CN107236682A

CN107236682A - 厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法

Info

Publication number: CN107236682A
Application number: CN201710305499.0A
Authority: CN
Inventors: 韩雪梅
Original assignee: Nanyang Normal University
Current assignee: Nanyang Normal University
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2017-10-10

Abstract

本发明公开了厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，是将污泥混合物接种至工业废水中以进行厌氧氨氧化菌菌群的高效富集；所述污泥混合物中，好氧消化污泥和厌氧消化污泥的接种比例按照质量比为（0‑5）：（5‑0）。本发明的有益效果为：本发明提供的厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，将硝态氮和亚硝态氮等多个过程压缩在同一空间内同一时间进行，即通过培养厌氧氨氧化菌，使其直接将氨氮氧化为氮气，从而减少生物脱氮的物质能源耗费及尽可能的减少生物脱氮处理中二次污染的现象，节约时间，节省空间，降低了脱氮的成本，减少了物质、能源的损耗又无二次污染；操作方法简单，生态环保特性较好，具有重要的应用价值，推广应用前景广阔。

Description

厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法

技术领域

本发明涉及环境工程及微生物技术领域，具体涉及厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法。

背景技术

随着工农业技术的发展、人口的增加，越来越多的高氮低碳工业废水、生活污水流入湖泊、河流和海域，导致水体中氮的含量过高，引起水体富营养化，引起藻类和其他浮游植物的疯长，水中严重缺氧或者厌氧，造成水中各种动植物及微生物的死亡，其残骸被腐殖性微生物分解，产生氨或硫化氧等恶臭气体。大量NO₃- 排入水体不仅会形成富营养化，也会对水体造成污染，损害人类身体健康。因此，如何有效研究开发新型污水脱氮技术，来更经济高效地防治水体氮素污染，保护水资源，已经迫在眉睫，是未来世界各国迫切需要解决的难题，是我们在污水脱氮领域为之奋斗的目标。

传统生物脱氮技术以硝化反硝化过程为基础，有机氮先被氨化菌转化成氨氮，氨氮在氧气充足时被氧化成亚硝酸盐及硝酸盐，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮再进行反硝化，被还原成氮气，完成水体的脱氮过程。传统脱氮技术由于其耗能大、流程长、反硝化碳源不足、脱氮效果较低等缺点，在实际应用中会受到一定的限制，特别是在处理高氨氮或者低 C/N 比含氮废水时有一定的局限性。为了达到高效除氮、低能耗的目的，通过大量的实验工作，国内外学者提出了新的脱氮技术工艺，如短程硝化-反硝化、同时硝化反硝化以及厌氧氨氧化等。厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以 NO₂-为电子受体，以 NH₄+ 为电子供体，生成氮气的氧化还原反应。该反应中无需外加碳源，可以减少耗能，节约成本。并且该过程快速直接，速率快，其脱氮性能远高于其他脱氮工艺。好氧淤泥和厌氧淤泥均可培养出厌氧氨氧化活性淤泥，但最佳比例尚未明确。

传统生物脱氮技术有以下几个缺点：1、工艺流程长；2、占地面积大；3、基础投资高；4、消化过程需要投碱中和会造成二次污染；5、硝化菌群增值速度慢，难以维持较高生物浓度，抗冲击负荷能力较弱；5、为了维持硝化菌较高的生物浓度及较为良好的脱氮效果，***需同时进行污泥和硝化液回流；6、高浓度的NH4+和废水会抑制硝化细菌的生长。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术中的缺陷，提供了厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，能够有效解决细胞产率极低、对环境条件敏感、富集培养困难的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，是将污泥混合物接种至工业废水中以进行厌氧氨氧化菌菌群的高效富集；所述污泥混合物中，好氧消化污泥和厌氧消化污泥的接种比例按照质量比为（0-5）：（5-0）。

进一步的，上述的厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，所述污泥混合物中，好氧消化污泥和厌氧消化污泥的接种比例按照质量比为1:4、1:1、4:1、0:5或5:0。

进一步的，上述的厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，所述菌种培养装置为厌氧序批式ASBR反应器模拟装置。

进一步的，上述的厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，所述菌种培养装置中，进水pH值控制为7.5，温度控制为35℃。

