CN100584774C - 一种异养硝化好氧颗粒污泥及其培养方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境微生物领域，具体涉及一种异养硝化好氧颗粒污泥及其培养方法和用途。该好氧颗粒污泥的接种菌株为嗜麦芽寡养单胞菌和恶臭假单胞菌。采用活性炭预固定功能菌株培养物，不接种普通活性污泥，能够培养出异养硝化好氧脱氮颗粒污泥。该好氧颗粒污泥能够有效脱除水体中的氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮及其混合物，还可同时去除有机废水中的CODCr，适用于高浓度有机含氮废水、无机含氮废水的处理，脱氮过程中，不产生亚硝酸盐和硝酸盐的积累。使用该好氧颗粒污泥处理废水工艺简单，脱氮效果稳定。
Description
技术领域
本发明属于环境微生物领域，具体涉及一种异养硝化好氧颗粒污泥的培养方法和用途。
背景技术
含氮废水是目前环境污染治理中的重大问题。生物脱氮是目前被公认为废水脱氮中最经济、最有效的方法之一。目前普遍采用的生物脱氮技术特点是，脱氮过程是由两类不同的微生物-自养硝化菌和异养反硝化菌通过各自的硝化与反硝化的偶联代谢作用使氨氮转化为氮气。
好氧颗粒污泥技术是近些年发展得比较快的新型污水生物处理技术之一。好氧颗粒污泥独有的颗粒形态，使得它具有活性污泥所欠缺的良好沉降性，高生物密度。因此，好氧颗粒污泥技术已成为污水处理的热点技术，有很多学者已经成功的培养出好氧颗粒污泥，将其初步应用于废水处理的试验中，并且取得了较满意的处理效果。但是，已有的这些报道中的好氧颗粒污泥都是由普通的好氧或厌氧污泥作为起始培养物，在特定底物的驯化以及特定培养条件的强化选择作用下形成的。在这种驯化过程中，功能菌株数量逐渐增加，需要一定的时间才能完成功能菌的富集增殖。并且由于该过程完全是接种污泥中菌株的自然富集过程，不同生物相组成的接种污泥所培育出的好氧颗粒污泥的功能特性也会有所差别，使得培育出的好氧颗粒污泥的功能性质具有一定的不稳定性。目前的好氧脱氮颗粒污泥主要由自养硝化菌和好氧反硝化菌两类不同生理类群的微生物，在好氧颗粒污泥提供的不同区域中，共同完成硝化反硝化的脱氮功能。好氧脱氮颗粒污泥的脱氮功能取决于这两类微生物的协同代谢，而这两类微生物所需的生理条件不同，因此颗粒污泥中自养硝化菌和异养硝化菌的种群调控是一个技术难点。
近年来，异养硝化现象不断被发现和报道，一些异养硝化菌已经被分离出来，有些还可以同时进行好氧反硝化。异养硝化菌易于培养，增殖较快，底物利用范围广，在废水生物脱氮系统中可以稳定存在。异养硝化过程和自养硝化过程相比，可以在较低的温度和溶氧浓度(0.5～2.8mg/L)下发生，并且对废水的水质要求更宽，C/N比在2.0以上都可以发生，因此在有机物浓度和氨氮浓度都较高的污水处理中，异养硝化脱氮和自养硝化脱氮相比具有一定的优势。
因此，直接采用人工培养获得的异养硝化功能菌株培养物为接种物，缩短功能菌株的增殖时间，结合异养硝化脱氮和好氧颗粒污泥二者的优势，培育出功能特性稳定的高效脱氮好氧颗粒污泥，不但能够获得良好的废水脱氮效果，而且能够缩短系统启动时间，拓展温度适用范围和适用废水的水质条件，实现废水高效经济的脱氮，为解决日益严重的含氮化合物对环境的污染问题作出贡献。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种以两株异养硝化菌的纯培养物为起始培养物的异养硝化好氧颗粒污泥的培养方法，该异养硝化好氧颗粒污泥具有脱除水体中氮和COD的能力。
本发明的另一个目的是提供一种由异养硝化细菌完成氨氮去除的异养硝化好氧颗粒污泥的培育方法，该异养硝化好氧颗粒污泥的脱氮过程由一类菌——异养硝化菌完成，与一般好氧颗粒污泥的脱氮由自养硝化菌和好氧反硝化菌两类菌群完成不同。
本发明的另一个目的是提供一种菌株预固定方法，使菌株纯培养物为起始培养物能够培育出好氧颗粒污泥。
本发明的另一个目的是提供一种培养条件，使该异养硝化好氧颗粒污泥能表现出异养脱氮能力。
通过本发明可达到以上各目的。
本发明可以通过以下方式得以实现：
1.本发明中的两株菌株均为具有脱氮生物活性的异养硝化细菌，可以脱除水体中的氨氮和COD，且在脱氮过程中，检测不到亚硝酸盐和硝酸盐的积累。更具体地，这两株菌株分别为嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia strain DN1.1)和恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida strain DN1.2)，保藏登记号分别为CCTCC M 207074和CCTCC M207075，保藏地点为中国典型培养物保藏中心，保藏时间为2007年5月25日。
