一種亞硝化優勢菌群的培養方法

2023-10-09 20:24:39 2

專利名稱：一種亞硝化優勢菌群的培養方法
技術領域：
本發明屬於汙水生物處理技術領域，具體涉及一種亞硝化優勢菌群的培養方法。
背景技術：
廢水的生物脫氮主要依靠活性汙泥中的硝化菌和反硝化菌共同作用，最終將汙水中各種形態的氮轉化為氣態氮而從水中逸出。從硝化過程來看，氨氮(NH3-N)被氧化成亞硝酸鹽氮(NO2-N)和硝酸鹽氮(NO3-N)是由兩類獨立的細菌完成的兩個不同反應，應該可以分開。從反硝化過程來看，NO2-N和NO3-N均可以作為最終電子受體。因而整個生物脫氮過程可以通過NH3-N轉化為NO2-N再轉化為N2的途徑來完成。短程硝化反硝化生物脫氮技術，又稱亞硝酸型生物脫氮技術，就是將硝化過程控制在NO2-N階段而終止，隨後進行亞硝酸鹽反硝化脫氮。與傳統生物脫氮技術相比，短程硝化-反硝化生物脫氮技術能縮短水力停留時間，可節省25%的能耗和40%的碳源，同時可以減少剩餘汙泥處理量。因此，短程硝化-反硝化生物脫氮技術已成為汙水生物脫氮領域的一個新的研究熱點。特別是將該技術應用於處理高氨氮低碳氮比汙水，如催化劑生產含氨廢水、尿素生產含氨廢水等具有重要的實際意義。杜兵等(新型亞硝化工藝開發研究，給水排水，2006，32 (9))採用長汙泥齡、低氧工藝控制亞硝化反應，使得氨氧化細菌成為優勢菌群，成功地開發出了一種新型亞硝化工藝，但是該工藝的氨氮轉換率平均為68. 1%，亞硝酸鹽氮生成率為63. %。高大文等(SBR 法短程硝化-反硝化生物脫氮工藝的研究，環境汙染治理技術與設備，2003，4 (6))利用較高溫度下硝酸菌的生長速率明顯低於亞硝酸菌的生長速率這一特徵，通過控制反應器內混合液溫度在31 士 1°C條件下，實現了穩定持久的亞硝酸鹽積累，該研究是利用豆製品廢水為研究對象，不屬於高濃度氨氮廢水的處理。Gent微生物生態實驗室利用亞硝酸菌對溶解氧的親和力較硝酸菌強這一動力學特性差異，在低溶解氧條件下實現逐步淘汰硝酸菌達到短程硝化的目的，由此提出了 OLAND工藝。但在實際工程應用時，DO濃度很難穩定地控制在所需要的低濃度範圍，一旦DO濃度高，短程硝化就會向全程硝化轉化。CN1785843A公開了一種實現低C/N比高濃度氨氮廢水短程硝化的方法，該方法是利用厭氧顆粒汙泥培育的硝化顆粒汙泥作為接種物、採用逐漸提高基質氨氮濃度來實現的，厭氧顆粒汙泥雖然具有培養速度快的優點，但在後續的好氧短程硝化過程中，仍然存在短程硝化向全程硝化轉化的不足。CN101423^K)A公開了常溫下全程硝化生物脫氮系統實現短程硝化的方法，該方法分為 4個階段，每一個階段的DO水平都控制的0. 5 0. 8，主要是通過控制限氧曝氣使系統DO 處於較低水平，在同時含有亞硝酸菌和硝酸菌的系統中保持亞硝酸菌的正常代謝和增值， 不斷抑制硝酸菌活性，最終實現短程硝化。然而在實際汙水處理過程中，即使供氧量相同， 由於生物量的不同及生物活性的不同導致硝化過程的耗氧量也不同，以及大型生物反應器很難達到溶解氧非常均勻的效果，所以DO水平很難有效控制在0. 5 0. 8mg/L這個範圍， 一旦溶解氧濃度沒有控制好就會影響短程硝化的穩定性。通常情況下，氨氧化過程形成的亞硝酸鹽可以完全被氧化成硝酸鹽。雖然通過控制外界條件如溫度、溶解氧、PH和汙泥齡等因素會導致硝化過程中HNO2積累，但大多數都處在實驗室研究階段，出現亞硝酸鹽積累後如何維持其長期穩定存在是短程生物脫氮技術的關鍵，目前的研究結果表明，只有高溫的控制手段可以達到較好的穩定性。有些條件如高溫等在實際工程中也難以實現，所以到目前為止，經no2_-N途徑在實際工程中實現生物脫氮的成功應用並不多見。