本发明的有益效果为：本发明提供的厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，培养出的厌氧氨氧化菌，脱氮过程中，大大减短了氨氮氧化还原为氮气的流程，脱氮成本较低，且不需经硝态氮和亚硝态氮等多个过程，节约时间，节省空间，降低了脱氮的成本减少了物质、能源的损耗又无二次污染；将硝态氮和亚硝态氮等多个过程压缩在同一空间内同一时间进行，即通过培养厌氧氨氧化菌，使其直接将氨氮氧化为氮气，从而减少生物脱氮的物质能源耗费及尽可能的减少生物脱氮处理中二次污染的现象。操作方法简单，产品实践效果好，无刺鼻气味，生态环保特性较好，环境友好，具有重要的应用价值，推广应用前景广阔。

附图说明

图1显示为菌种培养装置的示意图。

其中，1—水浴锅；2—反应器；3—进水管；4—出水管；5—出气管；6—集气袋；7—止水夹。

图2显示为菌种培养装置的实体图。

图 3 显示为厌氧消化污泥。

图4显示为好氧硝化污泥。

图5显示为接种不同比例污泥的反应器出水氨氮浓度变化。

图6显示为接种不同比例污泥的反应器出水氨氮去除率变化。

图7显示为接种不同污泥的反应器出水亚硝酸盐氮的浓度变化。

图8显示为接种不同污泥的反应器出水亚硝酸盐氮的生成量变化。

图9显示为接种不同污泥的反应器出水硝酸盐氮的浓度变化。

图10显示为接种不同污泥的反应器出水硝酸盐氮的生成量变化。

具体实施方式

实施例1：

1 、实验装置：

所用菌种培养装置根据厌氧序批式反应器（ASBR反应器）的原理进行模拟设计，如图1所示。装置采用250 ml容量瓶为反应器，瓶口处用橡胶塞密封，以保证厌氧环境，减弱溶解氧的抑制作用，进水管接近瓶底，出水管在瓶子中上部，排气管在瓶口处，外部都连接黄色乳胶管，进出水管用止水夹密封，换水时用100 ml针管排水、进水，排气管连接集气袋。在整个运行过程中，反应器放置在水浴锅中，来保持恒定温度，用纸箱遮盖避光放置，满足厌氧氨氧化菌生长的条件，如图2所示。

厌氧氨氧化污泥接种培养：

实验接种污泥取自天冠集团木薯燃料乙醇废水处理工艺中二级厌氧池底部厌氧消化泥（图3）和好氧池好氧硝化泥（图4）。通过调节厌氧消化污泥和好氧硝化污泥的比例，对厌氧氨氧化反应的启动时间及除氮效果进行比较，筛选出厌氧氨氧化污泥菌种富集培养的最优比例。按照好氧污泥和厌氧污泥的添加比例，共设置5个梯度，每个梯度设置三个重复，如表1所示。混合前将两种污泥搅拌均匀，每个实验中接种污泥总体积均为100 ml。表1显示为好氧污泥和厌氧污泥的接种比例。

表1

3、厌氧氨氧化菌种富集培养实验用水：

实验用水采用人工模拟废水，具体成分见表2 和表 3。NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N分别以NH₄Cl和NaNO₂的形式添加，在反应器运行的不同阶段，逐渐提高NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N的进水负荷。保持反应温度35℃，水力停留时间为4天，进水pH控制在7.5～7.8之间，用NaHCO₃和HCl来调节。首次进水体积为150 ml，此后每次进出水的量保持一致，均为80 ml。表2显示为实验人工模拟废水组分及浓度，表3显示为微量元素组分及浓度。

表2

表 3

4、分析测定指标

实验中需要测定的水质参数有pH、NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、总氮（TN）和NO₃ ^--N，测定方法及仪器设备如表4所示。另需观察厌氧氨氧化污泥形态、颜色的变化情况。

表 4

氮去除率：

NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N及TN的去除率通过测定进、出水基质浓度来计算，计算公式如下：

5、实验结果：

厌氧氨氧化菌的培养过程本质上就是将接种污泥中的异养菌淘汰，使有机物消耗完全，从而形成无机的自养营养环境的过程。这个培养过程以出水氨氮浓度小于进水氨氮浓度为结束的标志。反应器出水NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、NO₃ ^--N的浓度及去除率变化趋势见图5～图10所示。

