CN106754452B - 一种亚硝酸细菌富集培养方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种亚硝酸细菌富集培养方法，首先选择富含硝化菌的活性污泥，采取逐级提高基质氨氮浓度的方式进行培养，初始氨氮浓度小于100mg/L，当氨氮浓度提高到300mg/L时开始补加亚硝酸细菌生长促进剂；所述的亚硝酸细菌生长促进剂包括金属盐、多胺类物质、有机酸羟胺和Na₂SO₃，所述金属盐由钙盐、铜盐、镁盐和/或亚铁盐组成；当基质氨氮浓度提高到500mg/L并且24h内氨氮去除率达85%，亚硝酸率达80%以上时结束富集培养过程。本发明通过投加亚硝酸细菌生长促进剂和调控富集培养条件配合的方式，使亚硝酸细菌在短时间内快速生长繁殖，缩短了培养周期，所培养的亚硝酸细菌脱氮活性高、稳定性好、耐冲击能力强。

Description

一种亚硝酸细菌富集培养方法

技术领域

本发明属于微生物培养技术领域，具体涉及一种亚硝酸细菌富集培养方法。

背景技术

短程硝化反硝化生物脱氮技术，又称亚硝酸型生物脱氮技术，就是将硝化过程控制在NO₂-N阶段而终止，随后进行亚硝酸盐反硝化脱氮。与传统生物脱氮技术相比，短程硝化-反硝化生物脱氮技术能缩短水力停留时间，可节省25%的能耗和40%的碳源，同时可以减少剩余污泥处理量。因此，短程硝化-反硝化生物脱氮技术已成为污水生物脱氮领域的一个新的研究热点。特别是将该技术应用于处理高氨氮低碳氮比污水，如催化剂生产含氨废水、尿素生产含氨废水等具有重要的实际意义。

杜兵等（新型亚硝酸工艺开发研究，给水排水，2006，32(9)）采用长污泥龄、低氧工艺控制亚硝酸反应，使得氨氧化细菌成为优势菌群，成功地开发出了一种新型亚硝酸工艺，但是该工艺的氨氮转换率平均为68.1%，亚硝酸盐氮生成率为63.7%。高大文等（SBR法短程硝化-反硝化生物脱氮工艺的研究,环境污染治理技术与设备,2003,4(6)）利用较高温度下硝酸菌的生长速率明显低于亚硝酸菌的生长速率这一特征，通过控制反应器内混合液温度在31±1℃条件下，实现了稳定持久的亚硝酸盐积累，该研究是利用豆制品废水为研究对象，不属于高浓度氨氮废水的处理。Gent微生物生态实验室利用亚硝酸菌对溶解氧的亲和力较硝酸菌强这一动力学特性差异，在低溶解氧条件下实现逐步淘汰硝酸菌达到短程硝化的目的，由此提出了OLAND工艺。但在实际工程应用时，DO浓度很难稳定地控制在所需要的低浓度范围，一旦DO浓度高，短程硝化就会向全程硝化转化。

CN1785843A公开了一种实现低C/N比高浓度氨氮废水短程硝化的方法，该方法是利用厌氧颗粒污泥培育的硝化颗粒污泥作为接种物、采用逐渐提高基质氨氮浓度来实现的，厌氧颗粒污泥虽然具有培养速度快的优点，但在后续的好氧短程硝化过程中，仍然存在短程硝化向全程硝化转化的不足。CN101423290A公开了常温下全程硝化生物脱氮系统实现短程硝化的方法，该方法分为4个阶段，每一个阶段的DO水平都控制的0.5-0.8，主要是通过控制限氧曝气使系统DO处于较低水平，在同时含有亚硝酸菌和硝酸菌的系统中保持亚硝酸菌的正常代谢和增值，不断抑制硝酸菌活性，最终实现短程硝化。然而在实际污水处理过程中，即使供氧量相同，由于生物量的不同及生物活性的不同导致硝化过程的耗氧量也不同，以及大型生物反应器很难达到溶解氧非常均匀的效果，所以DO水平很难有效控制在0.5-0.8mg/L这个范围，一旦溶解氧浓度没有控制好就会影响短程硝化的稳定性。