只有荷蘭Delft技術大學開發的SHARON工藝僅用來處理汙水處理廠中汙泥消化液，該工藝基於高溫(30 35°C )下亞硝酸菌的比增長速率大於硝酸菌實現短程硝化，利用這兩類硝化細菌生長速率不同的控制策略決定了該工藝只能應用於高溫廢水，從而局限了它的應用。而對於大多數汙水處理工程來說，大水量升溫並保持在30 35°C成為該工藝大規模應用的瓶頸。從選擇性抑制的影響來說，許多研究者發現0.6mg/L 的游離氨(FA)幾乎可以全部抑制硝酸菌的活性，但是硝酸菌具有變異和適應能力，一旦適應了高濃度的FA就會慢慢積累使短程硝化系統不穩定，並且穩定的FA濃度控制對於汙水處理場來說也是不現實的。在實現短程硝化之前進行亞硝化菌富集是實現短程硝化的適宜手段，篩選富集亞硝化菌的方法與短程硝化的條件相近，基本方法就是通過控制溫度、DO、pH等條件，使硝酸菌數量減少，而亞硝化菌數量增加，但仍存在同樣的長期使用時的穩定性問題。祖波等(普通活性汙泥富集好氧氨氧化菌試驗，重慶大學學報，2005，28 (2))在pH7. 8 8. 3、DO控制在0. 8 1. ^iig/L、溫度控制在30士2°C條件下，採用逐漸提高進水氨氮濃度的方式進行好氧氨氧化菌的富集，該富集方法可以顯著提高亞硝化菌的數量，但使用該亞硝化菌處理高氨氮廢水時的長期穩定性仍需進一步提高。

發明內容
目前短程硝化採用低溶解氧(DO)、高溫、高pH、抑制因子等因素來控制或篩選亞硝化優勢菌群，由於條件變化使短程硝化向全程硝化轉化的現象無法有效控制。針對上述問題，本發明的目的是提供一種亞硝化優勢菌群的培養方法，解決短程硝化在實際應用中遇到的不穩定等難題，同時能縮短硝化過程的啟動時間，能快速改變硝化反應進程，能拓展短程硝化的應用範圍，為短程硝化工藝真正應用到實際工程中提供了保障。本發明亞硝化優勢菌群的培養方法包括以下三個培養階段第一階段富集亞硝酸菌和硝酸菌的混合菌群，獲得氨氮去除率達90%以上的硝化菌群。第二階段採用高溫培養與常溫培養交替進行的方法，進行硝酸菌淘洗，逐漸提高亞硝酸菌的優勢地位，高溫培養與常溫培養的交替培養方法進行2 6次。至亞硝化率大於50%，優選大於75%時轉入第三階段培養。常溫培養條件為溫度為15 30°C，優選為 20 ^°C，溶解氧0. 1 ;3mg/L，pH值6 9，培養時間為5 30天；高溫培養的條件為 溫度比常溫培養溫度高2 20°C，優選高3 10°C，溶解氧0. 1 ;3mg/L，pH值6 9，培養時間為5 30天。高溫培養過程進行到適宜時間後，培養體系中出現明顯泡沫時，可以從高溫培養轉為常溫培養，常溫培養結束後排水更換新鮮培養液進入下一輪高溫培養。高溫培養轉為常溫培養時可以排水更換新鮮培養液，也可以不更換新鮮培養液。第三階段改變溶解氧和pH條件進行硝酸菌的進一步淘洗和亞硝酸菌的穩定性馴化，直到亞硝化率穩定在65%以上，優選穩定在75%以上，結束一個周期的培養，可獲得亞硝化菌佔優勢的菌群，然後進行保藏備用。第一階段硝化菌群的富集培養方法和過程可以採用現有任何方法，如中國專利 CN200710010383. 0。第二階段硝酸菌受到高溫的刺激後，耐受能力差的部分菌體自溶釋放大量的胞外分泌物，以系統培養液中出現大量泡沫作為標誌。釋放的分泌物同時有利於活性菌體的絮凝。給予常溫條件保證菌群的正常代謝和生長增殖，常溫培養後排水，更換新鮮培養液進行下一次的高溫培養，當有菌體自溶後再次給予常溫條件，以此反覆淘洗和培養，兩次排水之間採用補加料液的方式，兩次排水之間可以補料2 8次，當培養液中氨氮濃度低於IOOmg/ L時可以補料至氨氮濃度達到500mg/L以上。