一種富集培養耐鹽亞硝酸菌群的方法與流程

2023-10-30 12:41:22 2

本發明屬於環境微生物領域，具體涉及一種富集培養耐鹽亞硝酸菌群的方法。

背景技術：

在生物脫氮過程中，通過亞硝酸菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽氮而後直接進行反硝化的過程稱為亞硝酸型生物脫氮。與傳統生物脫氮技術相比，亞硝酸型生物脫氮技術因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而成為汙水生物脫氮領域新的研究熱點。

目前大多數研究結果表明，通過控制外界條件如溫度、溶解氧、pH和汙泥齡等因素可以實現硝化過程中HNO2積累，但出現亞硝酸鹽積累後難以維持其長期穩定存在。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。CN101423290A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。

富集培養亞硝酸菌則是實現亞硝酸型生物脫氮技術的有效途徑， CN201010221247.8公開了一種亞硝化優勢菌群的培養方法，雖然能解決單純依靠外界條件難以實現穩定的亞硝酸鹽積累難題，但是在處理總含鹽質量分數大於1%的高鹽度廢水時，廢水中含有的高濃度鹽會破壞微生物的細胞膜和菌體內的酶活性，微生物脫氨氮活性降低，從而增加了高含鹽氨氮廢水的處理難度，更難以實現穩定的短程硝化反硝化脫氮。

CN201010267865.6公開了一種耐鹽硝化菌群的富集培養方法，以活性汙泥作為接種物，採用序批式方式進行富集培養，該發明採用逐步提高鹽度的方法對硝化菌群進行馴化，整個馴化周期需要45-90天，最終所馴化的硝化細菌能耐受的氯化鈉和硫酸鈉濃度分別為6.5g/L和16g/L，該發明所獲得的硝化細菌仍然不適合處理鹽濃度大於25g/L（含鹽質量分數大於2.5%）的含氨廢水。CN201210102760.4公開了一種高鹽度、高濃度氨氮廢水的處理方法，該方法採用的馴化後的硝化細菌，適合處理500mg/L濃度氨氮、含鹽量35g/L以內的高鹽度廢水。以上發明專利涉及的耐鹽硝化菌中的優勢菌都是全程硝化菌，並不是短程硝化菌，因此不具備短程硝化的優勢。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提供一種富集培養耐鹽亞硝酸菌群的方法。本發明方法所得到的亞硝酸菌群活性高、使用效果好，適用於短程硝化反硝化工藝處理高含鹽廢水中的氨氮，可以大大降低處理成本和運行能耗。

本發明富集培養耐鹽亞硝酸菌群的方法，包括如下內容：以活性汙泥作為接種物，採用批次補料和批次換水交替進行的方式，通過逐漸提高培養液氨氮濃度和鹽度的方法來進行富集，所用培養液包括亞硝酸菌生長促進劑和銨鹽，所述亞硝酸菌生長促進劑包括金屬鹽、多胺類物質、有機酸羥胺和Na2SO3，其中所述金屬鹽由鈣鹽、銅鹽、鎂鹽和/或亞鐵鹽組成。

本發明所述的亞硝酸菌生長促進劑中，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，有機酸羥胺為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。

本發明所述的亞硝酸菌生長促進劑中，金屬鹽可以為鈣鹽、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、鎂鹽、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）。

本發明所述的亞硝酸菌生長促進劑中，鈣鹽為CaSO4或者CaCl2，鎂鹽為MgSO4或者MgCl2，銅鹽為CuSO4或者CuCl2，亞鐵鹽為FeSO4或者FeCl2。

本發明所述的亞硝酸菌生長促進劑中，所述的多胺類物質為精胺、亞精胺或者兩者的混合物。所述有機酸羥胺為甲酸羥胺、乙酸羥胺或者兩者的混合物。

本發明在每次提高氨氮濃度或者每次更換新鮮培養基時，在培養液中加入亞硝酸菌生長促進劑，加入量為使得培養體系中促進劑濃度為10-20mg/L。

本發明所述批次補料和批次換水交替進行的方式，是指當培養液中含鹽質量分數低於1.0%時直接補加基質氨氮和亞硝酸菌生長促進劑，直到培養液中含鹽質量分數達到1.0%時，停止曝氣、沉降、排除上清液，留下菌體，然後補充新鮮培養液繼續培養；在批次補料培養階段，當培養液中含鹽質量分數比上一次換排水時提高0.5%-1.0%可再次進行換排水。所述逐漸提高培養液氨氮濃度的方法，是指每次補料後，24h內當氨氮濃度降至50mg/L以下，即可提高培養液中基質的氨氮濃度，其提高幅度為50-150mg/L。當培養液氨氮濃度提高到1000mg/L、培養液中鹽濃度達到60g/L時，結束一個周期的培養過程。

本發明所述的銨鹽可以是(NH4)2SO4、NH3·H2O或NH4Cl等，優選(NH4)2SO4。培養過程中培養液的初始NH4＋-N濃度為100-200mg/L，最終濃度為500-1200mg/L，優選為600-1000mg/L。

本發明所述的活性汙泥可以選取本領域常用的含硝化菌的活性汙泥，優選取自處理含鹽質量分數大於0.5%的汙水處理廠的活性汙泥。

本發明所述亞硝酸菌群富集培養條件為：溫度為20-30℃，pH為7.0-9.0，優選為8.0-8.5，SV30（汙泥30min沉降比）為25%-35%，溶解氧濃度（DO）大於0.5mg/L，優選為1-3mg/L。

