CN101709278B - 高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法及其用途。它包括如下步骤：1)在带有搅拌、加热及曝气的反应装置中加入初始氨氮质量浓度为30-500mg/L的富集培养液，取污水处理厂活性污泥体积比为0.5-20％一次接种，进行亚硝化细菌富集培养，2-6d为1个培养周期，中间补加铵盐及生长促进剂；2)当溶液中NO₂ ^--N浓度累计达到总氮浓度的70～95％结束培养，添加絮凝剂进行絮凝沉淀，静置弃去上清液，再添加富集培养液进入第二周期的培养；3)连续进行3-8个周期的富集培养，获得高浓度亚硝化细菌。通过本发明培养的亚硝化细菌强化生物硝化处理含氨氮废水，具有抗逆性强、成本低、效率高的特点。适合于复杂的含氨氮工业废水的处理。

Description

高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法及其用途

技术领域

本发明涉及环境生物技术领域，尤其涉及一种高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法及其用途。

背景技术

氨氮污染可引起水生植物和藻类过度繁殖，恶化水质，是造成水体富营养化的重要因素。以亚硝化细菌为核心的生物硝化反应是利用硝化菌在好氧条件，将NH4+转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程，是水体净化中的重要环节。近年来，利用硝化细菌处理氨氮废水的生物脱氮工艺如短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等受到人们的青睐，但研究仅停留在试验室阶段。亚硝化菌的硝化作用是脱氮过程中决定反应速度的阶段，控制着硝化作用的整个过程。在实际工程应用中由于亚硝化细菌的生长优势无法得到较好的控制，效果不甚理想。通过添加培养的亚硝化细菌可以显著促进生物硝化反应，提高氨氮去除效果。目前市场上使用的硝化细菌以混合菌种为主，菌液浓度低，效果差，并以应用在养殖场为主，用于含氨氮工业废水处理方面的很少。CN101200687描述了一种一体化硝化菌培养与保藏的方法。虽然能够延长硝化菌的半衰期，但细菌浓度较低，不适用于氨氮废水的处理。CN 00808700.8公开了一种下水污泥或屎尿污泥等活性污泥中所含硝化细菌的培养方法。用于处理低浓度氨氮废水。CN200310112485.5公开了一种在好氧发酵器中布置软性纤维来收集硝化细菌的生产工艺，虽然软性纤维有利用硝化细菌的附着生长，但洗脱收集工作量大，不适合规模化生产。CN101205099描述了一种亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺。是一种两类细菌联合处理污水的方法，没有涉及高浓度亚硝化细菌的培养。CN 200710010383.0公开了一种采用活性污泥间歇式富集硝化细菌的方法。该方法是利用活性污泥的沉降性达到对菌的富集作用。虽然能够处理较高浓度的氨氮废水，但在实际培养中如果不添加有机物质，活性污泥存在降解的可能，如添加有机物质，则影响硝化细菌的生长，故也不适合规模化培养。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法及其用途。

高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法采用序批式进水结合絮凝沉淀富集菌体进行定向规模化培养，包括如下步骤：

1)在带有搅拌、加热及曝气的反应装置中加入初始氨氮质量浓度为30-500mg/L的富集培养液，取污水处理厂活性污泥体积比为0.5-20％一次接种，进行亚硝化细菌富集培养，2-6d为1个培养周期，中间补加铵盐及生长促进剂；

2)当溶液中NO₂ ^--N浓度累计达到总氮浓度的70～95％结束培养，添加絮凝剂进行絮凝沉淀，静置弃去上清液，再添加富集培养液进入第二周期的培养；

3)连续进行3-8个周期的富集培养，获得高浓度亚硝化细菌。

所述的高浓度亚硝化细菌采用普通稀释平板菌落计数法活体计数，亚硝化细菌密度为10^6-12CFU/ml。所述的富集培养的温度为27-34℃，pH值为7.5-8.5，溶解氧为1.5-6.5mg/L，搅拌转速为50-200r/min。优选培养温度为28-32℃，pH值为7.8-8.2，溶解氧为2.5-4.5mg/L，搅拌转速为80-180r/min。

