一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法
2023-05-26 04:12:31
一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法
【專利摘要】一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法，將電氣石加入微生物的厭氧培養體系，作為生物強化環境介質，利用礦物自發微電場刺激微生物生長，同時以其電解水體效應為厭氧菌提供還原環境和電子供體，提高反硝化菌的還原活性。本發明的優點是：電氣石的加入能夠有效提高厭氧反硝化菌反硝化降解的速率，提高對含氮汙水的脫氮能力；電氣石與厭氧反硝化菌形成菌-石複合體系，有利於菌的生長，增強適應性適應；電氣石的加入能夠保持水溶液pH的穩定性，提高電導率，降低氧化還原電位，有利於厭氧菌的生長；本發明採用資源豐富的天然綠色礦物，不會產生二次汙染，能夠重複利用，工藝簡便，經濟節約，可廣泛應用於多種環境微生物強化修復領域。
【專利說明】一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及環保領域的汙水處理技術，特別是一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法。
【背景技術】
[0002]近年來隨著我國國民經濟高速發展，城市、農村的地下水汙染問題趨於嚴重。尤其是硝酸鹽氮汙染，由於工業汙水、生活汙水的不當排放，以及氮肥的大量使用，淺層地下水幾乎成為氮元素的貯存庫。
[0003]硝酸鹽氮汙染會對生態系統和人體健康造成很大的影響。首先是使水體富營氧化，癱瘓原有生態系統；其次，水體硝酸鹽氮超標會引起高鐵血紅蛋白症、心血管病、癌症等疾病，嚴重危害人體健康。
[0004]針對硝酸鹽氮汙染，生物脫氮因具有無二次汙染、成本低等優點，被認為是最具前景的水處理方法。地下水厭氧環境下的生物脫氮通常採用兼性厭氧反硝化菌進行反硝化作用，其在缺氧條件下能以硝態氮為電子受體將其還原為氮氣，達到處理含氮廢水的目的，其最理想的電子供體為氫氣。但厭氧環境下反硝化作用的缺點是反應速率低，耗時長，反硝化菌生長速度緩慢，氮的去除效率較低。因此，有必要尋求一種強化厭氧反硝化菌脫氮性能的方法。
[0005]天然礦物電氣石作為一種環狀結構矽酸鹽礦物，因其具有永久自發極化效應、周圍能產生靜電場，在促進土壤、地下水中微生物增殖和生長、提高生物活性方面，提供適宜的微電場刺激是一種相對安全和極具發展潛力的新方法。電場可能打開細胞膜離子通道，引起菌體內一些酶活性增高；此外電氣石的自發電極性還使其具有一些特殊的環境功能屬性:如降低溶液的氧化還原電位、調節PH值、改善水分子簇團結構，使周圍水分子持續電解生成氫氣。如果將這些特性引入反硝化體系，則能直接為厭氧反硝化菌提供最有效的電子供體氫氣、強還原性環境和穩定的PH，同時小分子團簇水還可促進細胞的新陳代謝，增強細胞活力，從而提高脫氮降解效率，縮短汙染場址修復所需的時間。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法，該方法能夠有效地促進反硝化作用的反應效率，縮短硝酸鹽氮的降解周期，並且在應對環境變化方面呈現良好的穩定性。
[0007]本發明的技術方案:
一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法，將電氣石加入微生物的厭氧培養體系，作為生物強化環境介質，利用礦物自發微電場刺激微生物生長，同時以其電解水體效應為厭氧菌提供還原環境和電子供體，提高反硝化菌的還原活性，步驟如下:
I)好氧培養液的配製:
將蛋白腖、牛肉膏、瓊脂和NaCl加入蒸餾水中並混合均勻，製得好氧培養液； 2)反硝化菌液好氧培養:
將上述好氧培養液滅菌冷卻，置於37°C恆溫培養箱24h後接種反硝化菌真養產鹼桿菌(Alcaligenes，繼續於恆溫箱中培養48h,備用；
3)厭氧培養液的配製:
將 NaH⑶3、NaN03、KH2PO4, ZnCl2, MnSO4.7H20、NiCl2.6H20、CoCl2.6H20、CuCl2.2H20、Na2MoO4.2H20和H3BO3加入蒸餾水中並混合均勻，製得厭氧培養液，厭氧培養液中硝酸鹽氮含量為500mg/L ；