通常情况下，氨氧化过程形成的亚硝酸盐可以完全被氧化成硝酸盐。虽然通过控制外界条件如温度、溶解氧、pH和污泥龄等因素会导致硝化过程中HNO₂积累，但大多数都处在实验室研究阶段，出现亚硝酸盐积累后如何维持其长期稳定存在是短程生物脱氮技术的关键，目前的研究结果表明，只有高温的控制手段可以达到较好的稳定性。有些条件如高温等在实际工程中也难以实现，所以到目前为止，经NO₂ ^--N途径在实际工程中实现生物脱氮的成功应用并不多见。只有荷兰Delft技术大学开发的SHARON工艺仅用来处理污水处理厂中污泥消化液，该工艺基于高温（30-35℃）下亚硝酸菌的比增长速率大于硝酸菌实现短程硝化，利用这两类硝化细菌生长速率不同的控制策略决定了该工艺只能应用于高温废水，从而局限了它的应用。而对于大多数污水处理工程来说，大水量升温并保持在30-35℃成为该工艺大规模应用的瓶颈。从选择性抑制的影响来说，许多研究者发现0.6mg/L的游离氨(FA)几乎可以全部抑制硝酸菌的活性，但是硝酸菌具有变异和适应能力，一旦适应了高浓度的FA就会慢慢积累使短程硝化系统不稳定，并且稳定的FA浓度控制对于污水处理场来说也是不现实的。

在实现短程硝化之前进行亚硝酸菌的富集培养是实现短程硝化的适宜手段，筛选富集亚硝酸菌的方法与短程硝化的条件相近，基本方法就是通过控制温度、DO、pH等条件，使硝酸菌数量减少，而亚硝酸菌数量增加，但仍存在同样的长期使用时的稳定性问题。祖波等（普通活性污泥富集好氧氨氧化菌试验,重庆大学学报,2005,28(2)）在pH7.8-8.3、DO控制在0.8-1.2mg/L、温度控制在30±2℃条件下，采用逐渐提高进水氨氮浓度的方式进行好氧氨氧化菌的富集，该富集方法可以显著提高亚硝酸菌的数量，但使用该亚硝酸菌处理高氨氮废水时的长期稳定性仍需进一步提高。CN200710158375.0 公开了一种亚硝酸菌群的培养方法及含氨废水处理方法 采用在富集过程中逐渐增加基质氨氮浓度和pH值，维持较高游离氨，逐步淘汰硝酸菌。CN201010221247.8公开了一种实现高氨氮废水短程硝化的方法，该方法采用独特的亚硝酸优势菌群培养方法，可以获得稳定高效的含氨氮污水处理效果，解决了短程硝化在实际应用中遇到的不稳定的难题。但是，该方法单纯依靠外界条件进行富集培养，培养时间相对较长。CN201410141638.7公开了一种亚硝酸细菌的培养液及制备和培养方法，其培养液配方比较复杂，除了涉及铁、钙、钾、镁等提供细胞生长的元素，还涉及钴、钼、锰、锌等促进酶合成的元素。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种亚硝酸细菌富集培养方法。本发明通过投加亚硝酸细菌生长促进剂和调控富集培养条件配合的方式，使亚硝酸细菌在短时间内快速生长繁殖，缩短了培养周期，所培养的亚硝酸细菌活性高、稳定性好、耐冲击能力强。

本发明亚硝酸细菌富集培养方法，包括如下内容：首先选择富含硝化菌（含有硝酸细菌和亚硝酸细菌）的活性污泥，采取逐级提高基质氨氮浓度的方式进行培养，初始氨氮浓度小于100mg/L，当氨氮浓度提高到300mg/L时开始补加亚硝酸细菌生长促进剂；所述亚硝酸细菌生长促进剂包括金属盐、多胺类物质、有机酸羟胺和Na₂SO₃，所述的金属盐由钙盐、铜盐、镁盐和/或亚铁盐组成；当基质氨氮浓度提高到500mg/L并且24h内氨氮去除率达85%，亚硝酸率达80%以上时结束富集培养过程。

本发明所述亚硝酸细菌生长促进剂中，金属盐为40-100重量份，优选为50-80重量份；多胺类物质为5-30重量份，优选为10-20重量份；有机酸羟胺为0.05-1.5重量份，优选为0.1-1.0重量份；Na₂SO₃为10-40重量份，优选为20-30重量份。

