CN106434469B - 一种耐低温硝化菌剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐低温硝化菌剂及其制备方法和应用，属于微生物菌剂制备领域，解决了现有的耐低温硝化菌剂存在制备成本高，菌种易变异和退化，适应能力较差，功能菌株类型单一的问题。本发明的耐低温硝化菌剂包括自养硝化细菌、异养硝化细菌和氨氧化古菌等三类硝化功能菌，通过适温富集、低温驯化的方式进行制备，富集过程通过外加碳源及氯化钠和/或硫酸钠的方式提高硝化功能菌多样性，从而缓解低温下的氨氮降解性能迅速下降的问题，进一步加快驯化速度，提高培养效率。根据此制备方法得到的耐低温硝化菌剂包含自养硝化细菌、异养硝化细菌和氨氧化古菌等三类硝化功能菌，可满足多种水质及环境温度的要求，具有良好的社会效益和实用价值。
Description
技术领域
本发明属于微生物菌剂制备领域，更具体地说，涉及一种耐低温硝化菌剂及其制备方法和应用。
背景技术
为了改善水环境质量，我国在“十二五”期间大力开展水污染防治工作，提出将氨氮纳为水污染物排放约束性控制指标。氨氮是水体中的一种常见污染物，其对水生态环境的危害表现在多个方面，如消耗水中溶解氧，使水体发黑发臭；毒害水生生物，使水体生态遭到破坏等。废水脱氮主要分为物化法和生物法，其中生物处理法由于条件温和，处理成本低、二次污染少等优势，在国内外得到广泛的应用。生物脱氮的基本原理是，氨氮通过硝化作用氧化为硝酸盐，再通过反硝化作用将硝酸盐还原成气态氮从水中逸出，达到脱氮目的。
温度是影响硝化作用的主要因素之一，当温度小于15℃时硝化速度明显下降；低于5℃时硝化细菌的生命活动几乎停止。在冬季，我国污水处理厂生物处理系统存在硝化功能启动慢(需30天以上)、硝化能力不稳定、氨氮处理能力明显下降等问题，严重制约了生物脱氮的效果。此外，生物毒性和氨氮负荷也是影响硝化作用的重要因素，部分工业(制药、化工、印染等)废水中氨氮浓度较高，且具有较强的生物毒性，也会发生硝化能力不足这一现象。有研究表明向生物处理系统中投加硝化菌剂可有效减少启动时间、强化硝化功能(如中国专利申请号200810012685.6，申请日为2008年8月2日，发明创造名称为一种含氨废水短程硝化的快速启动方法，其通过投加硝化细菌或硝化细菌与活性污泥的混合作为接种物，将启动时间缩短至25天左右，并可对氨氮浓度为800～1200mg/L的废水进行脱氮处理)，因此为解决上述问题，我国对耐低温硝化菌剂的研发日益增多。
目前，耐低温硝化菌剂主要分为两类：一类是使用由一种或几种硝化菌组成的纯硝化菌剂(如中国专利申请号02156977.0，申请日为2002年12月24日，发明创造名称为一种低温硝化菌剂及其用途，其提供了一种低温硝化菌剂包含汉堡硝化杆菌AS 1.2729，维式硝化杆菌AS 1.2730和AS 1.2775，蜡状芽孢杆菌AS 1.230，地衣芽孢杆菌AS 1.518，酿酒酵母AS 2.412等六种菌株，这些菌株经培养后，按其培养物同等体积比例配比组成为耐低温硝化菌剂，在较低温度下具有去除超低浓度氨氮的作用。)，另一类是使用高度富集硝化细菌的活性污泥(如中国专利申请号201310296780.4，申请日为2013年07月15日，发明创造名称为一种耐低温自养硝化菌剂的富集及其在废水处理中的应用，其提供的一种高度富集耐低温自养硝化细菌的活性污泥，该菌剂在10℃的低温环境下，能够以氨氮为唯一氮源，在好氧环境中将氨氮高效去除；充分实现了硝化细菌在低温条件下的活性维持和持续的硝化速率。)。第一类硝化菌剂虽然有富集培养速度快、菌种纯度高等优点，但其制备成本高，菌种易变异和退化，且菌种组成相对单一，实际应用中适应能力较差，不易发挥生物强化功能；第二类硝化菌剂可克服第一类菌剂的缺点，是目前较常使用的培养方法，但第二类硝化菌剂的研究主要集中于自养硝化菌剂，存在功能菌株类型单一的问题，导致其可市场应用范围较窄，且通常需要大量的时间进行驯化和富集。硝化菌剂的制备成本、生产速度及应用范围直接影响了其市场推广，因此提供一种低成本并可广泛应用于多种废水处理系统的耐低温硝化菌剂的制备方法显得尤为重要。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有的耐低温硝化菌剂存在制备成本高，菌种易变异和退化，适应能力较差，功能菌株类型单一的问题，本发明的目的之一是提供一种耐低温硝化菌剂及其制备方法和应用，该耐低温硝化菌剂包含自养硝化细菌、异养硝化细菌和氨氧化古菌等三类硝化功能菌，其通过适温富集、低温驯化的方式进行制备，富集过程通过外加碳源(培养异养硝化细菌)及氯化钠和/或硫酸钠(培养氨氧化古菌)的方式提高硝化功能菌多样性，缓解低温下的氨氮降解性能迅速下降的问题，加快驯化速度，提高培养效率。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种耐低温硝化菌剂，所述耐低温硝化菌剂包括自养硝化细菌、异养硝化细菌和氨氧化古菌这三类硝化功能菌，通过适温富集、低温驯化的方式制备得到。
