CN102260634A - 一株高效甲醛降解菌及其用途和使用方法 - Google Patents
一株高效甲醛降解菌及其用途和使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一株高效甲醛降解菌及其用途和使用方法。本发明高效甲醛降解菌，代号为BZ-001H，经鉴定为蜡状芽孢杆菌Bacilluscereus，于2010年3月22日在中国菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，保藏号为：CGMCCNo.3685；该菌可应用于高浓度甲醛废水处理与甲醛突发污染事故应急处理。具有对高浓度甲醛降解速度快、耐受能力强、无二次污染、使用安全，对原有污水处理系统中微生物无不良影响等优点。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一株能快速降解甲醛的高效降解菌及其在高浓度甲醛废水生物处理与甲醛突发污染事故应急处理中的应用。
背景技术
甲醛是一种重要的化工原料，在塑料、纺织、合成纤维、染料等行业中使用广泛，是相关工业排放废水中的主要有害污染物和最常见的水体污染物。目前甲醛废水的处理主要有Fenton法、光催化氧化法、湿式氧化处理等高级氧化技术，二氧化氯法、蒸汽吹脱、氧化-吸附等物化处理方法以及生物处理法等，其中物理化学处理法存在着处理费用高、操作复杂和存在二次污染等缺点，生物处理法中高浓度的甲醛对微生物具有很强的抑制作用，也存在着处理浓度低、抗冲击性能弱等弊端。而通过投加高效优势菌进行降解的生物强化技术在解决这些弊端方面存在着极大的优势，目前已经在许多菌属中发现了能够降解甲醛的微生物，如：str9甲醛降解菌，在培养36h内对2.18 mg/L甲醛的去除率为71.64%；甲醛降解真菌BDF001能在8h内完全降解350mg/L的甲醛，每克干菌丝每小时降解14.3 mg的甲醛，BDF001和BDF002最高耐受浓度分别为6000 mg/L和3500 mg/L；菌株OSS对3700 mg/L甲醛废水的降解需要24h，而对于含5920 mg/L浓度的甲醛废水，72 h内的去除率为70%，无法降解完全（杨郁,金志华,李宁慧,金飞玲,黄翔和. 一株利用微生物降解甲醛的方法[P]. 中国专利:200910099963.0,2009-06-29；Ayako S, Ryuzoh I, Eiichi T, Taketoshi Y, Takashi O, Hidehito N. A Novel formaldehyde-degrading fungus, trichoderma virens: isolation and some properties[J]. The institute of electronics, information and communication engineers, 2005,105 (465): 7~13；Mirdamadi S, Rajabi A, Khalilzadeh P, Norozian D, Akbarzade A, Mohseni FA. Isolation of bacteria able to metabolize high concentrations of formaldehyde[J]. World Journal of Microbiology & Biotechnology, 2005, 21 (6~7): 1299~1301）。综合目前相关研究成果与进展，现有的菌种存在着耐受浓度低、处理速度慢、抗冲击性能差等缺点。因此，优良菌种是高浓度甲醛废水生物处理的关键。
此外，甲醛在生产和使用过程中由于工艺和操作原因到自豪污染事故频发，据不完全统计，2009年1到9月间全国发生的甲醛泄漏和爆炸事故就高达10余起，短时间内即产生大量高浓度的甲醛废液，处理不当就会严重污染周边环境。国家明确规定（安监总危化[2006]10号）化工企业必须设有事故池或缓冲池等事故状态下“清净下水”的收集、处置措施。然而，高浓度甲醛废液得到有效隔离与拦截后，仍需进行快速安全的处理处置，目前应急处理大多采用活性炭吸附或物化处理等方法，但存在处理浓度低、处理速度慢、二次污染等问题。因此，如何利用污染事故发生地工厂废水处理站与工业园区污水处理厂巨大的污染净化处理容量与能力，强化快速应急处理污染事故产生的高浓度甲醛废液，以达到“空间换时间”的目的，成为污染事故应急处理技术研发的重点。其中，强化污水处理厂生物处理单元处理效率，甲醛高效降解菌种是关键。