5.1 培养初期：

在反应的1～56 d，保持进水氨氮浓度为50 mg/L，亚硝酸盐氮浓度为65 mg/L。在反应初期，氨氮浓度并没有下降，反而远远高于进水浓度，呈现出先大幅度增高后有所下降的趋势，尤其在完全接种厌氧消化泥的反应器中最为突出，出水最高达到了430.02 mg/L，如图5和图6。可能是因为接种所用厌氧消化泥本身就含有约780 mg/L氨氮，而且在厌氧条件下，进水中的氨氮除少量可能被用于合成外，不会被厌氧细菌所利用，含氮有机物在被厌氧菌水解-发酵-分解的过程中会产生氨氮从而导致出水氨氮升高。接种好氧硝化泥的反应器出水氨氮浓度虽然也有升高，但明显低于接种厌氧消化泥的反应器出水，这也证实了我们的推测。在反应的33～56 d，出水的氨氮浓度下降明显。特别的接种好氧硝化泥的反应器出水氨氮浓度已经降低到37.01 mg/L，已经低于进水浓度，说明在该反应器中，已逐渐开始厌氧氨氧化反应。

出水亚硝酸盐氮虽然去除效果明显，如图7和图8，但是其浓度在去除过程中表现并不稳定，浓度会有偶然的上升，应该是反硝化细菌利用污泥中残存的有机物进行反硝化的作用。出水中硝酸盐氮浓度很低，但也呈现出逐渐降低的趋势，如图9和图10，可能也是反应器反硝化细菌作用的结果。因此，厌氧氨氧化菌的驯化培养仍处于初期。

5.2 负荷提高期：

厌氧氨氧化细菌是一种生长缓慢的自养型细菌，因此，在反应器出水氨氮浓度有了下降的趋势后，提高进水氨氮浓度（即提高厌氧氨氧化细菌生长所需的基质浓度），有利于加速厌氧氨氧化菌的生长。从上述结果可以看出，进水氨氮浓度为50 mg/L的负荷条件下，全部接种好氧硝化泥的反应器最先进入到厌氧氨氧化反应。但整体除氮效果并不稳定，因此，从反应的57 d开始，增加进水氨氮浓度至80 mg/L，亚硝酸盐氮浓度增加至104 mg/L。去前期相比，在这一阶段，5种不同调配比例污泥除氨氮效果均有了明显的提升，尤其是完全接种好氧硝化泥的反应器出水氨氮浓度达到最低41.78 mg/L，低于进水浓度，并且保持稳定，说明已逐步进入厌氧氨氧化稳定期。而接种厌氧消化泥的反应器出水氨氮浓度虽也有下降，但仍在97.49 mg/L，高于进水浓度，需进一步延长培养富集时间。其余三组接种不同比例厌氧消化泥和好氧硝化泥的反应器，出水氨氮浓度随着厌氧消化泥的比例增加而升高，说明厌氧消化泥不利于厌氧氨氧化菌的快速富集培养。此阶段反应器出水亚硝酸盐氮去除率仍旧保持在99%以上，硝酸盐氮浓度有升高的趋势。

结论：

通过在模拟的ASBR反应器中接种不同比例的厌氧消化泥与好氧硝化泥，控制进水pH值为7.5左右，温度为35℃，在培养的不同阶段，改变进水氨氮与亚硝酸盐氮的含量，增加负荷，通过分析出水基质浓度，进行对比，找出可以快速进行厌氧氨氧化反应的最佳比例，实现厌氧氨氧化菌的快速富集培养。

通过对比发现，全部接种好氧硝化泥的反应器在56 d时已表现出厌氧氨氧化活性，最先开始厌氧氨氧化反应，接种厌氧消化泥的反应器则耗时最长，其余接种不同比例厌氧消化泥与好氧硝化泥混合污泥三种比例的反应器，则是随着厌氧消化泥比例的增加厌氧氨氧化反应的启动速度越慢，这说明工业中厌氧氨氧化菌的快速富集培养以接种好氧硝化泥更为有利。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，其特征在于，是将污泥混合物接种至工业废水中以进行厌氧氨氧化菌菌群的高效富集；所述污泥混合物中，好氧消化污泥和厌氧消化污泥的接种比例按照质量比为（0-5）：（5-0）。

2.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，其特征在于，所述污泥混合物中，好氧消化污泥和厌氧消化污泥的接种比例按照质量比为1:4、1:1、4:1、0:5或5:0。

3.根据权利要求2所述的厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，其特征在于，所述菌种培养装置为厌氧序批式ASBR反应器模拟装置。

4.根据权利要求3所述的厌氧氨氧化污泥菌种的富集培养方法，其特征在于，所述菌种培养装置中，进水pH值控制为7.5，温度控制为35℃。