CN107488611A - 一种高效脱氮反硝化菌及其应用 - Google Patents

一种高效脱氮反硝化菌及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种反硝化菌，其能在15‑30℃，和较低的C/N比条件下，接种量质量分数为5‑10％，进行高效的反硝化作用，去除污染水中的氮含量，同时能够最大限度的降低尼泊金甲酯的含量。本发明的反硝化菌，不但能够去除污水中的氮资源，而且意外的发现对于污水中的尼泊金甲酯也具有较好的去除效果，相比于现有技术中的反硝化菌，具有更多的优势。本发明的反硝化菌，能够在较短的时间内，去除氮源污染，提高去污效率。该菌特点：对氧气浓度要求低，对环境有更强的适应能力。

Description

一种高效脱氮反硝化菌及其应用
技术领域
本发明属于环境微生物应用领域，具体涉及一种高效反硝化菌株。
背景技术
当前，随着人口增长，城市化进程的不断加快，生活废水排放量与日俱增，水污染问题也频频发生。与此同时，近几年来，国家投资兴建了一大批城镇污水处理厂。氨氮和总氮浓度是污水处理厂需要重点控制的两个指标。目前，已建成的污水处理厂大部分以一级标准的B标准为设计标准，即出水中总氮浓度小于20mg/L，氨氮浓度小于8mg/L，而按照《地表水环境质量标准》劣V类水为总氮浓度小于2mg/L，氨氮浓度小于2mg/L。因此，即使是达标排放的污水，依然含有过高浓度的氮，可能成为新的污染源，造成受纳水体的富营养化。
已建成的城镇生活污水处理厂大部分采用活性污泥工艺，活性污泥中的微生物发挥脱氮的功能。传统的生物脱氮包括好氧硝化和厌氧反硝化两个过程。即首先在好氧条件下，氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐，而后硝酸氧化菌将亚硝酸氮进一步氧化为硝酸氮。随后在缺氧条件下，反硝化菌将硝酸氮或亚硝酸氮还原N2O，和N2从而将氮从水体中去除。传统的反硝化菌在反硝化过程需要消耗大量的有机物作为能量，因此需要在较高的碳氮比条件下才能发挥较好的反硝化作用。而我国城镇生活污水中普遍COD偏低，碳氮比偏低，因此需要额外添加甲醇、乙酸钠等外源碳源来提高脱氮效率，造成污水处理厂运行成本的增加。此外，温度也是限制反硝化速率的重要条件，大部分反硝化菌最适反应条件都在30℃以上。因此，如何能在常温条件下，以较低的有机质进行高效反硝化，是提高污水处理厂处理能力，降低运行成本的重要手段。
对羟基苯甲酸甲酯，也称尼泊金甲酯或羟苯甲酯，白色结晶粉末或无色结晶。由于它具有酚羟基结构，所以抗细菌性能比常用的苯甲酸、山梨酸都强。其作用机制是：破坏微生物的细胞膜，使细胞内的蛋白质变性，并可抑制微生物细胞的呼吸酶系与电子传递酶系的活性。对各种霉菌、酵母菌、细菌有效，是一种非常常用的光谱抑菌剂，常见于化妆品、食品、香料、胶片等的防腐添加剂。近来，由于有研究表明尼泊金甲酯可能具有内分泌干扰效应，并与妇女和儿童的乳腺肿瘤和精子中的DNA损伤相关，因此引起了研究者的广泛关注。研究发现，污水处理厂中也含有一定浓度的尼泊金甲酯(最高可达6350ng/L)。含有一定浓度尼泊金甲酯的污水如果得不到处理，对环境的污染及水利用将是一个挑战。
现有技术中(申请号201510527469.5)《一种好氧反硝化菌及其应用》公开了菌株AD-3(Aeromonas sp.)，培养温度30℃，接种量为10％，碳氮比约为4.66,160rpm培养24h内，氨氮去除率为89.4％，总氮去除率为89.7％。但是碳氮比要求过高，生产成本较大。
现有技术中(申请号CN201410095197.1)《一株可在低碳氮比条件下高效脱氮的反硝化菌及其应用》公开了菌株DN-LWX4，可利用葡萄糖、乙醇、乙酸等多种碳源完全反硝化，碳氮比3:1的条件便可满足细菌对碳源的需求。虽然其公开了低碳氮比条件下可以进行反硝化，但是没有公开更低碳氮比的反硝化效果，并且不能同时降低尼泊金甲酯。
发明内容
为了更好的解决上述一项或多项技术问题，本发明之一就是提供一种反硝化菌株，其能够在低碳氮比和15-30℃温度下进行高效反硝化，特别适用于碳氮比较低的城镇生活污水处理过程中的脱氮。
本发明的目的之一在于提供一种反硝化菌，其能在15-30℃，和较低的C/N比条件下，接种量质量分数为5-12％，进行高效的反硝化作用，去除污染水中的氮含量，同时能够最大限度的降低尼泊金甲酯的含量。
上述反硝化反应的优化温度是20-30℃，更进一步优化温度为25℃，能够更加适应正常温度条件下的反硝化，而不需要对环境温度进行过多要求。
上述C/N比的条件优选1.5-4，更进一步优选2-4，最佳C/N比条件为2.
