CN107162175B

CN107162175B - 一种以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法

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Publication number: CN107162175B
Application number: CN201710341481.6A
Authority: CN
Inventors: 张徐祥; 黄开龙; 任洪强; 叶林; 吴强
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2020-06-02
Anticipated expiration: 2037-05-12
Also published as: CN107162175A

Abstract

本发明公开了一种以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，包括以下步骤：取生活污水处理厂二沉池的回流污泥作为种泥，以葡萄糖作为青霉素的共基质为系统提供碳源，运用膜生物反应器进行青霉素废水的好氧处理，然后逐步增加反应器负荷；稳定运行后，按梯度不断提高进水青霉素浓度同时降低进水中葡萄糖的浓度，直至碳源完全替换为青霉素；在此过程中，膜生物反应器中菌群不断适应青霉素压力，形成新的微生物生态。本发明驯化方法省去了繁琐的筛菌步骤，操作简便灵活，同时可最大程度利用目前难以分离培养的功能微生物；此外，利用易降解葡萄糖为共基质的驯化方法能快速筛选青霉素降解功能菌群，可应用于青霉素废水的高效处理。

Description

一种以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法

技术领域

本发明涉及一种以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，还涉及上述以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法在降解青霉素废水中的应用，属于微生物废水处理技术领域。

背景技术

由于发达国家环保门槛的逐步提高，其制药企业的环保处理费用不断飙升、利润大幅下降，为了降低生产成本，许多污染较重的制药企业大幅转移到环保要求相对较低的发展中国家(中国、印度等)。目前国内抗生素产业正处于快速发展阶段，其中青霉素年产量超过2.2万吨，占全球市场的70～75％，2013年中国的使用量就高达6730吨，占据抗生素市场份额的13％。但是，我国大部分制药企业具有研发能力低、生产规模小、技术含量低等特点，造成了严重的资源浪费和环境污染(水污染)。环保部于2008年颁布实施了制药废水排放的新标准，面对日趋严格的管控标准，抗生素废水的处理面临巨大挑战，我国大部分制药企业现有的废水处理设施和处理工艺难以满足行业减排和废水排放要求，抗生素废水的高效处理问题正成为制约产业发展的瓶颈。此外，随着现有药品产能持续增加以及新药物不断投入生产，迫切需要建立高效处理抗生素废水的方法。

生物处理系统作为抗生素废水处理系统中最关键的处理单元，其处理效果直接影响出水水质。但是，抗生素废水具有高COD、高氨氮、高盐度等特点，此外，由于抗生素生产工艺的提取率较低，废水中残留的抗生素及其中间代谢产物含量较高，这些物质具有高生物毒性会直接抑制微生物的生长繁殖和活性，严重降低抗生素废水生物处理效能，使得现有生物处理技术存在能耗高、耐冲击能力差、出水水质不稳定等问题。加之工业废水排放面临新的提标要求，开发高效处理抗生素废水的处理技术显得十分必要。针对上述问题，采用生物法处理抗生素废水的关键核心是驯化出能较好耐受抗生素废水压力的高效降解微生物体系，对抗生素废水的高效处理意义重大。

经检索，关于抗生素废水活性污泥强化处理的研究已有相关公开。如中国专利申请号为201310148812.6的发明专利公开了一种抗生素药物红霉素高效降解菌剂的制备方法，中国专利申请号为201610109635.4的发明专利公开了一种磷霉素降解菌筛选及其菌剂制备方法和应用，中国专利申请号为201610895774.4的发明专利公开了一种抗生素废水高效处理菌剂及其制备方法和应用，上述三种申请案都是通过稀释涂布和平板划线分离然后再进行培养纯化，虽然可以得到抗生素高效降解菌剂，能够加快抗生素废水处理活性污泥的驯化过程，但其在筛选过程中步骤繁琐、工作量大；功能菌株类型和组成相对单一、实际应用适应能力较差；此外，环境中90％以上的微生物是难以分离培养的，该方法严重限制了功能微生物资源的利用。因此，开发出一种操作简便灵活并可最大程度利用目前难以分离培养的功能微生物资源，同时能够实现抗生素废水高效稳定处理的活性污泥驯化方法显得尤为重要。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种用于降解青霉素的活性污泥的驯培方法，该驯培方法以葡萄糖为共基质，通过独特的微生物共代谢方式，快速驯化出能够适应高浓度青霉素废水条件下生长代谢活性的活性污泥，从而提高活性污泥对青霉素废水的处理效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，该方法以葡萄糖作为青霉素的共基质为系统提供碳源，运用膜生物反应器进行青霉素废水的好氧处理，然后逐步增加反应器负荷；稳定运行后，按梯度不断提高进水青霉素浓度同时降低进水中葡萄糖的浓度，直至碳源完全替换为青霉素，最终驯化培养出适应高浓度青霉素废水条件下生长代谢的活性污泥。