4)電氣石-菌複合體系反硝化菌厭氧培養:
在連頸瓶反應器中，左側反應器加入濃度為IM的HCl溶液和鐵粉，右側反應器加入厭氧培養液、好氧培養的反硝化菌液和滅菌去離子水，用濃度為IM的HCl溶液調節右側反應器中的反應液PH值為7，然後在右側反應器中再加入粒徑為50-100nm的電氣石並使其濃度為l_5g/L ;密封連頸瓶反應器，通氮氣25min以除氧，放置於30°C恆溫培養箱中反應，每天從右側反應器中抽取I mL溶液檢測硝酸鹽氮濃度，直至厭氧培養液中硝酸鹽完全降解後，左側反應器更換全部鐵粉與鹽酸，右側反應器中補充厭氧培養液，通氮除氧後置於培養箱中繼續反應至硝酸鹽完全降解，重複以上操作，共測試五周期的降解反應，考察以電氣石為強化環境介質來提高反硝化菌降解硝酸鹽能力的效果，提供一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法。
[0008]所述好氧培養液中蛋白腖、牛肉膏、瓊脂、NaCl和蒸餾水的用量比為5g:3g:15g:5g:1L。
[0009]所述厭氧培養液中NaHCO3λ NaNO3' KH2PO4' ZnCl2、MnSO4.7H20、NiCl2.6H20、CoCl2.6H20、CuCl2.2H20、Na2MoO4.2H20、H3BO3 的濃度分別為 15.000 g/L、3.036g/L、0.975g/L、52mg/L、10m mg/L、24mg/L、190mg/L、29 mg/L、36 mg/L、30 mg/L。
[0010]所述反應液中HCl溶液、鐵粉、厭氧培養液、好養菌液和滅菌去離子水的用量比為50_100mL:0.2-0.5g: 1mL:lmL:90mL。
[0011]本發明的優點和有益效果是:
1)電氣石的加入能夠有效提高厭氧反硝化菌反硝化降解的速率，提高對含氮汙水的脫氮能力；
2)電氣石與厭氧反硝化菌形成菌-石複合體系，有利於菌的生長，增強適應性適應；
3)電氣石的加入能夠保持水溶液pH的穩定性，提高電導率，降低氧化還原電位，有利於厭氧菌的生長；
4)本發明採用資源豐富的天然綠色礦物，不會產生二次汙染，能夠重複利用，工藝簡便，經濟節約，可廣泛應用於多種環境微生物強化修復領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為電氣石對水體pH的影響圖。
[0013]圖2為電氣石對水體氧化還原電位的影響圖。
[0014]圖3為反硝化菌和電氣石-菌複合體系TEM照片，其中:a.反硝化菌，b.電氣石體系中厭氧培養30天的反硝化菌，c.電氣石體系中厭氧培養60天的反硝化菌。
[0015]圖4為電氣石-菌複合體系與單純反硝化菌降解硝酸鹽性能比較圖。
【具體實施方式】
[0016]本發明通過以下實施例結合附圖進一步詳述，但本實施例所敘述的技術內容是說明性的，而不是限定性的，不應依此來局限本發明的保護範圍。本研究所選用的反硝化菌為真養產鹼桿菌(Alcaligenes ewiroMm)，購於中國工業微生物菌種保藏管理中心(北京)
實施例1:
一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法，將電氣石加入微生物的厭氧培養體系，作為生物強化環境介質，利用礦物自發微電場刺激微生物生長，同時以其電解水體效應為厭氧菌提供還原環境和電子供體，提高反硝化菌的還原活性，步驟如下:
1)好氧培養液的配製:
將5g蛋白腖、3g牛肉膏、15g瓊脂和5g NaCl加入100mL蒸懼水中並混合均勻，製得好氧培養液；
2)反硝化菌液好氧培養:
將上述好氧培養液滅菌冷卻，置於37°C恆溫培養箱24h後接種反硝化菌真養產鹼桿菌(Alcaligenes，繼續於恆溫箱中培養48h,備用；
3)厭氧培養液的配製:
將 NaH⑶3、NaN03、KH2PO4, ZnCl2, MnSO4.7H20、NiCl2.6H20、CoCl2.6H20、CuCl2.2H20、Na2MoO4.2H20和H3BO3加入蒸餾水並混合均勻，厭氧培養液中NaHC03、NaNO3> KH2PO4, ZnCl2,MnSO4.7H20、NiCl2.6H20、CoCl2.6H20、CuCl2.2H20、Na2MoO4.2H20、H3BO3 的濃度分別為 15.000g/L、3.036g/L、0.975g/L、52mg/L、10m mg/L、24mg/L、190mg/L、29 mg/L、36 mg/L、30 mg/L,製得厭氧培養液，厭氧培養液中硝酸鹽氮含量為500mg/L ；
4)電氣石-菌複合體系反硝化菌厭氧培養:
在連頸瓶反應器中，左側反應器加入10mL濃度為IM的HCl溶液和0.5g鐵粉，右側反應器加入1mL厭氧培養液、ImL好氧培養的反硝化菌液和90mL滅菌去離子水,用濃度為IM的HCl溶液調節右側反應器中的反應液pH值為7，然後在右側反應器中再加入粒徑為50-100nm的電氣石並使其濃度為5g/L ;密封連頸瓶反應器，通氮氣25min以除氧，放置於30°C恆溫培養箱中反應，每天從右側反應器中抽取I mL溶液檢測硝酸鹽氮濃度，直至厭氧培養液中硝酸鹽完全降解後，左側反應器更換全部鐵粉與鹽酸，右側反應器中補充厭氧培養液，通氮除氧後置於培養箱中繼續反應至硝酸鹽完全降解，重複以上操作，共測試五周期的降解反應，考察以電氣石為強化環境介質來提高反硝化菌降解硝酸鹽能力的效果，提供一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法。
[0017]實施例2:
一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法，將電氣石加入微生物的厭氧培養體系，作為生物強化環境介質，利用礦物自發微電場刺激微生物生長，同時以其電解水體效應為厭氧菌提供還原環境和電子供體，提高反硝化菌的還原活性，步驟如下:
1)、2)、3)與實施例1相同；
4)與實施例1基本相同，不同之處在於:在連頸瓶反應器中，左側反應器加入50mL濃度為IM的HCl溶液和0.2g鐵粉；右側反應器中加入粒徑為50-100nm的電氣石並使其濃度為lg/L0
[0018]實施例3:
一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法，將電氣石加入微生物的厭氧培養體系，作為生物強化環境介質，利用礦物自發微電場刺激微生物生長，同時以其電解水體效應為厭氧菌提供還原環境和電子供體，提高反硝化菌的還原活性，步驟如下:
1)、2)、3)與實施例1相同；
4)與實施例1基本相同，不同之處在於:在連頸瓶反應器中，左側反應器加入SOmL濃度為IM的HCl溶液和0.4g鐵粉；右側反應器中加入粒徑為50-100nm的電氣石並使其濃度為3g/L。
[0019]測定本發明使用的電氣石粉體對水體性能及厭氧反硝化菌形態和硝酸鹽降解性能的影響下:
I)電氣石對水體pH的影響
向去離子水中加入濃度為5g/L的鐵電氣石，充分攪拌後測定pH的變化。如圖1所示，電氣石對水體的PH值具有一定的調節作用，酸性和鹼性水體的pH均趨向於弱鹼性，即電氣石能自發的調整水體的酸鹼性，使其處於有利於反硝化菌生長的範圍內。
[0020]2)電氣石對水體氧化還原電位的影響
向去離子水體中加入鐵電氣石，攪拌均勻後用氧化還原電位測定儀測定水體氧化還原電位的變化情況，實驗結果如圖2所示。投加電氣石後，水體的氧化還原電位明顯降低，甚至降至零以下。由於硝酸鹽的降解是厭氧反硝化作用，氧化還原電位越低越有利於反硝化降解反應的進行，可見電氣石可為厭氧反硝化菌提供促進其生長的還原環境。
[0021]3)電氣石對反硝化菌形貌和生長的影響
本發明所使用的反硝化菌及與電氣石複合後的透射電鏡(TEM)照片如圖3所示。進入厭氧培養的反硝化菌呈現出球形鏈狀聚集的形態，粒徑約為0.5um。加入電氣石厭氧培養30天，反硝化菌成長到一定階段形態發生改變，成為杆狀。加入電氣石的反硝化菌會以菌-石複合態的形式存在，反硝化菌表面附有大量的電氣石顆粒或者包裹於電氣石顆粒中。隨複合時間的增長，菌體以更好的聚合態生長，呈現出更多的數量，更密集的狀態。
[0022]4)電氣石對反硝化菌降解性能的影響
對比試驗樣品:1)、2)、3)與實施例1相同，4)與實施例1基本相同，不同之處在於:反硝化菌厭氧培養中不加入電氣石。