本发明所述亚硝酸细菌生长促进剂中，所述金属盐可以为钙盐、亚铁盐和铜盐，其中Ca²⁺、Fe²⁺和Cu²⁺的摩尔比为（5-15）:（1-8）:（0.5-5），优选为（8-12）:（2-6）:（1-4）；或者是钙盐、镁盐和铜盐，其中Ca²⁺、Mg²⁺和Cu²⁺的摩尔比为（5-15）:（5-25）:（0.5-5），优选为（8-12）:（10-20）:（1-4）；或者是钙盐、镁盐、亚铁盐和铜盐，其中Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺和Cu²⁺的摩尔比为（5-15）:（5-25）:（1-8）:（0.5-5），优选为（8-12）:（10-20）:（2-6）:（1-4）。

本发明所述亚硝酸细菌生长促进剂中，所述钙盐为CaSO₄或者CaCl₂，镁盐为MgSO₄或者MgCl₂，铜盐为CuSO₄或者CuCl₂，铁盐为FeSO₄或者FeCl₂。

本发明所述亚硝酸细菌生长促进剂中，所述多胺类物质为精胺、亚精胺或者两者的混合物。所述有机酸羟胺为甲酸羟胺、乙酸羟胺或者两者的混合物。

本发明所述的亚硝酸细菌生长促进剂按照培养体系中促进剂浓度10-50mg/L进行投加，优选20-30mg/L进行投加。可以每天或者每隔几天补加一次，也可以在每次更换培养基时补加。如果是每天投加促进剂，在补加促进剂的同时控制pH在7.0-8.0，DO为1.0-4.0mg/L，优选为2.0-3.0mg/L，培养8-15h后将pH调节至8.0-9.0之间，同时降低DO浓度至1.0-2.0mg/L，优选为1.0-1.5mg/L。如果每隔几天补加促进剂，则补加促进剂的1-2天需要将pH调节到7.0-8.0之间，控制DO浓度为1.0-4.0mg/L，优选为2.0-3.0mg/L，此后培养过程都需要将pH调节至8.0-9.0之间，同时降低DO浓度至0.5-2.0mg/L，优选为1.0-1.5mg/L。

本发明中，所述富含硝化菌（同时含有硝酸细菌和亚硝酸细菌）的活性污泥可以是本领域常用的一切曝气池内的活性污泥，优选为处理过含氨污水的活性污泥，以20%～40%（污泥30分钟沉降比）的接种量接种。

本发明中，采取逐级提高基质氨氮浓度的方式进行培养，初始氨氮浓度小于100mg/L，每次提高的幅度为50-100mg/L，当氨氮浓度提高到300mg/L时开始补加亚硝酸细菌生长促进剂。当基质氨氮浓度提高到500mg/L并且24h内氨氮去除率达85%，亚硝酸率达80%以上时结束富集培养过程。

本发明中，亚硝酸细菌富集培养的温度为18-40℃，优选为25-35℃，pH和溶解氧浓度（DO）需要根据不同的培养阶段进行调控。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明在亚硝酸细菌富集培养过程中补加特殊组成和配比的亚硝酸细菌生长促进剂，并通过pH和DO的调控使得亚硝酸细菌在适宜的条件下实现快速增殖，有效抑制硝酸细菌的生长，解决了亚硝酸细菌生长缓慢和易受硝酸细菌影响的问题，使用促进剂并配合pH和DO调控后亚硝酸细菌的生长速率可以增加10-100倍。

（2）本发明所用的亚硝酸细菌生长促进剂配制容易，使用方便，在生物处理过程中投加使用后可以促进亚硝酸细菌生长、抑制硝酸细菌生长，使得活性污泥中的亚硝酸成为优势菌群，进而将硝化反应稳定控制在亚硝酸阶段而直接进行反硝化，保证短程硝化过程的稳定性。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明方案进行详细说明。本发明提出的亚硝酸细菌富集培养方法主要是使用亚硝酸细菌生长促进剂并配合pH和DO调控来实现的。

