CN107988132A - 一种耐硫酸盐型厌氧氨氧化菌的驯化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种以人工配置废水，在适当条件下，驯化耐硫酸盐型厌氧氨氧化菌的方法。本发明所公开的方法采用逐级提高人工废水中硫酸盐浓度的方式，使厌氧氨氧化菌逐渐适应高硫酸盐的环境并能使出水达标。每个硫酸盐浓度的驯化周期为4天，驯化采用上流式厌氧污泥床反应器(UASB)，以本发明所述方法培养的菌群适用于处理高硫酸盐高氨氮废水。本发明的有益效果是：充分满足厌氧氨氧化菌的生长繁殖需求，能够使厌氧氨氧化菌在较短时间内逐渐适应一定浓度的硫酸根环境，使培养出的菌种可以处理含有较高浓度硫酸根的废水(例如味精废水)，适于大规模培养和商业化应用，增强了菌种的活性以及适应性，具有良好的环境和经济效应。

Description

一种耐硫酸盐型厌氧氨氧化菌的驯化方法
技术领域
本发明涉及一种耐硫酸盐型厌氧氨氧化菌的培养方法，属于微生物培养技术领域，具体的涉及一种硫酸盐高耐受的厌氧氨氧化菌种及其制备驯化方法，具体可应用于处理味精生产废水以及其他含有高浓度硫酸盐、高氨氮的废水。
背景技术
厌氧氨氧化菌为自养型细菌，可以在缺氧条件下以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，产生氮气。厌氧氨氧化反应作为一种效率高、单一性强的脱氮反应，小范围的应用在了含氮废水处理上，其反应易受外界条件影响，在增高其反应速率和避免外界条件的影响技术上一直在进行不断地摸索改进。
味精的主要成分是谷氨酸钠，味精生产的废水中含有大量的氨氮和硫酸盐。该种废水若直接排放入环境会造成严重的污染。氨氮为厌氧氨氧化菌提供了丰富的营养。
硫酸盐会对厌氧氨氧化菌的脱氮效率造成严重影响，寻找一种脱氮效果好、耐硫酸盐的厌氧氨氧化菌及其驯化培养技术，是该领域的难题。
现有技术中，专利CN 102952764A公开了一种培养耐盐厌氧氨氧化菌的培养方法，其内容包含步骤A培养富集阶段与步骤B菌群驯化培养阶段。其专利以普通厌氧活性污泥为启动接种物，接种浓度为1-3g/L，培养方式为序批式(间歇式)培养。培养在模拟废水中进行，模拟废水盐度来自于硫酸钠与氯化钠，每级递增盐浓度梯度为4-8g，每个盐度驯化周期为15-30d。但存在驯化周期长、污泥稳定性差的缺陷。
发明内容
本发明的目的是通过控制Sharon-Anammox工艺进水中硫酸铵、硫酸钠的浓度实现将普通厌氧氨氧化菌驯化为耐硫酸盐的厌氧氨氧化菌。其驯化方式为：采用逐级提高人工废水中硫酸根的浓度的方法对反应器内的红色厌氧氨氧化种泥进行耐硫酸盐驯化培养，使厌氧氨氧化菌逐渐适应高硫酸盐的环境并能使出水达标。本发明与以上驯化方式相比，首先是使用带有三相分离器与回流装置的上流式厌氧污泥床反应器(UASB)作为驯化菌群的设备，能够更好的截留污泥，提高反应器内的生物量，并且可以实现反应器内较短的水力停留时间，促进活性污泥形成颗粒，提高反应器的稳定性。使用硫酸铵与硫酸钠共同调节废水的硫酸盐浓度，即降低盐度又能保证硫酸盐浓度，使驯化过程更快速，污泥的耐受性更加专一。本发明使用成熟的红色厌氧氨氧化污泥作为启动污泥，大大缩短了驯化时间。采用低跨度、短周期的策略进行驯化，保持了污泥状态的稳定，有利于大规模生产。
本发明提供一种耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，将普通厌氧氨氧化菌驯化为耐硫酸盐的厌氧氨氧化菌。
其驯化方式为：采用逐级提高人工废水中硫酸根的浓度的方法对反应器内的红色厌氧氨氧化种泥进行耐硫酸盐驯化培养，经过10～20个驯化周期。菌群在每个盐浓度的驯化周期为48h-96h。
优选的，所述逐级提高人工废水中硫酸根的浓度的方法，包括逐级增加硫酸钠的添加量。本发明所述的方法包含一个驯化阶段，驯化结束后，该活性污泥可用于处理高硫酸盐高氨氮的特殊废水。其具体实施步骤为：
(1)从反应器顶部接种厌氧氨氧化种泥至反应器内，从低浓度硫酸盐人工废水开始进水，初期驯化2-4天。控制进水流速为0.8-1L/h，回流流速为3-3.5L/h。反应器内部反应区温度控制为31±1℃。
(2)采用逐渐提升硫酸钠添加量的方式驯化厌氧氨氧化污泥，硫酸铵的添加量不变。控制水力条件不变，每个驯化周期递增的添加硫酸钠。每个驯化周期时长选择72-96h，优选96h。
(3)逐渐提升进水硫酸盐浓度，至污泥略显灰白色、氨氮去除率小于80％为止。此时进水硫酸根浓度约为18-20g/L。