所述的每升富集培养液的组成为：0.1-10.0g铵盐、0.1-5.0g KH₂PO₄或K₂HPO₄、0.1-5.0g Na₂HPO₄或NaH₂PO₄、0.05-5.0g MgSO₄·7H₂O、0.1-5.0gNaHCO₃和0.1-5.0g CaCO₃。所述的生长促进剂的组成为：20-500mg/L K⁺、100-1000mg/L Na⁺、10-200mg/L Mg₂ ⁺和1-50mg/L Fe₂ ⁺；其中K⁺以KH₂PO₄、K₂HPO₄，Na⁺以Na₂HPO₄、NaH₂PO₄、NaHCO₃，Mg₂ ⁺以MgSO₄·7H₂O，Fe₂ ⁺以MgSO₄·7H₂O的形式加入。所述的絮凝剂为无机絮凝剂、天然高分子絮凝剂或有机高分子絮凝剂；无机絮凝剂为硫酸铝、硫酸亚铁、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁或聚合氯化铁；天然高分子絮凝剂为壳聚糖或明胶；有机高分子絮凝剂为聚丙烯酰胺；絮凝剂添加量为5-500mg/L。所述的铵盐为碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵、尿素或磷酸氢二铵。

亚硝化细菌用于直接投加或固定于生物填料中处理各类含氨废水，特别是含氨氮的工业废水，氨氮有效容积去除负荷在0.3-1.6kg(NH₃-N)/m³d。

所述的生物填料为聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、陶粒或活性炭。所述的亚硝化细菌用于处理含氨氮工业废水，所述的工业废水的氨氮浓度小于1000mg/L，工业废水的COD_Cr浓度小于1000mg/L。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

(1)所制备的亚硝化菌浓度高，活性好，所用培养方法适用于规模化生产；

(2)显著提高氨氮去除效率，适合于复杂的含氨氮工业废水的处理；

(3)可实现短程硝化-反硝化脱氮；与厌氧氨氧化结合，可实现亚硝化-厌氧氨氧化脱氮，与传统工艺相比，具有显著的节能效益。

附图说明

图1是亚硝化菌1、2周期富集培养中氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐的变化情况，

▲NH₄ ⁺-N质量浓度，■NO₂ ^--N质量浓度，○NO₃ ^--N质量浓度；

图2是亚硝化菌经6周期富集培养的氨氮去除容积负荷变化情况，

图3是试验装置示意图，蠕动泵1、气泵2、阀门3、曝气头4、填料5；

图4是抗生素医药废水好氧生化出水强化生物硝化试验结果，

◆NH₄ ⁺-N质量浓度，■NO₂ ^--N质量浓度，▲TN质量浓度；

具体实施方式

实施例1亚硝化细菌的定向富集培养(一)

实验用亚硝化菌的富集培养使用10L的玻璃罐简易培养装置，配装小型搅拌设备，曝气头通入罐底以提供氧气。加入初始氨氮质量浓度为100mg/L的富集培养液，取污水处理厂体积比为20％活性污泥一次接种，控制富集培养温度为29℃，pH值为8.1，溶解氧为3.5mg/L，搅拌转速为120r/min。富集培养液成分为每升水含1.0g NH₄HCO₃、0.5g KH₂PO₄、1.0g Na₂HPO₄、0.4g MgSO₄·7H₂O、1.0g NaHCO₃和0.5g CaCO₃。培养中期补加1g/L NH₄HCO₃及生长促进剂0.5g/L KH₂PO₄、1g/L Na₂HPO₄、0.5g/L MgSO₄·7H₂O、0.1g/L FeSO₄·7H₂O，待培养3d当溶液中NO₂ ^--N浓度累计达到总氮浓度的95％结束培养，加100mg/L聚合氯化铝絮凝富集菌体后，静置弃去上清液，加入富集培养液进入第2周期的培养，以此类推连续进行6个周期的培养，氨氮初始浓度从150mg/L逐批增加至650mg/L。第1、2周期的氨氮降解和亚硝酸、硝酸盐积累情况(见图1)。硝化作用理想，亚硝酸盐积累达300mg/L，硝酸盐的浓度基本在20mg/L以下，整个过程亚硝化作用占绝对优势，亚硝化菌得到富集培养。后4周期培养过程中氨氮降解和亚硝酸盐积累规律类同前2周期。在经过连续6周期的培养后，氨氮去除负荷得到显著提高，从0.105kg/m³d增加到1.025kg/m³d(见图2)。细菌涂板活体培养结果表明，亚硝化菌得到高效富集，浓度从原来的10⁵CFU/ml提高到10¹²CFU/ml。

