CN104649420B - 一种去除水体中硝态氮的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种去除水体中硝态氮的方法，它是将反硝化菌扩大培养后与改性生物质炭混合后加入含硝态氮的水体中。与现有技术相比，本发明将反硝化菌与改性生物质炭结合，在去除水体硝态氮中效率极高。且将改性生物质炭可以作为废水处理填料用于污水处理，以提高污水脱氮效率。

Description

一种去除水体中硝态氮的方法
技术领域
本发明属于微生物领域和水处理领域，具体涉及一种去除水体中硝态氮的方法。
背景技术
生物质炭主要由芳香烃和单质碳或具有石墨结构的碳组成，含有60％以上的C元素，还包括H、O、N、S及少量的微量元素(钾、钙、钠、镁、硅等)。生物质炭可溶性极低，具有高度羧酸酯化和芳香化结构，拥有较大的孔隙度和比表面积，具有大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性。这些基本性质使其具备了强吸附性、高度稳定性、抗氧化力和抗生物分解能力强的特性，可广泛应用于农业、工业、能源、环境等领域。
生物质炭也可以去除水中的氮磷等营养元素，将吸附氮磷等营养元素后的生物黑炭施用到土壤中，还可以作为一种缓释肥料来增加土壤肥力。邢英等以生物炭作为吸附剂，通过静态实验研究了生物炭对水体中氨氮的吸附特性，并从动力学角度探讨了其吸附机理。通过对生物炭吸附水体中氨氮的热力学及动力学机理研究，为生物炭应用于废水处理方面提供理论支持，并为生物炭应用于土壤中减少淋溶液氨氮淋失提供了有力证据。Ying Yao等的研究结果显示，厌氧消化后制成的生物质炭对水中磷的去除率高达73％，远远高于活性炭，这一结果对解决日益严峻的水体富营养化环境问题来说意义重大。
利用反硝化菌去除水体硝态氮已经达到广泛应用，改性生物质炭吸附硝态氮也有报道，但是利用反硝化菌和改性生物质炭联合处理硝态氮还未见报道，通过二者的联合作用，大大提高了脱氮效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种去除水体中硝态氮的方法，以解决现有技术在去除水体硝态氮中存在的效率不高的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种去除水体中硝态氮的方法，它是将反硝化菌扩大培养后与改性生物质炭混合后加入含硝态氮的水体中。
其中，所述的反硝化菌为不动杆菌(Acinetobacter sp.)Strain N2，该菌株是发明人于2010年11月从江苏省无锡市太湖梅梁湾水体中分离筛选得到，目前保藏于中国典型培养物保藏中心，地址：中国.武汉.武汉大学，邮编：430072。保藏日期为2013年3月19日，保藏号为CCTCC NO：M 2013093。菌株的生理学特性见表1。该菌株的16sRNA的序列如SEQ ID No：1所示。
表1
特性检测 结果
颜色 乳白色、半透明
边缘 圆形、规则
表面 光滑、湿润
是否易挑起 易挑起
革兰氏染色 阴性
形状 杆菌
大小(μm) 长：2.4～4.0，宽：0.8～1.0
其中，反硝化菌扩大培养的培养基配方为：硝酸钾2.0g/L、柠檬酸三钠6.77g/L、七水合硫酸镁0.2g/L、磷酸二氢钾1.0g/L、微量元素(EDTA·2Na 57.1g/L，ZnSO43.9g/L，CaCl2·2H2O 7.0g/L，MnCl2·2H2O 5.1g/L，FeSO4·7H2O 5.0g/L，(NH4)6Mo7O24·7H2O 1.1g/L，CuSO4·5H2O 1.6g/L，CoCl2·6H2O 1.6g/L)2ml/L，调节pH至7.0～7.5。
其中，反硝化菌扩大培养的条件为30℃下200rpm恒温振荡培养。
