CN102311918B - 一种亚硝化优势菌群的培养方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚硝化优势菌群的培养方法，包括以下三个培养阶段：第一阶段：富集亚硝酸菌和硝酸菌的混合菌群；第二阶段：采用高温培养与常温培养交替进行的方法，进行硝酸菌淘洗，逐渐提高亚硝酸菌的优势地位，至亚硝化率大于50％时转入第三阶段培养；第三阶段：改变溶解氧和pH条件进行硝酸菌的进一步淘洗和亚硝酸菌的稳定性驯化，直到在亚硝化率稳定在65％以上，结束一个周期的培养，获得亚硝化菌占优势的菌群，然后进行保藏备用。本发明方法解决短程硝化在实际应用中遇到的不稳定等难题，同时能缩短硝化过程的启动时间，能快速改变硝化反应进程，能拓展短程硝化的应用范围，为短程硝化工艺真正应用到实际工程中提供了保障。

Description

一种亚硝化优势菌群的培养方法

技术领域

本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种亚硝化优势菌群的培养方法。

背景技术

废水的生物脱氮主要依靠活性污泥中的硝化菌和反硝化菌共同作用，最终将污水中各种形态的氮转化为气态氮而从水中逸出。从硝化过程来看，氨氮(NH₃-N)被氧化成亚硝酸盐氮(NO₂-N)和硝酸盐氮(NO₃-N)是由两类独立的细菌完成的两个不同反应，应该可以分开。从反硝化过程来看，NO₂-N和NO₃-N均可以作为最终电子受体。因而整个生物脱氮过程可以通过NH₃-N转化为NO₂-N再转化为N₂的途径来完成。

短程硝化反硝化生物脱氮技术，又称亚硝酸型生物脱氮技术，就是将硝化过程控制在NO₂-N阶段而终止，随后进行亚硝酸盐反硝化脱氮。与传统生物脱氮技术相比，短程硝化-反硝化生物脱氮技术能缩短水力停留时间，可节省25％的能耗和40％的碳源，同时可以减少剩余污泥处理量。因此，短程硝化-反硝化生物脱氮技术已成为污水生物脱氮领域的一个新的研究热点。特别是将该技术应用于处理高氨氮低碳氮比污水，如催化剂生产含氨废水、尿素生产含氨废水等具有重要的实际意义。

杜兵等(新型亚硝化工艺开发研究，给水排水，2006，32(9))采用长污泥龄、低氧工艺控制亚硝化反应，使得氨氧化细菌成为优势菌群，成功地开发出了一种新型亚硝化工艺，但是该工艺的氨氮转换率平均为68.1％，亚硝酸盐氮生成率为63.7％。高大文等(SBR法短程硝化-反硝化生物脱氮工艺的研究，环境污染治理技术与设备，2003，4(6))利用较高温度下硝酸菌的生长速率明显低于亚硝酸菌的生长速率这一特征，通过控制反应器内混合液温度在31±1℃条件下，实现了稳定持久的亚硝酸盐积累，该研究是利用豆制品废水为研究对象，不属于高浓度氨氮废水的处理。Gent微生物生态实验室利用亚硝酸菌对溶解氧的亲和力较硝酸菌强这一动力学特性差异，在低溶解氧条件下实现逐步淘汰硝酸菌达到短程硝化的目的，由此提出了OLAND工艺。但在实际工程应用时，DO浓度很难稳定地控制在所需要的低浓度范围，一旦DO浓度高，短程硝化就会向全程硝化转化。CN1785843A公开了一种实现低C/N比高浓度氨氮废水短程硝化的方法，该方法是利用厌氧颗粒污泥培育的硝化颗粒污泥作为接种物、采用逐渐提高基质氨氮浓度来实现的，厌氧颗粒污泥虽然具有培养速度快的优点，但在后续的好氧短程硝化过程中，仍然存在短程硝化向全程硝化转化的不足。CN101423290A公开了常温下全程硝化生物脱氮系统实现短程硝化的方法，该方法分为4个阶段，每一个阶段的DO水平都控制的0.5～0.8，主要是通过控制限氧曝气使系统DO处于较低水平，在同时含有亚硝酸菌和硝酸菌的系统中保持亚硝酸菌的正常代谢和增值，不断抑制硝酸菌活性，最终实现短程硝化。然而在实际污水处理过程中，即使供氧量相同，由于生物量的不同及生物活性的不同导致硝化过程的耗氧量也不同，以及大型生物反应器很难达到溶解氧非常均匀的效果，所以DO水平很难有效控制在0.5～0.8mg/L这个范围，一旦溶解氧浓度没有控制好就会影响短程硝化的稳定性。

