CN106517539B - 定向快速筛选富集广谱性氨氧化细菌的方法 - Google Patents
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Abstract
定向快速筛选富集广谱性氨氧化细菌的方法，属于水处理领域。采用活性污泥为种源保持了原有AOB菌群的结构特征，采用高DO方法，保持了氨氧化的高效率，在高DO的条件下，利用高FA抑制了NOB的生长，通过规律排泥，在保持系统活性在高速率的条件下，规律性排泥淘汰NOB，实现AOB快速富集培养。
Description
技术领域
本发明属于水处理领域，特别涉及定向快速筛选富集广谱性氨氧化细菌，该技术旨在短时间内快速富集培养广谱性氨氧化细菌(AOB)，该菌群的培养对生物活性填料制作及污水厂氨氮氧化性能的提高具有广泛的应用前景。
背景技术
在废水处理中，传统的脱氮工艺必须经过完整的硝化和反硝化才能把水中的氮去除，即水体中的氨氮氧化为亚硝酸盐，亚硝酸盐氧化为硝酸盐，最终硝酸盐在反硝化细菌作用下被还原成氮气。但是对于反硝化细菌而言，NO2 -和NO3 -均可以作为最终电子受体。氨氮氧化成亚硝酸盐之后，不再进行后续的硝化，而是直接脱氮，即实现NH4 +→NO2 -→N2的过程，这将减少脱氮的成本，这一过程称之为短程硝化。与传统的生物硝化相比，短程硝化能够达到节省能源、减少曝气量和碳源消耗的目的，极大提高氨氮废水处理水平，而这一过程的实现有赖于氨氧化细菌(AOB)。现有实验研究中，多以高效能AOB单菌为核心，采用单菌种筛选、培养、富集，向系统投加的技术路线进行。这种技术路线存在的问题是：单一菌种对环境的适应性差，单一菌种高效AOB在复杂的多类细菌存在的污水处理系统中，很难形成生态优势。
目前，传统的AOB富集培养的方式是小规模培养、并且通过控制游离氨(FA)维持在高表达程度上，溶解氧(DO)维持在低氧程度上，利用在低溶解氧(小于0.5mg/L)供给条件下AOB对DO的竞争能力高于NOB的原理，使得亚硝酸盐得以稳定的高积累，达到亚硝酸盐高比例积累的目的。但是，此类培养方式的时间周期长，系统氨氧化速率受低溶解氧抑制反应效率低，于实际工程而言，这并不能理想地应用。
针对以上问题，本发明提出定向快速筛选富集广谱性氨氧化细菌。由于广谱性AOB具有较高生态稳定性，因此在污水处理系统中易形成生态优势。培养菌种来源现行污水处理厂回流污泥，具有一定的氨氧化能力，并具有AOB广谱性特征，能够保持原有污泥的种群分布。本发明通过快速大量富集AOB，生产出具有种群特征的细菌。基于以上前提，富集培养的广谱性AOB可以作为生物活性填料的制备，也可以投加到反应池当中直接处理高浓度含氮废水，同样可以作为酶制剂的来源。区别于传统的单一高效AOB，本技术以数量为优势，实现现行污水处理厂活性污泥系统中氨氧化速率的提高。
发明内容
本发明的目的在于开发出一种基于广谱性氨氧化细菌的快速富集培养方法，通过高DO提供实现异养菌的大量消耗和实现高氨氧化速率的保持；通过游离氨(FA)的控制有效地控制NOB的生长；通过定期排泥方式有效淘汰系统中的NOB。通过上述方法在短时间内能够实现高效率广谱性AOB的富集培养。
本发明采用活性污泥为种源保持了原有AOB菌群的结构特征，采用高DO方法，保持了氨氧化的高效率，在高DO的条件下，利用高FA抑制了NOB的生长，通过规律排泥，在保持系统活性在高速率的条件下，规律性排泥，实现淘汰NOB。
上述广谱性氨氧化细菌的富集培养方法包含以下步骤：
(1)以污水厂回流污泥作为菌种来源，通过持续曝气DO维持在1.5-2.0mg/L之间实现异养菌的大量消耗；在无氨氮投加的情况下，以混合液的沉淀上清液COD和DO的变化作为异养菌消耗过程的指示指标，在此过程中，原污泥的COD含量相对比较低，随着异养菌的死亡，混合液的沉淀上清液的COD含量增加，并且上下波动，当异养菌消耗殆尽之后，混合液沉淀上清液的COD值便保持相对稳定，维持在40mg/L～80mg/L之间，混合液的沉淀上清液DO也随之不断上升，最终趋于稳定；此过程污泥浓度也随之下降，从另一个角度也反映出异养菌的大量死亡；