本发明驯培方法以葡萄糖为共基质，采用补充易生物利用的葡萄糖(碳源)，通过独特的微生物共代谢方式，并通过采用具有高效截留作用的MBR反应器从而避免微生物流失，迅速富集功能微生物的生物量(图1)，快速驯化培养出能够适应高浓度青霉素废水条件下生长代谢活性较高的活性污泥，从而强化活性污泥对青霉素废水的处理能力。

其中，上述以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，具体包括如下操作步骤：

步骤1，从城市生活污水处理厂二沉池中取所需量回流污泥，进行预处理，恢复其活性；

步骤2，将步骤1中恢复活性后的活性污泥接种到MBR反应器中，接种污泥浓度为3500mg/L～4500mg/L；

步骤3，控制水力停留时间为14小时，控制MBR反应器内溶解氧为3～6mg/L，pH值为7～8，温度为23～27℃，将自配的青霉素废水通入MBR反应器内，并逐步提高进水负荷，同时以25～50％的比例提高气水比，使MBR反应器内溶解氧始终保持在3mg/L以上；

步骤4，在MBR反应器运行稳定后(此时，青霉素的初始进水浓度为100mg/L，共基质葡萄糖的初始进水浓度为1000mg/L)，然后每个驯化阶段(每个阶段时间长短以反应器运行稳定为终点，一般为13天～38天)逐步提高青霉素的进水浓度，同时降低共基质葡萄糖的进水浓度，直至碳源完全替换为青霉素；在此过程中，MBR反应器中微生物群落结构不断适应青霉素压力，形成新的微生物生态；

步骤5，驯化阶段监测进出水的COD和氨氮浓度：运行一段时间适当排泥使MBR反应器中污泥浓度维持在4000mg/L～5000mg/L，以保持污泥的活性，当COD和氨氮的去除率达到并稳定保持在90％和99％以上，活性污泥的生长状态稳定，即完成降解青霉素活性污泥的驯化过程。

其中，步骤1中，所述预处理是指先通过滤网过滤回流污泥中的杂物，然后添加所需量的葡萄糖并曝气使污泥恢复活性。

其中，步骤2中，所述MBR反应器所用膜组件的膜材料为中空聚偏氟乙烯纤维膜，中空聚偏氟乙烯纤维膜具有疏水性好、流动阻力小、水通量高、力学性能好、化学稳定性强、截留效率高等优点，其孔径为0.03μm，外径为2.2mm，内径为1.0mm，膜面积为0.235m²。

其中，步骤3中，所述自配的青霉素废水中青霉素的浓度为0.10～1.00g/L、葡萄糖的浓度为0.00～1.00g/L，氯化铵的浓度为0.02～0.25g/L，磷酸二氢钾的浓度为0.02～0.10g/L，碳酸氢钠的浓度为0.20～2.70g/L。

其中，步骤3中，进水中还含有微生物生长所必需的微量元素，浓度为0.50～3.00ml/L的微量元素浓缩液。

其中，步骤4中，每个驯化阶段逐步提高青霉素的进水浓度是指每个驯化阶段对应的青霉素进水浓度分别为100mg/L、200mg/L、500mg/L和1000mg/L。

其中，步骤4中，每个驯化阶段逐步降低共基质葡萄糖的进水浓度是指每个驯化阶段对应的葡萄糖进水浓度分别为1000mg/L、800mg/L、500mg/L和0mg/L。

相比于现有技术，本发明技术方案所具有的有益效果为：

首先，本发明方法省去了繁琐的筛菌步骤，操作简便灵活，同时可最大程度利用目前难以分离培养的功能微生物，增加了降解青霉素功能微生物的种类；此外，通过采用具有高效截留作用的MBR反应器以及青霉素进水浓度以梯度升高的方式，避免了过高的青霉素浓度压力造成的生物量流失；

其次，本发明方法采用易降解的葡萄糖作为共基质，采用补充碳源的方式诱导微生物产生目标污染物(青霉素)的非专一性酶，增强微生物的活性，使得青霉素通过微生物的共代谢作用进行生物降解，从而提高难降解有机物的降解效率，还可快速高效的实现活性污泥的驯化；