2.本发明中Stenotrophomonas maltophilia strain DN1.1和Pseudomonas putida strain DN1.2的培养方法
(1)所使用的培养基：
牛肉膏培养基(g/L)：牛肉膏5.0，蛋白胨10.0，NaCl 5.0，调pH 7.2～7.4，121℃灭菌20分钟。如制成固体培养基，则添加琼脂1.5％～2.0％。
(2)培养条件：
将牛肉膏培养基斜面上保存的Stenotrophomonas maltophilia strain DN1.1和Pseudomonasputida strain DN1.2用接种环刮取一环菌接种于牛肉膏液体培养基中，30～35℃，170～200rpm振荡培养，在20～24小时内可收获菌液。
3.本发明中所使用的反应器
反应器为圆柱形，材质为有机玻璃，底面直径8cm，高1.0m，有效高度80cm，有效容积4L。4个取样口，依次距底面60cm、50cm、40cm、30cm，排泥口距底面10cm。配置ACO-012电磁式空气压缩机和微孔曝气头，LZB玻璃转子气体流量计。
4.本发明中Stenotrophomonas maltophilia strain DN1.1和Pseudomonas putida strain DN1.2的预固定方法
使用本发明提供的菌株预固定方法可有效的预固定好氧颗粒污泥的起始培养物。
(1)模拟废水(g/L)：KH2PO4 0.7，MgSO4·7H2O 0.5，CaCl2·2H2O 0.5，(NH4)2SO40.5～1，葡萄糖1～4，NaOH调pH 7.2～7.4
(2)活性炭粉末：购自重庆北碚精细化工厂，分析纯粉状活性炭。
(3)接种菌株的培养：从牛肉膏培养基斜面上刮取一环菌苔，接种入牛肉膏液体培养基中，30～35℃，170～200rpm振荡培养20～24小时，即可收获菌液。
(4)将收获的菌液装于离心管中，4000rpm离心5min，倒掉上清液，用模拟废水将离心后的菌体洗入反应器中。
(5)活性炭粉末的准备：称取1-3g/L(反应器)活性炭粉末装于烧杯中，加入适量模拟废水洗涤活性炭，用玻璃棒或磁力搅拌器搅拌约30min，静置30min，倒掉上清液，用模拟废水将活性炭洗入反应器中。
(6)菌株在反应器中预固定：在已接入菌体和活性炭的反应器中注入模拟废水至有效高度，将曝气头置于反应器底部，开始曝气，曝气量控制在100-110L/h。曝气持续3天，此过程中不更换模拟废水。
(7)闷曝3天后，开始换水运行反应器。按照5中所述方法培育好氧颗粒污泥。
5.本发明异养硝化好氧颗粒污泥的培育方法
使用本发明所提供的异养硝化好氧颗粒污泥培育方法可以成功地培育出异养硝化好氧颗粒污泥。
(1)培育异养硝化好氧颗粒污泥使用模拟废水作为培养基。
模拟废水(g/L)：KH2PO4 0.7，MgSO4·7H2O 0.5，CaCl2·2H2O 0.5，(NH4)2SO4 0.5～1，葡萄糖1～4，NaOH调pH 7.2～7.4
(2)培育过程具体操作条件：
A.颗粒形成前(约为25天)：反应器采用SBR方式运行，运行周期为12h，每周期内进水5min，曝气708min，沉降2min，排水5min。反应器NH4 +-N控制在106-212mg/Ld；COD控制在1000-4000mg/Ld；曝气量控制在100-180L/h，起始曝气量为100L/h，随培育时间的延长，曝气量逐步提高至180L/h；沉降时间由18min逐步降为5min；每周期排水体积控制在2-3.5L；培育温度控制在10-30℃范围内。
B.颗粒初始形成期(约为6天，反应器中出现小颗粒，颗粒直径多为0.5～0.8mm)：反应器NH4 +-N负荷控制在106mg/Ld；COD负荷控制在2000mg/Ld；曝气量控制在200L/h；沉降时间为2min；每周期排水体积2L；培育温度控制在10-30℃范围内。
C.颗粒发育期(约为10天，反应器中完全颗粒化，颗粒直径多为1mm左右)：反应器NH4 +-N负荷控制在212mg/Ld；COD负荷控制在4000mg/Ld；曝气量控制在200L/h；沉降时间为2min；每周期排水体积2L；培育温度控制在10-30℃范围内。