通常情况下，氨氧化过程形成的亚硝酸盐可以完全被氧化成硝酸盐。虽然通过控制外界条件如温度、溶解氧、pH和污泥龄等因素会导致硝化过程中HNO₂积累，但大多数都处在实验室研究阶段，出现亚硝酸盐积累后如何维持其长期稳定存在是短程生物脱氮技术的关键，目前的研究结果表明，只有高温的控制手段可以达到较好的稳定性。有些条件如高温等在实际工程中也难以实现，所以到目前为止，经NO₂ ^--N途径在实际工程中实现生物脱氮的成功应用并不多见。只有荷兰Delft技术大学开发的SHARON工艺仅用来处理污水处理厂中污泥消化液，该工艺基于高温(30～35℃)下亚硝酸菌的比增长速率大于硝酸菌实现短程硝化，利用这两类硝化细菌生长速率不同的控制策略决定了该工艺只能应用于高温废水，从而局限了它的应用。而对于大多数污水处理工程来说，大水量升温并保持在30～35℃成为该工艺大规模应用的瓶颈。从选择性抑制的影响来说，许多研究者发现0.6mg/L的游离氨(FA)几乎可以全部抑制硝酸菌的活性，但是硝酸菌具有变异和适应能力，一旦适应了高浓度的FA就会慢慢积累使短程硝化系统不稳定，并且稳定的FA浓度控制对于污水处理场来说也是不现实的。

在实现短程硝化之前进行亚硝化菌富集是实现短程硝化的适宜手段，筛选富集亚硝化菌的方法与短程硝化的条件相近，基本方法就是通过控制温度、DO、pH等条件，使硝酸菌数量减少，而亚硝化菌数量增加，但仍存在同样的长期使用时的稳定性问题。祖波等(普通活性污泥富集好氧氨氧化菌试验，重庆大学学报，2005，28(2))在pH7.8～8.3、DO控制在0.8～1.2mg/L、温度控制在30±2℃条件下，采用逐渐提高进水氨氮浓度的方式进行好氧氨氧化菌的富集，该富集方法可以显著提高亚硝化菌的数量，但使用该亚硝化菌处理高氨氮废水时的长期稳定性仍需进一步提高。

发明内容

目前短程硝化采用低溶解氧(DO)、高温、高pH、抑制因子等因素来控制或筛选亚硝化优势菌群，由于条件变化使短程硝化向全程硝化转化的现象无法有效控制。针对上述问题，本发明的目的是提供一种亚硝化优势菌群的培养方法，解决短程硝化在实际应用中遇到的不稳定等难题，同时能缩短硝化过程的启动时间，能快速改变硝化反应进程，能拓展短程硝化的应用范围，为短程硝化工艺真正应用到实际工程中提供了保障。

本发明亚硝化优势菌群的培养方法包括以下三个培养阶段：

第一阶段：富集亚硝酸菌和硝酸菌的混合菌群，获得氨氮去除率达90％以上的硝化菌群。

第二阶段：采用高温培养与常温培养交替进行的方法，进行硝酸菌淘洗，逐渐提高亚硝酸菌的优势地位，高温培养与常温培养的交替培养方法进行2～6次。至亚硝化率大于50％，优选大于75％时转入第三阶段培养。常温培养条件为：温度为15～30℃，优选为20～28℃，溶解氧0.1～3mg/L，pH值6～9，培养时间为5～30天；高温培养的条件为：温度比常温培养温度高2～20℃，优选高3～10℃，溶解氧0.1～3mg/L，pH值6～9，培养时间为5～30天。高温培养过程进行到适宜时间后，培养体系中出现明显泡沫时，可以从高温培养转为常温培养，常温培养结束后排水更换新鲜培养液进入下一轮高温培养。高温培养转为常温培养时可以排水更换新鲜培养液，也可以不更换新鲜培养液。

