CN102952764A

CN102952764A - 一种耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法

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Publication number: CN102952764A
Application number: CN201110254027XA
Authority: CN
Inventors: 王道泉; 孙杰; 马兰兰; 赵璞; 赵桂瑜; 魏令勇
Original assignee: Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry; China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: CN102952764B

Abstract

本发明提供一种耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，包括步骤A富集培养，将菌种富集培养为厌氧氨氧化菌群；和步骤B菌群驯化培养，采取逐级提高培养液中盐浓度的方法对步骤A中富集培养的厌氧氨氧化菌群进行耐盐驯化培养，菌群在每个盐浓度的驯化周期为15～30天；其中步骤A和步骤B均为序批式培养，其培养液中溶氧值均为0～0.5mg/L。本发明所述方法培养的菌群应用于高盐氨氮废水，其总氮去除率高。使用本发明所述方法培养耐盐厌氧氨氧化菌群，其可利用底物范围广且易于培养；菌群培养和应用过程中均不需外加有机碳源，大大节省投资，从而降低废水处理成本。本发明所述的菌群培养方法可适用于规模化生产，且具有良好的经济效益和环境效益。

Description

一种耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法

技术领域

本发明涉及一种耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，更具体地说，涉及一种以高盐废水中氨氮为处理对象的厌氧氨氧化菌群的富集培养方法，属于微生物技术领域，具体可应用于处理催化剂行业和氮肥行业等高盐氨氮工业废水。

背景技术

氨氮是水体污染中重要因素，水中过高的氨氮容易引起水中植物及藻类的过度繁殖，使水体自净化能力减弱，恶化水质从而造成水体富营养化。在现有技术中，氨氮废水的主要治理方法有物化法、高级氧化法和生物法。

其中，物化法有折点氯化法、化学沉淀法、离子交换法、吹脱/汽提法、膜技术法、电渗析法和结晶法；物化法存在反应条件苛刻、运行费用高等缺点；另外物化法也仅能应用于部分行业和领域的废水处理。高级氧化法主要包括光催化氧化法、超临界催化氧化法、湿式氧化法和催化湿式氧化法；高级氧化法的实现都具有设备投资大、运行费用高、操作条件要求苛刻的特点，且经高级氧化技术后氨氮废水中的氨氮转换为氮氧化物，其总氮仍需进一步处理。而生物法处理氨氮废水也有如下多种形式，如传统硝化/反硝化法、亚硝酸硝化/反硝化法、同时硝化/反硝化法、亚硝化/厌氧氨氧化法；生物法由于其处理成本低、效果好，适用面广从而得到了广泛应用。

亚硝化/厌氧氨氧化法处理氨氮废水，是指氨氮废水先经半程亚硝化将部分氨氮转化为亚硝基氮，然后经厌氧氨氧化处理脱除总氮。其中，亚硝化过程在培养的亚硝化菌群作用下进行，同样厌氧氨氧化过程是在培养的厌氧氨氧化菌群作用下进行，菌种培养结束后均应用于亚硝化/厌氧氨氧化工艺。

厌氧氨氧化菌是一类新发现的厌氧自养型细菌，它能够将氨氮和亚硝氮按一定的比例转化成氮气，其科研价值和工业价值俱佳。

高盐氨氮废水是指总含盐质量分数大于1％的氨氮废水，由于废水中高盐份的存在，微生物细胞膜和菌体内的酶会被破坏，微生物的生长也受到抑制，从而增加了氨氮废水生物处理的难度。现有技术中对高盐氨氮废水一般采用先稀释后生化处理的方法；但该方法中含有的稀释步骤将会增加氨氮废水的处理规模、基建投资及运行费用。

现有技术中，专利CN101195803A公开了一种厌氧氨氧化菌富集装置，其主要是对一种新的厌氧氨氧化菌富集培养装置进行描述。专利CN101205526A公开了一种上流式厌氧污泥床反应器快速培养厌氧氨氧化菌的方法，它以垃圾填埋场处理渗滤液SBR工艺中的活性污泥作为接种污泥，以氨氮、微量无机盐及缓冲液为培养液，控制NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N比值以及控制pH值进行培养的方法。

