CN106190896B - 一种人造光合反硝化脱氮菌剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种人造光合反硝化脱氮菌剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种人造光合反硝化脱氮菌剂及其制备方法和应用，(1)将反硝化菌接种至种子培养基中，摇床培养得种子液，将种子液接种至发酵培养基中，再加入微量元素溶液进行放大培养，直至培养液中细菌数目超过2.0*109个/ml，然后向发酵培养基中投加半胱氨酸和硝酸钼，形成人造光合反硝化脱氮菌剂；(2)将所述人造光合反硝化脱氮菌剂按配比投加至硝酸盐废水中。本发明利用光能代替传统反硝化所需添加的碳源，实现废水中硝酸盐的去除。

Description

一种人造光合反硝化脱氮菌剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于环境微生物、环境工程技术领域领域，具体涉及一种人造光合反硝化菌剂制备方法及在硝酸盐废水脱氮的应用。
背景技术
近些年来，随着工农业生产的高速发展和人们生活水平的不断提高，水体受有机物污染及富营养化现象日趋严重；与此同时，随着国家对环境保护的日益重视，污水排放标准中对TN指标的出水要求更加严格。因此，脱氮一直是污水处理过程中的重点。
脱氮技术主要分为物理化学脱氮法和生物脱氮法，由于物理化学脱氮法具有投资运行成本高、管理操作复杂及去除效果较差等缺点，生物脱氮法已成为目前公认的最经济有效的脱氮方法。
例如，公开号为CN105347472A的中国发明专利申请公开了一种高氨氮废水的好氧生物脱氮工艺，是将好氧或厌氧污泥作为接种污泥加入到处理高氨氮废水的曝气反应器中；投加零价铁到曝气反应器中，零价铁投加量与氨氮浓度的摩尔比为2～20:1，调整高氨氮废水的pH值为6.5～8.0，在20～35℃下，高氨氮废水在反应器中停留0.5～5天，然后达标排放或进入下一处理工序。
然而生物脱氮法中反硝化脱氮的效果往往受到外加碳源的影响，在实际工程应用中，投加的碳源一般都是一些有机物或简单糖类物质(葡萄、糖蔗糖)，虽然这些碳源质优价廉，处理效果好，但极易导致出水有机物含量超标的问题。目前发明的新型高效的脱氮工艺可以利用氢自养反硝化细菌实现生物脱氮，其机理是以氢气作为电子供体还原废水中的硝酸盐，然而实际工程中由于成本问题不可能通过添加外源氢的方式来实现废水脱氮。因此，急需寻找一种新型绿色能源取代传统的碳源，降低污水处理成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种人造光合反硝化脱氮菌剂，利用光能代替传统反硝化所需添加的碳源，实现废水中硝酸盐的去除。
一种人造光合反硝化脱氮菌剂的制备方法，包括如下步骤：
将反硝化菌接种至种子培养基中，摇床培养得种子液，将种子液接种至发酵培养基中，再加入微量元素溶液进行放大培养，直至培养液中细菌数目超过2.0*109个/ml，然后向发酵培养基中投加半胱氨酸和硝酸钼，形成人造光合反硝化脱氮菌剂。
本发明利用二硫化钼纳米颗粒与反硝化细菌的生物沉积形成人造光合反硝化脱氮菌剂，在光照条件下，向硝酸盐废水中投加人造光合反硝化脱氮菌剂，实现硝酸盐废水中氮的去除。本发明利用人造光合反硝化脱氮菌剂的光催化特性代替传统反硝化过程中所需的碳源，在光照条件下进行高效率的代谢活动，实现废水中硝酸盐的快速有效脱氮，整个生物脱氮过程中无需添加外源性物质，无二次污染产生，运行周期长，成本低，应用前景广泛。
投加顺序影响二硫化钼纳米颗粒形成的量，优选地，所述半胱氨酸和硝酸钼的投加顺序为先投加半胱氨酸再硝酸钼。
优选地，所述半胱氨酸投加量为发酵培养基质量分数的5～10％，硝酸钼添加后在发酵培养基中的浓度为15～20mmol/L。进一步优选，所述半胱氨酸投加量为发酵培养基质量分数的10％，硝酸钼添加后在发酵培养基中的浓度为15～20mmol/L；最优选，所述半胱氨酸投加量为发酵培养基质量分数的10％，硝酸钼添加后在发酵培养基中的浓度为20mmol/L。
优选地，所述种子培养基配方为1000ml水中含有蛋白胨4～6g，氯化钠4～6g，牛肉膏2～4g，琼脂12～18g，pH7.0～7.2，121℃灭菌30min。
优选地，所述发酵培养液配方为1000ml水中含有：15～20g碳酸氢钠15～20g，3～5g硝酸钠，磷酸二氢钾0.9～1.2g，pH7.0～7.2，121℃灭菌30min。
优选地，所述的微量元素溶液配方为1000ml水中含有：氯化锌50～55g、190～195g氯化钴，95～100g硫酸锰，24～26g氯化镍，26～29g氯化铜，33～36g钼酸钠和30～35g硼酸，pH7.0～7.2，121℃灭菌30min。
