Способ метанового сбраживания навоза Советский патент 1986 года по МПК C05F3/00 C02F11/04 C02F103/20 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к способам переработки органических отходов, в частности навоза крупного рогатого скота и растительных отходов тепличного хозяйства, с целью получения биогаза и органо- минеральных удобрений.

Цель изобретения - интенсификация способа путем повьпяения скорости сбраживания, выхода биогаза и содержания в нем метана.

Сущность изобретения заключается в следующей.

При сбраживании навоза около 70% метана образуется из ацетата.

Однако ацетат является медленно усвояемым субстратом, единственным предшественником метана, который накапливается и обнаруживается в метанной среде по методу Хангейта, из микрофлоры ила очистных сооружений и бродящего навоза крупного рогатого скота. Органическим субстратом при 5 пересевах служил ацетат.

Отбор активных микроорганизмов вели по признаку - скорость потребления ацетата (мг/л«сут), характеризуемая количеством образовавшегося мета- 10 на.

Метаногенная ацетатпотреблякяцая ассоциация микроорганизмов Methanot- rix thermoacetophilla, Metharfosarcina mazei № CA-1003 следующие морфологи- «5 ческую и физиологическую характеристики.

Термофильная метаногенная ассоциация микроорганизмов представлена двумя ацетатпотребляюощми штаммами бактенках в свободном состоянии, что го- 20 терий Methanotrix thermoacetophilla,

Methanosarcina mazei.

Доминирующим ацетатпотребляющим микроорганизмом в метаногенной ассоциации является термофильная бактерия

Methanotrix thermoacetophilla, клетки которой представлены крупными прямыми палочками с плоскими концами (1,0-2,0 X.2,0-6,О мкм), в стационарной культуре образуют нити. Окраска

30 по Граму отрицательна. Спор не образует . Подвижность и жгутики не обнаружены. Клетки вдоль нити заключены в чехол кольчатого строения, который сохраняет непрерывность по всей дливорит о недостаточном количестве в метановой микрофлоре ацетатиспользую- щих бактерий или о недостаточном уровне их активности.

Используемая,в способе метанового сбраживания ацетатпотребляющая ассрциация метановых бактерий является термофильной и температурный оптимум ее развития совпадает с оптимумом термофильного процесса сбраживания навоза. Ассоциация является устойчивой, пересевается на минеральной среде, что позволяет наращивать ее в виде чистого засевнрго материала и

представляет возможность вести микро- 35 . нити. Внутри чехла клетки разделебиологический контроль за ее развитием. Внесение в процесс сбраживания ацетатиспользующей ассоциации бактерий обеспечивает использование ацета- та в среде в широком диапазоне его 40 концентраций.

Метаногенная ацетатпотребляющая ассохщация микроорганизмов Methanotrix thermoacetophilla, Methanosarcina mazei депонирована в коллекции 45 отдела физиологии литотрофных микроорганизмов Института микробиологии АН СССР под ( CA-i003.

Термофильная метаногенная ацетат- потребляющая ассоциация Methanotrix 50 thermoacetophilla, Methanosarcina mazei № CA-1003 получена путём отбора при последовательных пересевах на элективной жидкой минеральной среде Пфеннига в пробирках при температу- 55 ре 54-5б с, рН среды 7,2-7,8, с последующей очисткой методом разведений « и вьщелением колоний на агаризован

473541

ной среде по методу Хангейта, из микрофлоры ила очистных сооружений и бродящего навоза крупного рогатого скота. Органическим субстратом при 5 пересевах служил ацетат.

Отбор активных микроорганизмов вели по признаку - скорость потребления ацетата (мг/л«сут), характеризуемая количеством образовавшегося мета- 10 на.

Метаногенная ацетатпотреблякяцая ассоциация микроорганизмов Methanot- rix thermoacetophilla, Metharfosarcina mazei № CA-1003 следующие морфологи- «5 ческую и физиологическую характеристики.