其中，所述的改性生物质炭的制备方法如下：将生物质炭浸泡于的盐酸水溶液中0.5～3h，优选1h；过滤后将固体部分水洗至中性并于50～100℃下烘干至恒重；再将烘干后的生物质炭浸泡于的FeCl3水溶液中0.5～3h，优选1h；过滤后将固体部分水洗至滤液无Fe3+并于50～100℃下烘干至恒重，得到改性生物质炭。
其中，盐酸水溶液的浓度为0.5～1.5mol·L-1，优选1mol·L-1。
其中，FeCl3水溶液的浓度为0.5～2.0mol·L-1，优选1mol·L-1。
其中，反硝化菌与生物质炭的重量比为1：10～20，优选1：19～20。
其中，反硝化菌扩大培养后与改性生物质炭混合后加入含硝态氮的水体时，反硝化菌与水体的重量百分比为0.05％～1％。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优势：
本发明将反硝化菌与改性生物质炭结合，在去除水体硝态氮时效率极高。与现有技术相比，生物质炭技术成本低廉，原材料充足易得，且将吸附氮元素后的改性生物质炭可以作为一种缓释肥料施用到土壤中，以增加土壤肥力。
附图说明
图1为反硝化菌在培养基中的生长曲线图。
图2(A)为反硝化菌与铁改性花生壳炭联合去除水体中硝酸盐过程中硝态氮浓度变化图。
图2(B)为反硝化菌与原生花生壳炭联合去除水体中硝酸盐过程中硝态氮浓度变化图。
图3(A)为反硝化菌与铁改性花生壳炭联合去除水体中硝酸盐过程中铵态氮的浓度变化图。
图3(B)为反硝化菌与铁改性花生壳炭联合去除水体中硝酸盐过程中亚硝态氮的浓度变化图。
图4为实施例4中生物质炭-反硝化菌处理装置示意图。
图5为实施例4中硝态氮浓度变化图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：
将反硝化菌以1％的比例接入反硝化培养基中，培养基配方为：硝酸钾2.0g/L、柠檬酸三钠6.77g/L、七水合硫酸镁0.2g/L、磷酸二氢钾1.0g/L、微量元素(EDTA·2Na 57.1g/L，ZnSO43.9g/L，CaCl2·2H2O 7.0g/L，MnCl2·2H2O 5.1g/L，FeSO4·7H2O 5.0g/L，(NH4)6Mo7O24·7H2O 1.1g/L，CuSO4·5H2O 1.6g/L，CoCl2·6H2O 1.6g/L)2ml/L，调节pH至7.0～7.5。30℃下200rpm恒温振荡培养24h，得到大量反硝化菌体。
实施例2：
以1g：10ml的固液比将生物质炭浸泡于盐酸水溶液中1h以去除灰分等杂质，过滤后将固体部分水洗至中性并于80℃烘箱中烘干至恒重；再将烘干后的生物质炭以1g：8ml的固液比浸泡于FeCl3水溶液中1h，过滤后将固体部分水洗至滤液无Fe3并于80℃下烘干至恒重，得到改性生物质炭。
实施例3：
在500mL反硝化培养基(柠檬酸三钠6.13g·L-1，NO3 --N浓度为70mg·L-1，七水合硫酸镁0.2g·L-1，磷酸二氢钾1.0g·L-1，pH为7.0～7.5)中加入25mL菌液离心所得菌体(约0.26g湿重菌体)和5g实施例1中制备得到的铁改性花生壳炭，对照组分别为只加25mL菌液离心所得菌体和只加5g铁改性花生壳炭，每组设置三个重复，在30℃，200rpm恒温振荡培养，间隔一定时间取样，离心后过0.22μm滤膜，分离生物质炭、菌体和溶液，测定溶液中各形态氮的含量，具体数据如图2(A)、图3(A)和图3(B)所示。
用原生花生壳炭(花生壳在500℃马弗炉中高温烧制1h制得的花生壳炭)代替铁改性花生壳炭，重复上述步骤，所得数据如图2(B)所示。
图2(A)为反硝化菌与铁改性花生壳炭联合去除水体中硝酸盐过程中硝态氮浓度变化图。在0～6h内，改性生物质炭组硝态氮浓度显著降低，后期趋于平稳，反应迅速但去除潜力较小，去除率仅为26％。反硝化菌对硝酸盐的利用在生长延滞期较为缓慢，在6～15h对数生长期内才开始大量利用硝酸盐，浓度从60.5mg·L-1下降至2.5mg·L-1，去除率高达96％，后期趋于平稳。同时加入反硝化菌和改性生物质炭的处理组，在初始6h内硝酸盐浓度剂出现迅速下降，显著快于其它两个对照组，因此同时加入改性生物质炭和反硝化菌对硝酸盐的降解速率最快且效果最优。