上述的一种耐低温硝化菌剂的制备方法，其制备步骤为：
(1)接种某污水处理厂好氧段活性污泥至反应器中；
(2)采用连续进水方式向反应器中添加自养硝化菌培养基，所添加的自养硝化菌培养基中氨氮的浓度根据反应器对培养基的利用率逐步提高，培养过程保持反应器温度为20～30℃；
(3)待反应器对自养硝化菌培养基的利用率达到90％时，向自养硝化菌培养基投加有机碳源及氯化钠和/或硫酸钠，此培养过程保持反应器温度为20～30℃；
(4)待反应器对有机碳源及氯化钠和/或硫酸钠自养硝化培养基的利用率达到90％时，降低反应器温度至5～10℃；
(5)提高培养基在反应器中的时间，使培养基的利用率不低于80％，待反应器培养基利用率不低于90％时，逐步减少培养基在反应器中的时间，直至培养基利用率保持在80％～90％之间；
(6)在保持培养基的利用率在80％～90％的基础上，从反应器中取出部分培养液，所得培养液中的菌剂即为制备得到的耐低温硝化菌剂。
更进一步地，步骤(1)中所述的反应器为膜生物反应器、升流式反应器；步骤(1)中接种的污泥氨氧化速率不小于0.5×10-3mg NH4 +-N/mgMLSS·h。
更进一步地，步骤(2)中所述的自养硝化菌培养基由0.19～7.60‰氯化铵、0.04～1.60‰磷酸二氢钾、0.63～27.00‰碳酸氢钠、1～20‰生长营养液组成，其制备方法为：将上述组分在25～40℃条件下超声溶解，定容，最后加入1～20‰生长营养液。
更进一步地，生长营养液的组成成分及各组分的质量分数为：0.3～6‰氯化铁、0.03～0.6‰硫酸铜、0.02～0.4‰氯化锰、2～40‰氯化钙、0.03～0.6‰氯化锌、0.03～0.6‰氯化钴、2～40‰氯化镁、0.04～0.8‰碘化钾、0.03～0.6‰硼酸、0.1～2‰硫胺素，余量为水；其制备方法为：将上述组分在25～40℃条件下超声溶解，定容。
更进一步地，步骤(2)中在培养基利用率不低于90％时，逐步提高自养硝化菌培养基中氯化铵、磷酸二氢钾和碳酸氢钠的浓度，其中每次提高比例为50％～100％。
更进一步地，步骤(3)中投加的有机碳源为甲醇、醋酸钠、葡萄糖、可溶性淀粉、待处理废水中的特征污染物中的一种或多种。
更进一步地，步骤(3)中投加的有机碳源的COD浓度为100～5000mg/L。
更进一步地，步骤(3)中投加氯化钠和/或硫酸钠是指投加氯化钠、硫酸钠中的一种或两种。
更进一步地，步骤(3)中投加的氯化钠和/或硫酸钠的盐浓度为0.5％～5％。
更进一步地，上述的一种耐低温硝化菌剂在废水处理领域中的应用。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的耐低温硝化菌剂包含自养硝化细菌、异养硝化细菌和氨氧化古菌等三类硝化功能菌，其通过适温富集、低温驯化的方式进行制备，富集过程通过外加碳源(培养异养硝化细菌)及氯化钠和/或硫酸钠(培养氨氧化古菌)的方式提高硝化功能菌多样性，缓解低温下的氨氮降解性能迅速下降的问题，加快驯化速度，提高培养效率；
(2)本发明的方法制备的耐低温硝化菌剂中硝化功能菌丰度及多样性高，在投加本发明中的耐低温硝化菌剂后，硝化微生物的比例可根据不同废水水质特征自动调节，如废水中COD很低，这时自养硝化细菌丰度就会上升，而异养硝化细菌丰度会下降，或废水中盐度较高，自养硝化细菌丰度会下降，氨氧化古菌丰度会上升；使各类污水处理厂均能稳定保持良好的氨氮处理效果，具有较高的使用价值；
(3)本发明的方法制备的耐低温硝化菌剂功能稳定，应用前景及范围广阔，可有效解决冬季污水处理厂的氨氮处理效果差的问题，具有良好的社会效益；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
市政污水处理用耐低温硝化菌剂的制备
(1)从某市政污水厂好氧曝气池中取得活性污泥，测定其氨氧化速率为0.6～0.8×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h。