[0023]由於兼性反硝化菌在有氧存在時以氧氣為電子受體，無氧時才以硝酸鹽為電子受體，在從好養進入厭氧培養狀態時，先消耗掉體系中殘留的氧，故硝酸鹽氮的降解速度較慢。如圖4所示，加入電氣石的體系中，反硝化菌對電氣石介質環境有一個逐漸適應的過程，在第一反應周期，反硝化菌可以在14天內將硝酸鹽氮完全去除，此時電氣石體系中的去除率為80%。更換培養液後，進入第二反應周期，電氣石體系開始表現出對反硝化的顯著促進作用，僅需7天硝酸鹽氮就完全反應，而單純菌反硝化體系活性提高較慢，仍需13天才能完全降解。此後隨著反硝化菌的不斷增殖，反應活性仍有所提高，但遠不及加入電氣石培養體系的反應速率，當進入第五反應周期時，電氣石-菌複合體系僅需2天就降解了全部硝酸鹽氮，可見電氣石介質的加入明顯提高了反硝化菌的活性和對硝酸鹽氮的降解能力。
【權利要求】
1.一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法，其特徵在於:將電氣石加入微生物的厭氧培養體系，作為生物強化環境介質，利用礦物自發微電場刺激微生物生長，同時以其電解水體效應為厭氧菌提供還原環境和電子供體，提高反硝化菌的還原活性，步驟如下: 1)好氧培養液的配製: 將蛋白腖、牛肉膏、瓊脂和NaCl加入蒸餾水中並混合均勻，製得好氧培養液； 2)反硝化菌液好氧培養: 將上述好氧培養液滅菌冷卻，置於37°C恆溫培養箱24h後接種反硝化菌真養產鹼桿菌(Alcaligenes，繼續於恆溫箱中培養48h,備用； 3)厭氧培養液的配製:
將 NaH⑶3、NaN03、KH2PO4, ZnCl2, MnSO4.7H20、NiCl2.6H20、CoCl2.6H20、CuCl2.2H20、Na2MoO4.2H20和H3BO3加入蒸餾水中並混合均勻，製得厭氧培養液，厭氧培養液中硝酸鹽氮含量為500mg/L ； 4)電氣石-菌複合體系反硝化菌厭氧培養: 在連頸瓶反應器中，左側反應器加入濃度為IM的HCl溶液和鐵粉，右側反應器加入厭氧培養液、好氧培養的反硝化菌液和滅菌去離子水，用濃度為IM的HCl溶液調節右側反應器中的反應液PH值為7，然後在右側反應器中再加入粒徑為50-100nm的電氣石並使其濃度為l_5g/L ;密封連頸瓶反應器，通氮氣25min以除氧，放置於30°C恆溫培養箱中反應，每天從右側反應器中抽取I mL溶液檢測硝酸鹽氮濃度，直至厭氧培養液中硝酸鹽完全降解後，左側反應器更換全部鐵粉與鹽酸，右側反應器中補充厭氧培養液，通氮除氧後置於培養箱中繼續反應至硝酸鹽完全降解，重複以上操作，共測試五周期的降解反應，考察以電氣石為強化環境介質來提高反硝化菌降解硝酸鹽能力的效果，提供一種用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法。
2.根據權利要求1所述用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法，其特徵在於:所述好氧培養液中蛋白腖、牛肉膏、瓊脂、NaCl和蒸餾水的用量比為5g:3g:15g:5g:1L。
3.根據權利要求1所述用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法，其特徵在於:所述厭氧培養液中 NaHCO3' NaNO3' KH2PO4' ZnCl2' MnSO4.7H20、NiCl2.6H20、CoCl2.6H20、CuCl2.2H20、Na2MoO4.2H20、H3BO3 的濃度分別為 15.000 g/L、3.036g/L、0.975g/L、52mg/L、10m mg/L、24mg/L、190mg/L、29 mg/L、36 mg/L、30 mg/L。
4.根據權利要求1所述用電性礦物提高厭氧微生物還原活性的方法，其特徵在於:所述反應液中HCl溶液、鐵粉、厭氧培養液、好養菌液和滅菌去離子水的用量比為50-100mL:.0.2-0.5g: 1mL: ImL:90mL。
【文檔編號】C02F3/28GK104229986SQ201410451892
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】王薇, 劉康, 王雅楠 申請人:南開大學