发明内容
本发明的目的是针对各行业生产过程及甲醛污染事故所产生的高浓度甲醛废液具有生物毒性大、微生物降解难、降解速率慢等问题，提供一株能快速降解高浓度甲醛的高效降解菌及其应用于甲醛废水处理以及甲醛突发污染事故应急处理的技术。
本发明所提供的高效菌BZ-001H系从污水活性污泥中，经富集筛选、纯化、定向驯化所得。该菌株能够以甲醛为唯一碳源、氮源和能源生长。该菌株鉴定为：蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus，于2010年月3月22日在中国菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，保藏号为：CGMCC No.3685。该菌为革兰氏阳性杆菌，形成芽胞，菌落为灰白色、不透明，表面粗糙，边缘常呈扩展状，菌体两端较平，抗溶菌酶和过氧化氢酶阳性，能利用葡萄糖，硝酸盐还原阳性。
BZ-001H菌用于高浓度甲醛废水的生物强化处理，在纯培养条件下降解8000mg/L甲醛14h，出水低于《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准中甲醛1mg/L的标准，可快速降解500-8000mg/L的高浓度甲醛。结合常规活性污泥污水处理系统，以BZ-001H为功能菌株，将其按0.1‰~0.3‰（菌体干重）接种量添加于活性污泥系统，应急处理甲醛突发污染事故产生的4000 ~8000 mg/L甲醛，BZ-001H强化的应急处理系统可在常规污水处理水力停留时间6~14小时内高效去除甲醛，达到国家规定的甲醛相关排放标准。应急处理过程对强化应急处理系统的影响实验结果显示，用BZ-001H菌强化应急处理系统后不仅能快速高效的去除甲醛、提高处理系统对污染物的净化性能，而且可以有效降低高浓度甲醛废液对处理系统的冲击。
本发明具有以下优点：
1、功能菌株BZ-001H对高浓度甲醛耐受能力强、降解速度快，对8000mg/L以内的甲醛能够快速的降解完全，对12000mg/L以上的甲醛也具有一定降解效果（对12000mg/L和16000mg/L甲醛废液，36小时降解率分别为77.54%和54.31%）。
2、针对突发污染事故产生的高浓度甲醛废液，充分利用污染事故发生地工厂废水处理站与工业园区污水处理厂巨大的污染净化处理容量与能力，添加甲醛高效降解菌强化应急处理污染事故，具有操作简便、快速安全、无二次污染等特征。
3、甲醛高效降解菌发酵培养方式简单，降解4000~8000mg/L甲醛所需水力停留时间为6~14小时，这与生活污水、工业废水生物处理停留时间基本吻合，且其使用安全，对原有处理系统中微生物及处理效果不会造成不良影响。
具体实施方式
实施例1：甲醛降解菌BZ-001H的筛选分离，驯化及处理甲醛废水
采集成都第一污水处理厂好氧池活性污泥，按10%接种量接种于100ml选择培养基中(0.05%)的甲醛，进行平板划线分离纯化，筛选得到能利用甲醛作为碳源生长的菌株。菌种的驯化采用逐步提高培养基中甲醛浓度的定向间断驯化方法。
合成培养基(MSB)：每1L含Na2HPO4 2g，KH2PO4 0.5g，MgSO4·7H2O 0.3 g，（NH4）2SO4 0.5 g，微量元素溶液5mL，甲醛1g。固体培养基中加入15 g/L的琼脂粉。
污泥样经过富集培养后，得到混合的微生物培养物，它可以以甲醛为唯一的碳源和能力生长，将上述混合培养物通过提高甲醛浓度进行多次定向驯化，分离得到一株高效的甲醛降解菌株，命名为BZ-001H。菌株BZ-001H在LB培养基平板上培养24小时后，形成灰白色、不透明，表面粗糙，边缘常呈扩展状，直径为3-5mm的菌落；革兰氏阳性杆菌，大小为1-1.3×3-5μm，形成芽胞，菌体两端较平，抗溶菌酶和过氧化氢酶阳性，能利用葡萄糖，硝酸盐还原阳性。
将菌株BZ-001H的16SrRNA基因测序结果登录GenBank，并用BLAST与GenBank中的16SrRNA基因序列进行同源比较，发现菌株BZ-001H的16S rRNA基因与Bacillus cereus 的16SrRNA基因序列同源性最高，为99%。因此，结合形态、生理生化指标和16SrDNA基因序列分析，初步鉴定BZ-001H为Bacillus cereus。