Термофильная метаногенная ассоциация микроорганизмов представлена двумя ацетатпотребляюощми штаммами бакны перегородками, имеющими концентрическое строение, между перегородками иногда имеется межклеточное пространство. При встряхивании .нити распадаются на отдельные клетки-, каждая из которых имеет чехол. Часто в клетках присутствуют газовые везикулы, имеющие овальную или палочковидную форму. Их наличие в клетках коррелирует с интенсивным образованием метана культурой. Размножается путем деления клетки. Деление начинается с инвагинации цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, позже подстраиваются концевые пластинки чехла В жидкой среде развивается в виде рыхлого осадка и тонких хлопьев, всползающий хлопьевидный рост по стенке пробирки. На твердой среде чистых колоний не образует. Размножается при 50-70 с, оптимум развития при 65°С. Растет хемоорганотрофно на минеральной среде, содержащей ацетат

в качестве субстрата. Добавление витаминов и небольшого количества навозного экстракта стимулирует рос т и образование метана. Метан образуется из ацетата в эквимолярных коли- чествах. Водород не используют. Пенициллин подавляет развитие ры. Процентное содержание клеток Methanotrix thermoacetophilla в отобранной ассоциации 50-70%.

Клетки ацетатпотребляющей Methano sarcina mazei представлены крупными кокками, величина которых зависит от степени агрегации. Часто встреча- ются шаровидные агрегаты из коксов заключенные в общую оболочку. Клетки размножаются путем деления, образуя перегородку. Процентное содержание клеток Methanosarcina mazei в отоб- ранной ассоциации составляет 30-50%. Отношение к кислороду - строгие ана- зробы.

Оптимальная температура культиви- рования на отходах сельского хозяйства или минеральной среде с ацетатом 50-52 С, хорошо растет при 45-55 С.

Оптимальная величина рН среды 7,2- 7,8, растет при рН среды 6,6-8,2.

Метаногенная термофильная ацетат- потребляющая ассоциация микроорганизмов характеризуется способностью использовать ацетат (промежуточньй продукт метаболизма) в процессе ана- эробного разложения навоза крупного рогатого скота с образованием углекислоты (СО ) и метана () .

Выделенная ассоциация микроорганизмов в лабораторных условиях хорошо растет на минеральной среде Пфеннига следующего состава, г/л дистиллированной воды: NH4C1, KH,jP.O , MgCl

,x2HjO, CaCI, KC1 по 0,33; NaHCOg 2;

j Na.j S 0,5; 5 мл раствора резазурина 1%-ного; 1 мл микроэлементов Липпер- та. Органическим источником углерода

и энергии ацетат (0,2-6,5%). Пересев ведутся под током COj или N.

Пример 1. Сбраживание навоза проводили в метантенке объемом 30 л, ежедневно увеличивая дозу загрузки на 2,5%. Качество загружаемого навоза соответствовало основным требованиям. Влажность нативного навоза 90%, сухое вещество 10%. Содержание органического вещества поддерживали на уровне 8%. Процесс сбраживания вели отъемно-приточным методом с одноразовой и дробной подаче исходного субстрата с периодическим перемешиванием (4 раза в час по 3 мин).

В метантенке к исходному навозу добавляли синтрофную ассоциацию мик роорганизмов.

На стадии метаногенеза через 12- 16 ч от начала опыта вносили ацетат- потреблякицую ассоциацию микроорганизмов Methanotrix thermoacetophilla, Metanosarcina mazei № CA-1003 в количестве 10% от объема сбраживаемой массы.

Результаты сбраживания навоза с использованием синтрофной и ацетат- потребляющей ассоциации приведены в табл. 1.

Таблица 1

Для сравнения в аналогичных уело- Результаты сбраживания навоза с

ВИЯХ проводили сбраживание измельчен-использованием синтрофной метаногенного навоза с внесением только синт-ной ассоциации приведены в

рофной метаногенной ассоциации.табл.2.

I

f...