(2)将步骤(1)的污泥进行AOB的无机培养，进水成分包括NH4Cl基础液和无机培养液，NH4Cl基础液投加量取决于污泥AOB培养体系中NH4 +-N浓度的变化，无机培养液中无机物组分如下：Na2CO3、K2HPO4、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、微量元素；使得污泥AOB培养体系中Na2CO3、K2HPO4、KH2PO4、MgSO4·7H2O浓度均为20mg/L，CaCl2·2H2O的浓度为10mg/L；每升污泥AOB培养体系中加入0.5mL微量元素溶液，其中微量元素溶液的组成和浓度：Zn2SO4·7H2O为0.12mg/L，NaMoO4·2H2O为0.12mg/L，CoCl2·6H2O为0.15mg/L，Mn2SO4·H2O为0.12mg/L，NiCl2·6H2O为0.10mg/L，CuSO4·5H2O为0.03mg/L，FeCl3·6H2O为1.5mg/L。
间歇式或连续式投加无机培养液，以维持AOB的基本营养条件。
培养过程中反应温度控制在25℃，初始污泥AOB培养体系DO在1.0mg/L～1.2mg/L范围内，pH为8～8.4；初始污泥的氨氧化速率较低，因此初始HRT维持在4h，进水氨氮控制在100mg/L，控制FA大于18mg/L，使其对NOB产生抑制作用。
(3)在步骤(2)的基础上，控制其他条件不变，DO调整至1.2mg/L～1.8mg/L之间，随着系统氨氧化能力的不断提高，进水氨氮浓度的也相应不断提高，HRT也不断缩短，FA提升至大于40mg/L，氨氧化速率可以高达200mg/(L·h)，甚至以上，并且亚硝酸盐积累率始终保持在98％以上，并通过定时排泥的方法使NOB逐渐从系统中淘洗出去；此过程中，随着培养时间的增长，污泥浓度不断增加，最终实现AOB在短时间内的筛选富集。
优选，上述步骤(2)DO小于步骤(3)DO。
上述优选步骤(3)氨氮浓度从100mg/L逐步增加至700mg/L，并将HRT缩短为3h，之后HRT缩短至2h并保持不变。
本发明的进水氨氮浓度指的是系统中氨氮浓度。
本发明有益效果主要体现在：
(1)通过培养初期持续性曝气和无氨氮的投加，使得大量异养菌通过内源呼吸的方式死亡，因而纯化了细菌的种类。
(2)进入筛选期，控制DO在较高水平，通过pH、氨氮投加量的有效配合，对FA进行有效控制，来实现快速筛选富集广谱性AOB。
(3)在亚硝酸盐有一定的积累后，仍然通过pH、氨氮投加量，以及系统亚硝酸含量，利用FA实现对NOB生长进行控制。此时，高DO的设置使AOB的氨氧化速率持续增高，亚硝酸盐积累率得以稳定而高效持久地表达。
(4)通过定期排泥方式使NOB从系统中淘洗出去，获得相对较“纯”的AOB，在任何系统中，都能维持相应的稳定度。
(5)以污水处理厂硝化活性污泥为种源，进行筛选富集，保持了原有AOB菌群的组成特性。
(6)由于广谱性AOB对高氨氮废水具有较高的生态稳定性，相较于传统全程硝化工艺而言，省去了后续硝化，直接进行反硝化，并且拥有相对稳定的AOB系统和高氨氧化速率，能够大幅度简化处理工艺和运行成本。
附图说明
图1为广谱性氨氧化细菌培养装置图。
具体实施方式
下面结合实施案例对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本培养方式经过小试，装置见图1，效果显著，具体操作如下：
(1)利用连续流反应器培养，进行为期4天的持续性曝气，并且不投加氨氮，原污泥浓度(MLSS)为6976mg/L,DO为1.5-2.0mg/L，COD为16.084mg/L，4天之后MLSS变为5324mg/L，DO含量上升为6.34mg/L，COD直线上升之后上下波动，最后稳定在60mg/L左右。表观条件表明，大量异养菌消耗完全，随之进入到了富集广谱性AOB阶段。
(2)在步骤(1)的基础上，采用连续进水的方式，通过控制进水成分，系统内温度为25℃，初期DO为1.0mg/L～1.2mg/L之间，pH为8～8.4，为AOB的增长提供最佳条件。反应起始阶段进水氨氮控制在100mg/L，HRT为4h，此时反应混合液FA不大于12mg/L，亚硝酸盐积累率由33％增加至70％；
进水成分包括NH4Cl基础液和无机培养液，NH4Cl基础液投加量取决于污泥AOB培养体系中NH4 +-N浓度的变化，无机培养液中无机物组分如下：Na2CO3、K2HPO4、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、微量元素；使得污泥AOB培养体系中Na2CO3、K2HPO4、KH2PO4、MgSO4·7H2O浓度均为20mg/L，CaCl2·2H2O的浓度为10mg/L；