以细菌16SrDNA 的通用引物：
正向引物为8F：5′-AGAGTTTGATCCATGGCTCAG-3′
反向引物1541R：5′-AAGGAGGTGATCCAGCCGCA-3′
AGAGTTTGATCCATGGCTCAGGATGAACGCTGGCGGCGTGCCTAATACATGCAAGTCGAGCGAATGGATTAAGAGCTTGCTCTTATGAAGTTAGCGGCGGACGGGTGAGTAACACGTGGGTAACCTGCCCATAAGACTGGGATAACTCCGGGAAACCGGGGCTAATACCGGATAATATTTTGAACCGCATGGTTCGAAATTGAAAGGCGGCTTCGGCTGTCACTTATGGATGGACCCGCGTCGCATTAGCTAGTTGGTGAGGTAACGGCTCACCAAGGCAACGATGCGTAGCCGACCTGAGAGGGTGATCGGCCACACTGGGACTGAGACACGGCCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCAGTAGGGAATCTTCCGCAATGGACGAAAGTCTGACGGAGCAACGCCGCGTGAGTGATGAAGGCTTTCGGGTCGTAAAACTCTGTTGTTAGGGAAGAACAAGTGCTAGTTGAATAAGCTGGCACCTTGACGGTACCTAACCAGAAAGCCACGGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGTAGGTGGCAAGCGTTATCCGGAATTATTGGGCGTAAAGCGCGCGCAGGTGGTTTCTTAAGTCTGATGTGAAAGCCCACGGCTCAACCGTGGAGGGTCATTGGAAACTGGGAGACTTGAGTGCAGAAGAGGAAAGTGGAATTCCATGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATATGGAGGAACACCagtggcgaaggcgactttctggtctgtaactgacactgaggcgcgaaagcgtggggagcaaacaggattagataccctggtagtccacgccgtaaacgatgagtgctaagtgttagagggtttccgccctttagtgctgaagttaacgcattaagcactccgcctggggagtacggccgcaaggctgaaactcaaaggaattgacgggggcccgcacaagcggcggagcatgtggtttaattcgaagcaacgcgaagaaccttaccaggtcttgacatcctctgacaaccctagagataggacttctccttcgggagcagagtgacaggtggtgcatggttgtcgtcagctcgtgtcgtgagatgttgggttaagtcccgcaacgagcgcaacccttgatcttagttgccatcatttagttgggcactctaaggtgactgccggtgacaaaccggaggaaggtggggatgacgtcaaatcatcatgccccttatgacctgggctacacacgtgctacaatggacggtacaaagagctgcaagaccgcgaggtggagctaatctcataaaaccgttctcagttcggattgtaggctgcaactcgcctacatgaagctggaatcgctagtaatcgcggatcagcatgccgcggtgaatacgttcccgggccttgtacacaccgcccgtcacaccacgagagtttgtaacacccgaagtcggtggggtaacctttttggagccagccgcctaaggtgggacagatgattggggtgaagtcgtaacaaggtagccgtatcggaaggtgcggctggatcacctcctt 。