现有技术中处理高盐氨氮废水时的稀释法已经不能满足需要，而如何培养适应高盐度氨氮废水的厌氧氨氧化菌群成为一个技术难题。

发明内容

本发明提供一种耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，包括：步骤A，富集培养：将菌种富集培养为厌氧氨氧化菌群；和步骤B，菌群驯化培养：采取逐级提高培养液中盐浓度的方法对步骤A中富集培养的厌氧氨氧化菌群进行耐盐驯化培养，菌群在每个盐浓度的驯化周期为15～30天；其中步骤A和步骤B均为序批式培养，其培养液中溶氧值均为0～0.5mg/L。

根据本发明，优选所述步骤B中培养液的初始盐浓度为8～12g/L，每级递增盐浓度梯度为4～8g/L，最终盐浓度为20～24g/L。更优选步骤B中培养液的初始盐浓度为10.5～12g/L，每级递增盐浓度梯度为5.5～6g/L，最终盐浓度为22～23g/L。

根据本发明的一个优选实施方式，所述步骤A富集培养液中氨氮浓度为50～200mg/L，亚硝氮浓度为50～250mg/L，磷的浓度为10～300mg/L。同样，所述步骤B菌群驯化培养液中氨氮浓度为150～200mg/L，亚硝氮浓度为150～250mg/L，磷的浓度为10～300mg/L，且步骤B中所用盐为氯化钠和/或硫酸钠。

优选本发明的所述步骤A中富集培养的培养液中氨氮浓度为逐级递加，每个氨氮浓度下包括一个或多个运行周期；其中每个运行周期为24～48h，包括进水30min、厌氧反应21～44h、沉淀1～2h、排水1h，其余时间为闲置期。同样，所述步骤B中每个盐度的驯化包括多个运行周期；其中每个运行周期为24～48h，包括进水30min、厌氧反应21～44h、沉淀1～2h、排水1h，其余时间为闲置期。

优选本发明的所述步骤A中菌种来源于活性污泥，且接种活性污泥的浓度控制在1～3g/L；步骤A富集培养厌氧氨氧化菌群的总周期为20～80天。

本发明中，优选所述步骤A和B中均不外加有机碳源，而使用无机碳酸盐为碳源。

本发明还提供了一种根据本发明中上述方法培养的耐盐厌氧氨氧化菌群在高盐氨氮废水中的应用，其中高盐氨氮废水是指总含盐≥1％、氨氮含量为50～450mg/L的废水。

本发明与现有技术相比，具有如下优点。首先，本发明中耐盐厌氧氨氧化菌群培养过程中可利用底物范围广且易于培养；菌群培养和应用过程中均不需外加有机碳源，大大节省了投资，从而降低了废水处理成本。其次，经过培养后的耐盐厌氧氨氧化菌群浓度高(半小时沉降比为30～50％)，其生物活性好；适用于各种氨氮工业废水处理，并可显著提高高盐氨氮废水的总氮去除率。再次，所使用的培养方法适用于规模化生产，且具有良好的经济效益和环境效益。