(3)培育过程中的取样分析方法：在反应器曝气时从距底面50cm的取样口取样6mL，6000rpm，离心5min，取上清液进行测定。
(4)水样检测方法：
NH4 +-N：采用水杨酸-次氯酸盐分光光度法
NO2 --N：采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法
NO3 --N：采用DMP分光光度法
TN：采用碱性过硫酸钾法消解紫外分光光度法
CODCr：采用重铬酸钾消解分光光度法
以上方法均参照中国环境科学出版社出版的《水和废水检测分析方法》(第四版)。
NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N、TN、CODCr等的测定采用德国WTW多功能水质分析仪(TheSpectroquant Analysis System PhotoLab S12)，型号PhotoLab S12，工作电压12V。消煮使用WTW公司产CR 2200加热器。测试试剂为默克公司生产的配套试剂。
6.本发明异养硝化好氧颗粒污泥用于含氮废水处理的脱氮条件
本发明异养硝化好氧颗粒污泥可用于CODCr≤10000mg/L、氨氮含量≤1000mg/L、pH4～10的含氮废水的处理，处理条件为温度10-37℃，pH6-9，曝气。
7.本发明异养硝化好氧颗粒污泥用于养殖废水处理的脱氮条件
本发明异养硝化好氧颗粒污泥可用于CODCr≤10000mg/L、氨氮含量≤1000mg/L、pH4～10的养殖废水的处理，处理条件为温度10-37℃，pH6-9，曝气94-96h。
本发明中所使用的两株功能菌株Stenotrophomonas maltophilia strain DN1.1和Pseudomonas putida strain DN1.2作了专利程序的保藏，保藏号分别为CCTCC M 207074和CCTCC M 207075，在本发明中，Stenotrophomonas maltophilia strain DN1.1等同于CCTCC M207074，Pseudomonas putida strain DN 1.2等同于CCTCC M 207075。
本发明具有以下优点：
(1)本发明中所使用的两株接种菌株可异养生长，基质利用范围广，易于培养。
(2)本发明中所使用的两株接种菌株可同时去除有机废水中氨氮和COD。
(3)本发明中所使用的两株接种菌株在异养条件下主要进行异化性脱氮。
(4)本发明可以使用菌株纯培养物作为培养好氧颗粒污泥的接种物，不需要添加其他污泥，这样能够保证形成的好氧颗粒污泥功能明确。
(5)本发明培育出的异养硝化好氧颗粒污泥沉降速度快，有效生物浓度高，能够缩短脱氮和去除COD的时间，同时耐受高有机负荷和高氨氮负荷。
(6)本发明培育出的异养硝化好氧颗粒污泥可用于高浓度有机含氮废水的处理，而且在脱氮过程中，不会产生亚硝酸盐和硝酸盐的积累，可以在一个处理系统中完成快捷脱氮。使用该异养硝化好氧颗粒污泥处理废水工艺简单，脱氮效果稳定。
下面结合具体实施例进一步阐明本发明，应当理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明要求保护的范围。
附图说明
附图1异养硝化好氧颗粒污泥照片
附图2异养硝化好氧颗粒污泥颗粒整体扫描电镜显微照片
附图3异养硝化好氧颗粒污泥表面生物相扫描电镜照片
附图4异养硝化好氧颗粒污泥颗粒剖面生物相扫描电镜显微照片
具体实施方式
实施例1：本发明异养硝化好氧颗粒污泥的培育
(1)牛肉膏培养基，121℃，灭菌20分钟。
(2)将菌株Stenotrophomonas maltophilia strain DN1.1和Pseudomonas putida strainDN1.2分别接种至500mL灭菌的牛肉膏液体培养基中，35℃，170rpm，培养24h。将培养好的菌液4000rpm离心5min，用少量模拟废水重悬浮后接入反应器。
(3)将15g活性炭粉末置于500mL烧杯中，加入200mL模拟废水，玻璃棒搅拌30min后全部转移至反应器中。反应器为圆柱形，材质为有机玻璃，底面直径8cm，高1.0m，有效高度80cm，有效容积4L。4个取样口，依次距底面60cm、50cm、40cm、30cm，排泥口距底面10cm。配置ACO-012电磁式空气压缩机和微孔曝气头，LZB玻璃转子气体流量计。反应器中加入模拟废水至4L。