上述接种量优选为8-12％。
本发明的目的之一在于提供一种反硝化菌的获得方法，从某城市生活污水处理厂厌氧沟和缺氧沟中采集污泥，污泥经浓缩后，以组织破碎仪轻微破碎，随后加入反硝化富集培养基，在静置条件下25℃进行密闭富集培养。经梯度稀释和纯化培养，分离得到13号菌株。经16S rRNA基因鉴定比对，与Pseudomonas songnenensis NEAU-ST5-5(T)相似度最高(99.51％)，命名为XMSTP-1，送至中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)进行专利保藏，该菌种保藏号：CGMCC:13965。
本发明的目的之一在于提供一种反硝化菌在去除污染水中氮含量的用途，其特征在于其能在25℃，和较低的C/N比条件下，进行高效的反硝化作用。
本发明的目的之一在于提供一种反硝化菌用于去除污水中氮含量和尼泊金甲酯的用途。
本发明的目的之一在于提供一种含本发明反硝化菌的菌剂，其特征在于用本发明的反硝化菌活性成分经过本领域的常规加工方法，添加载体制成菌剂。
其中所述的载体包括液体载体或固体载体，上述固体载体为矿石、淀粉或高分子化合物中的一种或多种；所述液体载体可以是植物油、矿物油、水；所述矿石可以为黏土、滑石粉、蒙脱石、沸石、硅藻土中的一种或多种；所述淀粉可以是玉米淀粉、土豆淀粉、变性淀粉、预糊化淀粉中的一种或多种；所述高分子化合物可以是聚乙烯醇、聚二醇、吐温80中的一种或多种。所述反硝化菌活性成分可以是被培养的活细胞、含活细胞的发酵液、细胞培养我的滤液、细胞与滤液的混合中的一种；所述菌剂的剂型可以为悬浮剂、粉剂、颗粒剂等的一种。
有益效果：
本发明结合实际生产需要，经过长期努力，终于在自然界中获得了一种能够在较低的温度条件下进行反硝化反应，且其反硝化所需要的碳氮比较低，能够适应更加苛刻的自然条件，从而使得产品的应用范围扩大。
本发明的反硝化菌，不但能够去除污水中的氮资源，而且意外的发现对于污水中的尼泊金甲酯也具有较好的去除效果，相比于现有技术中的反硝化菌，具有更多的优势。
本发明的反硝化菌，能够在较短的时间内，去除氮源污染，提高去污效率。
该菌特点：对氧气浓度要求低，对环境有更强的适应能力。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明作进一步的详述。但下述非限制性实施例可以使得本领域技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
在25℃，静置培养条件下，C/N＝1-5(KNO3为唯一氮源，CH3COONa为唯一碳源)，接种量为5％，XMSTP-1去除总氮效率如表1。
表1-XMSTP-1在不同碳氮比条件下去除总氮的效率
通过表1，可以看出XMSTP-1菌在较低的碳氮比下有较好的去除总氮的效果，且在碳氮比为2时，其去除总氮的能力和效果最好。在较低的碳氮比和较高的碳氮比条件下其去除总氮能力均不如碳氮比为2时好，产生了预料不到的技术效果，因为，本领域技术人员通常会认为高碳氮比条件下反硝化菌的去总氮能力更好，而本发明的细菌是在低碳氮比下，反硝化能力更好。
实施例2
在25℃，C/N＝2(KNO3为唯一氮源，CH3COONa为唯一碳源)，接种量分别为5％、8％、10％、12％、15％，XMSTP-1去除总氮效率如表2。
