厭氧氨氧化汙泥菌種的富集培養方法與流程
2023-05-11 23:25:36 1
本發明涉及環境工程及微生物技術領域，具體涉及厭氧氨氧化汙泥菌種的富集培養方法。
背景技術：
隨著工農業技術的發展、人口的增加，越來越多的高氮低碳工業廢水、生活汙水流入湖泊、河流和海域，導致水體中氮的含量過高，引起水體富營養化，引起藻類和其他浮遊植物的瘋長，水中嚴重缺氧或者厭氧，造成水中各種動植物及微生物的死亡，其殘骸被腐殖性微生物分解，產生氨或硫化氧等惡臭氣體。大量no3-排入水體不僅會形成富營養化，也會對水體造成汙染，損害人類身體健康。因此，如何有效研究開發新型汙水脫氮技術，來更經濟高效地防治水體氮素汙染，保護水資源，已經迫在眉睫，是未來世界各國迫切需要解決的難題，是我們在汙水脫氮領域為之奮鬥的目標。
傳統生物脫氮技術以硝化反硝化過程為基礎，有機氮先被氨化菌轉化成氨氮，氨氮在氧氣充足時被氧化成亞硝酸鹽及硝酸鹽，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮再進行反硝化，被還原成氮氣，完成水體的脫氮過程。傳統脫氮技術由於其耗能大、流程長、反硝化碳源不足、脫氮效果較低等缺點，在實際應用中會受到一定的限制，特別是在處理高氨氮或者低c/n比含氮廢水時有一定的局限性。為了達到高效除氮、低能耗的目的，通過大量的實驗工作，國內外學者提出了新的脫氮技術工藝，如短程硝化-反硝化、同時硝化反硝化以及厭氧氨氧化等。厭氧氨氧化是指在厭氧或缺氧條件下，微生物直接以no2-為電子受體，以nh4+為電子供體，生成氮氣的氧化還原反應。該反應中無需外加碳源，可以減少耗能，節約成本。並且該過程快速直接，速率快，其脫氮性能遠高於其他脫氮工藝。好氧淤泥和厭氧淤泥均可培養出厭氧氨氧化活性淤泥，但最佳比例尚未明確。
傳統生物脫氮技術有以下幾個缺點：1、工藝流程長；2、佔地面積大；3、基礎投資高；4、消化過程需要投鹼中和會造成二次汙染；5、硝化菌群增值速度慢，難以維持較高生物濃度，抗衝擊負荷能力較弱；5、為了維持硝化菌較高的生物濃度及較為良好的脫氮效果，系統需同時進行汙泥和硝化液回流；6、高濃度的nh4+和廢水會抑制硝化細菌的生長。
技術實現要素：
本發明的目的就是針對上述現有技術中的缺陷，提供了厭氧氨氧化汙泥菌種的富集培養方法，能夠有效解決細胞產率極低、對環境條件敏感、富集培養困難的問題。
為了實現上述目的，本發明提供的技術方案為：厭氧氨氧化汙泥菌種的富集培養方法，是將汙泥混合物接種至工業廢水中以進行厭氧氨氧化菌菌群的高效富集；所述汙泥混合物中，好氧消化汙泥和厭氧消化汙泥的接種比例按照質量比為（0-5）：（5-0）。
進一步的，上述的厭氧氨氧化汙泥菌種的富集培養方法，所述汙泥混合物中，好氧消化汙泥和厭氧消化汙泥的接種比例按照質量比為1:4、1:1、4:1、0:5或5:0。
進一步的，上述的厭氧氨氧化汙泥菌種的富集培養方法，所述菌種培養裝置為厭氧序批式asbr反應器模擬裝置。
進一步的，上述的厭氧氨氧化汙泥菌種的富集培養方法，所述菌種培養裝置中，進水ph值控制為7.5，溫度控制為35℃。
