CN101200698A - 一种同时去除氨和硫化氢恶臭气体的微生物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种同时去除NH3和H2S恶臭气体的微生物及其制备方法。涉及微生物技术领域，特别是关于污水收集和处理设施中混合恶臭气体的高效脱臭微生物及其制备方法。本发明提供的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW－Y2(Acidithiobacillus thiooxidans)菌株，已保藏在中国微生物菌种包藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.2158。该菌株为硫酸铵耐受型，是从生活污水处理厂的活性污泥中筛选分离得到的。本发明的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW－Y2菌株的培养条件如下：1)采用SOB培养基，培养基的组成成分为磷酸氢二钾2g/L，磷酸二氢钾2g/L，氯化镁(MgCl2·7H2O)0.2g/L，硫酸铵10g/L，硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)0.01g/L，硫粉10g/L。2)培养条件：温度28～32℃，180转/分3)载体为水，加稀硫酸(或盐酸)调节pH＝2.0～3.0。本发明的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW－Y2菌株(Acidithiobacillus thiooxidans)，可直接接种到废气处理设施(如生物滤塔)中，能同时高效去除H2S和NH3混合恶臭气体，使废气处理设施的运行条件简单化，操作更为简便。避免了目前生物废气处理设施中，难以全部满足混合微生物的适宜生长条件，从而使H2S和NH3难以同时高效去除的问题。该菌株能忍受60g/L高浓度的硫酸铵，不至于发生产物抑制效应而影响微生物的活性，从而保持长久的去除能力。产生的硫酸铵可回收利用，作为肥料生产的原料。

Description

一种同时去除氨和硫化氢恶臭气体的微生物及其制备方法
技术领域
本发明提供一种同时高效去除氨(NH3)和硫化氢(H2S)恶臭气体的微生物及其制备方法，涉及微生物技术领域，特别是关于污水收集和处理设施中混合恶臭气体的高效脱臭微生物及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展和人民生活水平的提高，恶臭作为一大环境公害以越来越受到关注。NH3和H2S是最常见的恶臭物质，是工业生产过程中(如污水处理厂、粪便处理厂、食品加工厂、皮革业、畜牧业以及堆肥厂等)广泛存在的主要废气成分。不仅有毒，还有腐蚀性，是具有刺激性的、嗅阈值很低的臭味物质。芬兰对16个城市污水处理厂和18个污水泵房的调查结果表明，城市污水处理厂在正常运行条件下H2S的浓度为0.07～53mg/m3(最大浓度出现在污泥处理阶段)，泵房中H2S浓度为0.07～0.5mg/m3，NH3浓度为0.007～3.5mg/m3。本专利研究人员对某市典型污水泵房的调查监测结果显示，NH3和H2S的浓度分别为1.37～36.28mg/m3和0.49～9.13mg/m3，我国某些城市的污水泵房还发生过工作人员中毒死亡事件。这些恶臭气体若不妥善处理，会对工作人员及周围居民的健康带来长期的不良影响和危害，降低周边土地的投资价值和吸引力。
生物过滤法是一种能有效处理恶臭和挥发性有机废气的气体污染控制技术，在美国和欧洲，该技术已被广泛应用了40多年，主要用于处理来自城市污水处理设施、炼油厂、堆肥设施以及其他产生恶臭的操作过程所产生的恶臭气体。生物滤塔是该技术的一种装置形式，装置内填充土壤、泥炭或其他填料，含有可生物降解的挥发性有机物、其他有毒或恶臭物质的气体通过填料，被填料中的微生物所降解。
