CN102373238B

CN102373238B - 一种嗜热芽孢杆菌及其在发酵产氢中的应用

Info

Publication number: CN102373238B
Application number: CN2011103418330A
Authority: CN
Inventors: 郭亮; 佘宗莲; 马启敏; 赵珺; 卢明敏; 纵岩
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: CN102373238A

Abstract

本发明涉及一种嗜热芽孢杆菌及其在发酵产氢中的应用，包括污泥/或有机废弃物预处理和发酵制氢步骤，其特征在于所述的污泥/或有机废弃物预处理步骤是在污泥/或有机废弃物中接种嗜热芽孢杆菌菌液，处理后获得嗜热芽孢杆菌水解预处理污泥/或有机废弃物。另外，本发明制备的嗜热芽孢杆菌预处理水解污泥还可作为产氢菌群接种体接种于有机废弃物中来发酵产氢。本发明的嗜热芽孢杆菌污泥预处理方法可以有效地筛选泥中的高效产氢菌群，抑制耗氢菌的生长，杀死污泥/或有机废弃物中的致病菌。经过本发明A11菌株预处理的污泥/或有机废弃物，在后续的发酵制氢步骤中氢气的产生量大，氢气纯度高，产氢的延迟时间短，具有明显的经济价值和开发潜能。

Description

一种嗜热芽孢杆菌及其在发酵产氢中的应用

技术领域

本发明属于发酵产氢技术领域，具体涉及一种嗜热芽孢杆菌及其在发酵产氢中的应用，即将嗜热芽孢杆菌应用于污泥/或有机废弃物的水解预处理，再利用水解后的污泥/或有机废弃物发酵产氢；同时还包括一种筛选出的嗜热芽孢杆菌A11菌株。

背景技术

由于煤，石油等不可再生资源的大量使用，人类不仅面临着资源的枯竭，而且还会对环境造成污染，产生温室效应。而氢能由于其清洁无污染、高热值、高热效率、适用范围广、可再生等诸多优点，已成为二十一世纪最有吸引力的替代能源。目前氢气的产生可以通过两种途径：物理化学方法和生物方法。物理化学方法包括电解水法和水煤气法，但上述两种方法都是以消耗电能或不可再生能源为代价获得氢气。而生物方法是利用产氢的微生物来分解有机物质来产氢，是一种节能环保的技术。

在生物产氢法中，增加产氢微生物的数量及其产氢活性，选育高效的产氢菌群，是提高发酵制氢***产氢效能的重要途径。与利用单一菌株产氢相比，利用混合菌系进行厌氧生物制氢具有明显的优势，这是由于菌种间的协同作用，导致纯菌的产氢能力不如混合菌种，高的产氢微生物多样性有利于增加产氢***的产氢能力，其中污泥具有最大的产氢能力。因此，为了提高氢气产生的稳定性和产氢效率，优化污泥中的产氢微生物群落结构是一项重要的工作。同时，淘汰接种污泥中存在的诸如产甲烷菌群、同型产乙酸菌群和硫酸盐还原菌群等耗氢菌群，加快反应***的污泥驯化过程，提高产氢效能，以不同预处理方法来处理好氧活性污泥和厌氧活性污泥，并启动发酵制氢***的研究就非常重要。近年来，主要使用物化法筛选污泥中的产氢菌群，同时水解污泥或有机废弃物来发酵产氢，如热处理(加热或灭菌)，化学处理(碱处理，酸处理，添加甲烷抑制剂等)，机械破解(超声波，微波，冻融等)等方法。

目前已经有一些利用污水处理厂的剩余污泥来产氢的技术报道，专利号为ZL200310116142.6的专利公开了“一种利用污水厂剩余污泥厌氧发酵制氢的方法与装置”，它是应用碱预处理污泥产氢，将pH调到12～13，并抑制甲烷菌。但强碱性环境对污泥的后续生物处理十分不利，剩余污泥的填埋对土壤的损害比原污泥更大，而且外加碱，增加生产运行成本。申请号为200510066428.7的专利申请公开了一种“用污水处理厂剩余污泥制氢的热处理-发酵产氢方法”，它使用热处理污泥产氢，在121℃，压力1.5个标准大气压，处理0.5小时。但这种方法延迟时间长(从开始发酵到产氢的这段时间)，氢气纯度低，而且用电量大，对设备的制造要求高，增加生产成本。而且超声波、臭氧氧化、氯氧化、热水解、酸或碱处理等物理化学方法存在产生三氯甲烷副产物、梅拉德反应抑制厌氧消化、基建和运行费用大、能耗高、安全隐患等问题。因此，就需要建立一种有效的生物法预处理技术，对污泥/或有机废弃物进行水解并利用其发酵产氢的方法。同时，筛选出生物法预处理所需的高效微生物菌株也成为污泥/或有机废弃物水解和发酵产氢领域的研究热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种嗜热芽孢杆菌及其在发酵产氢中的应用，即利用嗜热芽孢杆菌来预处理污泥/或有机废弃物，水解污泥/或有机废弃物的大分子结构，富集产氢菌，提高后续产氢的效率，以弥补现有技术的不足。