新鮮培養液中氨氮濃度為100mg/L 1500mg/ L，優選為 500 1000mg/L。第三階段所述的改變溶解氧和pH條件是指每隔適宜時間改變溶解氧濃度和pH值控制範圍，總的溶解氧濃度控制在0. 1 ;3mg/L，總的pH控制範圍為7. 5 9. 0。高DO和高PH條件下的硝酸菌進一步淘洗，不同濃度範圍DO和pH對亞硝酸菌進行硝化能力和耐受能力穩定性馴化。培養液同樣採用補料和換排水交替進行的方式，當培養液中氨氮濃度低於15mg/L時排水更換新鮮培養液，排水次數可以為2 10次，兩次排水之間可以補料2 8次，當培養液中氨氮濃度低於100mg/L時可以補料至氨氮濃度達到500mg/L以上。亞硝化菌佔優勢的菌群中，亞硝化菌含量可以達到80%以上。本發明方法利用硝酸菌和亞硝酸菌生長條件的差異進行調控，有效進行硝酸菌的淘洗促進亞硝酸菌的優勢生長，最終成功實現亞硝酸優勢菌群的培養。實驗表明，經歷上述高溫-常溫篩選培養過程得到的亞硝酸優勢菌群，具有硝化活性高，沉降性能好，菌體耐受能力強等優點。特別是具有較強的耐衝擊性和長期穩定的亞硝化能力，適用條件範圍寬，對亞硝化條件控制精度要求降低，該培養過程既保證菌群能夠適應各種溶解氧環境，又能夠保證短程硝化的穩定進行，真正解決實際工程問題，可以直接用於短程硝化反硝化及短程硝化厭氧氨氧化的組合工藝中，特別適合處理低碳氮比高氨氮廢水。
具體實施例方式本發明提出了一種亞硝化優勢菌群的培養方法。該方法獲得的亞硝化優勢菌群具有較高的氨氮去除率和亞硝酸鹽生成速率，具有較強的耐受性和適應性，具有較好的抗衝擊性和穩定性；可以直接用於氨氮廢水處理或者在系統受到衝擊後作為微生物進行補充， 起到快速修復的作用。本發明提出的一種亞硝化優勢菌群的培養方法，可以通過以下三個培養階段來實現第一階段採用如中國專利CN200710010383. 0中等現有技術所述適宜的方法富集硝化菌群，獲得氨氮去除率達90%以上的亞硝酸菌和硝酸菌的混合菌群。第二階段在高溫條件下進行硝酸菌的淘洗，高溫培養過程中晝夜溫差為2 8°C。培養過程中當培養液第一次出現明顯泡沫時改為常溫進行亞硝酸菌培養，常溫培養 1 2周後排水，更換新鮮培養液後再改為高溫培養，當再次出現明顯泡沫後再進行常溫恢復培養，直到硝化產物中有75%為亞硝酸鹽氮時轉入第三階段培養，此時亞硝酸菌已經成為優勢菌群。培養過程中兩次換排水之間進行多次補料，當培養液中氨氮濃度低於IOOmg/L時補加氨氮溶液或者高濃度氨氮廢水至氨氮濃度達到500 1500mg/L。第三階段培養過程中每隔8 24h改變溶解氧和pH條件，可以按溶解氧含量和 PH逐步提高的方式培養，也可以隨機交替條件進行培養，可以分2 6次改變培養條件。 如，溶解氧可以由0.2 1. Omg/L提高到0. 6 ang/L再提高到1. 5 5mg/L，pH可以由 7. 5 7. 8提高到7. 8 8. 5再提高到8. O 9. O。不同溶解氧的控制濃度和不同pH的控制範圍進行調整，高DO和高pH進行硝酸菌的淘洗，適宜的DO和pH範圍進行亞硝酸菌培養， 直到2-6周內亞硝化率比較穩定，結束一個周期的培養，可獲得亞硝化菌含量大於80%的優勢菌群。培養液同樣採用補料和換排水交替進行的方式進行更換，當培養液中氨氮濃度低於15mg/L進行換排水，每次換排水之間進行批次補料，當培養液中氨氮濃度低於IOOmg/ L時補加氨氮溶液或者高濃度氨氮廢水。實施例一第一階段硝化菌群的富集，所用的富集培養液組成為(NH4)2S04(NH4+-N初始濃度為 150mg/L，最終濃度為 1000mg/L)，FeSO4 · 7H20(Fe2+ 濃度為 12mg/L)、MgSO4 · 7H20(Mg2+ 濃度為 18mg/L)、NaCl (Na+ 濃度為 800mg/L)、CaCl2 (Ca2+ 濃度為 16mg/L)和 KH2PO4 (K+ 濃度為 260mg/L)。