附图说明

图1为序批式培养耐盐厌氧氨氧化菌群的生物发酵罐示意图。

具体实施方式

本发明的所述方法包括富集培养和菌群驯化培养两阶段；驯化培养结束后的菌群用于处理高盐氨氮废水。

具体实施时，在步骤A的富集培养中：向带有加热装置的生物发酵罐内接种活性污泥(其中若干种微生物菌种混杂)，其接种浓度为1～3g/L，培养方式为序批式(间歇式)培养；富集培养在模拟废水中进行。模拟废水即为在自来水中添加铁、镁、钾、磷等常规无机营养盐，添加铵盐和亚硝盐为含氮底物，和添加无机碳酸盐为碳源而形成。所述生物发酵罐中温度控制在25～38℃；通过低速搅拌增加传质速度，转速＜60r/min，使发酵罐中溶氧值控制在0～0.5mg/L，优选范围为0～0.2mg/L。所述模拟废水中氨氮浓度为50～200mg/L，优选浓度为100～200mg/L；亚硝氮浓度为50～250mg/L，优选浓度为100～250mg/L；且NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N比值控制在1～1.5；优选在保持控制氨氮和亚硝氮浓度在上述范围内时采用逐步提高氨氮和亚硝氮浓度的方法(浓度递增梯度为30～50mg/L)富集培养厌氧氨氧化菌群，以加快其富集培养过程。在富集培养过程中不需外加任何有机碳源，其中碳酸铵既作为氨氮底物又作为部分碳源底物加入模拟废水中。无机营养盐中Fe²⁺主要以FeSO₄·7H₂O盐加入，其浓度控制在2～20mg/L，优选为5～15mg/L；Mg²⁺主要以MgSO₄·7H₂O盐加入，其浓度控制在5～20mg/L，优选为10～15mg/L；磷主要以KH₂PO₄或K₂HPO₄盐加入，其浓度控制在10～300mg/L，优选为50～200mg/L。并在模拟废水中添加适量碳酸氢钠作为补充碳源，发酵罐中pH主要通过稀硫酸及碳酸氢钠协同作用来调节。即碳酸氢钠一方面作为部分碳源底物，另一方面作为pH缓冲盐。将发酵罐中pH控制在6.0～9.0之间，优选范围为7.5～8.5。在此生物发酵罐中，每个运行周期为24～48h，包括进水30min、厌氧反应21～44h、沉淀1～2h、排水1h，其余时间为闲置期。富集培养厌氧氨氧化菌群总周期为20～80天。经过富集培养后的菌群浓度也为1～3g/L，但此时的菌群则属于较纯净的厌氧氨氧化菌群，即有效菌浓为1～3g/L。

在步骤B中，经过富集培养的厌氧氨氧化菌群开始耐盐驯化过程。该过程中氨氮浓度控制为150～200mg/L；亚硝氮浓度为150～250mg/L；总含盐浓度≥0.8％；驯化的模拟废水中其余成分与步骤A中相同。步骤B采用逐步增加盐度的方法对厌氧氨氧化菌群进行驯化。驯化初始阶段，模拟废水中氯化钠和硫酸钠按照8～12g/L添加；在此后的驯化过程中，模拟废水中氯化钠和硫酸钠每级递增盐浓度梯度为4～8g/L；经过两级或多级递增后，最终盐浓度为20～24g/L。其中，每一个盐度的驯化周期大约为15～30d，优选为20～30d；在每个盐度的驯化周期内都经过数次的生物发酵罐运行周期；生物发酵罐每次运行周期为24～48h，包括进水30min、厌氧反应21～44h、沉淀1～2h、排水1h，其余时间为闲置期。在菌群驯化初期，污泥中仍含有原生动物，尤其以钟虫和轮虫数量较多。随着驯化过程的进行，原生动物无法适应高盐环境，其在处理系统中的数量和种类明显减少直至消失。在驯化结束后，所形成的污泥颗粒小且密实，菌胶团成大块密实团状(直径约为0.5～1.5mm)；污泥中未观察到好氧的丝状菌存在，污泥颜色为厌氧氨氧化菌群的红褐色。

在实验中，我们通过观测厌氧氨氧化菌群富集和驯化中的性状及按富集和驯化每个运行周期结束时菌群对氨氮废水的处理效果来判定富集和菌群驯化过程是否完成。经过最终高盐度驯化后，高盐度模拟废水中的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和TN在24～48h内去除率分别达到98.0％、96.5％和76.5％以上。

驯化培养后的耐盐厌氧氨氧化菌群应用于工业高盐氨氮废水，所述的处理对象工业高盐氨氮废水的水质如表1。如表1工业废水中50～450mg/L的氨氮经半程亚硝化后含氨氮50～200mg/L和亚硝氮50～250mg/L，此时可应用本发明所述的耐盐厌氧氨氧化菌群脱除总氮。