本发明涉及嗜热芽孢杆菌在污泥发酵产氢中的应用，包括污泥预处理和发酵制氢步骤，其特征在于上述的预处理步骤是在污泥中接种嗜热芽孢杆菌菌液，在50～70℃下预处理污泥2～24h，获得嗜热芽孢杆菌预处理水解污泥，再转入发酵制氢步骤。

上述的发酵制氢步骤是将嗜热芽孢杆菌预处理水解污泥置于密封的发酵制氢反应器中，向污泥中吹氮气2～15min，再密封发酵产氢，发酵温度为25～45℃。

本发明的另一个方面涉及嗜热芽孢杆菌预处理水解污泥，是将嗜热芽孢杆菌预处理水解污泥作为产氢菌群接种体接种于有机废弃物中进行发酵产氢。

上述的有机废弃物也可以先用嗜热芽孢杆菌进行预处理。

上述污泥或有机废弃物和嗜热芽孢杆菌菌液的体积比为100∶3～15。

上述的污泥可以是污水处理厂的剩余污泥、河/海底泥或养殖池塘污泥。

其中嗜热芽孢杆菌为筛选的嗜热芽孢杆菌Bacillus thermophilic A11菌株。

嗜热芽孢杆菌A11(Bacillus thermophilic)，保藏编号为：CGMCC No.5309，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，邮编100101，保藏日期为2011年9月29号。

本发明的嗜热芽孢杆菌污泥预处理方法可以有效地筛选泥中的高效产氢菌群，抑制耗氢菌的生长，同时破坏污泥/或有机废弃物的大分子结构，提高污泥/或有机废弃物的生物再降解能力，减少污泥量，杀死污泥/或有机废弃物中的致病菌。经过本发明A11菌株预处理的污泥/或有机废弃物，在后续的发酵制氢步骤中氢气的产生量大，氢气纯度高，产氢的延迟时间短，具有明显的经济价值和开发潜能。

具体实施方式

本发明的基本原理如下：在污泥/或有机废弃物中接种嗜热芽孢杆菌，在高温条件下，嗜热芽孢杆菌可以分泌胞外酶，胞外酶可以破坏污泥中微生物细胞壁，水解污泥/或有机废弃物的大分子结构，提高污泥/或有机废弃物的可生化性；同时胞外酶和高温条件可以抑制或杀死污泥中的产甲烷菌等耗氢菌，而产氢菌在极端环境下可以形成孢子，在适宜的条件下可以复活，污泥经嗜热芽孢杆菌处理后，便可以筛选出其中的高效产氢菌群。因此，污泥/或有机废弃物经嗜热芽孢杆菌处理后，即可用于发酵产氢。

对比污泥经65℃热处理和嗜热芽孢杆菌处理后发酵产氢，嗜热芽孢杆菌处理后污泥的最大产氢率为27.5ml H₂/g VS，产氢率高出对应的65℃热处理污泥52.3％，产生的气体中只有H₂和CO₂，无甲烷产生。结果表明，污泥经嗜热芽孢杆菌处理后，产氢菌群活性高，可以达到较好的产氢效果。

下面结合具体实施例对本发明的菌株及其应用进行详细描述

一、菌株的筛选及理化性质

1、菌株的筛选：

取青岛市绿化带花园土壤置于锥形瓶中，121℃高温灭菌，而后于65℃水浴震荡培养1～2天，存活下来的即为嗜热菌，再采用平板划线法分离富集的嗜热菌。所用培养基为通用的牛肉膏蛋白胨培养基，主要成分如下：牛肉膏5g，蛋白胨10g，琼脂20g，NaCl 5g，水1000ml，pH 7.0，1.05kg/cm²，121℃条件下灭菌20分钟。

2、菌株的理化性质

筛选出的菌落为浅灰色、半透明、浅裂，边缘不整齐、中凸，该菌株为革兰氏阳性菌，细杆状，产芽孢，好氧或兼性厌氧菌，接触酶反应为阳性，可分泌淀粉酶和蛋白酶，最适pH值为6.8～7.5，最佳生长温度为65℃。