第三阶段：改变溶解氧和pH条件进行硝酸菌的进一步淘洗和亚硝酸菌的稳定性驯化，直到亚硝化率稳定在65％以上，优选稳定在75％以上，结束一个周期的培养，可获得亚硝化菌占优势的菌群，然后进行保藏备用。

第一阶段硝化菌群的富集培养方法和过程可以采用现有任何方法，如中国专利CN200710010383.0。

第二阶段硝酸菌受到高温的刺激后，耐受能力差的部分菌体自溶释放大量的胞外分泌物，以系统培养液中出现大量泡沫作为标志。释放的分泌物同时有利于活性菌体的絮凝。给予常温条件保证菌群的正常代谢和生长增殖，常温培养后排水，更换新鲜培养液进行下一次的高温培养，当有菌体自溶后再次给予常温条件，以此反复淘洗和培养，两次排水之间采用补加料液的方式，两次排水之间可以补料2～8次，当培养液中氨氮浓度低于100mg/L时可以补料至氨氮浓度达到500mg/L以上。新鲜培养液中氨氮浓度为100mg/L～1500mg/L，优选为500～1000mg/L。

第三阶段所述的改变溶解氧和pH条件是指每隔适宜时间改变溶解氧浓度和pH值控制范围，总的溶解氧浓度控制在0.1～3mg/L，总的pH控制范围为7.5～9.0。高DO和高pH条件下的硝酸菌进一步淘洗，不同浓度范围DO和pH对亚硝酸菌进行硝化能力和耐受能力稳定性驯化。培养液同样采用补料和换排水交替进行的方式，当培养液中氨氮浓度低于15mg/L时排水更换新鲜培养液，排水次数可以为2～10次，两次排水之间可以补料2～8次，当培养液中氨氮浓度低于100mg/L时可以补料至氨氮浓度达到500mg/L以上。亚硝化菌占优势的菌群中，亚硝化菌含量可以达到80％以上。

本发明方法利用硝酸菌和亚硝酸菌生长条件的差异进行调控，有效进行硝酸菌的淘洗促进亚硝酸菌的优势生长，最终成功实现亚硝酸优势菌群的培养。实验表明，经历上述高温-常温筛选培养过程得到的亚硝酸优势菌群，具有硝化活性高，沉降性能好，菌体耐受能力强等优点。特别是具有较强的耐冲击性和长期稳定的亚硝化能力，适用条件范围宽，对亚硝化条件控制精度要求降低，该培养过程既保证菌群能够适应各种溶解氧环境，又能够保证短程硝化的稳定进行，真正解决实际工程问题，可以直接用于短程硝化反硝化及短程硝化厌氧氨氧化的组合工艺中，特别适合处理低碳氮比高氨氮废水。

具体实施方式

本发明提出了一种亚硝化优势菌群的培养方法。该方法获得的亚硝化优势菌群具有较高的氨氮去除率和亚硝酸盐生成速率，具有较强的耐受性和适应性，具有较好的抗冲击性和稳定性；可以直接用于氨氮废水处理或者在系统受到冲击后作为微生物进行补充，起到快速修复的作用。