实施例2亚硝化细菌的定向富集培养(二)

实验用亚硝化菌的富集培养使用10L的玻璃罐简易培养装置，配装小型搅拌设备，曝气头通入罐底以提供氧气。加入初始氨氮质量浓度为30mg/L的富集培养液，取污水处理厂体积比为0.5％活性污泥一次接种，控制富集培养温度为27℃，pH值为7.5，溶解氧为1.5mg/L，搅拌转速为50r/min。富集培养液成分为每升水含0.1g NH₄Cl、0.1g K₂HPO₄、0.1g NaH₂PO₄、0.05g MgSO₄·7H₂O、0.1g NaHCO₃和0.1g CaCO₃。中间补加NH₄Cl 0.5g/L及生长促进剂0.05g/LK₂HPO₄，0.5g/L NaH₂PO₄，0.1g/L MgSO₄·7H₂O，0.01g/L FeSO₄·7H₂O，待培养2d当溶液中NO₂ ^--N浓度累计达到总氮浓度的85％结束培养，停止培养，加500mg/L壳聚糖和5mg/L聚合硫酸铁絮凝富集菌体后，弃去上清液，加入富集培养液进入第2周期的培养，以此类推进行5周期的培养，氨氮初始浓度从30mg/L逐批增加至550mg/L。每批次硝化作用理想，氨氮不断降解，亚硝酸盐积累达400mg/L，硝酸盐的浓度基本在30mg/L以下，整个过程亚硝化作用占绝对优势，亚硝化菌得到富集培养。在经过连续5周期的培养后，氨氮去除负荷得到显著提高，从0.055kg/m³d增加到0.410kg/m³d。细菌涂板活体培养结果表明，亚硝化菌得到高效富集，浓度从原来的10³CFU/ml提高到10⁶CFU/ml。

实施例3亚硝化细菌的定向富集培养(三)

实验用亚硝化菌的富集培养使用10L的玻璃罐简易培养装置，配装小型搅拌设备，曝气头通入罐底以提供氧气。加入初始氨氮质量浓度为200mg/L的富集培养液，取污水处理厂体积比为20％活性污泥一次接种，控制富集培养温度为32℃，pH值为8.0，溶解氧为3.5mg/L，搅拌转速为100r/min。富集培养液成分为每升水含1g(NH₄)₂SO₄、2g K₂HPO₄、1g NaH₂PO₄、0.5g MgSO₄·7H₂O、2g NaHCO₃和2g CaCO₃。中间补加(NH₄)₂SO₄1g/L及生长促进剂1.0g/LK₂HPO₄，1g/LNaH₂PO₄，1g/LMgSO₄·7H₂O，0.5g/L FeSO₄·7H₂O，待培养3d当溶液中NO₂ ^--N浓度累计达到总氮浓度的90％结束培养，停止培养，加50mg/L硫酸亚铁和5mg/L聚丙烯酰胺絮凝富集菌体后，弃去上清液，加入富集培养液进入第2周期的培养，以此类推进行5周期的培养，氨氮初始浓度从200mg/L逐批增加至750mg/L。每批次硝化作用理想，氨氮不断降解，亚硝酸盐积累达550mg/L，硝酸盐的浓度基本在40mg/L以下，整个过程亚硝化作用占绝对优势，亚硝化菌得到富集培养。在经过连续5周期的培养后，氨氮去除负荷得到显著提高，从0.155kg/m³d增加到0.856kg/m³d。细菌涂板活体培养结果表明，亚硝化菌得到高效富集，浓度从原来的10⁴CFU/ml提高到10¹¹CFU/ml。

实施例4亚硝化细菌的定向富集培养(四)

实验用亚硝化菌的富集培养使用10L的玻璃罐简易培养装置，配装小型搅拌设备，曝气头通入罐底以提供氧气。加入初始氨氮质量浓度为500mg/L的富集培养液，取污水处理厂体积比为20％活性污泥一次接种，控制富集培养温度为34℃，pH值为8.5，溶解氧为6.5mg/L，搅拌转速为200r/min。富集培养液成分为每升水含10g尿素、5g K₂HPO₄、5g NaH₂PO₄、5g MgSO₄·7H₂O、5g