优选的，步骤(1)中进水pH应控制在7.0-8.0。更优选的，pH应控制在7.0-7.5。
优选的，步骤(1)中进水pH使用碳酸氢钠、磷酸二氢钾调节。
优选的，人工废水应使用高纯氮气进行曝气处理，使溶解氧降低至0.5mg/L以下。更优选的，降低至0.3mg/L以下。
优选的，步骤(2)中，使用10L反应器，厌氧氨氧化种泥接种量为2.7-4.0L，其污泥浓度(MLSS)应为8900-9300mg/L。更优选的，种泥应选用优质颗粒污泥，其污泥浓度为9200-9300mg/L，污泥接种量为3.5L。
根据本发明，优选的，步骤(1)中的低浓度硫酸盐废水，硫酸盐浓度为500～1500mg/L。所述硫酸盐包括硫酸钠、硫酸铵、硫酸钾、硫酸钙、硫酸镁等。
根据本发明，优选步骤(1)中人工废水中硫酸铵的浓度为1.47-2.94g/L(NH4 +-N的浓度为200-400mg/L)，不添加硫酸钠。随着时间推移，步骤(2)中每个驯化周期递增添加硫酸钠1.2-3.0g/L。最终使人工废水中硫酸根的浓度达到18-20g/L。更优选每个驯化周期递增添加硫酸钠1.5g，最终硫酸根浓度达到20g/L。
根据本发明，优选驯化过程中人工废水氨氮浓度为150-200mg/L，亚硝态氮浓度为160-220mg/L。
优选的，驯化采用上流式厌氧污泥床反应器(UASB)。
本发明中，优选人工废水中不含有有机碳源，使用碳酸氢钠作为外加无机碳源。浓度为1500-1700mg/L。
具体原理如下：
在高浓度硫酸根影响下，部分厌氧氨氧化菌菌体会死亡，会与硫酸盐发生异养还原反应，消酸度导致环境pH升高。所以要优选控制进水pH在7.0-7.5。温度控制在31±1℃时，是厌氧氨氧化反应的最佳条件。当出水NH4 +-N＜30mg/L，出水NO2 -N＜10mg/L，1＜δNO2 -—N/δNH4 +-N＜1.2时，说明反应器运行稳定、正常，厌氧氨氧化菌的生物活性未收到明显抑制。UASB反应器能够提高反应器内的液体流速，减小进水负荷，能够减小厌氧氨氧化活性污泥所收到的压力，使出水指标更低。高流速、低水力停留时间、低负荷是驯化耐硫酸盐型厌氧氨氧化菌的关键。
本发明具有以下效益：
本发明解决了厌氧氨氧化菌在处理高硫酸盐、高氨氮废水时的不耐受性。厌氧氨氧化活性污泥中存在少量的硫还原菌，会还原硫酸盐生成硫化氢，对污泥有不可逆的毒性。本发明提供了一种在UASB反应器中驯化获得耐硫酸盐型厌氧氨氧化活性污泥的方法，实现了在恶劣条件下进行高效脱氮，为利用厌氧氨氧化工艺处理某些特殊废水(例如味精废水)提供了方法。利用含有回流装置与三相分离器的UASB反应器作为驯化设备，能够更好的截留溢出的污泥，使反应器内有较高的生物量积累，并使反应器内有较高的流速和较低的氨氮浓度，提高了反应器的稳定性，大幅缩短了驯化的周期。本专利所公开的方法采用逐级提高人工废水中硫酸盐浓度的方式，使厌氧氨氧化菌逐渐适应高硫酸盐的环境并能使出水达标。每个硫酸盐浓度的驯化周期为4天。本发明充分满足厌氧氨氧化菌的生长繁殖需求，能够使厌氧氨氧化菌在较短时间内逐渐适应一定浓度的硫酸根环境，使培养出的菌种可以处理含有较高浓度硫酸根的废水(例如味精废水)，适于大规模培养和商业化应用，增强了菌种的活性以及适应性，具有良好的环境和经济效应。
本发明与现有技术的驯化方式相比，首先是使用带有三相分离器与回流装置的上流式厌氧污泥床反应器(UASB)作为驯化菌群的设备，能够更好的截留污泥，提高反应器内的生物量，并且可以实现反应器内较短的水力停留时间，促进活性污泥形成颗粒，提高反应器的稳定性。使用硫酸铵与硫酸钠共同调节废水的硫酸盐浓度，即降低盐度又能保证硫酸盐浓度，使驯化过程更快速，污泥的耐受性更加专一。本发明使用成熟的红色厌氧氨氧化污泥作为启动污泥，大大缩短了驯化时间。采用低跨度、短周期的策略进行驯化，保持了污泥状态的稳定，有利于大规模生产。
附图说明
图1为带有三相分离器与回流设备的厌氧上流式污泥床反应器(UASB)的简图。
其中：1、配水桶；2、进水计量泵；3、回流罐；4、循环计量泵；5、反应器；6、三相分离器；7、填料；8、反应器出水管；9、排水管。
图2为实施例1的进水硫酸根和出水氨氮随时间变化的折线图。
图3为实施例1的进水硫酸根和氨氮去除负荷随时间变化的折线图。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，但本发明并不局限于此。
实施例1：