(2)将该活性污泥接种于升流式反应器中，采用连续进水方式向反应器中添加自养硝化菌培养基(0.19‰氯化铵，0.04‰磷酸二氢钾，0.63‰碳酸氢钠，1‰生长营养液)，反应器温度控制为25℃，培养基在反应器中停留时间为12小时，直至反应器培养基利用率为99％。
自养硝化菌培养基的制备方法为：将上述组分在25℃条件下超声溶解，定容至1000mL；生长营养液由：0.3‰氯化铁、0.03‰硫酸铜、0.02‰氯化锰、2‰份氯化钙、0.03‰份氯化锌、0.03‰份氯化钴、2‰氯化镁、0.04‰碘化钾、0.03‰硼酸、0.1‰硫胺素、水组成，其制备方法为：将上述组分在25℃条件下超声溶解，定容至1000mL。
(3)提高自养硝化菌培养基浓度，使培养基中氯化铵浓度为0.38‰，磷酸二氢钾浓度为0.08‰，碳酸氢钠浓度为1.26‰，生长营养液浓度为1‰，保持温度为25℃，停留时间为12小时，直至反应器培养基利用率为99％。
(4)在自养硝化菌培养基添加0.1‰的葡萄糖(指添加葡萄糖后自养硝化菌培养基中葡萄糖的浓度为0.1‰)，5‰的氯化钠(同葡萄糖)，保持温度为25℃，停留时间为12小时，直至反应器培养基利用率为99％。
(5)降低反应器温度至10℃，并将停留时间提高为24小时，直至反应器培养基利用率为95％。
(6)逐步降低停留时间直至6小时，在保持反应器培养基利用率为85％下，从反应器中取出五分之一体积的培养液，在6000rpm下离心10分钟即可制备得到市政污水处理用耐低温硝化菌剂。
(7)对市政污水处理用耐低温硝化菌剂的氨氧化速率进行测定，结果为3.6～5.2×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h，氨氧化速率明显提高。
实施例2
四环素废水处理用耐低温硝化菌剂的制备
(1)从某四环素废水处理厂好氧曝气池中取得活性污泥，测定其氨氧化速率为1.6～2.2×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h。
(2)将该活性污泥接种于膜生物反应器中，采用连续进水方式向反应器中添加自养硝化菌培养基(0.38‰氯化铵，0.08‰磷酸二氢钾，1.26‰碳酸氢钠，5‰生长营养液)，反应器温度控制为28℃，培养基在反应器中停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为99％。
自养硝化菌培养基的制备方法为：将上述组分在25～40℃条件下超声溶解，定容至1000mL；生长营养液由：6‰份氯化铁、0.6‰份硫酸铜、0.4‰份氯化锰、40‰份氯化钙、0.6‰份氯化锌、0.6‰份氯化钴、40‰份氯化镁、0.8‰份碘化钾、0.6‰份硼酸、2‰份硫胺素、水组成，其制备方法为：将上述组分在40℃条件下超声溶解，定容至1000mL。
(3)逐步提高自养硝化菌培养基浓度，使培养基中氯化铵浓度为1.91‰，磷酸二氢钾浓度为0.40‰，碳酸氢钠浓度为6.30‰，生长营养液浓度为5‰，保持温度为28℃，停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为99％。
(4)在自养硝化菌培养基添加1‰的葡萄糖，0.2‰的四环素、10‰的氯化钠，保持温度为28℃，停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为90％。
(5)降低反应器温度至10℃，并将停留时间提高为48小时，直至反应器培养基利用率为90％。
(6)逐步降低停留时间直至12小时，在保持反应器培养基利用率为80％下，从反应器中取出六分之一体积的培养液，在6000rpm下离心10分钟即可制备得到四环素废水处理用耐低温硝化菌剂。
(7)对四环素废水处理用耐低温硝化菌剂的氨氧化速率进行测定，结果为8.5～11.2×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h，氨氧化速率明显提高。
实施例3
苯酚废水处理用耐低温硝化菌剂的制备
(1)从某苯酚废水处理厂好氧曝气池中取得活性污泥，测定其氨氧化速率为1.2～1.7×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h。
(2)将该活性污泥接种于膜生物反应器中，采用连续进水方式向反应器中添加自养硝化菌培养基(0.38‰氯化铵，0.08‰磷酸二氢钾，1.26‰碳酸氢钠，20‰生长营养液)，反应器温度控制为23℃，培养基在反应器中停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为99％。