表1

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。以下仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可很容易进行的改变或变化都涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

实施例1

步骤A，厌氧氨氧化菌群富集培养：取自某化工厂污水处理车间厌氧池的活性污泥作为菌种，以2.5g/L浓度将活性污泥接种至图1所示的生物发酵罐中，生物发酵罐中模拟废水的组成为：NH₄ ⁺-N(NH₄HCO₃)100～200mg/L；NO₂ ^--N(NaNO₂)100～250mg/L；Fe²⁺(FeSO₄·7H₂O)12mg/L；Mg²⁺(MgSO₄·7H₂O)20mg/L；P(KH₂PO₄)65mg/L；依据碳氮比为(0.5～20)∶1添加碳酸氢钠。将发酵罐中溶氧值控制在0～0.5mg/L，pH控制在7.5～8.5之间，温度控制在25～38℃。生物发酵罐每次运行周期为48h，包括进水30min、厌氧反应44h、沉淀2h、排水1h，其余时间为闲置期。生物发酵罐每次运行的具体操作为：往如图1所示的进料口1中注入模拟废水并接入菌种形成培养液8，开启搅拌器7进行搅拌反应，其转速由电动机2控制，从而在保证泥水混合均匀条件下将溶氧值控制在0～0.5mg/L；在pH检测及控制口6处将pH控制在7.5～8.5之间，从循环水进口4流入并从循环水出口5流出的夹套循环水将温度控制在25～38℃之间。将进料口1密封后进行厌氧反应，厌氧反应过程中产生的废气由排气口3排出，经过沉淀后脱氮废水从放料口9排出，分离出的活性污泥在下一个运行周期中继续使用。富集培养厌氧氨氧化菌群总周期为60天。

步骤B，耐盐厌氧氨氧化化菌群驯化培养：完成厌氧氨氧化菌群富集培养后，进入耐盐厌氧氨氧化菌群驯化培养过程。驯化初始阶段，模拟废水中氯化钠及硫酸钠分别按照1.5g/L和6.5g/L添加；此后的驯化过程中，废水中氯化钠及硫酸钠浓度分别按照1.5g/L和2.5g/L浓度梯度递增，经过五级盐度驯化培养后，其最终盐浓度分别为7.5g/L和16.5g/L。每一个盐度的驯化周期为16d；生物发酵罐中每个运行周期为48h，包括进水30min、厌氧反应44h、沉淀2h、排水1h，其余时间为闲置期。驯化结束后，菌胶团成大块团状，污泥中未发现丝状菌且原生动物数量和种类很少，污泥颗粒小且密实。驯化模拟废水中每个运行周期的氨氮可在48h内去除98％以上。至此认为耐盐厌氧氨氧化菌群富集培养和驯化培养结束。

实施例2

步骤A，厌氧氨氧化菌群富集培养：取自某污水处理厂兼氧池试验装置的活性污泥作为菌种，以2g/L浓度将活性污泥接种至图1所示的生物发酵罐中，生物发酵罐中模拟废水的组成为：NH₄ ⁺-N(NH₄HCO₃)50～150mg/L；NO₂ ^--N(NaNO₂)50～200mg/L；Fe²⁺(FeSO₄·7H₂O)10mg/L；Mg²⁺(MgSO₄·7H₂O)15mg/L；P(KH₂PO₄)60mg/L；依据碳氮比为(0.5～20)∶1添加碳酸氢钠。将发酵罐中溶氧值控制在0～0.5mg/L，pH控制在7.0～8.5之间，温度控制在25～38℃。生物发酵罐每次运行周期为24h，包括进水30min、厌氧反应21h、沉淀1.4h、排水1h，其余时间为闲置期。富集培养厌氧氨氧化菌群总周期为40天。

