Способ метанового сбраживания навоза

 

СОЮЗ ССОЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)4 С 02 F 11/04, С 12 P 5/02, 2N120

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

B "-- ." - "

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ц ц

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЯКБАИ01 Е (21) 3826214/30-15 (22) 12. 10 ° 84 (46) 30.07.86. Бюл. Р .28 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт комплексных проблем машиностроения для животноводства и кормопроизводства и Институт микробиологии АН СССР (72) P,À. Мельник, А.Н. Ножовникова, И.И. Евдокименко и Т.Г. Ягодина (53) 631.862:547.211(088.8) (56) Листов П.И., Прищеп Л.Г. Эффективное использование навоза в сельском хозяйстве. — Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1976, Р 1, с. 21.

Авторское свидетельство СССР

9 1049537, кл. С 12 N 1/00, 1982. (54) (57) СПОСОБ МЕТАНОВОГО СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА, включающий его анаэробную микробиологическую переработку с предварительным измельчением и добавлением синтрофной ассоциации микроорганизмов, перемешиванием и отводом газообразных продуктов метаболизма, о т.л и ч а ю шийся тем, что, с целью интенсификации способа, на стадии метаногенеза в сбраживаемый навоз дополнительно вносится метаногенная ацетатпотребляющая ассоциация микроорганизмов Methanotrix thermoaceto- .

philIa, Metanosarcina mazei CA-1003. в количестве 107 от объема сбраживаф емой массы.

S 2473

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к способам переработки органических отходов, в частности навоза крупного рогатого скота и растительных отходов тепличного хозяйства, 5 с целью получения биогаза и органоминералЬных удобрений.

Цель изобретения — интенсификация способа путем повышения скорости . сбраживания, выхода биогаэа и содержания в нем метана .

Сущность изобретения заключается в следующем.

При сбраживании навоза около .707 метана образуется из ацетата. 15

Однако ацетат является медленно усвояемым субстратом, единственным предшественником метана, который накапливается и обнаруживается в метантенках в свободном состоянии, что го- ворит о недостаточном количестве в метановой микрофлоре ацетатиспользующих бактерий или о недостаточном .уровне их активности.

Используемая.в способе метанового сбраживания ацетатпотребляющая ассоциация метановых бактерий является термофильной и температурный оптимум ее развития совпадает. с оптимумом термофильного процесса сбраживания Зо навоза. Ассоциация является устойчивой, пересевается на минеральной среде, что позволяет наращивать ее в виде чистого засевного материала и представляет возможность .вести микро- 3g биологический контроль за ее развитием. Внесение в процесс сбраживания ацетатиспользующей ассоциации бактерий обеспечивает использование ацетата в среде в широком диапазоне его 40

,концентраций.

Метаногенная ацетатпотребляющая ассоциация микроорганизмов Methano trix thermoacetophilla, Methanosarcina mazei депонирована в коллекции i5 отдела физиологии литотрофных микроорганизмов Института микробиологии . АН СССР под 9 СА-1003.

Термофильная метаногенная ацетатпотребляющая ассоциация Methanotrix

thermoacetophilla, Methanosarcina

mazei Ф СА-1003 получена путем отбора при последовательных пересевах на элективной жидкой минеральной среде

Пфеннига в .пробирках при температу- у ре 54-56 С, рН среды 7,2-7,8, с последующей очисткой методом разведений ° и . и выделением колоний на агаризован54 ной среде по методу Хангейта, иэ микрофлоры ила очистных сооружений и бродящего навоза крупного рогатого скота. Органическим субстратом при пересевах служил ацетат.

Отбор активных микроорганизмов вели по признаку — скорость потребления ацетата (мг/л сут), характеризуемая количеством образовавшегося метана.

Метаногенная ацетатпотребляющая ассоциация микроорганизмов Methanotrix thermoacetophilla, Metharfosarcina

mazei - CA-1003 следующие морфологическую и физиологическую характеристики.