自养硝化菌培养基的制备方法为：将上述组分在30℃条件下超声溶解，定容至1000mL；生长营养液由：3‰氯化铁、0.3‰硫酸铜、0.2‰氯化锰、20‰氯化钙、0.3‰氯化锌、0.3‰氯化钴、20‰氯化镁、0.4‰碘化钾、0.3‰硼酸、1‰硫胺素、水组成，其制备方法为：将上述组分在30℃条件下超声溶解，定容至1000mL。
(3)逐步提高自养硝化菌培养基浓度，使培养基中氯化铵浓度为7.60‰，磷酸二氢钾浓度为1.60‰，碳酸氢钠浓度为27.00‰，生长营养液浓度为20‰，保持温度为28℃，停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为99％。
(4)在自养硝化菌培养基添加7.00‰的葡萄糖，0.50‰的苯酚、30.00‰的氯化钠，保持温度为28℃，停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为90％。
(5)降低反应器温度至10℃，并将停留时间提高为48小时，直至反应器培养基利用率为90％。
(6)逐步降低停留时间直至12小时，在保持反应器培养基利用率为80％下，从反应器中取出六分之一体积的培养液，在6000rpm下离心10分钟即可制备得到苯酚废水处理用耐低温硝化菌剂。
(7)对苯酚废水处理用耐低温硝化菌剂的氨氧化速率进行测定，结果为13.2～15.9×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h，氨氧化速率明显提高。
实施例4
炼油厂废水处理用耐低温硝化菌剂的制备
(1)从某炼油废水处理厂好氧曝气池中取得活性污泥，测定其氨氧化速率为0.6～1.3×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h。
(2)将该活性污泥接种于膜生物反应器中，采用连续进水方式向反应器中添加自养硝化菌培养基(0.53‰氯化铵，0.12‰磷酸二氢钾，1.89‰碳酸氢钠，10‰生长营养液)，反应器温度控制为25℃，培养基在反应器中停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为95％。
自养硝化菌培养基的制备方法为：将上述组分在35℃条件下超声溶解，定容至1000mL；生长营养液由：2‰氯化铁、0.2‰硫酸铜、0.15‰氯化锰、5‰氯化钙、0.1‰氯化锌、0.1‰氯化钴、5‰氯化镁、0.15‰碘化钾、0.1‰硼酸、0.5‰硫胺素、水组成，其制备方法为：将上述组分在35℃条件下超声溶解，定容至1000mL。
(3)逐步提高自养硝化菌培养基浓度，使培养基中氯化铵浓度为2.12‰，磷酸二氢钾浓度为0.48‰，碳酸氢钠浓度为7.56‰，生长营养液浓度为10‰，保持温度为28℃，停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为95％。
(4)在自养硝化菌培养基添加7.00‰的甲醇、20.00‰的氯化钠，保持温度为28℃，停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为90％。
(5)降低反应器温度至10℃，并将停留时间提高为48小时，直至反应器培养基利用率为90％。
(6)逐步降低停留时间直至12小时，在保持反应器培养基利用率为80％下，从反应器中取出六分之一体积的培养液，在6000rpm下离心10分钟即可制备得到炼油厂废水处理用耐低温硝化菌剂。
(7)对炼油厂废水处理用耐低温硝化菌剂的氨氧化速率进行测定，结果为9.2～13.6×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h，氨氧化速率明显提高。
实施例5
畜禽养殖废水处理用耐低温硝化菌剂的制备
(1)从某市政污水厂好氧曝气池中取得活性污泥，测定其氨氧化速率为0.75～1.1×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h。
(2)将该活性污泥接种于膜生物反应器中，采用连续进水方式向反应器中添加自养硝化菌培养基(0.45‰氯化铵，0.10‰磷酸二氢钾，1.51‰碳酸氢钠，8‰生长营养液)，反应器温度控制为25℃，培养基在反应器中停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为95％。
