一種厭氧氨氧化菌群的富集培養方法與流程

2023-05-02 18:07:16

本發明屬於環境微生物技術領域，具體涉及一種厭氧氨氧化菌群的富集培養方法。

背景技術：

20世紀90年代以來發現的厭氧氨氧化現象為高濃度含氨廢水的生物脫氮處理提供了新思路。一批基於厭氧氨氧化理論的新型生物脫氮技術應運而生。厭氧氨氧化是指在厭氧或缺氧條件下，微生物直接以NH4+-N為電子供體，以NO2--N為電子受體，將NH4+-N和NO2--N轉變為N2的生物過程，厭氧氨氧化過程不需要氧氣的參與，屬於完全自養過程，所以與傳統硝化反硝化過程相比，可以節省供氧費用50%，而且不需要外加有機碳源，可以大幅度降低汙水脫氮的基建投資和運行成本，同時厭氧氨氧化過程也可以使剩餘汙泥產生量降至最低，從而節省大量的汙泥處置費用。厭氧氨氧化工藝作為一種新型生物脫氮技術備受關注。

厭氧氨氧化工藝特別適合處理高氨氮、低碳源汙水，該技術在國外已經有工程化應用的案例。第一個工程化的厭氧氨氧化反應器（體積70m3）建立在荷蘭鹿特丹Dokhaven汙水處理廠，並於2002年投入運行，該反應器內厭氧氨氧化菌的倍增時間為10-12天。此後奧地利Strass汙水處理廠、Salzburg汙水處理廠、瑞士Glarnerland汙水處理廠以及美國Washington DC汙水處理廠等都已經工程化實施該項厭氧氨氧化技術，但是國內對該技術的研究還處於實驗室和中試階段，僅在2009年通遼梅花集團建成的世界上最大的厭氧氨氧化反應器也是荷蘭帕克公司的技術。自從荷蘭帕克公司獲得Anammox專利授權後，在我國針對釀酒生產廢水、味精生產廢水和酵母生產廢水等建造了多個應用實例，但是實際運行效果均未見報導。因此厭氧氨氧化技術需要儘快國產化。

厭氧氨氧化菌生長緩慢，細胞產率低，因此難以維持較高生物濃度，即使經過數月的運行建立了厭氧氨氧化功能，仍然由於厭氧氨氧化菌對環境條件的敏感而難以維持反應器的穩定運行，在工業應用過程中，同樣因為厭氧氨氧化菌群對實際汙水的適應性差而難以維持長久穩定運行。儘管厭氧氨氧化技術已經發展了二十幾年，但是仍然存在許多問題需要深入研究和探討，特別是如何促進厭氧氨氧化細菌的快速大量繁殖是今後研究的重要內容。探索厭氧氨氧化細菌的富集培養技術，對於進一步推動厭氧氨氧化技術的發展具有重要的現實意義。

CN201110408676.0公開了一種從普通活性汙泥中富集厭氧氨氧化菌的方法，其特徵是採用序批式反應器先對普通活性汙泥進行好氧硝化處理，然後進行厭氧處理，並投加活性炭載體，實現對厭氧氨氧化菌的富集培養。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提供了一種厭氧氨氧化菌群的富集培養方法，本發明根據厭氧氨氧化菌的底物和產物特徵，以溶解氧作為調控手段分階段進行富集培養，並以亞硝化程度作為轉換點，有助於厭氧氨氧化菌的生長和積累。

本發明厭氧氨氧化菌群的富集培養方法，以含氨氧化菌的活性汙泥作為接種物，以銨鹽或含氨廢水作為培養液，分階段進行富集培養：第一階段，將溶解氧濃度控制在0.2-2.0mg/L進行硝化反應，當亞硝化率達到10%-20%時，降低溶解氧濃度至小於0.5mg/L，進入第二階段進行厭氧氨氧化菌的富集培養；當亞硝酸根濃度低於5mg/L時，再次提高溶解氧濃度為0.2-2.0mg/L繼續進行硝化反應，當亞硝化率再次達到10%-20%時，降低溶解氧濃度小於0.5mg/L條件下進行厭氧氨氧化菌的富集培養，此不同溶解氧濃度的控制過程交替進行，直到培養液中總氮濃度低於25mg/L時，結束一個周期的培養，沉降除去上清液，更換新鮮培養液進入下一個周期的培養，或者直接補加銨鹽進入下一個周期的培養。