每升污泥AOB培养体系中加入0.5mL微量元素溶液，其中微量元素溶液的组成和浓度：Zn2SO4·7H2O为0.12mg/L，NaMoO4·2H2O为0.12mg/L，CoCl2·6H2O为0.15mg/L，Mn2SO4·H2O为0.12mg/L，NiCl2·6H2O为0.10mg/L，CuSO4·5H2O为0.03mg/L，FeCl3·6H2O为1.5mg/L。
(3)在步骤(2)的基础上，控制其他条件不变，DO调整至1.5mg/L～1.8mg/L之间，氨氮浓度从100mg/L逐步增加至700mg/L，并将HRT缩短为3h，之后HRT缩短至2h并保持不变。使FA不断增长至40mg/L，期间每天不间断排泥，系统污泥量仍然持续增长，之后系统污泥量逐渐稳定，此时亚硝酸盐积累率始终保持在98％以上，氨氧化速率从最初的10mg/(L·h)提高到200mg/(L·h)，系统内AOB的活性不断增强且所占比例不断加大。
Claims (4)
1.定向快速筛选富集广谱性氨氧化细菌的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以污水厂回流污泥作为菌种来源，通过持续曝气DO维持在1.5-2.0mg/L之间实现异养菌的大量消耗；在无氨氮投加的情况下，以混合液的沉淀上清液COD和DO的变化作为异养菌消耗过程的指示指标，在此过程中，原污泥的COD含量相对比较低，随着异养菌的死亡，混合液的沉淀上清液的COD含量增加，并且上下波动，当异养菌消耗殆尽之后，混合液沉淀上清液的COD值便保持相对稳定，维持在40mg/L～80mg/L之间，混合液的沉淀上清液DO也随之不断上升，最终趋于稳定；此过程污泥浓度也随之下降，从另一个角度也反映出异养菌的大量死亡；
(2)将步骤(1)的污泥进行AOB的无机培养，进水成分包括NH4Cl基础液和无机培养液，NH4Cl基础液投加量取决于污泥AOB培养体系中NH4 +-N浓度的变化，无机培养液中无机物组分如下：Na2CO3、K2HPO4、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、微量元素；使得污泥AOB培养体系中Na2CO3、K2HPO4、KH2PO4、MgSO4·7H2O浓度均为20mg/L，CaCl2·2H2O的浓度为10mg/L；
每升污泥AOB培养体系中加入0.5mL微量元素溶液，其中微量元素溶液的组成和浓度：Zn2SO4·7H2O为0.12mg/L，NaMoO4·2H2O为0.12mg/L，CoCl2·6H2O为0.15mg/L，Mn2SO4·H2O为0.12mg/L，NiCl2·6H2O为0.10mg/L，CuSO4·5H2O为0.03mg/L，FeCl3·6H2O为1.5mg/L；
培养过程中反应温度控制在25℃，初始污泥AOB培养体系DO在1.0mg/L～1.2mg/L范围内，pH为8～8.4；初始污泥的氨氧化速率较低，因此初始HRT维持在4h，进水氨氮控制在100mg/L,控制游离氨FA大于18mg/L，使其对NOB产生抑制作用，系统内亚硝酸盐得以高积累，积累率大于50％，AOB逐渐成为优势菌群；
(3)在步骤(2)的基础上，控制其他条件不变，DO调整至1.2mg/L～1.8mg/L之间，随着系统氨氧化能力的不断提高，进水氨氮浓度的也相应不断提高，HRT也不断缩短，FA提升至40mg/L，氨氧化速率可以高达200mg/(L·h)，甚至以上；并且亚硝酸盐积累率始终保持在98％以上，并通过定时排泥的方法使NOB逐渐从系统中淘洗出去；此过程中，随着培养时间的增长，污泥浓度不断增加，最终实现AOB在短时间内的筛选富集。
2.按照权利要求1所述的定向快速筛选富集广谱性氨氧化细菌的方法，其特征在于，间歇式或连续式投加无机培养液，以维持AOB的基本营养条件。
3.按照权利要求1所述的定向快速筛选富集广谱性氨氧化细菌的方法，其特征在于，步骤(2)DO小于步骤(3)DO。
4.按照权利要求1所述的定向快速筛选富集广谱性氨氧化细菌的方法，其特征在于，步骤(3)氨氮浓度从100mg/L逐步增加至700mg/L，并将HRT缩短为3h，之后HRT缩短至2h并保持不变。
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