表2-XMSTP-1在不同接种量条件下去除总氮的效率
通过表2可以看出，在未添加XMSTP-1菌种的空白对照中总氮含量基本保持不变，添加XMSTP-1菌后，总氮含量均有降低，但是接种量为质量百分比8％-12％时去总氮效果最好。
实施例3
在25℃，C/N＝3(KNO3为唯一氮源，CH3COONa为唯一碳源)，接种量为5％，初始NO3--N为200mg/L，摇床转速为120rpm的培养条件下(DO>7mg/L)，XMSTP-1依然表现出一定的好氧反硝化能力，在24h内，总氮去除率为20.44％，39h内，总氮去除率为35.8％。
通过实施例3可以看出，即使在充分曝气好氧条件下，XMSTP-1菌种依然具有降低污水中总氮的能力。
实施例4
在25℃，DO<0.1mg/L，C/N＝1.5(KNO3为唯一氮源，CH3COONa为唯一碳源)，接种量为5％，初始NO3--N为200mg/L的培养条件下，XMSTP-1可在24小时内去除总氮95.08％。
表4-XMSTP-1在微氧条件下去除总氮的能力
本发明的菌种能够更加快速有效的去除总氮含量，能够缩短加工周期，提高效率。
实施例5
在30℃，C/N＝1.5(NaNO2为唯一氮源，CH3COONa为唯一碳源)，接种量为10％，初始NO2 --N为100mg/L的培养条件下，XMSTP-1可在12小时内去除总氮97.03％。
表5 XMSTP-1去除总氮的能力
经过优化，本发明的菌种在30℃，C/N＝1.5(NaNO2为唯一氮源，CH3COONa为唯一碳源)，接种量为10％，初始NO2 --N为100mg/L的培养条件下，其去除总氮能力更加优异，可以作为优选条件。
实施例6
在25℃，乙醇为有机碳源(1.34g/L)，初始尼泊金甲酯浓度高达200mg/L，摇床震荡培养条件下，XMSTP-1表现出对尼泊金甲酯的降解能力，42h内，去除率为42.61％。
表6-XMSTP-1在有氧条件下去除尼泊金甲酯的效率
时间/尼泊金甲酯 XMSTP-1(mg/L) 空白对照(mg/L)
0h 200±1.15 200±1.15
8h 195.12±2.05 213±2.05
12h 182.36±1.50 207±3.67
16h 157.89±0.75 205±2.09
20h 165.56±0.35 210±4.75
24h 152.18±0.22 214±3.90
28h 142.25±0.26 206±6.02
32h 135.14±0.31 210±2.22
36h 123.28±0.18 215±3.78
48h 98.37±0.13 221±5.72
通过表6可以看出，XMSTP-1菌种对于尼泊金甲酯在室温下具有良好的分解能力，能够有效降低污水中尼泊金甲酯。
实施例7
采集某市政污水厂厌氧段污水(SS(悬浮固体)为31.08g/L)，污水中初始COD(化学需氧量)/TN(总氮)为10.58，TN为10.24mg/L，通过投加KNO3，将TN调节至21.89mg/L，COD/TN为5.04。将在反硝化培养基中培养的XMSTP-1在7000rpm转速下离心10min，将离心后的菌体以8.1mg湿重菌/g SS，或252.3mg湿重菌/kg污水(不含SS)的量加入污水中，在25℃，80rpm封口震荡培养，12h后，相较于不加菌的对照组，TN去除率高出46.14％.