自养硝化菌培养基的制备方法为：将上述组分在35℃条件下超声溶解，定容至1000mL；生长营养液由：1.5‰氯化铁、0.15‰硫酸铜、0.08‰氯化锰、8‰氯化钙、0.1‰氯化锌、0.1‰氯化钴、8‰氯化镁、0.08‰碘化钾、0.1‰硼酸、0.5‰硫胺素、水组成，其制备方法为：将上述组分在35℃条件下超声溶解，定容至1000mL。
(3)逐步提高自养硝化菌培养基浓度，使培养基中氯化铵浓度为1.13‰，磷酸二氢钾浓度为0.25‰，碳酸氢钠浓度为3.78‰，生长营养液浓度为8‰，保持温度为28℃，停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为95％。
(4)在自养硝化菌培养基添加1.00‰的可溶性淀粉、5.00‰的氯化钠，保持温度为28℃，停留时间为24小时，直至反应器培养基利用率为90％。
(5)降低反应器温度至10℃，并将停留时间提高为48小时，直至反应器培养基利用率为90％。
(6)逐步降低停留时间直至12小时，在保持反应器培养基利用率为80％下，从反应器中取出六分之一体积的培养液，在6000rpm下离心10分钟即可制备得到炼油厂废水处理用耐低温硝化菌剂。
(7)对畜禽养殖废水处理用耐低温硝化菌剂的氨氧化速率进行测定，结果为5.6～8.2×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h，氨氧化速率明显提高。
Claims (4)
1.一种耐低温硝化菌剂的制备方法，所述耐低温硝化菌剂包括自养硝化细菌、异养硝化细菌和氨氧化古菌这三类硝化功能菌，其制备步骤为：
(1)接种某污水处理厂好氧段活性污泥至反应器中；
(2)采用连续进水方式向反应器中添加自养硝化菌培养基，所添加的自养硝化菌培养基中氨氮的浓度根据反应器对培养基的利用率逐步提高，培养过程保持反应器温度为20～30℃，在培养基利用率不低于90％时，逐步提高自养硝化菌培养基中氯化铵、磷酸二氢钾和碳酸氢钠的浓度，其中每次提高比例为50％～100％；所述的自养硝化菌培养基由0.19～7.60‰氯化铵、0.04～1.60‰磷酸二氢钾、0.63～27.00‰碳酸氢钠、1～20‰生长营养液组成，其制备方法为：将上述组分在25～40℃条件下超声溶解，定容，最后加入1～20‰生长营养液；生长营养液的组成成分及各组分的质量分数为：0.3～6‰氯化铁、0.03～0.6‰硫酸铜、0.02～0.4‰氯化锰、2～40‰氯化钙、0.03～0.6‰氯化锌、0.03～0.6‰氯化钴、2～40‰氯化镁、0.04～0.8‰碘化钾、0.03～0.6‰硼酸、0.1～2‰硫胺素，余量为水；其制备方法为：将上述组分在25～40℃条件下超声溶解，定容；
(3)待反应器对自养硝化菌培养基的利用率达到90％时，向自养硝化菌培养基投加有机碳源及氯化钠和/或硫酸钠，此培养过程保持反应器温度为20～30℃；投加的有机碳源为甲醇、醋酸钠、葡萄糖、可溶性淀粉、待处理废水中的特征污染物中的一种或多种；
(4)待反应器对有机碳源及氯化钠和/或硫酸钠自养硝化培养基的利用率达到90％时，降低反应器温度至5～10℃；
(5)提高培养基在反应器中的时间，使培养基的利用率不低于80％，待反应器培养基利用率不低于90％时，逐步减少培养基在反应器中的时间，直至培养基利用率保持在80％～90％之间；
(6)在保持培养基的利用率在80％～90％的基础上，从反应器中取出部分培养液，所得培养液中的菌剂即为制备得到的耐低温硝化菌剂。
2.根据权利要求1所述的一种耐低温硝化菌剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的反应器为膜生物反应器、升流式反应器；步骤(1)中接种的污泥氨氧化速率不小于0.5×10-3mgNH4 +-N/mgMLSS·h。
3.根据权利要求1所述的一种耐低温硝化菌剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中投加的有机碳源的COD浓度为100～5000mg/L。
4.根据权利要求1或3所述的一种耐低温硝化菌剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中投加的氯化钠和/或硫酸钠的盐浓度为0.5％～5％。
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