NaHCO₃和5g CaCO₃。中间补加尿素2g/L及生长促进剂1.8g/L KH₂PO₄，3g/LNa₂HPO₄，2g/L MgSO₄·7H₂O，0.5g/L FeSO₄·7H₂O，待培养6d当溶液中NO₂ ^--N浓度累计达到总氮浓度的70％结束培养，停止培养，加50mg/L硫酸铝和200mg/L明胶絮凝富集菌体后，弃去上清液，加入富集培养液进入第2周期的培养，以此类推进行3周期的培养，氨氮初始浓度从500mg/L逐批增加至1200mg/L。每批次硝化作用理想，氨氮不断降解，亚硝酸盐积累达950mg/L，硝酸盐的浓度基本在50mg/L以下，整个过程亚硝化作用占绝对优势，亚硝化菌得到富集培养。在经过连续3周期的培养后，氨氮去除负荷得到显著提高，从0.255kg/m³d增加到0.556kg/m³d。细菌涂板活体培养结果表明，亚硝化菌得到高效富集，浓度从原来的10⁵CFU/ml提高到10⁹CFU/ml。

实施例5亚硝化细菌的定向富集培养(五)

实验用亚硝化菌的富集培养使用10L的玻璃罐简易培养装置，配装小型搅拌设备，曝气头通入罐底以提供氧气。加入初始氨氮质量浓度为300mg/L的富集培养液，取污水处理厂体积比为10％活性污泥一次接种，控制富集培养温度为30℃，pH值为7.8，溶解氧为3.5mg/L，搅拌转速为80r/min。富集培养液成分为每升水含1g(NH₄)₂HPO₄、1.0g K₂HPO₄、2.0g NaH₂PO₄、1.5g MgSO₄·7H₂O、1.5g NaHCO₃和2.5g CaCO₃。中间补加2g/L(NH₄)₂HPO₄及生长促进剂1.0g/L K₂HPO₄，1.5g/L NaH₂PO₄，1.5g/LMgSO₄·7H₂O，0.3g/L FeSO₄·7H₂O，待培养3d当溶液中NO₂ ^--N浓度累计达到总氮浓度的70％结束培养，停止培养，加聚合氯化铁200mg/L絮凝富集菌体后，弃去上清液，加入富集培养液进入第2周期的培养，以此类推进行4周期的培养，氨氮初始浓度从30mg/L逐批增加至550mg/L。每批次硝化作用理想，氨氮不断降解，亚硝酸盐积累达450mg/L，硝酸盐的浓度基本在40mg/L以下，整个过程亚硝化作用占绝对优势，亚硝化菌得到富集培养。在经过连续4周期的培养后，氨氮去除负荷得到显著提高，从0.055kg/m³d增加到0.456kg/m³d。细菌涂板活体培养结果表明，亚硝化菌得到高效富集，浓度从原来的10⁴CFU/ml提高到10⁸CFU/ml。

实施例6亚硝化细菌强化生物硝化处理苯胺废水

苯胺类工业废水具有污染物结构复杂、浓度高、不易生物降解、生物毒性大等特点，一直是废水处理的难点。已有的工程处理试验表明，对这类废水的好氧生化处理效果差，COD_Cr和氨氮的去除率低。现采用硝化细菌强化生物脱氮工艺对苯胺好氧生化出水进行深度处理，取得良好效果。方法是将高浓度亚硝化细菌添加到装有聚丙烯载体的5L有机玻璃容器中进行强化生物挂膜，装置见图3。添加富集培养液，培养2d后，进苯胺废水好氧生化池出水，水力停留时间12-14h，水温28℃，连续进水9d，试验取得了理想的效果(见表1)。废水经过强化生物硝化作用后，大部分氨氮快速被转化为亚硝酸盐，进水12h后，出水氨氮降至26.1mg/L，并一直保持在30mg/L以下，氨氮去除率达到85％以上，氨氮容积去除负荷达到0.42kg/m³d，出水氨氮直接达到地方纳管标准。同时，总氮亦有所下降，说明该装置中还发生了反硝化脱氮作用。