为了获得最大的去除效率，目前对生物滤塔处理恶臭气体的研究主要集中在工艺参数和填料材料的最优化上，而对其中微生物的研究涉及很少，而实际上，生物滤塔中微生物的种群结构对于恶臭气体的处理效率以及反应器的稳定运行至关重要。而且目前研究采用的目标污染物主要是H2S，然而，气体混合物对单一气体组分的影响不能忽略，因为在很多情况下，NH3和H2S是同时释放的。有人采用颗粒污泥作为生物滤塔的填料，研究了含H2S和NH3混合物的生物去除。发现H2S被微生物Thiobacillus thioparus氧化为硫酸盐和硫。NH3被微生物Nitrosomonas或微生物Nitrobacter氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。但在这个系统中，由于H2S氧化产物(硫酸盐)的积累，硝化细菌的生长活性受到影响，从而影响了NH3的去除。目前的生物滤塔处理NH3和H2S混合恶臭气体的实验室研究和实际运行中都存在一个共同的问题，就是难以使NH3和H2S同时获得较高的去除效率。有些生物滤塔H2S的去除率≥99％，而NH3的去除率最高只达到80％左右(殷峻等，中国给水排水，2003，19(13)：114-116)。有些生物滤塔H2S和NH3的去除率均在80％左右(屈艳芬等，生态科学，2005，24(1)：18-20；邬坚平等，给水排水，2007，33(1)：14-16)。更多情况是运行初期两者的去除效率都较高(主要是填料的吸附作用)，但长期运行或进气浓度增大或波动时，两者的去除效率就大幅度下降。
目前生物滤塔内均采用混合微生物，或几种微生物固定细胞。但由于不同的微生物其适宜的生长因素(如pH，营养需求)有差异，很难使除H2S和除NH3的微生物同时处于适宜的环境条件下，从而很难同时保持较高的H2S和NH3去除效率。因此研究开发一种能同时高效去除气体混合物的微生物，无疑是最经济和有效的生物过滤方法。
当H2S和NH3混合物同时进入生物滤塔时，H2S被硫氧化细菌氧化为SO4 2-，而NH3被SO4 2-中和为(NH4)2SO4，由于积累的(NH4)2SO4会抑制微生物的活性，因此，必须筛选能耐受高浓度(NH4)2SO4的高效硫氧化细菌，使其能同时去除H2S和NH3。
发明内容
本发明针对目前生物滤塔去除H2S和NH3混合恶臭气体时，滤塔内，尤其是填料上的环境条件很难同时满足多种微生物的要求，而且积累的(NH4)2SO4又会抑制微生物的活性，从而使生物滤塔不能同时高效去除H2S和NH3混合恶臭气体。本发明筛选分离到一株(NH4)2SO4耐受型硫氧化细菌：嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株(Acidithiobacillusthiooxidans)，该菌株可将H2S氧化为SO4 2-，SO4 2-再与废气中NH3中和形成(NH4)2SO4，达到同时去除H2S和NH3的目的。该菌株为(NH4)2SO4耐受型，在高浓度(NH4)2SO4(60g/L)时仍有较高的活性，不会影响生物滤塔的去除效率。
本发明的目的在于提供一种能同时高效去除NH3和H2S恶臭气体的微生物及其制备方法。
本发明的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2(Acidithiobacillus thiooxidans)菌株，已于2007年9月6日保藏在中国微生物菌种包藏管理委员会普通微生物中心，其简称为CGMCC，保藏编号为CGMCC No.2158。
本发明提供的一种同时去除NH3和H2S恶臭气体的微生物，嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2(Acidithiobacillus thiooxidans)菌株，是从生活污水处理厂的活性污泥中筛选分离得到的，该菌株能耐受高浓度的硫酸铵，属已有硫杆菌种属。该菌株为短杆状，0.5μm×1.0μm，末端钝圆，革兰氏阴性菌，在硫氧化细菌(SOB)琼脂培养基上，菌落细小(直径1～2mm)，圆形，培养初期为乳白色，培养后期为深黄色。专性好氧，嗜酸，最适pH＝2.0～3.0，最适温度为28～30℃。该菌株为化能无机营养型，只能在以元素硫或硫代硫酸钠为能源，以CO2为碳源的培养基上生长。
本发明的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌液可与生物滤塔的填料，如普通陶粒、泥炭、污泥、堆肥、活性炭、沸石等的一种或几种相混合，再填充到生物滤塔中，进行NH3和H2S混合恶臭气体的处理。与以往的接种混合微生物的生物滤塔相比，具有H2S和NH3去除效率高，设备简单、无二次污染、投资和运行费用低、使用简便等优点，适合工业化实际运用。