本發明的有益效果為：本發明提供的厭氧氨氧化汙泥菌種的富集培養方法，培養出的厭氧氨氧化菌，脫氮過程中，大大減短了氨氮氧化還原為氮氣的流程，脫氮成本較低，且不需經硝態氮和亞硝態氮等多個過程，節約時間，節省空間，降低了脫氮的成本減少了物質、能源的損耗又無二次汙染；將硝態氮和亞硝態氮等多個過程壓縮在同一空間內同一時間進行，即通過培養厭氧氨氧化菌，使其直接將氨氮氧化為氮氣，從而減少生物脫氮的物質能源耗費及儘可能的減少生物脫氮處理中二次汙染的現象。操作方法簡單，產品實踐效果好，無刺鼻氣味，生態環保特性較好，環境友好，具有重要的應用價值，推廣應用前景廣闊。
附圖說明
圖1顯示為菌種培養裝置的示意圖。
其中，1—水浴鍋；2—反應器；3—進水管；4—出水管；5—出氣管；6—集氣袋；7—止水夾。
圖2顯示為菌種培養裝置的實體圖。
圖3顯示為厭氧消化汙泥。
圖4顯示為好氧硝化汙泥。
圖5顯示為接種不同比例汙泥的反應器出水氨氮濃度變化。
圖6顯示為接種不同比例汙泥的反應器出水氨氮去除率變化。
圖7顯示為接種不同汙泥的反應器出水亞硝酸鹽氮的濃度變化。
圖8顯示為接種不同汙泥的反應器出水亞硝酸鹽氮的生成量變化。
圖9顯示為接種不同汙泥的反應器出水硝酸鹽氮的濃度變化。
圖10顯示為接種不同汙泥的反應器出水硝酸鹽氮的生成量變化。
具體實施方式
實施例1：
1、實驗裝置：
所用菌種培養裝置根據厭氧序批式反應器（asbr反應器）的原理進行模擬設計，如圖1所示。裝置採用250ml容量瓶為反應器，瓶口處用橡膠塞密封，以保證厭氧環境，減弱溶解氧的抑制作用，進水管接近瓶底，出水管在瓶子中上部，排氣管在瓶口處，外部都連接黃色乳膠管，進出水管用止水夾密封，換水時用100ml針管排水、進水，排氣管連接集氣袋。在整個運行過程中，反應器放置在水浴鍋中，來保持恆定溫度，用紙箱遮蓋避光放置，滿足厭氧氨氧化菌生長的條件，如圖2所示。
厭氧氨氧化汙泥接種培養：
實驗接種汙泥取自天冠集團木薯燃料乙醇廢水處理工藝中二級厭氧池底部厭氧消化泥（圖3）和好氧池好氧硝化泥（圖4）。通過調節厭氧消化汙泥和好氧硝化汙泥的比例，對厭氧氨氧化反應的啟動時間及除氮效果進行比較，篩選出厭氧氨氧化汙泥菌種富集培養的最優比例。按照好氧汙泥和厭氧汙泥的添加比例，共設置5個梯度，每個梯度設置三個重複，如表1所示。混合前將兩種汙泥攪拌均勻，每個實驗中接種汙泥總體積均為100ml。表1顯示為好氧汙泥和厭氧汙泥的接種比例。
表1
3、厭氧氨氧化菌種富集培養實驗用水：
實驗用水採用人工模擬廢水，具體成分見表2和表3。nh4+-n和no2--n分別以nh4cl和nano2的形式添加，在反應器運行的不同階段，逐漸提高nh4+-n和no2--n的進水負荷。保持反應溫度35℃，水力停留時間為4天，進水ph控制在7.5～7.8之間，用nahco3和hcl來調節。首次進水體積為150ml，此後每次進出水的量保持一致，均為80ml。表2顯示為實驗人工模擬廢水組分及濃度，表3顯示為微量元素組分及濃度。
表2
表3
4、分析測定指標
實驗中需要測定的水質參數有ph、nh4+-n、no2--n、總氮（tn）和no3--n，測定方法及儀器設備如表4所示。另需觀察厭氧氨氧化汙泥形態、顏色的變化情況。
表4
氮去除率：
nh4+-n、no2--n及tn的去除率通過測定進、出水基質濃度來計算，計算公式如下：
5、實驗結果：
厭氧氨氧化菌的培養過程本質上就是將接種汙泥中的異養菌淘汰，使有機物消耗完全，從而形成無機的自養營養環境的過程。這個培養過程以出水氨氮濃度小於進水氨氮濃度為結束的標誌。反應器出水nh4+-n、no2--n、no3--n的濃度及去除率變化趨勢見圖5～圖10所示。