本发明提出的一种亚硝化优势菌群的培养方法，可以通过以下三个培养阶段来实现：

第一阶段：采用如中国专利CN200710010383.0中等现有技术所述适宜的方法富集硝化菌群，获得氨氮去除率达90％以上的亚硝酸菌和硝酸菌的混合菌群。

第二阶段：在高温条件下进行硝酸菌的淘洗，高温培养过程中昼夜温差为2～8℃。培养过程中当培养液第一次出现明显泡沫时改为常温进行亚硝酸菌培养，常温培养1～2周后排水，更换新鲜培养液后再改为高温培养，当再次出现明显泡沫后再进行常温恢复培养，直到硝化产物中有75％为亚硝酸盐氮时转入第三阶段培养，此时亚硝酸菌已经成为优势菌群。培养过程中两次换排水之间进行多次补料，当培养液中氨氮浓度低于100mg/L时补加氨氮溶液或者高浓度氨氮废水至氨氮浓度达到500～1500mg/L。

第三阶段：培养过程中每隔8～24h改变溶解氧和pH条件，可以按溶解氧含量和pH逐步提高的方式培养，也可以随机交替条件进行培养，可以分2～6次改变培养条件。如，溶解氧可以由0.2～1.0mg/L提高到0.6～2mg/L再提高到1.5～5mg/L，pH可以由7.5～7.8提高到7.8～8.5再提高到8.0～9.0。不同溶解氧的控制浓度和不同pH的控制范围进行调整，高DO和高pH进行硝酸菌的淘洗，适宜的DO和pH范围进行亚硝酸菌培养，直到2-6周内亚硝化率比较稳定，结束一个周期的培养，可获得亚硝化菌含量大于80％的优势菌群。培养液同样采用补料和换排水交替进行的方式进行更换，当培养液中氨氮浓度低于15mg/L进行换排水，每次换排水之间进行批次补料，当培养液中氨氮浓度低于100mg/L时补加氨氮溶液或者高浓度氨氮废水。

实施例一

第一阶段：硝化菌群的富集，所用的富集培养液组成为(NH₄)₂SO₄(NH₄ ⁺-N初始浓度为150mg/L，最终浓度为1000mg/L)，FeSO₄·7H₂O(Fe²⁺浓度为12mg/L)、MgSO₄·7H₂O(Mg²⁺浓度为18mg/L)、NaCl(Na⁺浓度为800mg/L)、CaCl₂(Ca²⁺浓度为16mg/L)和KH₂PO₄(K⁺浓度为260mg/L)。在富集过程中，用NaHCO₃溶液调节pH值。培养条件：温度为24℃；pH为6.0～7.5；SV为15％～20％；DO为4mg·L^-1。每日1个周期，进水时间为20分钟，曝气23小时，自然沉降30分钟，排除上清液。然后加入与上清液同体积的富集培养液，按此过程循环操作，其过程用GB 7479的蒸馏滴定法检测出水中氨氮浓度，检测不出氨氮后，提高预加入培养液的氨氮浓度，其提高幅度为100mg/L，最终获得氨氮去除率达90％以上的混合菌群。

第二阶段：在31℃条件下进行硝酸菌的淘洗，培养到15天时培养液出现大量泡沫，此时改为常温28℃进行亚硝酸菌培养，培养2周后当培养液中氨氮浓度低于15mg/L时沉降排水，更换新鲜培养液。在31℃条件下继续培养一周后再次出现大量泡沫，此时将温度调整到28℃进行菌体恢复培养，按照此过程循环操作，直到亚硝酸盐氮在硝化产物中占75％时转入下一阶段培养。整个培养过程共换排水5次，每次换排水之间补料两次，当培养液氨氮浓度低于100mg/L时补加氨氮溶液，补加后培养液氨氮浓度为800～1000mg/L。

第三阶段：培养过程中每隔24h改变溶解氧和pH条件，培养第1天溶解氧控制在0.2～0.4mg/L，pH为7.5～7.8；第2天溶解氧控制在0.6～0.8mg/L，pH为8.0～8.2；第3天溶解氧控制在1.5～2.5mg/L，pH为8.0～8.5。按照此过程不断对溶解氧的控制浓度和pH的控制范围进行调整，每隔8～10天当氨氮浓度低于15mg/L时进行一次换排水，培养4周后，亚硝化率达到80％，此后两个周内亚硝化率一直在75％～85％之间，结束一个周期的培养。整个培养过程共换排水4次，两次换排水之间补料三次，当培养液氨氮浓度低于100mg/L时补加氨氮溶液，补加后培养液氨氮浓度为800～1000mg/L。