Т а б л и ц а 2

Пример 2. При недостаткеется. При этом режим в метантенке наацетатпотребляющих бактерий часто в 55рушается и необходим .длительный

среде накапливается ацетат и рН сни-период . для нормализации мета жается, в результате чего процессновой микрофлоры и самого проухудшается или полностью останавлив.а-цесса.

Продолжение табл.

Поэтому необходимо выяснить оптимальную дозу, вносимую в процесс сбраживания ацетат потребляющей ассоциации .. .

Опыт по определению оптимальной . дозы внесения ацетатпотребляющей ассоциации в процесс метанового сбраживания для поддержания максимальной скорости метаногенеза проводили в йе- тантенке объемом 3 л (рабочий объем 2,4 л), условия опыта, как и в примере 1.

Вариант 1. В сбраживаемый навоз вносили 10% к объему суспензии синт- рофной и 5% ацетатпотребляклцей ассо- циации микроорганизмов.

Вариант 2. В сбраживаемый насос йносили 10% к объему суспензии синт- рофной и 7,5% ацетатпотребляющ.ей ас- социаций.

Вариант 3. В сбраживаемый навоз вносили 10% к объему суспензии синт- рофн ой и 10% ацетатпотребляющей ассоциаций.

. Вариант 4. В сбраживаемый навоз вносили 10% к объему суспензии синт- рофной и 12,5% ацетатпотребляющей ассоциаций.

Вариант 5. В сбраживаемый навоз вносили 10% к объему суспензии синт- рофной и 15% ацетатпотребляющей мета- цргенных ассоциаций микроорганизмов.

Результаты опыта показали, что на- иболее оптимальным соотношением двух вносимых в процесс метаногенных ассоциаций микроорганизмов является 10% к полезному объему метантенка.

Химический анализ сброженного навоза в метантенке показал, что в ва- рианте только с синтрофной ассоциацией постоянно обнаруживается присутствие ацетата, содержайие его достигает 50x10 моль/л, а при внесении смеси синтрофной и ацетатпотребляющей ассоциаций в соотношении 1:1 (10%:10%) скорость метаногенеза значительно

Редактор Н. Киштулинец

Заказ 4073/23Тираж 864

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

увеличивается и в сброженной массе обнаруживаются только следы ацетата.

Внесение в процесс 5 или 7,5% суспензии ацетатпотребляющих бактерий не обеспечивает полного потребления ацетата из среды, а при внесении 12, или 15%, повидимому, нарушается соотношение различных по физиологическим и биохимическим свойствам групп микроорганизмов и процесс ухудшается Значительно удлиняется лагфаза, суточная загрузка не превышает 40% и при увеличении загрузки выход биогаз снижает.ся.

Опыты, проведенные с постоянным внесением 10% к объему суспензии аце татпотреблякнцей ассоциации и с различной концентрацией клеток синтрофной ассоциации (вносили 5; 7,5; 10, 12,5; 15%), показали аналогичную зависимость.

В результате проведенных исследований экспериментально выявлено, что оптимальной дозой засевной метанрген ной микрофлоры, вносимой в метантенк является по 10% как синтрофной, так и ацетатпотребляющей ассоциаций.

Внесение в сбраживаемый навоз ацетатпотреблякадих микроорганизмов в сочетании с синтрофной метаног.енной ассоциацией увеличивает выход биогаза в 1,5 раза по сравнению с результатами, полученными при использовании только синтрофной ассоциации, при этом распад органического вещества в литре загружаемого навоза составил 23-27 г, съем биогаза 7,5-8,0 л с 1 л реактора в сутки по сравнению с 16- 18 г и 6,0-7,0 л соответственно.

Применение метаногенных ацетатпотребляющих бактерий позволяет значительно ускорить процесс метанообразо- вания и этим увеличить производительность действующих аппаратов и. уменьшить капитальные затраты на их изготовление и эксплуатацию.

Составитель В. Романова

Техред Э.Чш1мар Корректор А.Обручар

Подписное