最后，本发明方法获得的活性污泥功能稳定，便于推广应用，可有效解决现有抗生素废水生化处理效能低下且受水质参数波动影响较大、出水难以达标排放的问题，具有良好的社会效益。

附图说明

图1为不同共基质条件下功能微生物组生物量生长情况；

图2为废水处理实验中投加实施例驯化获得的活性污泥与未投加驯化获得的活性污泥的COD去除率对比图；

图3为废水处理实验中投加实施例驯化获得的活性污泥与未投加驯化获得的活性污泥的氨氮、亚硝态氮和硝态氮去除率对比图；

图4为废水处理实验中投加实施例驯化获得的活性污泥与未投加驯化获得的活性污泥的青霉素去除率对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。

本发明以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，取生活污水处理厂二沉池的回流污泥作为种泥，以葡萄糖作为青霉素的共基质为系统提供碳源，运用膜生物反应器进行青霉素废水的好氧处理，然后逐步增加反应器负荷；稳定运行后，按梯度不断提高进水青霉素浓度同时降低进水中葡萄糖的浓度，直至碳源完全替换为青霉素；在此过程中，MBR中微生物群落结构不断适应青霉素压力，形成新的微生物生态。

实施例

步骤1，本发明方法的种泥采自微生物多样性较高的城市生活污水处理厂二沉池：从城市生活污水处理厂二沉池取回流污泥，将污泥先通过滤网过滤其中的杂物，然后添加葡萄糖并曝气使其恢复活性；

步骤2，将恢复活性后的活性污泥接种到MBR反应器中，MBR反应器中接种污泥的浓度为3500～4500mg/L；

步骤3，控制水力停留时间(HRT)为14小时，通过调控保持MBR反应器内溶解氧为3～6mg/L，pH值为7～8，温度为常温(25±2℃)，根据青霉素废水水质特征，自配青霉素废水，并逐步提高进水负荷，同时以25～50％的比例提高气水比，使MBR反应器内溶解氧始终保持在3mg/L以上；

步骤4，MBR反应器运行稳定后，青霉素的进水浓度为100mg/L，易降解的共基质葡萄糖的进水浓度为1000m/L，然后每个驯化阶段不断提高青霉素的进水浓度，同时降低进水中葡萄糖的浓度，直至碳源完全替换为青霉素(最终青霉素、葡萄糖进水浓度分别为1000mg/L和0mg/L)；每个驯化阶段逐步提高青霉素的进水浓度是指每个驯化阶段对应的青霉素进水浓度分别为100mg/L、200mg/L、500mg/L和1000mg/L；每个驯化阶段逐步降低共基质葡萄糖的进水浓度是指每个驯化阶段对应的葡萄糖进水浓度分别为1000mg/L、800mg/L、500mg/L和0mg/L；

步骤5，驯化阶段监测进出水的COD和氨氮浓度，运行一段时间适当排泥使反应器中污泥浓度维持在4000～5000mg/L，以保持污泥的活性，COD和氨氮的去除率达到并稳定保持在90％和99％以上，活性污泥的生长状态稳定，即完成降解青霉素废水活性污泥的驯化过程。

平行试验：将采用本发明驯化方法的驯化污泥配置成四种浓度然后分别接种到四个MBR反应器中，四个MBR反应器中驯化污泥与处理系统污泥生物量比分别为：12.5％、25％、50％和100％，反应器中污泥浓度保持在3500～4500mg/L；将四个MBR反应器分别进行含有青霉素的模拟废水处理，进水中青霉素浓度为200mg/L，废水中加入葡萄糖(浓度为1000mg/L)，氨氮浓度为250mg/L，盐浓度为1％(NaCl，10000mg/L)，四个MBR反应器运行28天，各个反应器中实验数据如图2～图4所示。

对比实施例：未驯化的污泥对青霉素废水的处理效果

步骤1，从城市生活污水处理厂二沉池取回流污泥，首先通过滤网过滤其中的杂物，添加葡萄糖并曝气使其恢复活性；

步骤2，将恢复活性后的活性污泥接种到MBR反应器中，接种污泥浓度为3500～4500mg/L；

步骤3，控制水力停留时间(HRT)为14小时，通过调控保持MBR反应器内溶解氧为3～6mg/L，pH值为7～8，温度为常温(25±2℃)；

步骤4，进行含有青霉素的模拟废水的处理，进水中青霉素浓度为200mg/L，废水中加入葡萄糖(浓度为1000mg/L)，氨氮浓度为250mg/L，盐浓度为1％(NaCl，10000mg/L)，MBR反应器运行28天。