实施例二

第一阶段：硝化菌群的富集，所用的富集培养液组成为NH₄)₂SO₄(NH₄ ⁺-N初始浓度为150mg/L，最终浓度为1000mg/L)，FeSO₄·7H₂O(Fe²⁺浓度为12mg/L)、MgSO₄·7H₂O(Mg²⁺浓度为18mg/L)、NaCl(Na⁺浓度为800mg/L)、CaCl₂(Ca²⁺浓度为16mg/L)和KH₂PO₄(K⁺浓度为260mg/L)。在富集过程中，用NaHCO₃溶液调节pH值。培养条件：温度为24℃；pH为6.0～7.5；SV为15％～20％；DO为4mg·L^-1。每日1个周期，进水时间为20分钟，曝气23小时，自然沉降30分钟，排除上清液。然后加入与上清液同体积的富集培养液，按此过程循环操作，其过程用GB 7479的蒸馏滴定法检测出水中氨氮浓度，检测不出氨氮后，提高预加入培养液的氨氮浓度，其提高幅度为100mg/L，最终获得氨氮去除率达90％以上的混合菌群。

第二阶段：在37℃条件下进行硝酸菌的淘洗，培养到10天时培养液出现大量泡沫，此时改为常温25℃进行亚硝酸菌培养，培养3周后当培养液中氨氮浓度低于15mg/L时沉降排水，更换新鲜培养液。在37℃条件下继续培养10天后再次出现大量泡沫，此时将温度调整到25℃进行菌体恢复培养，高温常温交替进行3次后检测亚硝酸盐氮在硝化产物中占73％，结束此阶段培养。整个培养过程共换排水6次，每次换排水之间补料4次，当培养液氨氮浓度低于100mg/L时补加氨氮溶液，补加后培养液氨氮浓度为600～800mg/L。

第三阶段：培养过程中每天分为白天8h和晚上16h来改变溶解氧和pH条件，8h内的溶解氧控制在0.2～0.5mg/L，pH为8.2～8.5；16h内的溶解氧控制在0.8～1.2mg/L，pH为7.8～8.0；按照此过程不断对溶解氧的控制浓度和pH的控制范围进行调整，培养1～2周后当氨氮浓度低于15mg/L时进行一次换排水，每次换排水之间当培养液氨氮浓度低于100mg/L时补加氨氮溶液3～6次，补加后培养液氨氮浓度为600～800mg/L。培养6周时间内，亚硝化率一直在83％～90％之间，结束一个周期的培养。

实施例三

第一阶段：硝化菌群的富集，所用的富集培养液组成为(NH₄)₂SO₄(NH₄ ⁺-N初始浓度为150mg/L，最终浓度为1000mg/L)，FeSO₄·7H₂O(Fe²⁺浓度为12mg/L)、MgSO₄·7H₂O(Mg²⁺浓度为18mg/L)、NaCl(Na⁺浓度为800mg/L)、CaCl₂(Ca²⁺浓度为16mg/L)和KH₂PO₄(K⁺浓度为260mg/L)。在富集过程中，用NaHCO₃溶液调节pH值。培养条件：温度为24℃；pH为6.0～7.5；SV为15％～20％；DO为4mg·L^-1。每日1个周期，进水时间为20分钟，曝气23小时，自然沉降30分钟，排除上清液。然后加入与上清液同体积的富集培养液，按此过程循环操作，其过程用GB 7479的蒸馏滴定法检测出水中氨氮浓度，检测不出氨氮后，提高预加入培养液的氨氮浓度，其提高幅度为100mg/L，最终获得氨氮去除率达90％以上的混合菌群。