为进一步实现本发明目的，所述微生物的种子培养基原料配方优选为：1000ml水中含有蛋白胨5g，氯化钠5g，牛肉膏3g，琼脂15g，pH7.0，121℃灭菌30min，121℃灭菌30min；
所述微生物的发酵培养基原料配方优选为1000ml水中含有；15g碳酸氢钠，4g硝酸钠，1.0g磷酸二氢钾，pH7.0，121℃灭菌30min；
所述的微量元素溶液配方优选为1000ml水中含有：52g氯化锌，190g氯化钴，100g硫酸锰，24g氯化镍，29g氯化铜，36g钼酸钠和30g硼酸，pH7.0～7.2，121℃灭菌30min；
优选地，摇床培养时摇床转速为150～250r/min，摇床培养时间为1～1.5d。
优选地，微量元素溶液加入量为发酵培养基体积百分比的1～2％。
反硝化菌以10％～15％的体积百分比接种至种子培养基；种子液以5％～10％的体积百分比接种至发酵培养基中。
所述的反硝化细菌为Rhodobacter capsulatus，菌种编号为ATCC11166，属于红细菌属，可通过市购途径获得。
本发明还提供一种所述制备方法制备得到的人造光合反硝化脱氮菌剂。
本发明还提供一种利用人造光合反硝化脱氮菌剂进行废水脱氮的方法，包括如下步骤：
(1)将反硝化菌接种至种子培养基中，摇床培养得种子液，将种子液接种至发酵培养基中，再加入微量元素溶液进行放大培养，直至培养液中细菌数目超过2.0*109个/ml，然后向发酵培养基中投加半胱氨酸和硝酸钼，形成人造光合反硝化脱氮菌剂；
(2)将所述人造光合反硝化脱氮菌剂按配比投加至硝酸盐废水中。
优选地，所述人造光合反硝化脱氮菌剂投加的体积百分比为0.5％～1％。
进一步优选，所述投放人造光合反硝化脱氮菌剂优选按体积百分比1％的用量投加至硝酸盐废水中。
本发明的微生物菌即反硝化菌会快速的消耗半胱氨酸生成的硫离子，硫离子与钼离子立即形成二硫化镉纳米颗粒并且迅速沉积在反硝化菌表面；纳米颗粒二硫化钼吸收可见光后形成光催化电子-空穴对，生成的电子与生物体中氢离子结合，形成元素氢；反硝化菌利用元素氢和硝酸盐进行硝酸盐还原反应，将硝酸盐中的氮还原成氮气，达到脱氮的效果。
反应机理如下：
(1)人造光合反硝化脱氮菌剂形成机理
反硝化菌在钼离子存在的条件下，消耗半胱氨酸，生成氨气，丙酮酸，氢离子和二硫化钼纳米颗粒，以上反应在反硝化菌细胞表面发生，生成的二硫化钼纳米颗粒直接附着在反硝化细菌细胞表面，形成光催化半导体材料。具体反应式如下。
MoS2纳米颗粒的形成：
光催化电子-空穴对的生成：二硫化钼纳米颗粒在吸收可见光之后，生成电子—空穴对，反应式如下：
单质氢的形成：在硝酸盐还原菌—二硫化钼复合体中，氢离子与光催化产生的电子结合，生成还原氢，反应式如下：
(2)废水中硝酸盐去除机理
氢自养反硝化脱氮菌利用还原氢对水体中的硝酸盐进行还原，生成氮气，反应式如下：
相对于现有技术本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明利用人造光合反硝化脱氮菌剂的光催化特性代替传统反硝化所需的碳源，只需在光照条件下进行高效率的脱氮。
(2)本发明中的纳米颗粒二硫化钼在催化脱氮过程中只是起到催化作用，不会被消耗，因此整个硝酸盐去除过程中只需要提供光照，无需添加外源性物质，无二次污染产生。
(3)氢自养菌生长缓慢，延长了运行周期，成本低，应用前景广泛。
(4)本发明只需将准备好的脱氮菌剂投加到废水中，操作简单，节省人力物力，节约处理成本。
具体实施方式
实施例1：
对某含氮废水的去除作用，该废水硝酸盐起始浓度为50mg/l
(1)人造光合反硝化脱氮菌剂的制备：将反硝化菌以5％的体积百分比接种至种子培养基，在温度为35℃，摇床转速为150r/min条件下培养活化1.5d；取种子液，将种子液以10％的体积百分比接种至发酵培养基中，再加入1％的体积百分比的微量元素溶液，在温度35℃的条件下进行放大培养1天，向发酵培养基中投加一定量的半胱氨酸和硝酸钼，形成二硫化钼纳米颗粒物，沉积在细菌表面，形成人造光合反硝化脱氮菌剂。
半胱氨酸投加量为发酵培养基质量分数的10％，硝酸钼添加后在发酵培养基中的浓度为15mmol/L。
种子培养基原料配方优选为：1000ml水中含有蛋白胨5g，氯化钠5g，牛肉膏3g，琼脂15g，pH7.0，121℃灭菌30min，121℃灭菌30min；
微生物的发酵培养基原料配方优选为1000ml水中含有；15g碳酸氢钠，4g硝酸钠，1.0g磷酸二氢钾，pH7.0，121℃灭菌30min；
微量元素配方为1000ml水中含有：52g氯化锌，190g氯化钴，100g硫酸锰，24g氯化镍，29g氯化铜，36g钼酸钠和30g硼酸，pH7.0～7.2，121℃灭菌30min。
(2)投放人造光合反硝化脱氮菌剂以去除废水中的硝酸盐：在太阳光下，将步骤(1)制得的人造光合反硝化脱氮菌剂按体积百分比的0.5％投加至废水中。
(3)每间隔12小时取出水样，检测硝酸盐的含量。24小时后硝酸盐含量为2.5mg/L，去除率高达95％。