(4)控制反应器曝气量为100-110L/h，闷曝3天。
(5)按照培育操作程序进行培育。具体培育操作条件见表1。
(6)获得成熟的异养硝化好氧颗粒污泥。该异养硝化好氧颗粒污泥为淡黄色米粒状；颗粒的含水率：84.96％；MLSS：5.5469g/L；粒径范围：0.3-1.5mm；沉降速率：0.25m/min；该颗粒主要元素(除氢元素)种类(含量≥1％)及相对百分含量：O 34.36％，C 56.70％，N 6.75％，P 1.21％，Si 0.98％。
(7)异养硝化好氧颗粒污泥的观察。使用扫描电镜对异养硝化好氧颗粒污泥的整体和剖面进行显微观察。观察结果见附图1-4。
表1异养硝化好氧颗粒污泥培育操作条件
实施例2：本发明异养硝化好氧颗粒污泥对模拟废水氨氮的去除
表2异养硝化好氧颗粒污泥对模拟废水氨氮的去除
模拟废水氨氮浓度212mg/L，COD浓度4000mg/L。反应器为圆柱形，材质为有机玻璃，底面直径8cm，高1.0m，有效高度80cm，有效容积4L。4个取样口，依次距底面60cm、50cm、40cm、30cm，排泥口距底面10cm。配置ACO-012电磁式空气压缩机和微孔曝气头，LZB玻璃转子气体流量计。反应器以SBR方式运行在低温下(11-15℃)运行，运行周期为12h，每周期内进水5min，曝气708min，沉降2min，排水5min。曝气量200L/h，排水体积2L。每2个周期定时取样检测。实验结果见表2。从表2中可看出，该异养硝化好氧颗粒污泥在12h内对反应器氨氮的去除率为70.75％～76.42％。经测定COD的去除率均为90％以上。证明异养硝化好氧颗粒污泥在低温条件下(11-15℃)具有良好的脱氮和去除COD能力。
实施例3：本发明异养硝化好氧颗粒污泥对鸡场废水的处理效果
鸡场废水取自成都某养鸡场，氨氮浓度755mg/L，COD浓度8500mg/L。取异养硝化好氧颗粒污泥约200mL，用500mL无菌生理盐水洗涤3次。最后一次洗涤后静置5min，倒掉上清液，取150mL此洗涤后异养硝化好氧颗粒污泥，加入2L量筒，加入鸡场废水至1L。量筒底部放置曝气头，曝气量控制在80-90L/h，反应温度为11-15℃，定时取样测定。实验结果见表3。从表3可以看出，此异养硝化好氧颗粒污泥低温条件下对鸡场废水也具有脱氮能力，在实验第31小时，对氨氮的去除率达到65.56％，对COD的去除率达到90.47％。此后因废水中碳源不足，故分别在第36h和46h分别补加葡萄糖2g和2.5g。实验运行至94h，对氨氮的去除率达到89.93％，废水中氨氮含量为76mg/L，COD含量为54mg/L，已达到畜禽养殖废水排放标准(GB18596-2001)。
表3异养硝化好氧颗粒污泥处理鸡场废水结果
Claims (5)
1.一种异养硝化好氧颗粒污泥，其特征在于该颗粒污泥中含有功能菌株嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia strain DN1.1)和恶臭假单胞菌(Pseudomonas putidastrain DN1.2)，保藏登记号分别为CCTCC M 207074和CCTCC M 207075。
2.一种培养权利要求1中所述异养硝化好氧颗粒污泥的功能菌株的方法，其特征在于：采用牛肉膏蛋白胨培养基，在pH 7.2～7.4，30～35℃，170～200rpm条件下振荡培养20～24小时，即可获得异养硝化功能菌株培养液。
3.一种培养权利要求1中所述异养硝化好氧颗粒污泥的功能菌株的预固定方法，其特征是：将权利要求2中培养收获的异养硝化功能菌株培养液离心收集菌体，用模拟废水洗入反应器中，模拟废水组成为(g/L)：KH2PO4 0.7，MgSO4·7H2O 0.5，CaCl2·2H2O0.5，(NH4)2SO4 0.5～1，葡萄糖1～4，NaOH调pH 7.2～7.4；按每升反应器称取1-3g活性炭粉末用前述模拟废水洗涤后加入反应器中，然后注入前述模拟废水至反应器有效高度，曝气3天。
4.一种培养权利要求1中所述异养硝化好氧颗粒污泥的方法，其特征是：根据权利要求3完成功能菌株预固定的反应器，采用SBR方式运行，以权利要求3中所述模拟废水为基质，逐步提高氨氮负荷和有机负荷，控制沉降时间小于5min，培养异养硝化好氧颗粒污泥。
5.权利要求1中所述的异养硝化好氧颗粒污泥在水体生物脱氮和养殖废水处理中的应用。
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