表1苯胺废水生化出水强化生物硝化试验结果

实施例7亚硝化细菌强化生物膜法处理医药废水

将高浓度亚硝化细菌添加到装有聚氨酯载体的5L有机玻璃容器中进行强化生物挂膜，添加富集培养液，培养3d后，对抗生素医药废水好氧生化出水(取自浙江某药厂)进行深度处理，进水水质：COD_Cr 455mg/L，NH₄ ⁺-N 143mg/L，pH 7.5。水力停留时间15h，水温25℃，连续进水10d，试验取得了理想的效果(见图4)。出水氨氮降至17.6mg/L，并一直保持在20mg/L以下，氨氮去除率达到85％以上，氨氮容积去除负荷达到0.25kg/m³d，出水氨氮直接达到地方纳管标准

实施例8亚硝化细菌强化生物膜法处理高浓度畜禽废水

将高浓度亚硝化细菌添加到装有聚乙烯载体的5L有机玻璃容器中进行强化生物挂膜，添加富集培养液，继续培养6d，期间更换培养液1-3次，取畜禽废水的厌氧出水连续进样试验，进水水质：COD_Cr 635mg/L，NH₄ ⁺-N 583mg/L，pH 7.5。水力停留时间前期为24h，后期逐步缩短到8h，水温28℃，连续进水14d，试验取得了理想的效果(见表2)。出水氨氮降至37.6mg/L，并一直保持在50mg/L以下，氨氮去除率达到90％以上，氨氮容积去除负荷达到1.62kg/m³d，出水氨氮直接达到地方纳管标准。

表2畜禽废水厌氧出水强化生物硝化试验结果

实施例9亚硝化细菌强化的活性污泥法处理含氨氮废水

将吸附高浓度亚硝化细菌的活性炭直接投加到某制革含氨氮废水好氧生化池中，投加量为池容量的0.1％，氨氮去除效果提高了60％以上，原出水NH₄ ⁺-N80mg/L，投加菌种后出水NH₄ ⁺-N降至30mg/L以下，硝化作用提升明显。

Claims (4)

1.一种高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法，其特征在于采用序批式进水结合絮凝沉淀富集菌体进行定向规模化培养，包括如下步骤：

1)在带有搅拌、加热及曝气的反应装置中加入初始氨氮质量浓度为30-500mg/L的富集培养液，取污水处理厂活性污泥体积比为0.5-20％一次接种，进行亚硝化细菌富集培养，2-6d为1个培养周期，中间补加铵盐及生长促进剂；

2)当溶液中NO₂ ^--N浓度累计达到总氮浓度的70～95％结束培养，添加絮凝剂进行絮凝沉淀，静置弃去上清液，再添加富集培养液进入第二周期的培养；

3)连续进行3-8个周期的富集培养，获得高浓度亚硝化细菌；

所述的每升富集培养液的组成为：0.1-10.0g铵盐、0.1-5.0g KH₂PO₄或K₂HPO₄、0.1-5.0g Na₂HPO₄或NaH₂PO₄、0.05-5.0g MgSO₄·7H₂O、0.1-5.0gNaHCO₃和0.1-5.0g CaCO₃；所添加的生长促进剂的组成为：20-500mg/L K⁺、100-1000mg/L Na⁺、10-200mg/L Mg₂ ⁺和1-50mg/L Fe₂ ⁺；其中K⁺以KH₂PO₄、K₂HPO₄，Na⁺以Na₂HPO₄、NaH₂PO₄、NaHCO₃，Mg₂ ⁺以MgSO₄·7H₂O，Fe₂ ⁺以MgSO₄·7H₂O的形式加入；所述的絮凝剂为无机絮凝剂、天然高分子絮凝剂或有机高分子絮凝剂；无机絮凝剂为硫酸铝、硫酸亚铁、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁或聚合氯化铁；天然高分子絮凝剂为壳聚糖或明胶；有机高分子絮凝剂为聚丙烯酰胺；絮凝剂添加量为5-500mg/L。

2.根据权利要求1所述的一种高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法，其特征在于，所述的高浓度亚硝化细菌采用普通稀释平板菌落计数法活体计数，亚硝化细菌密度为10^6-12CFU/ml。

3.根据权利要求1所述的一种高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法，其特征在于，所述的富集培养的温度为27-34℃，pH值为7.5-8.5，溶解氧为1.5-5.5mg/L，搅拌转速为50-200r/min，培养温度为28-32℃，pH值为7.8-8.2，溶解氧为2.5-4.5mg/L，搅拌转速为80-180r/min。

4.根据权利要求1所述的一种高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法，其特征在于，所述的铵盐为碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵、尿素或磷酸氢二铵。

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