实施例2：
对某含氮废水的去除作用，该废水硝酸盐起始浓度为100mg/l。
(1)人造光合反硝化脱氮菌剂的制备：将反硝化菌以10％的体积百分比接种至种子培养基，在温度为35℃，摇床转速为150r/min条件下培养活化1d；取种子液，将种子液以5％的体积百分比接种至发酵培养基中，再加入2％的体积百分比的微量元素溶液，在温度35℃的条件下进行放大培养1天，向发酵培养基中投加一定量的半胱氨酸和硝酸钼，形成二硫化钼纳米颗粒物，沉积在细菌表面，形成人造光合反硝化脱氮菌剂。
半胱氨酸投加量为发酵培养基质量分数的5％，硝酸钼添加后在发酵培养基中的浓度为20mmol/L。
种子培养基原料配方优选为：1000ml水中含有蛋白胨5g，氯化钠5g，牛肉膏3g，琼脂15g，pH7.0，121℃灭菌30min，121℃灭菌30min；
微生物的发酵培养基原料配方优选为1000ml水中含有；15g碳酸氢钠，4g硝酸钠，1.0g磷酸二氢钾，pH7.0，121℃灭菌30min；
微量元素配方为1000ml水中含有：52g氯化锌，190g氯化钴，100g硫酸锰，24g氯化镍，29g氯化铜，36g钼酸钠和30g硼酸，pH7.0～7.2，121℃灭菌30min。
(2)投放人造光合反硝化脱氮菌剂以去除废水中的硝酸盐：在太阳光下，将步骤(1)制得的人造光合反硝化脱氮菌剂按体积百分比的1％投加至废水中。
(3)每间隔12小时取出水样，检测硝酸盐的含量。24小时后硝酸盐含量为7mg/L，去除率高达93％。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (9)

1.一种人造光合反硝化脱氮菌剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将反硝化菌接种至种子培养基中，摇床培养得种子液，将种子液接种至发酵培养基中，再加入微量元素溶液进行放大培养，直至培养液中细菌数目超过2.0*109个/ml，然后向发酵培养基中投加半胱氨酸和硝酸钼，形成人造光合反硝化脱氮菌剂；所述的反硝化细菌为荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)；所述半胱氨酸和硝酸钼的投加顺序为先投加半胱氨酸再硝酸钼。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述半胱氨酸投加量为发酵培养基质量分数的5～10％，硝酸钼添加后在发酵培养基中的浓度为15～20mmol/L。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述种子培养基配方为1000ml水中含有蛋白胨4～6g，氯化钠4～6g，牛肉膏2～4g，琼脂12～18g，pH7.0～7.2。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述发酵培养液配方为1000ml水中含有：15～20g碳酸氢钠，3～5g硝酸钠，0.9～1.2g磷酸二氢钾，pH7.0～7.2。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述的微量元素溶液的配方为1000ml水中含有：50～55g氯化锌、190～195g氯化钴，95～100g硫酸锰，24～26g氯化镍，26～29g氯化铜，33～36g钼酸钠和30～35g硼酸，pH7.0～7.2。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，摇床培养时摇床转速为150～250r/min，摇床培养时间为1～1.5d。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，微量元素溶液加入量为发酵培养基体积百分比的1～2％。
8.一种如权利要求1～7任一权利要求所述制备方法制备得到的人造光合反硝化脱氮菌剂。
9.一种利用人造光合反硝化脱氮菌剂进行废水脱氮的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将反硝化菌接种至种子培养基中，摇床培养得种子液，将种子液接种至发酵培养基中，再加入微量元素溶液进行放大培养，直至培养液中细菌数目超过2.0*109个/ml，然后向发酵培养基中投加半胱氨酸和硝酸钼，形成人造光合反硝化脱氮菌剂；所述的反硝化细菌为荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)；所述半胱氨酸和硝酸钼的投加顺序为先投加半胱氨酸再硝酸钼；
(2)将所述人造光合反硝化脱氮菌剂按配比投加至硝酸盐废水中。
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