CN106434412B - 一种硝化细菌连续生产方法及其生产设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硝化细菌连续生产方法及其生产设备，该生产设备包括有培养罐、营养液输送系统、氧气输送系统、进水管、碱度调节补碱罐、无活性碳的浓缩补料罐、补水泵、排水泵、排菌液泵及培养罐内的膜组件，所述营养液输送系统包括营养液储罐、营养液泵和营养液输送管，营养液储罐通过营养液输送管与营养液泵相连，所述氧气输送系统包括风机和倒伞型曝气头，风机的输出管由培养罐下方引入与倒伞型曝气头连接，所述营养液输送管的输出端、无活性碳的浓缩补料罐的输出管、进水管、碱度调节补碱罐的排放管安装于培养罐上方。本发明所得到的产品活性具有量化指标，并且最终产品达到500mgN/L菌液/h；可以更加高效的进行菌体与培养液分离。

Description

一种硝化细菌连续生产方法及其生产设备
技术领域
本发明涉及硝化细菌生产领域，具体涉及一种硝化细菌连续生产方法及其生产设备。
背景技术
在自然界氮循环中，硝化细菌起到了不可替代的作用，硝化细菌是一种可以将氨氮转化为硝态氮然后通过反硝化细菌的作用最终转化成氮气回到大气中去。硝化作用过程是由两类细菌共同参与完成，亚硝酸盐氧化菌将氨氮氧化成亚硝态氮，主要细菌种类有亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、亚硝化弧菌属(Nitrosovibrio)以及亚硝化球菌属(Nitrosococcus)；硝酸盐氧化菌将亚硝态氮氧化为硝态氮，主要种类有硝化螺菌属(Nitrospira)、硝化杆菌属(Nitrobacter)、硝化球菌属(Nitrococcus)和硝化刺菌属(Nitrospina)等。以上细菌均为革兰氏阴性菌，且均为化能自养型细菌，故较异养细菌生长较慢，一般根据生长环境不同亚硝酸盐氧化菌7～36h繁殖一代，而硝酸盐氧化菌12～59h繁殖一代，相对于异养菌每10-20min繁殖一代来说是繁殖比较慢的。这就导致了在环境中硝化细菌对氧气以及其他养分的竞争较异养菌处于不利的地位。硝化细菌适宜温度在为25～30℃，高于或低于此温度，硝化细菌活性均降低。pH要求相对严格，其中亚硝酸盐氧化菌pH范围7.8-8.0，硝酸盐氧化菌pH范围7.3-7.5，溶解氧均要求大于2mg/l。由此可见，硝化细菌生存条件要求较为苛刻。其中目前国内外硝化细菌主要应用于养殖行业及污水处理行业，水产养殖行业虽然近些年发展较快，但水产养殖仍沿袭静水养殖，随着养殖时间延长，水中含有大量残余饲料，排泄物以及死亡残体等大量有机物质，这些物质被水中的异养菌分解代谢后生成大量的含氮有害物质，经过一系列转化生成亚硝酸盐，进而形成强致癌物质亚硝胺。亚硝酸盐如果长期积累会对鱼、虾等具有较强的毒害作用。一般水体中硝化细菌含量较少而且生长较慢，因此，人为投加高活性，高浓度的硝化细菌可以使水中积累的氨氮和亚硝酸盐转化为硝酸盐，从而使水生系统保持正常、稳定。在水处理领域，由于现在工业生产、生活及农肥投加等活动排放了大量的含氮污水，这些含氮水体如果不加以处理就排放会破坏水生态系统平衡，造成富营养化以及导致其中的水生鱼、虾、贝类死亡等后果。而污水处理中由于污水处理过程中人为的或者系统出现异常经常导致氨氮超标排放，发现氨氮超标后通过系统自我恢复有非常慢，所以氨氮超标事故发生后，人为投加高浓度的氨氮细菌是一种快速解决问题的有效办法。由此可见，寻求高效稳定的硝化细菌生产方法，是解决一些企业污水处理系统对氨氮去除率较低而达不到排放要求的有效途径。CN102250783B发明了一种氨氧化细菌富集培养的方法，是通过以活性污泥为接种源，垃圾渗滤液为培养基进行间歇培养，该发明缺点主要是富集的氨氧化菌不纯，有较多杂菌，其报道的最终氨氧化效率也仅提高了20％，而且此工艺属于间歇发酵，因此，产品需时较长，效率较低。CN102757913A描述了一种高活力硝化细菌产品生产方法，该方法虽克服了投加培养基时存在的培养基之间相互反应的问题，但是最终该专利描述的活力并没有具体数据来说明活力的高低，而且最终制成产品的过程比较繁琐需要热风循环干燥，既需要投入额外的成本而且烘干对氨氮菌的活性也有较大影响。