图2(B)为反硝化菌与原生花生壳炭联合去除水体中硝酸盐过程中硝态氮浓度变化图。结果表明未改性生物质炭并不能促进反硝化菌的反硝化脱氮作用。
图3(A)为反硝化菌与铁改性花生壳炭联合去除水体中硝酸盐过程中铵态氮的浓度变化图。反硝化菌组在0-12h内氨氮含量迅速上升，12h后下降。只加入生物质炭的组也有少量氨氮的累积。加入反硝化菌和生物质炭的组在前3h也有少量氨氮的产生，然后便迅速被利用。
图3(B)为反硝化菌与铁改性花生壳炭联合去除水体中硝酸盐过程中亚硝态氮的浓度变化图。实验表明，只添加反硝化菌会引起亚硝酸盐的累积，自3h起培养基开始累积亚硝酸盐，并于12h达到最高浓度，12h后，亚硝酸盐开始被菌体利用，浓度逐步降低。生物质炭在12h后开始累积亚硝酸盐，可能是由于硝酸盐被还原产生亚硝酸盐，后期又被生物质炭重新吸附。同时加入生物质炭和反硝化菌在6h内有极少量的升高(<0.1mg·L-1)，随后被迅速利用，后期浓度一直接近于零。
实施例4：
图4为生物质炭-反硝化菌处理装置示意图。按上述扩大培养方法将反硝化菌扩大培养后，缓慢加入500mL菌液至反应器中，闷曝3d。完成反硝化菌在生物质炭表面的挂膜，排空。调节进水硝态氮浓度为20mg/L，碳氮比为6，水力停留时间为45min时，间隔一定时间取装置出水，测定出水中硝态氮的浓度，结果如图5所示。2h时，改性生物质炭-反硝化菌组去除率高达76％，显著高于其他两个对照组(改性生物质炭组和未改性生物质炭-反硝化菌组的去除率为分别为18％、26％)，因此改性生物质炭与反硝化菌结合的处理组去除硝态氮的速率最高且效果最好。

Claims (5)

1.一种去除水体中硝态氮的方法，其特征在于，它是将反硝化菌扩大培养后与改性生物质炭混合后加入含硝态氮的水体中；
其中，所述的反硝化菌为不动杆菌(Acinetobacter sp.)Strain N2，保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏日期为2013年3月19日，保藏号为CCTCC NO：M 2013093；
其中，所述的改性生物质炭的制备方法如下：将生物质炭浸泡于盐酸水溶液中0.5～3h，过滤后将固体部分水洗至中性并于50～100℃下烘干至恒重；再将烘干后的生物质炭浸泡于FeCl3水溶液中0.5～3h，过滤后将固体部分水洗至滤液无Fe3+并于50～100℃下烘干至恒重，得到改性生物质炭。
2.根据权利要求1所述的去除水体中硝态氮的方法，其特征在于，反硝化菌扩大培养的培养基配方为：硝酸钾2.0g/L、柠檬酸三钠6.77g/L、七水合硫酸镁0.2g/L、磷酸二氢钾1.0g/L、微量元素2ml/L，调节pH至7.0～7.5；其中，所述的微量元素为EDTA·2Na 57.1g/L、ZnSO4 3.9g/L、CaCl2·2H2O 7.0g/L、MnCl2·2H2O 5.1g/L、FeSO4·7H2O5.0g/L、(NH4)6Mo7O24·7H2O 1.1g/L、CuSO4·5H2O 1.6g/L和CoCl2·6H2O 1.6g/L。
3.根据权利要求1所述的去除水体中硝态氮的方法，其特征在于，反硝化菌扩大培养的条件为30℃下200rpm恒温振荡培养。
4.根据权利要求1所述的去除水体中硝态氮的方法，其特征在于，反硝化菌与生物质炭的重量比为1：10～20。
5.根据权利要求1所述的去除水体中硝态氮的方法，其特征在于，反硝化菌扩大培养后与改性生物质炭混合后加入含硝态氮的水体时，反硝化菌与水体的重量百分比为0.05％～1％。
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