5.1培養初期：
在反應的1～56d，保持進水氨氮濃度為50mg/l，亞硝酸鹽氮濃度為65mg/l。在反應初期，氨氮濃度並沒有下降，反而遠遠高於進水濃度，呈現出先大幅度增高后有所下降的趨勢，尤其在完全接種厭氧消化泥的反應器中最為突出，出水最高達到了430.02mg/l，如圖5和圖6。可能是因為接種所用厭氧消化泥本身就含有約780mg/l氨氮，而且在厭氧條件下，進水中的氨氮除少量可能被用於合成外，不會被厭氧細菌所利用，含氮有機物在被厭氧菌水解-發酵-分解的過程中會產生氨氮從而導致出水氨氮升高。接種好氧硝化泥的反應器出水氨氮濃度雖然也有升高，但明顯低於接種厭氧消化泥的反應器出水，這也證實了我們的推測。在反應的33～56d，出水的氨氮濃度下降明顯。特別的接種好氧硝化泥的反應器出水氨氮濃度已經降低到37.01mg/l，已經低於進水濃度，說明在該反應器中，已逐漸開始厭氧氨氧化反應。
出水亞硝酸鹽氮雖然去除效果明顯，如圖7和圖8，但是其濃度在去除過程中表現並不穩定，濃度會有偶然的上升，應該是反硝化細菌利用汙泥中殘存的有機物進行反硝化的作用。出水中硝酸鹽氮濃度很低，但也呈現出逐漸降低的趨勢，如圖9和圖10，可能也是反應器反硝化細菌作用的結果。因此，厭氧氨氧化菌的馴化培養仍處於初期。
5.2負荷提高期：
厭氧氨氧化細菌是一種生長緩慢的自養型細菌，因此，在反應器出水氨氮濃度有了下降的趨勢後，提高進水氨氮濃度（即提高厭氧氨氧化細菌生長所需的基質濃度），有利於加速厭氧氨氧化菌的生長。從上述結果可以看出，進水氨氮濃度為50mg/l的負荷條件下，全部接種好氧硝化泥的反應器最先進入到厭氧氨氧化反應。但整體除氮效果並不穩定，因此，從反應的57d開始，增加進水氨氮濃度至80mg/l，亞硝酸鹽氮濃度增加至104mg/l。去前期相比，在這一階段，5種不同調配比例汙泥除氨氮效果均有了明顯的提升，尤其是完全接種好氧硝化泥的反應器出水氨氮濃度達到最低41.78mg/l，低於進水濃度，並且保持穩定，說明已逐步進入厭氧氨氧化穩定期。而接種厭氧消化泥的反應器出水氨氮濃度雖也有下降，但仍在97.49mg/l，高於進水濃度，需進一步延長培養富集時間。其餘三組接種不同比例厭氧消化泥和好氧硝化泥的反應器，出水氨氮濃度隨著厭氧消化泥的比例增加而升高，說明厭氧消化泥不利於厭氧氨氧化菌的快速富集培養。此階段反應器出水亞硝酸鹽氮去除率仍舊保持在99%以上，硝酸鹽氮濃度有升高的趨勢。
結論：
通過在模擬的asbr反應器中接種不同比例的厭氧消化泥與好氧硝化泥，控制進水ph值為7.5左右，溫度為35℃，在培養的不同階段，改變進水氨氮與亞硝酸鹽氮的含量，增加負荷，通過分析出水基質濃度，進行對比，找出可以快速進行厭氧氨氧化反應的最佳比例，實現厭氧氨氧化菌的快速富集培養。
通過對比發現，全部接種好氧硝化泥的反應器在56d時已表現出厭氧氨氧化活性，最先開始厭氧氨氧化反應，接種厭氧消化泥的反應器則耗時最長，其餘接種不同比例厭氧消化泥與好氧硝化泥混合汙泥三種比例的反應器，則是隨著厭氧消化泥比例的增加厭氧氨氧化反應的啟動速度越慢，這說明工業中厭氧氨氧化菌的快速富集培養以接種好氧硝化泥更為有利。
最後應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。