现的“反应器酸化和运行不稳定”现象，提供一种高效去除挥发性有机脂肪酸、提高高浓度有机废水的处理效能和运行稳定性的方法。

为了解决该问题，本发明提供了一种互营脂肪酸氧化菌和产电菌优势菌群的构建方法，包括以下步骤：

（1）互营脂肪酸氧化菌的富集通过在连续搅拌槽反应器(CSTR)中接种污水处理厂二沉池好氧活性污泥（固体悬浮物SS=19.56 g/L）并调控相关因子来实现。反应器通过固定水力停留时间，以挥发性有机脂肪酸（丙酸、丁酸）为底物，逐步增加进水负荷的方式启动。运行稳定后主要通过测定底物的去除率、甲烷产量来判断互营脂肪酸氧化菌是否富集成功。

（2）产电菌的富集则以微生物燃料电池（MFC）的方式进行，构建MFC反应器接种二沉池好氧活性污泥，通过测定电极两端产生的电压和底物的降解率来判断产电菌的富集情况。

（3）将富集成功的产电菌阳极生物膜转移到微生物电解池(MEC)中，外加0.9V电压，按照1:10的接种比例加入富集成功的优势互营脂肪酸氧化菌进行混合培养。MEC反应器以挥发性有机脂肪酸（丙酸或丁酸）为底物，调节进水化学需氧量（COD）为3000 mg/L，在35℃恒温箱中进行静态实验，底物有机挥发酸的去除率可达到96.7%，产氢效率可在现有基础上提高1倍。

本发明的主要特点在于：

1、     互营脂肪酸氧化菌的富集：以挥发性有机脂肪酸（丙酸或丁酸）为底物，以固定水力停留时间逐步增加进水浓度的方式实现CSTR反应器的启动及稳定运行, 具有及时高效、启动迅速的特点。

2、产电菌的富集：采用微生物燃料电池（MFC）的方式实现，通过测定电极两端产生的电压和底物的降解率来判定产电菌的富集情况，该方法方便快捷；

3、将互营脂肪酸氧化菌的末端代谢产物乙酸作为产电菌底物来源，实现了有机物的梯级利用，具有节约成本和保持厌氧系统稳定的特点。

4、 MEC系统耦合参数的调控能同时满足互营脂肪酸氧化菌和产电菌的生长条件。

本发明以厌氧降解易积累的中间代谢产物挥发性有机脂肪酸（丙酸或丁酸）为底物，通过耦合互营脂肪酸氧化菌和产电菌，产电菌在利用乙酸的同时可拉动互营脂肪酸氧化菌的代谢，实现挥发性有机脂肪酸的高效去除，为缓解反应器酸化问题及提高高浓度有机废水的处理效能和运行稳定性提供了新的思路。具有结构简单、操作灵活、运行稳定，无需调节碱度，运行费用低等优点。

具体实施方式

下面依据具体实施方式对本发明做详细说明。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

1、产电菌的富集

产电菌的富集采用MFC的方式：

阳极材料：碳布（长×宽为4×2cm）

催化阴极的制备：阴极不锈钢网的两面作为扩散层和催化层，在扩散层，将PTFE（聚四氟乙烯，wt60%）均匀涂布于不锈钢网上，置于350℃的马弗炉中灼烧10 min，重复上述步骤3次；

在催化层，将16mg镍纳米颗粒溶于13.28uL的去离子水中，加入53.28uL异丙醇和106.7uL的PTFE（wt60%）溶液中，漩涡震荡30s，最后将溶解后的镍纳米颗粒液均匀涂布于不锈钢网的催化层一面，置于马弗炉中350℃灼烧0.5h。

MFC进水的配制：配制pH=6.80的磷酸盐缓冲液，以葡萄糖为底物调节COD=1600 mg/L，同时加入1ml/L的营养元素和微量元素溶液。

微量元素：H₃BO₃50 mg/L；CuCl₂30 mg/L；MnSO₄?H₂O 50 mg/L； AlCl₃50 mg/L；CoCl₂?6H₂O 50 mg/L；NiCl₂50 mg/L ，ZnCl₂ 50mg/L.

营养元素：NH₄Cl 238.8 g/L; KH₂PO₄ 55 g/L; CaCl₂ 30 g/L; MgSO₄ 20 g/L and FeSO₄?7H₂O 10 g/L.

以静态培养的方式连续7个周期后，阳极生物膜的电压达到450 mv以上并保持稳定，COD的去除率也稳定在90%左右，说明阳极生物膜富集成功。

2. 互营脂肪酸氧化菌的富集

互营脂肪酸氧化菌的富集在CSTR反应器中完成，首先将污水处理厂的二沉池好氧污泥加入到CSTR反应器中，使反应器内接种污泥浓度为12gVSS/L，然后将配制的有机废水通过蠕动泵导入反应器，反应器总有效体积为9.6L，温度通过恒温控制仪保持在35±1℃。反应器顶部中央设置气体收集口，产生的气体借助橡胶管，通过水封到达湿式气体流量计。每天固定时间测定反应器内水样的pH、COD、碱度、底物丙酸的浓度和气体成分及比率。固定水力停留时间48h不变，逐步增加进水COD浓度，初期进水COD为1600mg/L，经过两个月的运行，进水丙酸的浓度为7000 mg/L时，COD的去除率稳定在97%左右，代谢产物乙酸的浓度在25mg/L以下，气体中甲烷的比例达到65%左右，说明该反应器中互营脂肪酸氧化菌优势生长。

后期提取污泥的DNA,测序后检测到互营丙酸降解菌Uncultured Smithella spp. Clone (EU888819.1, NCBI database)，验证了互营脂肪酸氧化菌为该厌氧系统的优势菌群。

3. 互营脂肪酸氧化菌和产电菌的耦合

将富集成功的阳极生物膜转入单室MEC中，同时添加优势互营脂肪酸氧化菌种泥8.5 mL，通过氮气吹脱的方式构造厌氧环境。MEC为内部直径5cm的单室结构，有效溶液体积为85mL。温度控制在35±1℃。附加的额外电压为0.9V。

MEC进水的配制：配制pH=7.00的磷酸盐缓冲液，以丙酸为底物调节COD=3000 mg/L，同时加入1ml/L的营养元素和微量元素溶液，营养元素和微量元素溶液配方同产电菌富集一致。

4. 产氢产乙酸菌与产电菌优势菌群的生态特征：

通过几个周期的连续监测，MEC稳定运行后，丙酸COD的去除率可达到95%以上。此时溶液的ORP范围为- 350 mV~ - 420 mV，氢气的百分比达到20%左右。