CN110697887B - 基于腐殖酸还原-反硝化耦合驯化腐殖酸还原菌的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于腐殖酸还原‑反硝化耦合条件下驯化腐殖酸还原菌的方法，首先将取自污水处理厂的含有腐殖酸还原菌的活性污泥通过每个反应室排气口分别加入到厌氧折流板反应器的各个反应室底端；通过进水口将含葡萄糖和腐殖酸类似物的废水作为第一反应液泵入到厌氧折流板反应器第一反应室内；将含硝酸盐的废水作为第二反应液泵入到第二反应室和第四反应室；驯化反应。反应过程中既获得了腐殖酸还原菌，也达到了反硝化脱氮的作用。在上述技术方案中，四个反应室具有腐殖酸还原能力的菌比例由初始0.31％分别增加至21.12％，19.89％，25.78％，20.03％。为工业化的应用提供了新方法。
Description
技术领域
本发明涉及微生物培养或水体生物修复技术领域，特别是涉及一种基于腐殖酸还原-反硝化耦合驯化腐殖酸还原菌的方法。
背景技术
腐殖酸还原菌是具有腐殖质呼吸能力的厌氧微生物，可利用有机污染物为电子供体，腐殖质为电子受体，偶联能量用于细胞生长，进而加速有机污染物的矿化。因此腐殖酸还原菌在水体自净、沉积物修复、污水处理等方面具有广阔的应用前景，驯化高效腐殖酸还原菌成为目前研究热点。
目前对于腐殖酸还原菌的驯化有两种方式：一种是在血清瓶中加入含腐殖酸类似物的培养基进行培养；另一种采用厌氧培养装置，通过泵入含腐殖酸类似物培养基进行培养(CN106222091)。但两种培养方式均需要采用曝气方式实现腐殖酸类似物由还原态向氧化态的转化，再通过氮吹或者化学除氧的方式排出里面氧气，使得驯化后废水能够重复利用。以专利CN106222091为例，采用厌氧培养装置进行腐殖酸还原菌的驯化，该装置通入的培养液被利用后需要进一步进入曝气池，经离心泵抽吸再进入除氧池，在除氧池中加入除氧剂亚硫酸钠，进一步进行除氧(详见专利CN106222091附图)。该装置工艺较为繁琐，设备较为复杂，不仅增加了运行成本，同时驯化后废水富含多种微生物代谢产物，重复利用导致驯化效果不佳，因此存在驯化效率低，成本高等问题。
发明内容
针对现有驯化腐殖酸还原菌方法中存在的技术缺陷，提出一种基于腐殖酸还原-反硝化耦合驯化腐殖酸还原菌的方法；硝酸盐可作为最终电子受体，直接将还原态腐殖酸类似物氧化，同时硝酸盐被微生物还原为氮气。我们可以利用厌氧折流板反应器结构，使得腐殖酸还原反应和反硝化反应分别在不同的反应室中进行，既解决了腐殖酸类似物利用率低、成本高的问题，也加速了反硝化脱氮的速率，为工业化的应用提供方法。
本发明的技术方案如下：
基于腐殖酸还原-反硝化耦合驯化腐殖酸还原菌的方法；利用厌氧折流板反应器，将腐殖酸还原和反硝化作用分开在不同的反应室中，包括如下步骤：
1)首先将取自污水处理厂的含有腐殖酸还原菌的活性污泥通过每个反应室排气口分别加入到厌氧折流板反应器的各个反应室底端；
2)通过进水口将含葡萄糖和腐殖酸类似物的废水作为第一反应液泵入到厌氧折流板反应器第一反应室内；将含硝酸盐的废水作为第二反应液泵入到第二反应室和第四反应室；
3)驯化反应。
本发明的厌氧折流板反应器包括4个反应室，在反应器本体侧壁设有进水口，另一侧壁设置有出水口；每个反应室顶部设置有反应室排气口；第二反应室侧壁下端上设有第一加料口，第四反应室侧壁下端设置有第二加料口；每两个反应室之间设置有取样口；厌氧折流板反应器每个反应室中包括导流板、挡泥板和斜板；斜板用于防止在反应室内产生死角；前室的挡泥板与后室的导流板之间形成供液体流通的S型通道。
优选条件如下：
污泥浓度为1000-2000mg/L。
腐殖酸类似物是指指甲花醌、蒽醌1磺酸钠、蒽醌二磺酸钠或蒽醌2,6磺酸钠等含醌基的化合物。
醌基的化合物浓度为0.05-0.10mmol/L。
含葡萄糖的废水的COD为1-2g/L。
所述步骤3)驯化过程分四个阶段，共28天。
第一阶段为第1-8天，进水口的进水流量为200-225mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为50-75mL/h，进水硝氮浓度为100mg/L；
第二阶段为第9-15天，进水口的进水流量为250-300mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为75-100mL/h，进水硝氮浓度为100mg/L；
第三阶段为第16-22天，进水口的进水流量为250-300mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为75-100mL/h，进水硝氮浓度为150mg/L；
第四阶段为第23-28天，进水口的进水流量为250-300mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为75-100mL/h，进水硝氮浓度为200mg/L；整个运行过程中醌基化合物浓度与葡萄糖浓度不变。
在上述技术方案中，含葡萄糖和腐殖酸类似物的废水由进水口进入第一反应室中主要发生腐殖酸还原反应。第一反应室代谢产物沿第一挡泥板和第二导流板构成的通道进入到第二反应室。硝酸盐废水由第一进料口进入到第二反应室，在第二反应室中还原态腐殖酸与硝酸盐发生反应，生成氧化态腐殖酸。第二反应室出水沿第二挡泥板和第三导流板构成的通道进入到第三反应室，在第三反应室中继续发生腐殖酸还原反应。第三反应室出水沿第三挡泥板和第四导流板构成的通道进入到第四反应室，硝酸盐废水由第二进料口进入到第四反应室，在第四反应室中还原态腐殖酸与硝酸盐发生反应，生成氧化态腐殖酸。