CN101709278A发明了一种高浓度亚硝化细菌的规模化培养方法，此方法使用混凝剂进行絮凝处理，絮凝剂会导致亚硝化细菌和硝化细菌的活性降低，不利于长期保存。CN102757913A使用吸附装置进行硝化细菌的吸附富集，每批次富集后的菌体需要不断地脱吸，过程比较繁琐。因此，针对传统硝化细菌生产方法中的培养方式进行改进，由半连续改为完全连续培养的方式，菌体与培养液的分离过程是利用膜过滤系统，实现菌体和培养液的完全分离。相比较CN101709278A的通过静置来实现固液分离更加效率和方便。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种硝化细菌连续生产方法及其生产设备。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种硝化细菌连续生产方法，通过以下步骤制备：
S1、准备连续生产的基础配料：
S11、初始批次培养液
S111、每次培养启动前，向硝化细菌培养设备中注入一定体积的自来水，然后投加无机营养盐和菌种，使其最终体积为VL，启动循环曝气和温控装置，设置温度为30℃；
S112、称取一定量的无机营养盐和菌种，投加至培养设备中，使之溶解，使培养罐内最终浓度达到：NH3-N：297mg/L、磷元素：53mg/L、镁元素：39mg/L、无机碳源：71mg/L、硝化细菌载体投加量：5000mg/L；
S12、浓缩补料液的制备：
向带有搅拌装置的配料桶中加入部分自来水，启动搅拌电机；称取一定量的无机营养盐投加至配料桶中，使之溶解，继续加自来水，连续搅拌，使最终体积达V1L，培养罐内最终浓度达到：NH3-N：7919mg/L、磷元素：356mg/L、镁元素：1035mg/L、硝化细菌载体投加量：66.7g/L；
S13、配制碱度调节液：
向带有搅拌装置的配料桶中加入部分自来水，启动搅拌电机，称取一定量的含无机碳源的化合物，投加至配料桶中，使之完全溶解，继续加自来水，使最终体积达V2，无机碳元素的含量为：5-7g/L；
S14、配制无载体的浓缩补料液：
向带有搅拌装置的配料桶中加入部分自来水，启动搅拌电机；称取一定量的无机营养盐，投加至配料桶中，使之溶解，继续加自来水，使最终体积达V3L，培养罐内最终浓度达到：NH3-N：7919mg/L、磷元素：356mg/L、镁元素：1035mg/L；
S2、硝化细菌基础培养
将步骤S112所得的初始批次培养液输入培养设备中，接入市售自养硝化细菌NB-1型0.02·V，启动pH控制，通过自动补加配制碱度调节液，使pH维持在7.5-7.8，培养48h，待NH3-N浓度降至47mg/L以下后，初始批次培养结束；
S3、启动膜过滤的培养
S31、初始批次培养结束后，启动膜过滤泵，使滤液以V/18L/h的速度通过排放管连续排出至下水管道；
S32、同时启动NM-4补料泵，以0.00208＊V L/h的速度补加步骤S14所得的无载体的浓缩补料液，同时启动补水泵，使培养体系总体积保持在VL；
S33、每24h测定培养体系内氨氮浓度，并通过以下公式计算氨氮转化率Rn：
Rn＝(Q*(So-Se))/V；
其中，Q培养罐内进水流量，So为进料的氨氮浓度，Se为排放的滤液的氨氮浓度，V为反应器有效体积；