Термофильная метаногенная ассоциация микроорганизмов представлена двумя ацетатпотребляющими штаммами бактерий 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 х 2,0-6,0 мкм), в стационарной культуре образуют нити. Окраска по Граму отрицательна. Спор не образует. Подвижность и жгутики не обнаружены. Клетки вдоль нити заключены в чехол кольчатого строения, который сохраняет непрерывность по всей длине нити. Внутри чехла клетки разделены перегородками, имеющими концентЮ рическое строение, между перегород.ками 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 кор« релирует 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 о при 65 С. Растет хемоорганотрофно на минеральной среде, содержащей ацетат

1247354

Рабочий объем

Расчетный

Доза суточной загрузки, Х (л) распад органического вещества, Х реактора, л

25(7,5)

27,5(8,25) 30

30,0

4,2

30

29,5

4,5

30(9,0) 30

35(10,5) 30

37,5(11,25) 30

40,0(12,0) 30

30,0

5,0

29,4

5,76

30,0

6,3

29,9

6,7 в качестве субстрата. Добавление витаминов и небольшого количества навозного экстракта стимулирует рост и образование метана. Метан образуется из ацетата в эквимолярных колиI чествах. Водород не используют. Пенициллин подавляет развитие культуры. Процентное содержание клеток

Methanotrix thermoacetophilla в отобранной ассоциации 50-70%. 10

Клетки ацетатпотребляющей Methanosarcina mazei представлены крупными кокками, величина которых зависит от степени агрегации. Часто встреча- 1 ются шаровидные агрегаты из коксов заключенные в общую оболочку. Клетки размножаются путем деления, образуя перегородку. Процентное содержание клеток Methanosarcina mazei в отоб- 20 ранкой ассоциации составляет 30-50%.

Отношение к кислороду — строгие анаэробы.

Оптимальная температура культиви- 2 рования на отходах сельского хозяйства или минеральной среде с ацетатом

50-52 С, хорошо растет при 45-55 С.

Оптимальная величина рН среды 7,27,8, растет при рН среды 6,6-8,2.

Метаногенная термофильная ацетатпотребляющая ассоциация микроорганиз мов характеризуется способностью использовать ацетат (промежуточный продукт метаболизма) в процессе ана35 эробного разложения навоза крупного рогатого скота с образованием угле. кислоты (СО,,) и метана (СН ) . ф

Выделенная ассоциация микроорганизмов в лабораторных условиях хорошо растет на минеральной среде Пфеннига следующего состава, г/л дистил-; лированной воды: NH4C1, КН РО, MgCQ х2Н О, СаС1, КС1 по 0,33; NaHCO > 2; Na $0,5; 5 мл раствора резазурина

1%-ного; 1 мл микроэлементов Липперта. Органическим источником углерода и эйергии ацетат (0,2-0,5%). Пересевы ведутся под током СО или N

Пример 1. Сбраживание навоза проводили в метантенке объемом

30 л, ежедневно увеличивая дозу загрузки на 2,5Х. Качество загружаемого навоза соответствовало основным требованиям. Влажность нативного навоза

90Х 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 пере мешиванием (4 раза в час по 3 мин) .

В метантенке к исходному навозу добавляли синтрофную ассоциацию мик роорганизмов.

На стадии метаногенеза через 1216 ч от начала опыта вносили ацетатпотребляющую ассоциацию микроорганизмов Methanotrix thermoacetophilla, Metanosarcina mazei ¹ СА-1003 в количестве 10% от объема сбраживаемой массы.

Результаты сбраживания навоза с использованием синтрофной и ацетатпотребляющей ассоциации приведены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

Фактический Съем биогаэа распад орга- с литра реакнического тора в сутки, вещества, Х л/л

1247354

Продолжение табл.!

30,6

45,0(13,5) 30

7,9

47,5(14,25) 30

50,0(15,0) 30

52,5(15,75) 30

55,0(16,5) 30

30,1.8,0

29,0

8,4

27,0

8,8

25 0

9,2

Таблица 2

Расчетный

Рабочий объем

Доза .суточной загрузки, Ж (л) распад органического вещества, Ж с литра реактора в сутки, л/л распад органического вещества, 7 реактора, .л

30 25(7,5) 29,6

3,8

30 27,5(8,25) .30

29,0

4,1

29,2

4,6

28,8

5 0

29,0

5,2

29,1

5,8

29,3

6,4

7,0

29,5

30

28,8

7,24

27,2

6,22

30 50,0(15,0).