第二阶段：在34℃条件下进行硝酸菌的淘洗，培养到15天时培养液出现大量泡沫，此时改为常温22℃进行亚硝酸菌培养，培养3周后当培养液中氨氮浓度低于15mg/L时沉降排水，更换新鲜培养液。在34℃条件下继续培养10天后再次出现大量泡沫，此时将温度调整到22℃进行菌体恢复培养，高温常温交替进行4次后检测亚硝酸盐氮在硝化产物中占80％，结束此阶段培养。整个培养过程共换排水4次，每次换排水之间补料3次，当培养液氨氮浓度低于100mg/L时补加氨氮溶液，补加后培养液氨氮浓度为800～1300mg/L。

第三阶段：培养过程中将两天分为8h、24h和l6h三个时间段改变溶解氧和pH条件，8h内的溶解氧控制在1.0～2.0mg/L，pH为8.5～8.8；24h内的溶解氧控制在0.2～0.5mg/L，pH为8.0～8.2；16h内的溶解氧控制在0.2～0.5mg/L，pH为7.5～7.8；培养过程中当氨氮浓度低于15mg/L时进行一次换排水，每次换排水之间当培养液氨氮浓度低于100mg/L时补加氨氮溶液，补加后培养液氨氮浓度为600～800mg/L。按照此过程不断对溶解氧的控制浓度和pH的控制范围进行调整的4周时间内，亚硝化率并没有因为DO和pH的改变而改变，而是一直稳定在75％～85％之间，由此表明菌群中的大部分硝酸菌已经被淘汰，获得了稳定实现短程硝化的亚硝酸菌。

比较例

在恒定温度26℃严格控制溶解氧为0.5～0.8mg/L的条件下获得了亚硝化率达75％的亚硝酸菌群，此后当DO浓度由0.5mg/L提高到2.0的过程中，仅10天时间亚硝化率就由68％降低到34％，溶解氧条件的改变，导致短程硝化向全程硝化的转变。

实施例3中第三阶段无论溶解氧如何变化，亚硝化率都一直稳定在80％左右，硝化反应进程并没有因为外界条件的改变而发生变化，表明所获得的亚硝化优势菌群具有较高的亚硝化率并具有良好的稳定性。

Claims (7)

1.一种亚硝化优势菌群的培养方法，包括以下三个培养阶段：

第一阶段：富集亚硝酸菌和硝酸菌的混合菌群，获得氨氮去除率达90％以上的硝化菌群；

第二阶段：采用高温培养与常温培养交替进行的方法，进行硝酸菌淘洗，逐渐提高亚硝酸菌的优势地位，高温培养与常温培养的交替培养方法进行2～6次，至亚硝化率大于50％时转入第三阶段培养；

第三阶段：改变溶解氧和pH条件进行硝酸菌的进一步淘洗和亚硝酸菌的稳定性驯化，直到亚硝化率稳定在65％以上，结束一个周期的培养，获得亚硝化菌占优势的菌群，然后进行保藏备用；

其中第二阶段常温培养条件为：温度为15～30℃，溶解氧0.1～3mg/L，pH值6～9，培养时间为5～30天；第二阶段高温培养的条件为：温度比常温培养温度高2～20℃，溶解氧0.1～3mg/L，pH值6～9，培养时间为5～30天；

第三阶段所述的改变溶解氧和pH条件是指每隔适宜时间改变溶解氧浓度和pH值控制范围，总的溶解氧浓度控制在0.1～3mg/L，总的pH控制范围为7.5～9.0；第三阶段培养过程中每隔8～24h改变溶解氧和pH条件，按溶解氧含量和pH逐步提高的方式培养，或者按随机交替条件进行培养。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：第二阶段培养至亚硝化率大于75％时转入第三阶段培养。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于第二阶段常温培养条件为：

温度为20～28℃，第二阶段高温培养的条件为：温度比常温培养温度高3～10℃。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：第二阶段常温培养结束后排水，更换氨氮浓度为100mg/L～1500mg/L的新鲜培养液进行高温培养。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：第三阶段培养分2～6次改变培养条件。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：第二阶段和第三阶段采用补加料液的方式，当培养液中氨氮浓度低于100mg/L时补料至氨氮浓度达到500mg/L以上。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：补加料液操作分2～8次进行。