实施例8
分别在15℃、20℃、25℃、30℃条件下，C/N＝2(KNO3为唯一氮源，CH3COONa为唯一碳源)，接种量分别为10％，XMSTP-1去除总氮效率如表8。
表8-XMSTP-1在不同温度条件下去除总氮的效率
通过表8可以看出，在不同的温度范围下，总氮含量均有降低，但是在25-30℃条件下去总氮效果最好，温度过低或者过高，都会对去除总氮能力产生不良影响。
实施例9
在25℃，DO<0.1mg/L，C/N＝2(NH4+为唯一氮源，CH3COONa为唯一碳源)，接种量为6％，初始NH4+--N为200mg/L的培养条件下，XMSTP-1与申请号CN201510527469.5中的菌株AD-3(Aeromonas sp.)在相同条件下的去除总氮能力进行对比实验，实验结果如下：
表9-XMSTP-1与现有技术中菌种AD-3的对比实验
通过表5可以看出，本发明的XMSTP-1和现有技术中菌株AD-3，在室温和低碳氮比条件下，XMSTP-1的去除总氮的效果和效率都明显优于菌株AD-3。
实施例10
在25℃，乙醇为有机碳源(1.34g/L)，初始尼泊金甲酯浓度高达200mg/L，C/N＝2(NH4+为唯一氮源，接种量为6％，初始NH4+--N为200mg/L的培养条件下，摇床震荡培养条件下，XMSTP-1与申请号CN201410095197.1中的菌株DN-LWX4在相同条件下的去除总氮能力和去除尼泊金甲酯进行对比实验，实验结果如下：
表10-1-XMSTP-1在有氧条件下去除尼泊金甲酯的效率
表10-2-XMSTP-1与现有技术中菌种DN-LWX4的对比实验
通过表10-1可以看出，XMSTP-1菌种对于尼泊金甲酯在室温下具有良好的分解能力，能够有效降低污水中尼泊金甲酯，而DN-LWX4的结果与空白对照的结果相同，即DN-LWX4对于尼泊金甲酯没有任何影响；通过表10-2可以看出，本发明的XMSTP-1和现有技术中菌株DN-LWX4，在室温和低碳氮比条件下，XMSTP-1的去除总氮的效果和效率都明显优于菌株DN-LWX4，具有显著的进步，能够更好的缩短加工的周期。
上述实验中所述的C/N比，均为培养基中碳氮元素的质量比，本实验中接种量均为体积比，接种母液OD值为0.23-0.3，约含细菌106个。

Claims (13)

1.一种反硝化菌，该菌种为XMSTP-1，保藏编号为：CGMCC:13965，其特征在于该反硝化菌具有降低城市污染水中总氮和尼泊金甲酯污染物的能力。
2.根据权利要求1所述的反硝化菌，其特征在于该硝化菌具能在15-30℃，接种量质量分数为5-12％和1.5-4的C/N比条件下，进行高效的反硝化反应的能力。
3.根据权利要求1所述的反硝化菌，其特征在于上述反硝化反应的优化温度是20-30℃。
4.根据权利要求1所述的反硝化菌，其特征在于上述反硝化反应优化温度是25℃。
5.根据权利要求1所述的反硝化菌，其特征在于上述反硝化反应中C/N比的优选2-4。
6.根据权利要求1所述的反硝化菌，其特征在于上述反硝化反应中最佳C/N比条件为2。
7.根据权利要求1所述的反硝化菌，其特征在于上述反硝化反应中接种量优选为8-12％。
8.一种如权利要求1所述的反硝化菌加工制成的菌剂，其特征在于用所述的反硝化菌活性成分经过本领域的常规加工方法，添加载体制成菌剂。
9.根据权利要求8所述的菌剂，其中所述的载体为液体载体或固体载体中的一种，所述固体载体为矿石、淀粉或高分子化合物中的一种或多种；所述液体载体可以是植物油、矿物油、水。
10.根据权利要求9所述的菌剂，所述矿石为黏土、滑石粉、蒙脱石、沸石、硅藻土中的一种或多种；所述淀粉可以是玉米淀粉、土豆淀粉、变性淀粉、预糊化淀粉中的一种或多种；所述高分子化合物是聚乙烯醇、聚二醇、吐温80中的一种或多种。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的菌剂，所述反硝化菌活性成分可以是被培养的活细胞、含活细胞的发酵液、细胞培养物的滤液、细胞与滤液的混合的一种。
12.根据权利要求8-10中任一项所述的菌剂，所述菌剂的剂型可以为悬浮剂、粉剂、颗粒剂等的一种。
13.一种如权利要求1所述的反硝化菌在去除城市污水中总氮含量和尼泊金甲酯的用途，其特征在于其工作环境的温度为25℃，在接种量质量分数为5-12％和1.5-4的C/N比条件下进行。
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