25,4

6,12

Для сравнения в аналогичных условиях проводили сбраживание измельченного навоза с внесением только синтрофной метаногенной ассоциации.

30 30,0(9,0)

30 32,5(9,75)

30 35,0(10,5)

30 37,5(11,25)

30 40,0(12,0)

30 42,5(12,75)

30 45,0(13,5)

30 47,5(14,25) Пример 2. При недостатке ацетатпотребляющих бактерий часто в среде накапливается ацетат и рН снижается, в результате чего процесс ухудшается или полностью останавливаРезультаты сбраживания навоза с использованием синтрофной метаногенной ассоциации приведены. в

20 табл.2.

Фактический Съем биогаза ется . При этом режим в метантенке нарушается и необходим .длительный период . для нормализации мета новой микрофлоры и самого процесса.

124? 354

Составитель В ° Романова

Техред Э.Чижмар Корректор А.Обручар

Редактор Н. Киштулинец

Заказ 4073/23

Тираж 864

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий (13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

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

Поэтому необходимо выяснить оптимальную дозу, вносимую в процесс сбраживания ацетатпотребляющей ассоциации. 5

Опыт по определению оптимальной, дозы внесения ацетатпотребляющей ассоциации в процесс метанового сбражи-. вания для поддержания максимальной скорости метаногенеза проводили в ме- 1О тантенке объемом 3 л (рабочий объем

2,4 л), условия опыта, как и в при. мере 1.

Вариант 1. В сбраживаемый навоз . вносили 107 к объему суспензии синт- 1S рофной и 57 ацетатпотребляющей ассо циации микроорганизмов.

Вариант 2. В сбраживаемый насос вносили 10Х к объему суспензии синтрофной и 7,5% ацетатпотребляющей ассоциаций.

Вариант 3. В сбраживаемый навоз вносили 107 к объему суспензии синтрофной и 10Х. ацетатпотребляющей ассоциаций. 25

Вариант 4. В сбраживаемый навоз вносили 10Х к объему суспензии синтрофной и 12,5Х ацетатпотребляющей ас-, социаций.

Вариант 5. В сбраживаемый навоз 30 вносили 10Х к объему суспензии синтрофной и 15Х ацетатпотребляющей мета-нргенных ассоциаций микроорганизмов.

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

Химический анализ сброженного навоза в метантенке показал, что в ва- 411 рианте только с синтрофной ассоциацией постоянно обнаруживается присутствие ацетата, содержание его достигает

50х10 6 моль/л, а при внесении смеси синтрофной и ацетатпотребляющей ассо-1 циаций в соотношении 1:1 (10X:10X) скорость метаногенеза значительно увеличивается и в сброженной массе обнаруживаются только следы ацетата.

Внесение в процесс 5 или 7,5Х суспензии ацетатпотребляющих бактериЦ не обеспечивает полного потребления ацетата иэ среды, а при внесении 12,5 или 157 повидимому, нарушается соотношение различных по физиологическим и биохимическим свойствам групп микроорганизмов и процесс ухудшается.

Значительно удлиняется лагфаза, суточная загрузка не превышает 40Х и при увеличении загрузки выход биогаза снижается.

Опыты, проведенные с постоянным внесением 107 к объему суспензии ацетатпотребляющей ассоциации и с различной концентрацией клеток синтрофной ассоциации (вносили 5; 7,5; 10 !

2,5; 15X), показали аналогичную зависимость.

В результате проведенных исследований экспериментально выявлено, что оптимальной дозой засевной метанцгенной микрофлоры, вноСимой в метантенк, является по 107 как синтрофной, так и ацетатпотребляющей ассоциаций.

Внесение в сбраживаемый навоз ацетатпотребляющих микроорганизмов в сочетании с синтрофной метаногенной 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 r, съем биогаза 7,5-8,0 л с 1 л реактора в сутки по сравнению с 1618 г и 6,0-7,0 л соответственно.

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