在富集過程中，用NaHCO3溶液調節pH值。培養條件溫度為；pH為6. 0 7. 5;SV為15% 20%;00為％^·!^。每日1個周期，進水時間為20分鐘，曝氣23小時， 自然沉降30分鐘，排除上清液。然後加入與上清液同體積的富集培養液，按此過程循環操作，其過程用GB 7479的蒸餾滴定法檢測出水中氨氮濃度，檢測不出氨氮後，提高預加入培養液的氨氮濃度，其提高幅度為100mg/L，最終獲得氨氮去除率達90%以上的混合菌群。第二階段在31°C條件下進行硝酸菌的淘洗，培養到15天時培養液出現大量泡沫，此時改為常溫進行亞硝酸菌培養，培養2周後當培養液中氨氮濃度低於15mg/L時沉降排水，更換新鮮培養液。在31°C條件下繼續培養一周後再次出現大量泡沫，此時將溫度調整到進行菌體恢復培養，按照此過程循環操作，直到亞硝酸鹽氮在硝化產物中佔 75%時轉入下一階段培養。整個培養過程共換排水5次，每次換排水之間補料兩次，當培養液氨氮濃度低於100mg/L時補加氨氮溶液，補加後培養液氨氮濃度為800 1000mg/L。第三階段培養過程中每隔24h改變溶解氧和pH條件，培養第1天溶解氧控制在 0. 2 0. 4mg/L, pH為7. 5 7. 8 ；第2天溶解氧控制在0. 6 0. 8mg/L, pH為8. 0 8. 2 ； 第3天溶解氧控制在1. 5 2. 5mg/L，pH為8. 0 8. 5。按照此過程不斷對溶解氧的控制濃度和PH的控制範圍進行調整，每隔8 10天當氨氮濃度低於15mg/L時進行一次換排水， 培養4周後，亞硝化率達到80 %，此後兩個周內亞硝化率一直在75 % 85 %之間，結束一個周期的培養。整個培養過程共換排水4次，兩次換排水之間補料三次，當培養液氨氮濃度低於100mg/L時補加氨氮溶液，補加後培養液氨氮濃度為800 1000mg/L。實施例二第一階段硝化菌群的富集，所用的富集培養液組成為NH4)2S04(NH4+-N初始濃度為 150mg/L，最終濃度為 1000mg/L)，FeSO4 · 7H20(Fe2+ 濃度為 12mg/L)、MgSO4 · 7H20(Mg2+ 濃度為 18mg/L)、NaCl (Na+ 濃度為 800mg/L)、CaCl2 (Ca2+ 濃度為 16mg/L)和 KH2PO4 (K+ 濃度為 260mg/L)。在富集過程中，用NaHCO3溶液調節pH值。培養條件溫度為；pH為6. 0 7. 5;SV為15% 20%;00為％^·!^。每日1個周期，進水時間為20分鐘，曝氣23小時， 自然沉降30分鐘，排除上清液。然後加入與上清液同體積的富集培養液，按此過程循環操作，其過程用GB 7479的蒸餾滴定法檢測出水中氨氮濃度，檢測不出氨氮後，提高預加入培養液的氨氮濃度，其提高幅度為100mg/L，最終獲得氨氮去除率達90%以上的混合菌群。第二階段在37°C條件下進行硝酸菌的淘洗，培養到10天時培養液出現大量泡沫，此時改為常溫25°C進行亞硝酸菌培養，培養3周後當培養液中氨氮濃度低於15mg/L時沉降排水，更換新鮮培養液。在37°C條件下繼續培養10天後再次出現大量泡沫，此時將溫度調整到25°C進行菌體恢復培養，高溫常溫交替進行3次後檢測亞硝酸鹽氮在硝化產物中佔73%，結束此階段培養。整個培養過程共換排水6次，每次換排水之間補料4次，當培養液氨氮濃度低於100mg/L時補加氨氮溶液，補加後培養液氨氮濃度為600 800mg/L。