S4、膜过滤的连续生产
S41、当Rn达到10mgN/L/h后，即每日所测量出水氨氮≤57mg/L，用步骤S12所得的浓缩补料液代替无载体的浓缩补料液进行补料，并启动排料泵，以V/36L/h的速度排放培养液，同时将膜过滤速度降至V/36L/h；用体积为V的收集桶1收集过滤排放的菌液，24h后，将排放管从收集桶1移除至收集桶2，收集桶1静置4h后，从通底部排放出经过重力浓缩后的菌液共计V/75kg(浓缩50倍)，按照菌液总质量的2％加入保存剂，得到产品后，放置于4℃条件下保存；
S42、若氨氮转化速率Rn低于10mgN/L/h，即每日所测量出水氨氮＞57mg/L，并且膜过滤流量不断降低，无法达到设计值，则暂停培养，按膜组件使用说明书对膜进行清洗后，重新启动连续培养；若氨氮转化速率Rn不低于10mgN/L/h，即每日所测量出水氨氮≤57mg/L，但获得的产品活性显著下降，即连续两批次产品低于正常活性30％，则停止生产，排空培养设备，对设备进行彻底清洗后，按步骤S2～步骤S4的流程重新启动生产。
本发明还提供了一种硝化细菌连续生产设备，包括有培养罐、营养液输送系统、氧气输送系统、进水管、碱度调节补碱罐、无活性碳的浓缩补料罐、补水泵、排水泵、排菌液泵及培养罐内的膜组件，所述营养液输送系统包括营养液储罐、营养液泵和营养液输送管，营养液储罐通过营养液输送管与营养液泵相连，所述氧气输送系统包括风机和倒伞型曝气头，风机的输出管由培养罐下方引入与倒伞型曝气头连接，所述营养液输送管的输出端、无活性碳的浓缩补料罐的输出管、进水管、碱度调节补碱罐的排放管安装于培养罐上方，倒伞型曝气头设置在膜组件的下方，排水泵接膜组件的输出口，在排菌液泵连接的排菌管串接在培养罐底部，补水泵安装在进水管道上，过滤网安装。
风机用于为培养体系提供氧气；膜组件用于进行菌体和培养液的分离；营养液储罐用于盛放供硝化细菌利用的培养基；碱度调节罐用于盛放含有无机碳元素的化合物(一般用Na2CO3或NaHCO3)加水配制成一定浓度的溶液，用于调节反应体系的pH；补水泵用于补加自来水；补料泵用于补充培养罐内所需的培养基；补碱泵用于补充培养罐内所需的碱度；排水泵用于主要排放培养罐内产生的硝酸盐和亚硝酸盐溶液；排菌泵用于排放培养完成的硝化细菌产品。
本发明具有以下有益效果：
(1)所得到的产品活性具有量化指标，并且最终产品达到500mgN/L菌液/h。
(2)培养方式为完全连续式培养，根据需要可以扩大培养罐体积，由此可进行硝化细菌规模化大批量生产。
(3)利用膜过滤系统相比传统方法更加高效的进行菌体与培养液分离。
(4)所得产品为液体状态，投加到系统中可以快速激活，并且保存方法较简单，保存时间长，便于产品化、商业化。
(5)本发明利用的载体，可以明显提高菌体附着率，培养液取出后经过重力沉降30min，上清液中几乎没有硝化细菌的存在，其优势在于投加进入系统中可以有效地防止菌种随出水流失，达到延长菌种作用时间的目的。
附图说明
图1为本发明实施例一种硝化细菌连续生产设备的结构示意图。
图2为本发明实施例中氨氮变化曲线，其中，红线表示开始投加硝化细菌的起始点。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中所使用的硝化细菌连续生产设备，如图1所示，包括1000L线性低密度聚乙烯塑料桶，罐内壁安装有液位开关，维持液位在1000L，罐顶部安装加热装置和pH探头，以保证硝化细菌培养所需的温度和pH值，平板超滤膜组件，膜组件排放口外接排放管，滤液通过排放泵排出系统，排菌液的排放管置于培养罐体内部偏中下位置。罐体外部配置空气压缩机，压缩空气通过空气管道送入罐体底部的微型曝气盘，分散形成细小的均匀的小气泡，主要起到了增氧和搅拌作用，外置的营养液储罐通过补料泵流加营养液，供给硝化细菌生长所需的各种营养物质。补碱罐通过补碱泵加入碱液来维持硝化细菌生长时一定的pH条件和碱度。以上所有设备的开关，均有中央控制单元控制，而自来水的加入由补水泵以及液位开关综合控制。液位开关上部10cm处装有液位保护开关，以防止液位开关失效时，能够有效防止水加满外溢。