二、菌株的应用

取分离的嗜热菌A11置于污水厂剩余污泥中，污泥和嗜热菌菌液的体积比为100∶3～100∶15，在45～75℃下处理污泥2～24h，然后取嗜热菌水解污泥置于密封的发酵制氢反应器中，向其中吹氮气2～15min，密封，控制发酵温度25℃～45℃，进行发酵产氢，2～10h后产生氢气。

对于其它有机废弃物的水解和发酵产氢，具体方法如下：取分离的嗜热菌A11置于有机废弃物中，有机废弃物和嗜热菌菌液的体积比为100∶3～100∶15，在45～75℃下处理2～48h，然后接种嗜热菌处理后的污泥，置于密封的发酵制氢反应器中，污泥与有机废弃物的比例为100∶5～100∶20，然后向发酵制氢反应器中吹氮气2～15min，密封，控制发酵温度25℃～45℃，进行发酵产氢，2～10h后产生氢气。

实施例1：

取城市污水厂二沉池污泥100ml，污泥的TSS为13.26g/L，VSS为7.41g/L。置于嗜热菌水解反应器中，接种嗜热菌Bacillus thermophilic A11菌株的菌液10ml(取A11菌株接种于液体培养基中，65℃水浴震荡培养24h制得A11菌株的菌液，培养基主要成分为：牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，水1000ml，pH 7.0，1.05kg/cm²，121℃条件下灭菌20分钟)，实验温度设定为65℃，通气量为0.21L/min，处理48h，以释放污泥中的有机营养物，同时又可以富集污泥中的产氢菌群，杀灭耗氢菌和致病菌，并可释放污泥中吸附的部分重金属。预处理后，TSS的溶解率达到41.21％，VSS的溶解率达到55.27％，污泥中的营养物被释放出来，其中原污泥蛋白质的含量从87.13mg/L上升到1011mg/L；碳水化合物的含量从10.45mg/L上升到253mg/L；SCOD(溶解性COD)由原污泥的245mg/L，提高到6342mg/L。

然后将嗜热菌水解预处理后的污泥放于血清瓶中，控制温度35℃，吹氮气5min，以去掉剩余污泥上层空气中的氧气，保持发酵产氢反应器的厌氧环境，3小时后开始产氢。最大产氢率为27.5ml/gVS。其中氢气的含量在80％以上，其余为二氧化碳，没有甲烷气的产生。产氢率比未经嗜热菌水解预处理的污泥(65℃热处理)高出52.3％。因此，嗜热菌水解污泥发酵产氢，可以提高产氢率，氢气纯度高，缩短产氢延迟时间。

实施例2：

取海水养殖场有机废弃物100ml，废弃物的TCOD为12945mg/L，SS为1.74g/L，VSS为0.62g/L。取海水养殖场有机废弃物100ml，接种本发明的Bacillusthermophilic A11菌液10ml，调节pH＝7，在65℃，搅拌速率140r/min，处理24h，然后接种Bacillus thermophilic A11处理污泥10ml，在温度为35℃条件下，发酵产氢，2h后产生氢气，无甲烷的产生，产生的生物气中氢气的含量大于70％，最大产氢率达到12.59ml/gCOD。产生的高纯氢气收集于气体收集装置中，经纯化后可以使用。

Claims

1.一种嗜热芽孢杆菌在污泥发酵产氢中的应用方法，包括污泥预处理和发酵制氢步骤，其特征在于所述的污泥预处理步骤是在污泥中接种嗜热芽孢杆菌菌液，在50~70℃下预处理污泥2~24 h，获得嗜热芽孢杆菌预处理水解污泥；所述的嗜热芽孢杆菌为嗜热芽孢杆菌Bacillusthermophilic A11菌株，其保藏编号为CGMCC No.5309；所述的污泥为污水处理厂的剩余污泥、河/海底泥或养殖池塘污泥；污泥和嗜热芽孢杆菌菌液的体积比为100：3～15。

2.如权利要求1所述的应用方法，其特征在于所述的发酵制氢步骤是将嗜热芽孢杆菌预处理水解污泥置于密封的发酵制氢反应器中，向污泥中吹氮气2～15 min，再密封发酵产氢，发酵温度为25～45℃。

3.如权利要求1所述的应用方法，其特征在于所述的嗜热芽孢杆菌预处理水解污泥接种于有机废弃物中来发酵产氢；所述的有机废弃物先用嗜热芽孢杆菌菌液进行预处理。

4.如权利要求3所述的应用方法，其特征在于所述的有机废弃物和嗜热芽孢杆菌菌液的体积比为100：3～15。