第三階段培養過程中每天分為白天他和晚上16h來改變溶解氧和pH條件，他內的溶解氧控制在0. 2 0. 5mg/L，pH為8. 2 8. 5 ； IMi內的溶解氧控制在0. 8 1. 2mg/ L，pH為7. 8 8. 0 ；按照此過程不斷對溶解氧的控制濃度和pH的控制範圍進行調整，培養 1 2周後當氨氮濃度低於15mg/L時進行一次換排水，每次換排水之間當培養液氨氮濃度低於100mg/L時補加氨氮溶液3 6次，補加後培養液氨氮濃度為600 800mg/L。培養6 周時間內，亞硝化率一直在83 % 90 %之間，結束一個周期的培養。實施例三第一階段硝化菌群的富集，所用的富集培養液組成為(NH4)2SO4(NH4+-N初始濃度為 150mg/L，最終濃度為 1000mg/L)，FeSO4 · 7H20(Fe2+ 濃度為 12mg/L)、MgSO4 · 7H20(Mg2+ 濃度為 18mg/L)、NaCl (Na+ 濃度為 800mg/L)、CaCl2 (Ca2+ 濃度為 16mg/L)和 KH2PO4 (K+ 濃度為 260mg/L)。在富集過程中，用NaHCO3溶液調節pH值。培養條件溫度為；pH為6. 0 7. 5;SV為15% 20%;00為％^·!^。每日1個周期，進水時間為20分鐘，曝氣23小時， 自然沉降30分鐘，排除上清液。然後加入與上清液同體積的富集培養液，按此過程循環操作，其過程用GB 7479的蒸餾滴定法檢測出水中氨氮濃度，檢測不出氨氮後，提高預加入培養液的氨氮濃度，其提高幅度為100mg/L，最終獲得氨氮去除率達90%以上的混合菌群。第二階段在34°C條件下進行硝酸菌的淘洗，培養到15天時培養液出現大量泡沫，此時改為常溫22°C進行亞硝酸菌培養，培養3周後當培養液中氨氮濃度低於15mg/L時沉降排水，更換新鮮培養液。在34°C條件下繼續培養10天後再次出現大量泡沫，此時將溫度調整到22°C進行菌體恢復培養，高溫常溫交替進行4次後檢測亞硝酸鹽氮在硝化產物中佔80%，結束此階段培養。整個培養過程共換排水4次，每次換排水之間補料3次，當培養液氨氮濃度低於100mg/L時補加氨氮溶液，補加後培養液氨氮濃度為800 1300mg/L。第三階段培養過程中將兩天分為》i、24h和16h三個時間段改變溶解氧和pH條件，8h內的溶解氧控制在1. 0 2. 0mg/L, pH為8. 5 8. 8 ；24h內的溶解氧控制在0. 2 0. 5mg/L，pH為8. 0 8. 2 ； 16h內的溶解氧控制在0. 2 0. 5mg/L，pH為7. 5 7. 8 ；培養過程中當氨氮濃度低於15mg/L時進行一次換排水，每次換排水之間當培養液氨氮濃度低於100mg/L時補加氨氮溶液，補加後培養液氨氮濃度為600 800mg/L。按照此過程不斷對溶解氧的控制濃度和PH的控制範圍進行調整的4周時間內，亞硝化率並沒有因為DO和pH 的改變而改變，而是一直穩定在75% 85%之間，由此表明菌群中的大部分硝酸菌已經被淘汰，獲得了穩定實現短程硝化的亞硝酸菌。比較例在恆定溫度嚴格控制溶解氧為0. 5 0. 8mg/L的條件下獲得了亞硝化率達75%的亞硝酸菌群，此後當DO濃度由0. 5mg/L提高到2. 0的過程中，僅10天時間亞硝化率就由68%降低到34%，溶解氧條件的改變，導致短程硝化向全程硝化的轉變。
實施例3中第三階段無論溶解氧如何變化，亞硝化率都一直穩定在80%左右，硝化反應進程並沒有因為外界條件的改變而發生變化，表明所獲得的亞硝化優勢菌群具有較高的亞硝化率並具有良好的穩定性。
權利要求