在上述反应过程中既获得了腐殖酸还原菌，也达到了反硝化脱氮的作用。本发明的另一方面，基于腐殖酸还原与反硝化耦合条件下驯化腐殖酸还原菌的方法，在上述技术方案中，四个反应室具有腐殖酸还原能力的菌比例由初始0.31％分别增加至21.12％，19.89％，25.78％，20.03％(图2)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、减少曝气装置的使用及除氧剂的使用，降低运行成本。
2、通过ABR的特殊结构，提高腐殖质类似物指甲花醌的利用率；
3、腐殖酸还原-反硝化耦合方法驯化腐殖酸还原菌，既解决了腐殖酸类似物利用率低、成本高的问题，也加速了反硝化脱氮的速率；
4、利用厌氧折流板反应器可以有效分离醌还原反应和醌氧化反应，工艺简单，易于在实际中应用；为工业化的应用提供了新方法。
附图说明
图1厌氧折流板反应器示意图。
图2实施例一中腐殖酸还原菌驯化比例。
图3实施例二中腐殖酸还原菌驯化比例。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
厌氧折流板反应器如图1所示：包括反应器本体1：侧壁设有进水口2，第二反应室1-2低部侧壁上设有第一加料口5，第四反应室1-4低部侧壁上设有第二加料口6，最顶端设有第一反应室排气口11、第二反应室排气口12、第三反应室排气口13、第四反应室排气口14，分别位于各反应室顶部，第一反应室1-1与第二反应室1-2之间设有取样口7，第二反应室1-2与第三反应室1-3之间设有取样口8，第三反应室1-3与第四反应室1-4之间上部设有取样口9，侧壁设有出水口10；
防止污泥淤积机构：设置在反应器本体1内部，包括第一导流板3、第二导流板16、第三导流板18和第四导流板20，所述导流板底部与导流板垂直部分夹角均为120°，第一反应室1-1内部均设有斜板4，斜板4与挡泥板15夹角均为45°，所述第一挡泥板15、第二挡泥板17和第三挡泥板19分别与第二导流板16、第三导流板18和第四导流板20之间的缝隙形成供液体流通的S型通道。
所述排气口分别位于每个反应室正上部，同时具有检测口、加泥和取泥口的作用。
操作步骤如下：
步骤1，首先将取自污水处理厂的含有腐殖酸还原菌的活性污泥通过第一反应室排气口11、第二反应室排气口12、第三反应室排气口13、第四反应室排气口14，分别加入到厌氧折流板反应器的第一反应室、第二反应室、第三反应室和第四反应室的底端。其中所述活性污泥浓度为1000mg/L；
步骤2，通过进水口2将的含葡萄糖和腐殖酸类似物的废水作为第一反应液泵入到厌氧折流板反应器第一反应室内，将含硝酸盐的废水作为第二反应液泵入到第二反应室和第四反应室。
步骤3，驯化反应。
腐殖酸类似物是选指甲花醌；指甲花醌浓度为0.05mmol/L；
含葡萄糖的废水的COD为1g/L。
所述步骤3)驯化过程分四个阶段，共28天。第一阶段为第1-8天，进水口的进水流量为225mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为75mL/h，进水硝氮浓度为100mg/L；第二阶段为第9-15天，进水口的进水流量为300mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为100mL/h，进水硝氮浓度为100mg/L；第三阶段为第16-22天，进水口的进水流量为300mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为100mL/h，进水硝氮浓度为150mg/L；第四阶段为第23-28天，进水口的进水流量为300mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为100mL/h，进水硝氮浓度为200mg/L；整个运行过程中醌基化合物浓度与葡萄糖浓度不变。厌氧折流板反应器运行工况如表1：
表1厌氧折流板反应器运行工况
在上述技术方案中，含葡萄糖和腐殖酸类似物的废水由进水口2进入第一反应室中主要发生腐殖酸还原反应。第一反应室代谢产物沿第一挡泥板15和第二导流板16构成的通道进入到第二反应室。硝酸盐废水由第一进料口5进入到第二反应室，在第二反应室中还原态腐殖酸与硝酸盐发生反应，生成氧化态腐殖酸。第二反应室出水沿第二挡泥板17和第三导流板18构成的通道进入到第三反应室，在第三反应室中继续发生腐殖酸还原反应。第三反应室出水沿第三挡泥板19和第四导流板20构成的通道进入到第四反应室，硝酸盐废水由第二进料口6进入到第四反应室，在第四反应室中还原态腐殖酸与硝酸盐发生反应，生成氧化态腐殖酸。
利用本发明的腐殖酸还原-反硝化耦合工艺驯化后与驯化前对比，可知，该工艺可以驯化出大量腐殖酸还原菌，其中菌群结构通过高通量测序，最后进行菌落结构分析得出腐殖酸菌的比例。经测定腐殖酸还原与反硝化耦合条件下四个反应室具有腐殖酸还原能力的菌比例由初始0.31％分别增加至21.12％，19.89％，25.78％，20.03％；如图2所示。