本发明所使用的亚硝酸菌生长促进剂可以按照CN201410585483.6、CN201410585481.7和CN201410585655.X所述的方法制备的促进剂，优选CN201410585655.X所述的方法。

本发明按照表1亚硝酸细菌生长促进剂的比例和配方制备金属盐溶液，在使用前将多胺类物质、有机酸羟胺、Na₂SO₃加入到金属盐溶液中，制备得到亚硝酸细菌生长促进剂Ⅰ-Ⅲ，所述促进剂浓度均为0.5g/L。

表1 亚硝酸细菌生长促进剂的配方及比例

实施例1

按照20%（污泥30分钟沉降比）的接种量向曝气反应器中接入某污水处理厂富含硝化菌的活性污泥，采取逐级提高基质氨氮浓度的方法进行培养，初始氨氮浓度为50mg/L，每次提高50mg/L，当氨氮浓度提高到300mg/L时开始每天按照培养体系中促进剂浓度30mg/L补加亚硝酸细菌生长促进剂Ⅰ，在补加促进剂的同时pH控制在7.0-8.0，控制DO浓度为2.0-2.5mg/L，培养8h后需要将pH调节至8.0-9.0，同时降低DO浓度至1.0-1.5mg/L；当基质氨氮浓度提高到500mg/L并且24h内氨氮去除率达85%、亚硝酸率达80%以上时结束富集培养过程，收获菌体A。培养结束后取泥水混合物用磁力搅拌器打散活性污泥中的菌落，取上清液稀释一定倍数后用平板进行菌落计数，所收获的菌体数量和培养时间及培养结束后氨氮去除率和亚硝酸率见表2。

实施例2

按照30%（污泥30分钟沉降比）的接种量向曝气反应器中接入某污水处理厂富含硝化细菌的活性污泥，采取逐级提高基质氨氮浓度的方法进行培养，初始氨氮浓度为80mg/L，每次提高50mg/L，当氨氮浓度提高到300mg/L时开始每隔一天按照培养体系中促进剂浓度25mg/L补加一次亚硝酸细菌生长促进剂Ⅱ，在补加促进剂的同时pH控制在7.0-8.0，控制DO浓度为2.5-3.0mg/L，培养24h后需要将pH调节至8.0-9.0之间，同时降低DO浓度至1.0-1.5mg/L；当基质氨氮浓度提高到500mg/L并且24h内基质氨氮去除率达85%、亚硝酸率达80%以上时结束富集培养过程，收获菌体B。培养结束后取泥水混合物用磁力搅拌器打散活性污泥中的菌落，取上清液稀释一定倍数后用平板进行菌落计数，所收获的菌体数量和培养时间及培养结束后氨氮去除率和亚硝酸率见表2。

实施例3

按照40%（污泥30分钟沉降比）的接种量向曝气反应器中接入某污水处理厂富含硝化细菌的活性污泥，采取逐级提高基质氨氮浓度的方法进行培养，初始氨氮浓度为100mg/L，每次提高100mg/L，当氨氮浓度提高到300mg/L时开始每天按照培养体系中促进剂浓度20mg/L补加一次亚硝酸细菌生长促进剂Ⅲ，在补加促进剂的同时pH控制在7.0-8.0， DO浓度为2.5-3.0mg/L，培养15h后需要将pH调节至8.0-9.0，同时降低DO浓度至1.0-1.5mg/L；当基质氨氮浓度提高到500mg/L并且24h内基质氨氮去除率达85%、亚硝酸率达80%以上时结束富集培养过程，收获菌体C。培养结束后取泥水混合物用磁力搅拌器打散活性污泥中的菌落，取上清液稀释一定倍数后用平板进行菌落计数，所收获的菌体数量和培养时间及培养结束后氨氮去除率和亚硝酸率见表2。

比较例1

培养方法与操作条件同实施例3，不同之处是控制pH始终为7.0-8.0，控制DO始终为2.5-3.0mg/L。培养结束后，收获硝化菌D。所收获的菌体数量和培养时间及培养结束后氨氮去除率和亚硝酸率见表2。

比较例2

培养方法与操作条件同实施例3，不同之处是控制pH始终为8.0-9.0，控制DO始终为1.0-1.5mg/L。培养结束后，收获硝化菌E。所收获的菌体数量和培养时间及培养结束后氨氮去除率和亚硝酸率见表2。