本发明的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株分离于城市污水处理厂的活性污泥中，将活性污泥用SOB-1培养基(K2HPO4 2g/L，KH2PO4 2g/L，MgCl2·7H2O 0.2g/L，NH4Cl 0.4g/L，FeSO4·7H2O 0.01g/L，硫粉10g/L，pH自然)在30℃，180转/分下富集培养，当培养基pH降低到2或2以下时，转移接种到新鲜的SOB-1培养基中(接种量为体积比10％)。连续转移10次后，将培养物最终接种到平板SOB-2固体培养基中30℃下培养(SOB-2固体培养基与SOB-1培养基的不同之处，除了加了2％的琼脂外，10g/L的硫粉被16g/L的硫代硫酸钠取代，其余组分均相同)。
平板分离物再培养在SOB-3培养基中(SOB-3培养基与SOB-1培养基的不同之处，在于NH4Cl被0.5-100g/L(NH4)2SO4取代，其余均相同)，30℃，180转/分下培养。在培养期间，观察生物量、pH以及积累的硫酸盐浓度。选择培养基中(NH4)2SO4浓度高，生长良好，氧化速率高的菌株，即得到嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株。
本发明的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株的培养条件如下：
1)采用SOB培养基，培养基的组成成分(g/L)：
磷酸氢二钾(K2HPO4)    2
磷酸二氢钾(KH2PO4)    2
氯化镁(MgCl2·7H2O)   0.2
硫酸铵[(NH4)2SO4]     10
硫酸亚铁(FeSO4·7H2O) 0.01
硫粉(S)               10
2)培养条件：温度28～32℃，180转/分
3)载体为水，加稀硫酸(或盐酸)调节pH＝2.0～3.0。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.从活性污泥中分离筛选到的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株(Acidithiobacillusthiooxidans)，能同时高效去除H2S和NH3混合恶臭气体，在废气处理生物过滤设施中，易获得最适宜的运行条件，使操作简单化。
2.该菌株为硫酸铵耐受性菌种，能忍受60g/L高浓度的硫酸铵，不至于发生产物抑制效应，而影响微生物的活性，从而保持长久的脱臭能力。
3.产生的硫酸铵[(NH4)2SO4]可回收利用，作为肥料生产的原料。
4.培养基组成成分和培养条件均较为简单，投资和运行成本低，容易实际运用。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
附图1  嗜酸氧化硫硫杆菌生物滤塔装置图
附图2  H2S去除率随运行时间的变化情况
附图3  NH3去除率随运行时间的变化情况
下述实施例中所用的分析测定方法为：
硫酸根离子用铬酸钡分光光度法测定。pH用PHS-3C酸度计测定。出口NH3含量用0.02mol·L-1H2SO4吸收10分钟，再用次氯酸钠-水杨酸分光光度法测定。出口H2S含量用气相色谱法分析(火焰光度检测器)。气化室温度、柱温、检测器温度分别为150℃、70℃、200℃。菌液浊度用可见分光光度计在660nm处测定。细胞质量采用干细胞质量(DCW)表示，660nm处一个单位的光密度相当于0.381g/DCW。
具体实施方式
实施例1  嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株生长温度的研究
使用SOB培养基，pH＝3.0，在温度15～55℃范围内培养，试验在温控室内的具有温控能力的摇床上进行。以硫氧化形成硫酸根离子的量以及培养液中pH变化来间接计算单质硫氧化情况以及细菌的生长状态，培养5天时的生长结果如表1所示。
                表1  CCW-Y2菌株在不同温度下的生长情况
  培养温度(℃)   15   22   28   30   35   40   45   50   55
  单质硫的氧化率(％)   24.21   51.22   77.96   78.67   53.23   21.06   12.65   5.24   2.47
由表1的数据可见，CCW-Y2菌株生长的最佳温度为28～30℃，是一种中温菌。低于15℃仍能生长，但高于55℃几乎不生长。
实施例2  嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株生长pH的研究