本發明中，最好在培養液中加入厭氧氨氧化菌生長促進劑，所述促進劑包括金屬鹽、多胺類物質、無機酸羥胺和Na2SO3，其中金屬鹽為40-100重量份，優選為50-80重量份，多胺類物質為5-30重量份，優選為10-20重量份，無機酸羥胺為0.05-1.5重量份，優選為0.1-1.0重量份，Na2SO3為10-40重量份，優選為20-30重量份，所述金屬鹽由鈣鹽、銅鹽、鎂鹽和/或亞鐵鹽組成。

本發明所述生長促進劑中，金屬鹽可以是鈣鹽、鎂鹽和銅鹽，其中Ca2+、Mg2+和Cu2+的摩爾比為（5-15）:（5-25）:（0.5-5），優選為（8-12）:（10-20）:（1-4）；或者是鈣鹽、亞鐵鹽和銅鹽，其中Ca2+、Fe2+和Cu2+的摩爾比為（5-15）:（1-8）:（0.5-5），優選為（8-12）:（2-6）:（1-4）；或者是鈣鹽、鎂鹽、亞鐵鹽和銅鹽，其中Ca2+、Mg2+、Fe2+和Cu2+的摩爾比為（5-15）:（5-25）:（1-8）:（0.5-5），優選為（8-12）:（10-20）:（2-6）:（1-4）。

本發明所述生長促進劑中，鈣鹽為CaSO4或者CaCl2，鎂鹽為MgSO4或者Mg Cl2，亞鐵鹽為FeSO4或者FeCl2，銅鹽為CuSO4或者CuCl2。所述多胺類物質為精胺、亞精胺或者兩者的混合物。所述無機酸羥胺為鹽酸羥胺、硫酸羥胺或者磷酸羥胺中的一種或幾種。

本發明中，所述的活性汙泥可以選取本領域常用的富含氨氧化菌的活性汙泥。所述的銨鹽可以是(NH4)2SO4、NH3·H2O或NH4Cl等，優選(NH4)2SO4。所述的含氨廢水可以是一切含有無機氨氮的廢水，氨氮濃度低於1000mg/L，COD濃度低於50mg/L。

本發明中，所述厭氧氨氧化菌的培養條件為：溫度為15-40℃，優選為20-35℃，pH為7.0-9.0，優選為7.5-8.5，SV30（汙泥30min沉降比）為25%-35%。

本發明中，可以採用定期補加銨鹽或者批次更換新鮮培養液的方式進行培養，在每次補加銨鹽或者更換新鮮培養液時都加入生長促進劑，加入量為使得培養體系中促進劑濃度為10-50mg/L，優選為10-20mg/L。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

（1）本發明根據菌體的底物和產物特徵，以溶解氧作為調控手段分階段進行富集培養，並以亞硝化程度作為轉換點，有助於厭氧氨氧化菌的生長和積累。

（2）本發明在培養液中加入生長促進劑，一方面可以為細菌提供所需要的富集培養條件，另一方面可以提高菌體的生長速率和菌體的耐受溶解氧性能。採用高低溶解氧條件頻繁交替的方式進行培養，可以使所獲得的厭氧氨氧化菌適應性強，應用於短程硝化-厭氧氨氧化工藝中能夠與短程硝化快速結合，保證系統的穩定運行。

（3）本發明通過使用生長促進劑並配合工藝條件實現了厭氧氨氧化菌的高效富集。該促進劑配方簡單，製備容易，富集培養的厭氧氨氧化菌群可以直接投加到汙水處理系統中，用於系統的快速啟動和穩定性維護，加速短程硝化-厭氧氨氧化工藝的工業化進程。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明方案進行詳細說明。

本發明所涉及厭氧氨氧化菌生長促進劑的製備可以按照CN201410585124.0、 CN201410585422.X和CN201410585421.5所述的方法。採用上述方法按照表1促進劑的比例和配方配製四種型號的生長促進劑，所述生長促進劑濃度均為0.5g/L。

表1 生長促進劑的配方及比例

實施例1

首先向兼氧反應器內接種某汙水廠富含氨氧化菌的活性汙泥，接種後汙泥三十分鐘沉降比SV30為25%，在溫度為25℃，pH為7.5條件下，以氨氮濃度為100mg/L的NH4Cl溶液作為培養液，分階段進行富集培養：第一階段，將溶解氧濃度控制在0.6-0.8mg/L進行硝化反應，當亞硝化率達到20%時，降低溶解氧濃度至0.1-0.3mg/L，進行厭氧氨氧化菌的富集培養；當亞硝酸根濃度低於5mg/L時，再次提高溶解氧濃度為0.6-0.8mg/L繼續進行硝化反應，當亞硝化率再次達到20%時降低溶解氧濃度至0.1-0.3mg/L進行厭氧氨氧化菌的富集培養，此不同溶解氧濃度的控制過程交替進行，當培養液中總氮濃度低於25mg/L時，結束一個周期的培養，沉降除去上清液，更換新鮮培養液進入下一個周期的培養，在更換培養液的同時按照培養系統中促進劑濃度為10mg/L補加厭氧氨氧化菌生長促進劑Ⅰ。本次培養過程共經歷了5個周期，獲得厭氧氨氧化菌群A。