步骤B，耐盐厌氧氨氧化化菌群驯化培养：完成厌氧氨氧化菌群富集培养后，进入耐盐厌氧氨氧化菌群驯化培养过程。驯化初始阶段，模拟废水中氯化钠及硫酸钠分别按照1.5g/L和6.5g/L添加；此后的驯化过程中，废水中氯化钠及硫酸钠浓度分别按照1.5g/L和2.5g/L浓度梯度递增，经过四级盐度驯化培养后，其最终盐浓度分别为6g/L和14g/L。每一个盐度的驯化周期为18d；生物发酵罐每次运行周期为24h，包括进水30min、厌氧反应21h、沉淀1.4h、排水1h，其余时间为闲置期。驯化结束后，菌胶团成大块团状，污泥中未发现丝状菌且原生动物数量和种类很少，污泥颗粒小且密实。驯化模拟废水中每个运行周期的氨氮可在24h内去除97％以上。至此认为耐盐厌氧氨氧化菌群富集培养和驯化培养结束。

实施例3

本实施例中步骤A厌氧氨氧化菌群富集培养过程与实施例1相同。

步骤B，耐盐厌氧氨氧化化菌群驯化培养：完成厌氧氨氧化菌群富集培养后，进入耐盐厌氧氨氧化菌群驯化培养过程。驯化初始阶段，模拟废水中氯化钠及硫酸钠分别按照1.5g/L和6.5g/L添加；此后的驯化过程中，废水中氯化钠及硫酸钠浓度分别按照2.5g/L和3.5g/L浓度梯度递增，经过三级盐度驯化培养后，其最终盐浓度分别为6.5g/L和13.5g/L。每一个盐度的驯化周期为20d；生物发酵罐中每个运行周期为48h，包括进水30min、厌氧反应44h、沉淀2h、排水1h，其余时间为闲置期。驯化结束后，菌胶团成大块团状，污泥中未发现丝状菌且原生动物数量和种类很少，污泥颗粒小且密实。驯化模拟废水中每个运行周期的氨氮可在48h内去除98％以上。至此认为耐盐厌氧氨氧化菌群富集培养和驯化培养结束。

实施例4

步骤B，耐盐厌氧氨氧化化菌群驯化培养：完成厌氧氨氧化菌群富集培养后，进入耐盐厌氧氨氧化菌群驯化培养过程。驯化初始阶段，模拟废水中氯化钠及硫酸钠分别按照3.5g/L和8.5g/L添加；此后的驯化过程中，废水中氯化钠及硫酸钠浓度分别按照3.5g/L和4.5g/L浓度梯度递增，经过两级盐度驯化培养后，其最终盐浓度分别为7.0g/L和13.0g/L。每一个盐度的驯化周期为30d；生物发酵罐中每个运行周期为48h，包括进水30min、厌氧反应44h、沉淀2h、排水1h，其余时间为闲置期。驯化结束后，菌胶团成大块团状，污泥中未发现丝状菌且原生动物数量和种类很少，污泥颗粒小且密实。驯化模拟废水中每个运行周期的氨氮可在48h内去除96％以上。至此认为耐盐厌氧氨氧化菌群富集培养和驯化培养结束。

实施例5

步骤B，耐盐厌氧氨氧化化菌群驯化培养：完成厌氧氨氧化菌群富集培养后，进入耐盐厌氧氨氧化菌群驯化培养过程。驯化初始阶段，模拟废水中氯化钠及硫酸钠分别按照3.5g/L和8.5g/L添加；此后的驯化过程中，废水中氯化钠及硫酸钠浓度分别按照2.5g/L和3g/L浓度梯度递增，经过三级盐度驯化培养后，其最终盐浓度分别为8.5g/L和14.5g/L。每一个盐度的驯化周期为24d；生物发酵罐中每个运行周期为48h，包括进水30min、厌氧反应44h、沉淀2h、排水1h，其余时间为闲置期。驯化结束后，菌胶团成大块团状，污泥中未发现丝状菌且原生动物数量和种类很少，污泥颗粒小且密实。驯化模拟废水中每个运行周期的氨氮可在48h内去除98％以上。至此认为耐盐厌氧氨氧化菌群富集培养和驯化培养结束。