使用SOB培养基，温度30℃，在pH＝0.5～5.5范围内培养，试验在温控室内的具有温控能力的摇床上进行。以硫氧化形成硫酸根离子的量以及培养液中pH变化来间接计算单质硫氧化情况以及细菌的生长状态，培养5天时的生长结果如表2所示。
                    表2  CCW-Y2菌株在不同pH下的生长情况
  培养液pH   0.5   1.0   1.5   2.0   2.5   3.0   3.5   4.5   5.5
  单质硫的氧化率(％)   14.01   21.63   57.96   78.16   77.03   77.13   62.65   45.24   12.47
由表2的数据表明，CCW-Y2菌株在pH为0.5～5.5均能生长，生长的最适pH为2.0～3.0，是一种嗜酸菌。
实施例3  嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株耐硫酸铵的研究
使用一系列不同含量硫酸铵的SOB培养基，在温度30℃，pH＝2.5下培养，试验在温控室内的具有温控能力的摇床上进行。以比硫氧化速率(单位质量细胞DCW在单位时间内的硫氧化量)来考察单质硫氧化情况以及细菌的生长状态，培养5天时的生长结果如表3所示。
            表3  CCW-Y2菌株在不同硫酸铵浓度下的生长情况
硫酸铵浓度(g/L) 0.5 1.0 5 10 15 20 40 60 80 100
  比硫氧化速率(g S/g DCW·d)   2.20   2.28   2.36   3.06   2.97   2.52   1.73   1.26   0.01   0.00
由表3的数据可见，当硫酸铵浓度从0.5g/L上升到10g/L时，比硫氧化速率随之提高。但当硫酸铵浓度从15g/L上升到80g/L时，比硫氧化速率随浓度的增加而降低。说明高浓度的硫酸铵抑制了CCW-Y2菌株的硫氧化活性。然而，在硫酸铵浓度高达60g/L时，菌株的比硫氧化速率仍有1.26g S/g DCW·d。这表明CCW-Y2菌株可耐受60g/L的硫酸铵。
实施例4  嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株对H2S和NH3混合气体的去除研究
本实施例的微生物制备方法如下：
1)配制2L SOB-1培养基，培养基组分如下：磷酸氢二钾(K2HPO4)2g/L；磷酸二氢钾(KH2PO4)2g/L；氯化镁(MgCl2·7H2O)0.2g/L；硫酸铵[(NH4)2SO4]10g/L；硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)0.01g/L。
2)2L SOB-1培养基分装成5瓶(三角烧瓶)，每瓶400mL，121℃灭菌20分钟。
3)硫粉每包1g，先隔水蒸煮2小时，再在紫外灯下照射8小时。
4)将筛选出的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株(Acidithiobacillus thiooxidans)接种到SOB-1培养基中(接种量为体积比10％)，同时加入硫粉，使硫粉浓度为10g/L。30℃，180转/分下培养。
5)5天后将三角烧瓶取出，静置1～2分钟，待硫粉下沉后，分离出培养液，将培养液于8000转/分离心25分钟，收获的菌体细胞再悬浮于40mL不含硫的SOB-1培养基中，备用。
将上述制备好的微生物菌液接种到生物滤塔中，操作如下：
1)取普通废弃白瓷砖，将其粉碎成直径为7～11mm(平均直径9mm)，用蒸馏水洗涤干净后于121℃下灭菌20分钟，再于110℃恒温干燥半小时，备用。
2)将上述40mL含嗜酸氧化硫硫杆菌的菌液与82g陶瓷颗粒混合均匀，备用。
3)采用有机玻璃制作的生物滤塔(内径52mm，高353mm)，见图1。滤塔10内填充上述负载微生物菌液的陶瓷颗粒作为填料7。填充体积为0.32L，填充高度为18cm，填充密度为342.3g/L，生物量为4.31gDCW/kg载体。H2S从贮罐1，NH3气体从贮罐2，空气从压缩机5分别通过气体流量计3，在气体混合罐4中混合，再从生物滤塔10上部进入，形成进气6。处理后气体8从滤塔下部排出。渗滤液9从塔底排出。反应器运行稳定后空塔气速为140/h。操作温度为28℃。每天从滤器上部喷洒50mL灭菌蒸馏水，以维持载体湿度60％～70％，每周从滤器上部喷洒100mL灭菌SOB-1培养基。每隔3-5天，测定一次进、出口气体浓度。处理效果见图2和图3所示。