實施例2

首先向兼氧反應器內接種某汙水廠富含氨氧化菌的活性汙泥，接種後汙泥三十分鐘沉降比SV30為30%，在溫度為30℃，pH為8.0條件下，以氨氮濃度為200mg/L的含氨汙水作為培養液，分階段進行富集培養：第一階段，將溶解氧濃度控制在1.3-1.5mg/L進行硝化反應，當亞硝化率達到15%時，降低溶解氧濃度至0.2-0.4mg/L，進行厭氧氨氧化菌的富集培養；當亞硝酸根濃度低於5mg/L時，再次提高溶解氧濃度為1.3-1.5mg/L繼續進行硝化反應，當亞硝化率再次達到15%時降低溶解氧濃度至0.2-0.4mg/L進行厭氧氨氧化菌的富集培養，此不同溶解氧濃度的控制過程交替進行，當培養液中總氮濃度低於25mg/L時，結束一個周期的培養，沉降除去上清液，更換新鮮培養液進入下一個周期的培養，在更換培養液時按照培養系統中促進劑濃度為15mg/L補加厭氧氨氧化菌生長促進劑Ⅱ。本次培養過程共經歷了5個周期，獲得厭氧氨氧化菌群B。

實施例3

首先向兼氧反應器內接種某汙水廠富含氨氧化菌的活性汙泥，接種後汙泥三十分鐘沉降比SV30為35%，在溫度為32℃，pH為8.2條件下，以氨氮濃度為300mg/L的(NH4)2SO4溶液作為培養液，分階段進行富集培養：第一階段，將溶解氧濃度控制在1.8-2.0mg/L進行硝化反應，當亞硝化率達到15%時，降低溶解氧濃度至0.3-0.5mg/L，進行厭氧氨氧化菌的富集培養；當亞硝酸根濃度低於5mg/L時，再次提高溶解氧濃度為1.8-2.0mg/L繼續進行硝化反應，當亞硝化率再次達到15%時降低溶解氧濃度0.3-0.5mg/L進行厭氧氨氧化菌的富集培養，此不同溶解氧濃度的控制過程交替進行，當培養液中總氮濃度低於25mg/L時，結束一個周期的培養，沉降除去上清液，更換新鮮培養液進入下一個周期的培養，在更換培養液時按照培養系統中促進劑濃度為25mg/L補加厭氧氨氧化菌生長促進劑Ⅲ。本次培養過程共經歷了4個周期，獲得厭氧氨氧化菌群C。

比較例1

培養條件和培養時間同實施例3，不同之處是培養過程中不採用溶解氧交替進行的方式，溶解氧始終為0.3-0.5mg/L，培養結束後，獲得厭氧氨氧化菌群D。

比較例2

培養條件和培養時間同實施例3，不同之處是培養過程中不採用溶解氧交替進行的方式，溶解氧始終控制在1.8-2.0mg/L，培養結束後，獲得厭氧氨氧化菌群E。

比較例3

培養條件和培養時間同實施例3，不同之處是培養過程中不投加厭氧氨氧化菌生長促進劑，培養結束後，收穫厭氧氨氧化菌群F。

將上述培養獲得的厭氧氨氧化菌群A-F用於廢水的厭氧氨氧化處理過程中。廢水中的氨氮濃度為80mg/L，亞硝酸鹽氮濃度為75mg/L，廢水處理溫度為30℃，溶解氧濃度低於0.5mg/L，pH為7.5-8.0。採用批次換排水的方式進行處理，24h為一個處理周期，5天後廢水的氨氮和總氮去除率見表2。

表2 厭氧氨氧化菌群的處理效果

由表2可見，厭氧氨氧化菌群A-C在處理含氨廢水時，氨氮和總氮去除率均大於85%，只在同一溶解氧條件下培養獲得的厭氧氨氧化菌群D和E、不加生長促進劑獲得的厭氧氨氧化菌群F，氨氮和總氮去除率均小於70%。由此可見，本發明方法培養的厭氧氨氧化菌群達到很好的脫氮效果。