步骤5，运行一段时间适当排泥使反应器中污泥浓度维持在4000～5000mg/L，以保持污泥的活性。

监测反应器中进出水的COD、氨氮、青霉素浓度，其实验数据如图2～图4所示。

实施例与对比实施例的结果比较分析表明，以葡萄糖为共基质驯化获得的高效降解青霉素的活性污泥，可提高58％的COD去除效果，69％的氨氮去除效果，50％的青霉素去除效果，可至少减少三分之二的启动时间，节省至少50％的反应器启动投入。本发明采用补充碳源的方式促进了共代谢的发生，提高了驯化获得活性污泥的生物降解性能。本发明驯化方法省去了繁琐的筛菌步骤，操作简便灵活，同时可最大程度利用目前难以分离培养的功能微生物；此外，利用易降解葡萄糖为共基质的驯化方法能快速筛选青霉素降解功能菌群，可应用于青霉素废水的高效处理。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，其特征在于：该方法以葡萄糖作为青霉素的共基质为系统提供碳源，运用膜生物反应器进行青霉素废水的好氧处理，然后逐步增加反应器负荷；稳定运行后，按梯度不断提高进水青霉素浓度同时降低进水中葡萄糖的浓度，直至碳源完全替换为青霉素，最终驯化出适应高浓度青霉素废水条件下生长代谢的活性污泥；

上述方法具体包括如下操作步骤：

步骤2，将步骤1中恢复活性后的活性污泥接种到MBR反应器中，接种污泥浓度为3500mg/L~4500 mg/L；

步骤3，控制水力停留时间为14小时，控制MBR反应器内溶解氧为3~6 mg/L，pH值为7~8，温度为23~27℃，将自配的青霉素废水通入MBR反应器内，并逐步提高进水负荷，同时以25~50%的比例提高气水比，使MBR反应器内溶解氧始终保持在3 mg/L以上；

步骤4，在MBR反应器运行稳定后，青霉素的初始进水浓度为100 mg/L，共基质葡萄糖的初始进水浓度为1000 mg/L，然后每个驯化阶段逐步提高青霉素的进水浓度，同时降低共基质葡萄糖的进水浓度，直至碳源完全替换为青霉素；

步骤5，驯化阶段监测进出水的COD和氨氮浓度：运行一段时间适当排泥使MBR反应器中污泥浓度维持在4000 mg/L~5000 mg/L，以保持污泥的活性，当COD和氨氮的去除率达到并稳定保持在90%和99%以上，活性污泥的生长状态稳定，即完成降解青霉素活性污泥的驯化过程。

2.根据权利要求1所述的以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，其特征在于：步骤1中，所述预处理是指先通过滤网过滤回流污泥中的杂物，然后添加所需量的葡萄糖并曝气使污泥恢复活性。

3.根据权利要求1所述的以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，其特征在于：步骤2中，所述MBR反应器所用膜组件的膜材料为中空聚偏氟乙烯纤维膜，其孔径为0.03 μm，外径为2.2 mm，内径为1.0 mm，膜面积为0.235 m²。

4.根据权利要求1所述的以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，其特征在于：步骤3中，所述自配的青霉素废水中青霉素的浓度为0.10~1.00 g/L、葡萄糖的浓度为0.00~1.00 g/L，氯化铵的浓度为0.02~0.25 g/L，磷酸二氢钾的浓度为0.02~0.10 g/L，碳酸氢钠的浓度为0.20~2.70 g/L。

5.根据权利要求1所述的以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，其特征在于：步骤3中，进水中还含有浓度为0.50~3.00 ml/L的微量元素浓缩液。

6.根据权利要求1所述的以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，其特征在于：步骤4中，每个驯化阶段逐步提高青霉素的进水浓度是指每个驯化阶段对应的青霉素进水浓度分别为100 mg/L、200 mg/L、500 mg/L和1000 mg/L。

7.根据权利要求1所述的以葡萄糖为共基质驯培降解青霉素活性污泥的方法，其特征在于：步骤4中，每个驯化阶段逐步降低共基质葡萄糖的进水浓度是指每个驯化阶段对应的葡萄糖进水浓度分别为1000mg/L、800 mg/L、500 mg/L和0 mg/L。