工作原理为：液位通过液位开关控制使其液面维持在VL的体积。营养液通过蠕动泵从培养液储罐中向培养体系内泵入营养液。接种硝化细菌后，开启风机对培养液进行曝气，罐内的培养液pH通过pH检测装置自动控制，培养至设定时间后开启排水泵排放培养罐内通过膜过滤组件后的硝酸盐和亚硝酸盐溶液，未通过膜组件而截留下来的菌种通过拍菌泵排出至布袋过滤器内，进行收集。
以下实施例中所使用的保存剂均为pH 7.20的磷酸二氢钾和磷酸氢二钠的混合溶液。
实施例1
NB1型市售硝化细菌培养过程
NB1培养过程：按上图把所有装置以及管路安装好，调试完毕，首先将自来水加入到培养装置内，当加入至有效容积的30％左右，加入NM1培养基和硝化菌NB1，开启曝气，通过NM3控制pH在7.50～7.80，温度维持在30℃，本阶段膜组件不开启。当氨氮降低至57mg/L时，开启膜过滤组件，只排放过滤液，使滤液以55.54L/h(1333L/d)的速度连续排出。启动NM-4补料泵，以2.08L/h(50L/d)的速度补加NM-4，同时启动补水泵，使培养体系总体积保持在1000L。当Rn达到10mgN/L/h后(每24h后测量出水的滤液氨氮≤57mg/L)，用NM-2代替NM-4进行补料，并启动排菌泵，以27.78L/h(666.7L/d)的速度排放培养液，排放24h后的菌液，在收集桶1内静置4h后从通底部排放出经过重力浓缩后的菌液共计13.3kg，按照菌液总质量的2％加入保存剂，得到产品后，放置于4℃条件下保存。
实施例2
NB2型市售硝化细菌培养过程
NB2培养过程：按上图把所有装置以及管路安装好，调试完毕。
首先将自来水加入到培养装置内，当加入至有效容积的30％左右，加入NM1培养基和硝化菌NB2，开启曝气，通过NM3控制pH在7.50～7.80，温度维持在30℃，本阶段膜组件不开启。当氨氮降低至57mg/L时，开启膜过滤组件，只排放过滤液，使滤液以55.54L/h(1333L/d)的速度连续排出。启动NM-4补料泵，以2.08L/h(50L/d)的速度补加NM-4，同时启动补水泵，使培养体系总体积保持在1000L。当Rn达到10mgN/L/h后(每24h后测量出水的滤液氨氮≤57mg/L)，用NM-2代替NM-4进行补料，并启动排菌泵，以27.78L/h(666.7L/d)的速度排放培养液，排放24h后的菌液，在收集桶1内静置4h后从通底部排放出经过重力浓缩后的菌液共计13.3kg，按照菌液总质量的2％加入保存剂，得到产品后，放置于4℃条件下保存。
实施例3
NB3型市售硝化细菌培养过程
NB3培养过程：按上图把所有装置以及管路安装好，调试完毕。
首先将自来水加入到培养装置内，当加入至有效容积的30％左右，加入NM1培养基和硝化菌NB3，开启曝气，通过NM3控制pH在7.50～7.80，温度维持在30℃，本阶段膜组件不开启。当氨氮降低至57mg/L时，开启膜过滤组件，只排放过滤液，使滤液以55.54L/h(1333L/d)的速度连续排出。启动NM-4补料泵，以2.08L/h(50L/d)的速度补加NM-4，同时启动补水泵，使培养体系总体积保持在1000L。当Rn达到10mgN/L/h后(每24h后测量出水的滤液氨氮≤57mg/L)，用NM-2代替NM-4进行补料，并启动排菌泵，以27.78L/h(666.7L/d)的速度排放培养液，排放24h后的菌液，在收集桶1内静置4h后从通底部排放出经过重力浓缩后的菌液共计13.3kg，按照菌液总质量的2％加入保存剂，得到产品后，放置于4℃条件下保存。