比较例3

培养方法与操作条件同实施例3，不同之处是投加促进剂的同时控制pH为7.0~8.0，控制DO为1.0-1.5mg/L；培养15h后控制pH为8.0~9.0，控制DO为2.5-3.0 mg/L。培养结束后，收获硝化菌F。所收获的菌体数量和培养时间及培养结束后氨氮去除率和亚硝化率见表2。

比较例4

处理工艺与操作条件同实施例3，不同之处在于：培养过程中不投加亚硝酸细菌生长促进剂。培养结束后，收获硝化菌G。所收获的菌体数量和培养时间及培养结束后氨氮去除率和亚硝酸率见表2。

表2 亚硝酸细菌的培养时间及效果

从表2的数据来看，亚硝酸细菌A-C在培养20天内氨氮去除率大于85%、亚硝酸率大于80%；在培养过程中没有按照本发明所述方法对pH和DO进行调控所获得的亚硝酸细菌D、E在培养25天氨氮去除率小于83%、亚硝酸率小于75%；不加生长促进剂获得的亚硝酸细菌F的氨氮去除率只有70%、亚硝酸率只有25%。由此可见，使用生长促进剂能明显提高亚硝酸细菌的数量，同时使用生长促进剂并配合pH和DO双重调控，可以在短时间内富集培养到更多高性能的亚硝酸细菌。

Claims (8)

1.一种亚硝酸细菌富集培养方法，其特征在于包括如下内容：首先选择富含硝化菌的活性污泥，采取逐级提高基质氨氮浓度的方式进行培养，初始氨氮浓度小于100mg/L，当氨氮浓度提高到300mg/L时开始补加亚硝酸细菌生长促进剂；所述亚硝酸细菌生长促进剂包括金属盐、多胺类物质、有机酸羟胺和Na₂SO₃，所述的金属盐由钙盐、铜盐、镁盐和/或亚铁盐组成；金属盐为40-100重量份，多胺类物质为5-30重量份，有机酸羟胺为0.05-1.5重量份，Na₂SO₃为10-40重量份；有机酸羟胺为甲酸羟胺、乙酸羟胺或者两者的混合物；多胺类物质为精胺、亚精胺或者两者的混合物；金属盐是钙盐、镁盐和铜盐，其中Ca²⁺、Mg²⁺和Cu²⁺的摩尔比为（5～15）:（5～25）:（0.5～5）；或者是钙盐、亚铁盐和铜盐，其中Ca²⁺、Fe²⁺和Cu²⁺的摩尔比为（5～15）:（1～8）:（0.5～5）；或者是钙盐、镁盐、亚铁盐和铜盐，其中Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺和Cu²⁺的摩尔比为（5～15）:（5～25）:（1～8）:（0.5～5）；当基质氨氮浓度提高到500mg/L并且24h内氨氮去除率达85%，亚硝酸率达80%以上时结束富集培养过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述亚硝酸细菌生长促进剂中，钙盐为CaSO₄或者CaCl₂，镁盐为MgSO₄或者MgCl₂，亚铁盐为FeSO₄或者FeCl₂，铜盐为CuSO₄或者CuCl₂。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述亚硝酸细菌生长促进剂按照培养体系中促进剂浓度10-50mg/L进行投加。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：所述亚硝酸细菌生长促进剂每天或每隔几天补加一次，或者在每次更换培养基时补加。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：每天投加亚硝酸细菌生长促进剂，同时控制pH在7.0-8.0，DO为1.0-4.0mg/L，培养8-15h后将pH调节至8.0-9.0，同时降低DO浓度至1.0-2.0mg/L。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：每隔几天补加促进剂，补加促进剂的1-2天需要将pH调节到7.0-8.0，控制DO浓度为1.0-4.0mg/L，此后培养过程都需要将pH调节至8.0-9.0，同时降低DO浓度至0.5-2.0mg/L。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：富含硝化菌的活性污泥为处理过含氨污水的活性污泥，以污泥30分钟沉降比为20%～40%的接种量接种。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采取逐级提高基质氨氮浓度的方式进行培养，初始氨氮浓度小于100mg/L，每次提高的幅度为50-100mg/L。