经测定，扰动负荷驯化后微生物醌的还原率为80％～90％，驯化前微生物醌的还原率为0.2％，其中微生物醌的还原能力通过吸光值测定，具体的，先通过不同醌浓度下溶液的吸光值拟合标准曲线，然后通过线性回归方程，计算相应吸光值下的溶液中醌的浓度，从而计算还原率。
综上所述，本发明不仅能够驯化出高效腐殖酸还原菌，还提高了反硝化速率及醌利用率。
实施例2
驯化方法与装置与实施例一相同，不同之处如下：
第一反应室、第二反应室、第三反应室和第四反应室活性污泥浓度为2000mg/L；
第一反应液中指甲花醌浓度为0.10mmol/L，COD为2g/L。
第一阶段为第1-8天，进水口的进水流量为200mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为50mL/h，进水硝氮浓度为100mg/L；第二阶段为第9-15天，进水口的进水流量为250mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为75mL/h，进水硝氮浓度为100mg/L；第三阶段为第16-22天，进水口的进水流量为250mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为75mL/h，进水硝氮浓度为150mg/L；第四阶段为第23-28天，进水口的进水流量为250mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为75mL/h，进水硝氮浓度为200mg/L；整个运行过程中醌基化合物浓度与葡萄糖浓度不变。厌氧折流板反应器运行工况如表2：
表2厌氧折流板反应器运行工况
利用本发明的腐殖酸还原-反硝化耦合工艺驯化后与驯化前对比，可知，该工艺可
利用本发明的腐殖酸还原-反硝化耦合方法驯化腐殖酸还原菌，腐殖酸还原与反硝化耦合条件下四个反应室具有腐殖酸还原能力的菌比例由初始0.31％分别增加至9.00％，8.20％，4.57％，12.55％(图3)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于腐殖酸还原-反硝化耦合驯化腐殖酸还原菌的方法；其特征是利用厌氧折流板反应器，将腐殖酸还原和反硝化作用分开在不同的反应室中，包括如下步骤：
1)首先将取自污水处理厂的含有腐殖酸还原菌的活性污泥通过每个反应室排气口分别加入到厌氧折流板反应器的各个反应室底端；
2)通过进水口将含葡萄糖和腐殖酸类似物的废水作为第一反应液泵入到厌氧折流板反应器第一反应室内；将含硝酸盐的废水作为第二反应液泵入到第二反应室和第四反应室；
3)驯化反应；
进水口的进水流量为200-225mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为50-75mL/h，进水硝氮浓度为100mg/L；第二阶段为第9-15天，进水口的进水流量为250-300mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为75-100mL/h，进水硝氮浓度为100mg/L；第三阶段为第16-22天，进水口的进水流量为250-300mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为75-100mL/h，进水硝氮浓度为150mg/L；第四阶段为第23-28天，进水口的进水流量为250-300mL/h，第一进料口和第二进料口的进水流量相同，为75-100mL/h，进水硝氮浓度为200mg/L。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是厌氧折流板反应器包括4个反应室，在反应器本体侧壁设有进水口，另一侧壁设置有出水口；每个反应室顶部设置有反应室排气口；第二反应室侧壁下端上设有第一加料口，第四反应室侧壁下端设置有第二加料口；每两个反应室之间设置有取样口；厌氧折流板反应器每个反应室中包括导流板、挡泥板和斜板；斜板用于防止在反应室内产生死角；前室的挡泥板与后室的导流板之间形成供液体流通的S型通道。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是活性污泥浓度为1000-2000mg/L。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是腐殖酸类似物是指甲花醌、蒽醌-1-磺酸钠、蒽醌二磺酸钠或蒽醌-2,6-磺酸钠的含醌基的化合物。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是含醌基的化合物浓度为0.05-0.10mmol/L。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是含葡萄糖的废水的COD为1-2g/L。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤3)驯化过程分四个阶段，共28天。
8.如权利要求4所述的方法，其特征是所述整个运行过程中醌基化合物浓度与葡萄糖浓度不变。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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