产品具体应用实例1：硝化细菌处理浙江上虞市某印染废水试验效果
取好氧池末端泥水混合物1L，用玻璃棒搅匀后，向三个1L的塑料量筒反应器中各加300mL污泥，然后各加入700mL的二沉池出水。使其最终泥水混合物体积各为1L。然后向其中两个反应器中各加入本培养工艺生产的液体硝化细菌NB1型10mL、30mL并依次编号为1#、2#，使其最终接种量为1％、3％。试验过程中维持pH稳定在7.5～7.80，水浴加热温度维持在30℃，试验计时开始后分别测定0h、24h、48h的NH3-N。试验结果如表1显示添加硝化细菌的试验组在48h内氨氮降低至当地排放标准
表1某印染废水硝化细菌降解氨氮实验结果
产品具体应用实例2硝化细菌处理南侨某食品厂好氧进水试验效果
取好氧池泥水混合物1L，用玻璃棒搅匀后，向两个1L的塑料量筒反应器中各加500mL，然后各加入500mL的好氧进水。使其最终泥水混合物体积各为1L，并依次编号为1#、2#，然后向其中2#反应器中各加入本培养工艺生产的液体硝化细菌NB1型50mL使其接种量为5％，1#反应器加入50mL蒸馏水作空白对照。试验过程中维持pH稳定在7.5～7.80，水浴加热保持温度维持在30℃，试验计时开始后分别测定0h、24h、48h的NH4 +-N，试验结果如表2显示添加硝化细菌的试验组在48h内氨氮降低至当地排放标准。
表2某食品废水硝化细菌降解氨氮实验结果
产品具体应用实例3硝化细菌处理四川某合成氨厂废水试验效果
取好氧池泥水混合物1L，用玻璃棒搅匀后，向两个1L的塑料量筒反应器中各加500mL，然后各加入500mL的好氧进水。使其最终泥水混合物体积各为1L，并依次编号为1#、2#，然后向其中2#反应器中各加入本培养工艺生产的液体硝化细菌NB2型60mL使其接种量为60％，1#反应器加入60mL蒸馏水作空白对照。试验过程中维持pH稳定在7.5～7.80，水浴加热保持温度维持在30℃，试验计时开始后分别测定0h、24h、的NH3-N，试验结果如表3显示添加硝化细菌的试验组在24h内氨氮降低至当地排放标准(＜15mg/L)。
表3某食品废水硝化细菌降解氨氮实验结果
产品具体应用实例4硝化细菌处理山东省德州某合成制药废水试验效果
该制药废水处理系统由于氨氮严重超标，因此，与本公司合作进行了为期两个月的硝化细菌生物强化试验，所用硝化细菌为NB2型本工艺生产的菌种，该试验从2014年6.23-8.23号，试验持续两个月，试验前该污水处理系统每天氨氮去除负荷150kg/d左右，而经过两个月的持续投加硝化细菌强化硝化作用，氨氮的去除负荷提高至600kg/d左右。详细的运行数据以及氨氮变化曲线如下表4和图2所示：
表4硝化细菌强化山东德州合成制药废水试验效果
由上面数据可以得出，投加硝化细菌后出水氨氮明显降低而趋于稳定，氨氮去除负荷显著提高，硝化作用十分明显。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种硝化细菌连续生产方法，其特征在于，通过以下步骤制备：
S1、准备连续生产的基础配料：
S11、初始批次培养液
S111、每次培养启动前，向硝化细菌培养设备中注入一定体积的自来水，然后投加无机营养盐和菌种，使其最终体积为V L，启动循环曝气和温控装置，设置温度为30℃；
S112、称取一定量的无机营养盐和菌种，投加至培养设备中，使之溶解，使培养罐内最终浓度达到：NH3-N：297mg/L、磷元素：53mg/L、镁元素：39mg/L、无机碳源：71mg/L、硝化细菌载体投加量：5000mg/L；
S12、浓缩补料液的制备：