由图2和图3可见，接种了嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株(Acidithiobacillus thiooxidans)的生物滤塔对H2S和NH3均有较高的去除效率，尤其是H2S的去除效率更高，几乎达到100％。而且生物滤塔反应器在近两个月的运行中，去除效率一直较为平稳，表明嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株(Acidithiobacillus thiooxidans)适宜生物滤塔的环境条件，这为实际生产运用创造了前提条件。

Claims (5)

1.一种同时去除NH3和H2S恶臭气体的微生物，嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株(Acidithiobacillus thiooxidans)，其在中国微生物菌种包藏管理委员会普通微生物中心保藏，保藏编号为CGMCC No.2158。
2.根据权利要求1所述的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株(Acidithiobacillus thiooxidans)，其特征是(NH4)2SO4耐受型硫氧化细菌，可耐受高达60g/L的硫酸铵。
3.根据权利要求1所述的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株(Acidithiobacillus thiooxidans)的制备方法，其特征在于：
(1)增菌培养：将活性污泥(约3g干重)接种到SOB-1培养基(K2HPO4 2g/L，KH2PO42g/L，MgCl2·7H2O 0.2g/L，NH4Cl 0.4g/L，FeSO4·7H2O 0.01g/L，硫粉10g/L，pH自然)中，在30℃，180转/分下富集培养2周。
(2)纯化分离：当培养基pH降低到2或2以下时，转移接种到新鲜的SOB-1培养基中(接种量为体积比10％)。连续转移10次后，将培养物最终接种到平板SOB-2固体培养基中30℃下培养(SOB-2固体培养基与SOB-1培养基的不同之处，除了加了2％的琼脂外，10g/L的硫粉被16g/L的硫代硫酸钠取代，其余组分均相同)。
(3)驯化定向培育：平板分离物再培养在SOB-3培养基中(SOB-3培养基与SOB-1培养基的不同之处，在于NH4Cl被0.5-100g/L(NH4)2SO4取代，其余均相同)30℃，180转/分下培养。在培养期间，观察生物量、pH以及积累的硫酸盐浓度。选择培养基中(NH4)2SO4浓度高，生长良好，氧化速率高的菌种，最终分离出上述嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株。
4.根据权利要求1所述的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株(Acidithiobacillus thiooxidans)的制备方法，其特征在于将嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株在下述条件下培养：
(1)培养基的组成成分(g/L)：
磷酸氢二钾(K2HPO4)    2
磷酸二氢钾(KH2PO4)    2
氯化镁(MgCl2·7H2O)   0.2
硫酸铵[(NH4)2SO4]     10
硫酸亚铁(FeSO4·7H2O) 0.01
硫粉(S)               10
先将前5种矿物盐配制成溶液，硫粉每包1g，先隔水蒸煮2小时，再在紫外灯下照射8小时。在接种前，将硫粉加入到溶液中，混合。
(2)培养条件：温度28～32℃，150～180转/分
(3)载体为水，加稀硫酸(或盐酸)调节pH＝2.0～3.0。
(4)5天后将将培养容器取出，静置1～2分钟，待硫粉下沉后，分离出培养液，将培养液于8000转/分离心25分钟，收获的菌体细胞再悬浮于40mL不含硫的上述培养基中，即培养出上述嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌种。
5.根据权利要求1所述的嗜酸氧化硫硫杆菌CCW-Y2菌株(Acidithiobacillus thiooxidans)，其特征是菌种可接种到废气处理设施(如生物滤塔)中，可同时去除H2S和NH3混合恶臭气体。
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