实施例6

步骤B，耐盐厌氧氨氧化化菌群驯化培养：完成厌氧氨氧化菌群富集培养后，进入耐盐厌氧氨氧化菌群驯化培养过程。驯化初始阶段，模拟废水中氯化钠及硫酸钠分别按照2.5g/L和8g/L添加；此后的驯化过程中，废水中氯化钠及硫酸钠浓度分别按照2.0g/L和4.0g/L浓度梯度递增，经过三级盐度驯化培养后，其最终盐浓度分别为6.5g/L和16g/L。每一个盐度的驯化周期为22d；生物发酵罐中每个运行周期为48h，包括进水30min、厌氧反应44h、沉淀2h、排水1h，其余时间为闲置期。驯化结束后，菌胶团成大块团状，污泥中未发现丝状菌且原生动物数量和种类很少，污泥颗粒小且密实。驯化模拟废水中每个运行周期的氨氮可在48h内去除98％以上。至此认为耐盐厌氧氨氧化菌群富集培养和驯化培养结束。

对比例1

本对比例中步骤A厌氧氨氧化菌群富集培养过程与实施例1相同。

步骤B，与实施例1不同的是：在完成富集培养后，不采用逐步提高盐浓度的方法对厌氧氨氧化菌群进行耐盐性驯化，而是分别直接按照7.5g/L、16.5g/L的浓度向模拟废水中添加氯化钠及硫酸钠，其他培养条件与实施例1的步骤B相同。培养结束后，模拟废水中未见有大块团状菌胶团，最终出水氨氮48h内去除率≤70％。

与实施例1相比，对比例1的氨氮处理效果明显较差。说明不采用逐步提高培养液盐浓度的方法对厌氧氨氧化菌群进行耐盐性驯化培养，所获得的厌氧氨氧化菌群很难适应高盐浓度范围。

Claims

1.一种耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，包括：

步骤A，富集培养：将菌种富集培养为厌氧氨氧化菌群；

步骤B，菌群驯化培养：采取逐级提高培养液中盐浓度的方法对步骤A中富集培养的厌氧氨氧化菌群进行耐盐驯化培养，菌群在每个盐浓度的驯化周期为15～30天；

其中步骤A和步骤B均为序批式培养，其培养液中溶氧值均为0～0.5mg/L。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤B中培养液的初始盐浓度为8～12g/L，每级递增盐浓度梯度为4～8g/L，最终盐浓度为20～24g/L。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤B中培养液的初始盐浓度为10.5～12g/L，每级递增盐浓度梯度为5.5～6g/L，最终盐浓度为22～23g/L。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于：所述步骤A的富集培养液中氨氮浓度为50～200mg/L，亚硝氮浓度为50～250mg/L，磷的浓度为10～300mg/L。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于：所述步骤B菌群驯化培养液中氨氮浓度为150～200mg/L，亚硝氮浓度为150～250mg/L，磷的浓度为10～300mg/L，步骤B中所用盐为氯化钠和/或硫酸钠。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于：所述步骤A中富集培养的培养液中氨氮浓度为逐级递加，每个氨氮浓度下包括一个或多个运行周期；其中每个运行周期为24～48h，包括进水30min、厌氧反应21～44h、沉淀1～2h、排水1h，其余时间为闲置期。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于：所述步骤B中每个盐度的驯化包括多个运行周期；其中每个运行周期为24～48h，包括进水30min、厌氧反应21～44h、沉淀1～2h、排水1h，其余时间为闲置期。

8.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于：所述步骤A中菌种来源于活性污泥，且接种活性污泥的浓度控制在1～3g/L；步骤A富集培养厌氧氨氧化菌群的总周期为20～80天。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的方法，其特征在于：所述步骤A和B中均不外加有机碳源，而使用无机碳酸盐为碳源。

10.一种如权利要求1～9中任意一项所述的方法培养的耐盐厌氧氨氧化菌群在高盐氨氮废水中的应用，其中高盐氨氮废水是指总含盐≥1％、氨氮含量为50～450mg/L的废水。