本發明為了維持溶液pH值在亞硝酸菌生長所需要的範圍內，所用的pH調節劑為NaOH或KOH與Na2CO3或NaHCO3的任意組合，組合後使得pH調節劑的pH值為8.0-10。

本發明所述培養液中加入一定量的亞硝酸菌生長促進劑，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鹽性能。亞硝酸菌生長促進劑中的金屬元素作為酶的組份促進酶的合成，同時還有利於提高酶的活性，多胺類物質與金屬離子共同作用，可以加快細胞增殖，提高細胞的耐鹽性能。

本發明針對鹽含量高（含鹽質量分數大於1.0%）、氨氮含量高（NH4+-N含量≤1000mg/L）、有機物含量少（COD含量低於200mg/L）的廢水特點，採用批次補料和批次換水交替進行的方式，逐漸提高基質氨氮濃度並添加特定組成物質和配比的亞硝酸菌生長促進劑，在不加入其它碳源或只加入少量有機物的情況下，使汙泥中的原生動物、後生動物、真菌以及碳化菌等雜菌的生長明顯受到抑制，有利於亞硝酸菌成為優勢菌群，並耐受越來越高的氨氮和鹽濃度。所獲得的亞硝酸菌群能耐受鹽濃度高達60g/L以上，能夠處理氨氮濃度高達800mg/L的廢水。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明方案進行進一步說明。

本發明方法的具體操作步驟如下：首先取活性汙泥以20%-40%（汙泥30分鐘沉降比）的接種量按間歇式活性汙泥法進行富集強化培養。按照本發明所述的組分和配比配製亞硝酸菌生長促進劑。在反應器運行過程中用KOH和NaHCO3的混合物配置pH值大於9的調節劑來維持培養系統內的pH值在8.0-8.5。在富集培養過程中逐漸提高進水氨氮濃度，每一次提高氨氮濃度的同時都按照培養系統中促進劑濃度10-20mg/L補加促進劑。初始氨氮濃度為100-200mg/L，24h後氨氮濃度低於50mg/L即可按照50-100mg/L的幅度提高基質氨氮濃度，多次補加氨氮後當培養液中鹽濃度達到10g/L時，沉降排上清液，留下菌體重新配置新鮮培養液繼續進行補料階段的培養，當培養液中鹽濃度提高到15-20g/L時再次沉降排上清液，重新配置新鮮培養液進行下一個補料階段的培養，此批次補料和批次排水過程反覆進行，當培養液氨氮濃度提高到800mg/L、培養液中鹽濃度大於60g/L時，氨氮去除率大於90%，結束一個周期的培養過程。耐鹽亞硝酸菌群富集培養的參數指標為：溫度為20-30℃，pH為8.0-8.5，DO為1-3mg·L–1。

本發明實施例所使用的亞硝酸菌生長促進劑按照CN201410585483.6、CN201410585481.7和CN201410585655.X所述方法進行製備，優選按照CN201410585655.X所述方法製備。本發明所用亞硝酸菌生長促進劑配置容易，使用方便，在生物處理過程中投加使用後可以促進亞硝酸菌生長、抑制硝酸菌生長，使得活性汙泥中的亞硝酸菌成為優勢菌群，進而將硝化反應穩定控制在亞硝酸階段而直接進行反硝化。

實施例1 生長促進劑的製備方法

首先按照表1亞硝酸菌生長促進劑的比例和配方製備金屬鹽溶液，在使用前將多胺類物質、有機酸羥胺和Na2SO3加入到金屬鹽溶液中，製備得到亞硝酸菌生長促進劑Ⅰ-Ⅲ，所述促進劑濃度均為0.5g/L。

表1 亞硝酸菌生長促進劑的配方及比例

實施例2 耐鹽亞硝酸菌群的富集培養

從某煉油汙水處理廠的高含鹽系列汙水處理系統中取活性汙泥，以不同的接種量接種於總體積為10L的四個不同的富集反應器內，進行耐鹽亞硝酸菌群的富集培養。在富集培養過程每一次提高氨氮濃度的同時都按照培養系統中促進劑濃度15mg/L分別補加實施例1的生長促進劑，初始氨氮濃度均為100mg/L，24h後氨氮濃度低於50mg/L即可按照100mg/L的幅度提高基質氨氮濃度，多次補加基質和促進劑後當培養液中鹽濃度達到10g/L時，沉降排上清液，留下菌體重新配置新鮮培養液繼續進行補料階段的培養，當培養液中鹽濃度達15g/L時再次沉降排上清液，重新配置新鮮培養液進行下一個補料階段的培養，此批次補料和批次排水過程反覆進行，當培養液氨氮濃度提高到800mg/L、培養液中鹽濃度大於60g/L時，氨氮去除率大於90%，結束一個周期的培養過程。四個反應器具體培養條件和培養結束後氨氮去除率及亞硝化率見表2。

表2 耐鹽亞硝酸菌群培養條件和效果

由表2可知，採用本發明的處理工藝並投加亞硝酸菌生長促進劑，氨氮去除率可達92%以上，而且亞硝化率可以穩定在85%以上，而只採用本發明工藝不投加促進劑，氨氮去除率只有86.7%，亞硝化率不足50%。