向带有搅拌装置的配料桶中加入部分自来水，启动搅拌电机；称取一定量的无机营养盐投加至配料桶中，使之溶解，继续加自来水，连续搅拌，使最终体积达V1L，培养罐内最终浓度达到：NH3-N：7919mg/L、磷元素：356mg/L、镁元素：1035mg/L、硝化细菌载体投加量：66.7g/L；
S13、配制碱度调节液：
向带有搅拌装置的配料桶中加入部分自来水，启动搅拌电机，称取一定量的含无机碳源的化合物，投加至配料桶中，使之完全溶解，继续加自来水，使最终体积达V2，无机碳元素的含量为：5-7g/L；
S14、配制无载体的浓缩补料液：
向带有搅拌装置的配料桶中加入部分自来水，启动搅拌电机；称取一定量的无机营养盐,投加至配料桶中，使之溶解，继续加自来水，使最终体积达V3L，培养罐内最终浓度达到：NH3-N：7919mg/L、磷元素：356mg/L、镁元素：1035mg/L；
S2、硝化细菌基础培养
将步骤S112所得的初始批次培养液输入培养设备中，接入市售自养硝化细菌NB-1型0.02·V,其中:V为反应器有效体积，启动pH控制，通过自动补加配制碱度调节液，使pH维持在7.5-7.8，培养48h，待NH3-N浓度降至47mg/L以下后，初始批次培养结束；
S3、启动膜过滤的培养
S31、初始批次培养结束后，启动膜过滤泵，使滤液以V/18L/h的速度通过排放管连续排出至下水管道；
S32、同时启动NM-4补料泵，以0.00208*V L/h的速度补加步骤S14所得的无载体的浓缩补料液，同时启动补水泵，使培养体系总体积保持在V L；
S33、每24h测定培养体系内氨氮浓度，并通过以下公式计算氨氮转化率Rn：
Rn＝(Q*(So-Se))/V；
其中，Q培养罐内进水流量,So为进料的氨氮浓度,Se为排放的滤液的氨氮浓度,V为反应器有效体积；
S4、膜过滤的连续生产
S41、当Rn达到10mgN/L/h后，即每日所测量出水氨氮≦57mg/L，用步骤S12所得的浓缩补料液代替无载体的浓缩补料液进行补料，并启动排料泵，以V/36L/h的速度排放培养液，同时将膜过滤速度降至V/36L/h；用体积为V的收集桶1收集过滤排放的菌液，24h后，将排放管从收集桶1移除至收集桶2，收集桶1静置4h后，从通底部排放出经过重力浓缩后的菌液共计V/75kg，按照菌液总质量的2％加入保存剂，得到产品后，放置于4℃条件下保存；
S42、若氨氮转化速率Rn低于10mgN/L/h，即每日所测量出水氨氮﹥57mg/L，并且膜过滤流量不断降低，无法达到设计值，则暂停培养，按膜组件使用说明书对膜进行清洗后，重新启动连续培养；若氨氮转化速率Rn不低于10mgN/L/h，即每日所测量出水氨氮≦57mg/L，但获得的产品活性显著下降，即连续两批次产品低于正常活性30％，则停止生产，排空培养设备，对设备进行彻底清洗后，按步骤S2～步骤S4的流程重新启动生产。
2.如权利要求1所述的一种硝化细菌连续生产方法的生产设备，其特征在于，包括有培养罐、营养液输送系统、氧气输送系统、进水管、碱度调节补碱罐、无活性碳的浓缩补料罐、补水泵、排水泵、排菌液泵及培养罐内的膜组件，所述营养液输送系统包括营养液储罐、营养液泵和营养液输送管，营养液储罐通过营养液输送管与营养液泵相连，所述氧气输送系统包括风机和倒伞型曝气头，风机的输出管由培养罐下方引入与倒伞型曝气头连接，所述营养液输送管的输出端、无活性碳的浓缩补料罐的输出管、进水管、碱度调节补碱罐的排放管安装于培养罐上方，倒伞型曝气头设置在膜组件的下方，排水泵接膜组件的输出口，在排菌液泵连接的排菌管串接在培养罐底部，补水泵安装在进水管道上，过滤网安装。
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