1.一種亞硝化優勢菌群的培養方法，包括以下三個培養階段第一階段富集亞硝酸菌和硝酸菌的混合菌群，獲得氨氮去除率達90%以上的硝化菌群；第二階段採用高溫培養與常溫培養交替進行的方法，進行硝酸菌淘洗，逐漸提高亞硝酸菌的優勢地位，高溫培養與常溫培養的交替培養方法進行2 6次，至亞硝化率大於50% 時轉入第三階段培養；第三階段改變溶解氧和PH條件進行硝酸菌的進一步淘洗和亞硝酸菌的穩定性馴化， 直到亞硝化率穩定在65%以上，結束一個周期的培養，獲得亞硝化菌佔優勢的菌群，然後進行保藏備用。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於第二階段培養至亞硝化率大於75%時轉入第三階段培養。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特徵在於第二階段常溫培養條件為溫度為 15 30°C，溶解氧0. 1 ;3mg/L，pH值6 9，培養時間為5 30天；第二階段高溫培養的條件為溫度比常溫培養溫度高2 20°C，溶解氧0. 1 ;3mg/L，pH值6 9，培養時間為 5 30天。
4.按照權利要求1或2所述的方法，其特徵在於第二階段常溫培養條件為溫度為 20 ^°C，第二階段高溫培養的條件為溫度比常溫培養溫度高3 10°C。
5.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於第二階段常溫培養結束後排水，更換氨氮濃度為100mg/L 1500mg/L的新鮮培養液進行高溫培養。
6.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於第三階段所述的改變溶解氧和PH條件是指每隔適宜時間改變溶解氧濃度和PH值控制範圍，總的溶解氧濃度控制在0. 1 ;3mg/L，總 WpH控制範圍為7. 5 9.0。
7.按照權利要求1或6所述的方法，其特徵在於第三階段培養過程中每隔8 24h改變溶解氧和PH條件，按溶解氧含量和pH逐步提高的方式培養，或者按隨機交替條件進行培養。
8.按照權利要求7所述的方法，其特徵在於第三階段培養分2 6次改變培養條件。
9.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於第二階段和第三階段採用補加料液的方式，當培養液中氨氮濃度低於100mg/L時可以補料至氨氮濃度達到500mg/L以上。
10.按照權利要求9所述的方法，其特徵在於補加料液操作分2 8次進行。
全文摘要
本發明公開了一種亞硝化優勢菌群的培養方法，包括以下三個培養階段第一階段富集亞硝酸菌和硝酸菌的混合菌群；第二階段採用高溫培養與常溫培養交替進行的方法，進行硝酸菌淘洗，逐漸提高亞硝酸菌的優勢地位，至亞硝化率大於50％時轉入第三階段培養；第三階段改變溶解氧和pH條件進行硝酸菌的進一步淘洗和亞硝酸菌的穩定性馴化，直到在亞硝化率穩定在65％以上，結束一個周期的培養，獲得亞硝化菌佔優勢的菌群，然後進行保藏備用。本發明方法解決短程硝化在實際應用中遇到的不穩定等難題，同時能縮短硝化過程的啟動時間，能快速改變硝化反應進程，能拓展短程硝化的應用範圍，為短程硝化工藝真正應用到實際工程中提供了保障。
文檔編號C12N1/00GK102311918SQ20101022116
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月7日 優先權日2010年7月7日
發明者唐似茵, 張霖, 李志瑞, 高會傑, 黎元生 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院