BZ-001H的甲醛定向间断驯化一共进行了71个周期，如表1所示，选择培养基中的甲醛浓度逐步由900 mg/L提高至10000mg/L，每个驯化周期内出水的COD去除率维持在90%左右，最后选育获得一株甲醛高强度降解菌株。
将该菌以0.3‰接种量（以细胞干重计）接入含2000mg/L、4000mg/L、8000 mg/L的甲醛模拟废水中（MSB培养基中添加甲醛），在pH7、30℃、160r/min培养，分别每隔0.5h、1h、2h取样测定甲醛含量，如表2所示，测定结果表明分别通过2.5h、6h、14h降解，甲醛去除率都大于99.9%，出水甲醛分别为未检出、0.29、0.86mg/L，出水水质满足《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准中甲醛排放标准。
实施例2：BZ-001H不同接种量强化处理系统处理高浓度甲醛废液
将BZ-001H菌株扩充培养后，按照不同接种量（以菌种细胞干重计）梯度（0.05‰、0.1‰、0.2‰、0.3‰、0.5‰、0.7‰）接种BZ-001H菌株到在常规活性污泥处理系统（MLSS=2 000 ±100 mg/L）中构建强化处理系统，以生活污水中加入4356.7mg/L的甲醛配成突发污染事故模拟废液，30 ℃，160 rmin-1摇床培养，6h后取样测定甲醛降解情况以确定最佳接种量。
表3的结果表明，BZ-001H对4356.7mg/L甲醛的降解情况，经过6h时的降解，接种量为0.3‰、0.5‰、0.7‰的废液中甲醛的去除率均在95%以上，差距不大，而0.2‰时的降解率为88.7%，故出于经济与应用角度考虑最佳接种量定为0.3‰。
实施例3：pH对BZ-001H强化处理系统处理甲醛废液的影响
在常规活性污泥处理系统（MLSS=2000 ±100 mg/L）中接种0.3‰BZ-001H菌株(以细胞干重计)构建强化处理系统，以生活污水中加入一定量的甲醛配成2000 mg/L、4000 mg/L、8000 mg/L的甲醛突发污染事故模拟废液，模拟实验分两组，一组为维持处理系统自身的pH变化的对照处理系统，第二组为每隔0.5h用10% NaOH溶液调节处理系统的pH为6.0-8.0的调节系统，处理系统编号分别为1、2，30 ℃，160r/min摇床培养，分别每隔0.5h、1h、2h取样测定各处理系统中的pH值和其中的甲醛含量。
结果表明，在强化处理系统中pH的控制对甲醛降解的影响较大，如表4所示：在处理2000mg/L，4000mg/L，8000 mg/L浓度甲醛时，2号调控系统比1号参照系统在相同条件下对甲醛的去除率有大幅提升，调控系统在2.5 h.、6 h、14 h内对模拟甲醛废液的去除率都大于99%，而相同条件下参照系统的去除率为仅为79.42%、39.65%和20.27%。而且浓度越高时，两个处理系统之间的差别越明显，表明BZ-001H在处理甲醛尤其是高浓度甲醛过程中，对处理系统pH的控制有利于提高降解率和降解速度。
实施例4：BZ-001H模拟应急处理甲醛突发污染事故废液
向生活污水中加入一定浓度（2000 mg/L、4000 mg/L、8000 mg/L）甲醛配成模拟废液，模拟突发污染事故后甲醛进入排水管网冲击污水生物处理系统的场景。模拟实验分两组，一组为常规活性污泥处理系统（MLSS=2 000±100mg/L），第二组为接种0.3‰（菌种细胞干重）BZ-001H菌株进行强化的生物强化处理系统（MLSS=2 000±100 mg/L），反应器编号分别为1、2。30 ℃，初始为自然pH，160r/min摇床培养，降解过程间隔0.5h用10%NaOH溶液调节处理系统的pH值至6.0-8.0左右，分别每隔0.5h，1h，2h取样测定2000mg/L，4000mg/L，8000mg/L处理系统中的甲醛含量，处理结果如表5所示。
表5的结果表明，对于含2035.67 mg/L 、4155.63 mg/L 、8099.27 mg/L的甲醛废液，1号常规活性污泥系统对甲醛基本无去除，在2.5 h、6 h和14 h内的去除率分别只有3.84%、7.88%和4.65%，而用BZ-001H进行强化的2号应急处理系统，在相同时间内的去除率都能达到99%以上，出水甲醛浓度分别为未检出、0.56 mg/L和0.73 mg/L，小于《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准中甲醛1 mg/L的标准。
与已报道的菌株相比，极大的提高了生物处理系统对甲醛的耐受浓度和高浓度甲醛废水的处理速度，4000 mg/L、8000 mg/L的降解速度分别为2222.32 mg/h﹒g和1904.76 mg/h﹒g（以菌体干重计）较已报道的水平有了大幅度提高。BZ-001H菌株基本满足应急处理甲醛废液要求处理浓度高、速度快的特点，可以用于应急处理甲醛突发污染事故。
实施例5：基于SBR工艺的甲醛污染事故废液应急处理
构建常规SBR系统，反应器编号为1，有效容积2000mL，汽水比32：1（溶解氧3-5 mg/L），MLSS=2 000±100 mg/L，2号为向常规SBR系统中接种0.3‰（干重）功能菌BZ-001H悬液构建成的应急SBR系统。向生活污水中加入4000mg/L的甲醛构建高浓度模拟废液,25 ℃，运行周期为10 h（曝气8 h，静置1 h，进水1 h），稳定运行10周期后，分别加入高浓度甲醛模拟废液到1、2号SBR反应器，应急处理过程中每隔1h取样测定甲醛含量，检测结果如表6所示。应急处理结束后，恢复SBR工艺正常运行，连续监测10周期考察出水COD、氨氮，检测结果如表6所示。
如表6所示，应急处理前10个周期，1号、2号SBR反应器COD和氨氮去除效果良好，出水达到《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)一级标准。在应急处理过程中，如表7 所示，甲醛的检测结果表明，经过8h的降解，2号应急处理系统中的甲醛含量为0.57mg/L，去除率大于99.9%，小于《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准中甲醛1mg/L的标准，而1号常规处理系统的去除率仅为6.63%，甲醛浓度为3936.70 mg/L。
应急处理结束恢复正常运行后，应急处理系统在第2和第6个周期分别恢复COD和氨氮达标排放（表6所示），常规处理系统恢复COD的达标排放需要到第7个周期，而直到第10个周期仍未能恢复氨氮的达标排放，去除率仅为18.82%。表明用BZ-001H菌强化应急处理系统后不仅能快速高效的去除甲醛、提高处理系统对污染物的净化性能，而且可以有效降低高浓度事故甲醛废液对处理系统的冲击。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一株高效甲醛降解菌，代号为BZ-001H，经鉴定为蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus，于2010年3月22日在中国菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，保藏号为：CGMCC No.3685；该菌为革兰氏阳性杆菌，形成芽胞，菌落为灰白色、不透明，表面粗糙，边缘常呈扩展状，菌体两端较平，抗溶菌酶和过氧化氢酶阳性，能利用葡萄糖，硝酸盐还原阳性。
2.培养权利要求1所述甲醛降解菌的方法为：
培养基成分：每1L培养基含Na2HPO4 2g，KH2PO4 0.5g，MgSO4·7H2O 0.3 g，（NH4）2SO4 0.5 g，微量元素溶液5mL，甲醛1.2g，固体培养基中加入15 g/L的琼脂粉；
培养方法：采用上述培养基，对菌种进行活化，活化培养条件为30℃，pH 6-8，摇床160r/min活化24小时；按1-10%接种量扩大发酵培养，培养温度为25-35℃，摇床转速为160r/min，发酵48-72小时。
3.权利要求1所述的高效甲醛降解菌的用途：应用于甲醛废水处理或甲醛突发污染事故应急处理。
4.权利要求1所述的高效甲醛降解菌的使用方法为：处理高浓度甲醛废水时，以菌体干重计，按接种量0.1‰~0.3‰投加BZ-001H菌剂到已运行的甲醛废水生物处理系统中，调整水力停留时间6~14小时，处理过程中调节处理系统的pH为6.0-8.0左右；应急处理甲醛突发污染事故时，以菌体干重计，按接种量0.1‰~0.3‰往处理系统中接入BZ-001H菌剂，曝气维持处理系统中溶解氧3-6mg/L，调整水力停留时间6~14小时，处理过程中调节处理系统的pH为6.0-8.0。
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