采用红色颗粒厌氧氨氧化污泥作为种泥进行驯化。污泥的接种量为3.5L，污泥的MLSS为9000mg/L。将活性污泥从反应器顶部加入反应器，并将反应器进行密封处理。实验启动采用人工模拟的废水，硫酸铵浓度为1.47g/L(NH4 +-N浓度为200mg/L,SO4 2-浓度为1067mg/L)。亚硝酸钠人工废水主要提供氮、微生物生长所必须的微量元素、大量元素。进水的pH调整在7.5，水温调整至31±1℃，碳酸氢钠浓度控制在1500mg/L。储存人工废水的水桶中需通入高纯氮气，使药剂溶解完全并吹出溶解氧。
反应器使用带有回流与三相分离器的UASB反应器，由有机玻璃制成。其有效体积为10L，废水通过计量泵从水箱泵入反应器内，出水由回流泵从回流管体泵入反应器。
驯化：调整流速，使水力停留时间(HRT)为24h。首期驯化时长为96h，此时氨氮去除率＞90％。而后每次增加硫酸钠投加量1.5g/L，每期驯化时间为2天。反应器出水均能快速回复至正常状态。至进水硫酸根浓度为18000mg/L时，出水氨氮＞30mg/L，氨氮去除率已低于85％，污泥略显黄色，说明该污泥在此驯化条件下已达硫酸根耐受上限。最终硫酸根浓度保持在18000mg/L，出水氨氮去除率在78％-80％之间波动，氨氮去除负荷为0.346kg/d/m3。测定停止投加硫酸钠时的总氮去除率、Heme c含量与16s rRNA拷贝数。
实施例2
除每次增加硫酸钠投加量为3g/L之外，其他条件与实施例1保持一致，至进水硫酸根浓度为18000mg/L为止。测定停止投加硫酸钠时的总氮去除率、Heme c含量与16s rRNA拷贝数。
实施例3
除每次增加硫酸钠投加量为5g/L之外，其他条件与实施例1保持一致，至进水硫酸根浓度为18000mg/L为止。测定停止投加硫酸钠时的总氮去除率、Heme c含量与16s rRNA拷贝数。
当停止投加硫酸钠时，三个实施案例的总氮去除率、Heme c含量与16s rRNA含量对比见表1。
表1当停止投加硫酸钠时，三个实施案例的总氮去除率、Heme c含量与16s rRNA含量对比
在三个实施例中，由实施例1到实施例3，总氮去除率是逐步上升的，由53.1％上升至78.2％，提高了47.18％，证明本专利所述驯化方法效果比较优良。Heme c酶的含量与16srRNA是直接反应厌氧氨氧化菌活性的指数，Heme c酶的含量由实施例3的0.51±0.03μM/mgprotein增加至实施例1的1.27±0.02μM/mg protein，增加到了原来的249％；而16s rRNA的含量也从实施例3的4.35×109copies/gbiomass增加至实施例1的6.21×109copies/gbiomass，增加了42.7％，证明经本方法驯化出的厌氧氨氧化菌不仅具有较强的抗硫酸根的能力，而且仍具有较强的活力，能够高效的脱氮，保护环境。
结合上述实施例，一般的厌氧氨氧化活性污泥耐受硫酸根的上限一般在8000mg/L左右，若瞬时增大硫酸盐的浓度还会导致活性污泥死亡等后果。采用其他高效驯化方式，耐受性约在5000-13000mg/L左右，但是驯化时间长，污泥脱氮效率低。而采用本发明的驯化方式后，驯化周期大大缩短，而且提高了活性污泥的耐盐能力约为18000—20000mg/L，氨氮脱除率仍保持在80％以上。节约了能耗与成本，可以进行大规模培养应用。

Claims (10)

1.一种耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，将普通厌氧氨氧化菌驯化为耐硫酸盐的厌氧氨氧化菌。
2.如权利要求1所述的耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，其驯化方式为：采用逐级提高人工废水中硫酸根的浓度的方法对反应器内的红色厌氧氨氧化种泥进行耐硫酸盐驯化培养，经过10～20个驯化周期；菌群在每个盐浓度的驯化周期为48h-96h。
3.如权利要求1所述的耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，所述逐级提高人工废水中硫酸根的浓度的方法，包括逐级增加硫酸钠的添加量。
4.如权利要求1-3任一项所述的耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，所述的方法包含一个驯化阶段，驯化结束后，该活性污泥可用于处理高硫酸盐高氨氮的特殊废水；其具体实施步骤为：
(1)从反应器顶部接种厌氧氨氧化种泥至反应器内，从低浓度硫酸盐人工废水开始进水，初期驯化2-4天；控制进水流速为0.8-1L/h，回流流速为3-3.5L/h。反应器内部反应区温度控制为30-32℃；
(2)采用逐渐提升硫酸钠添加量的方式驯化厌氧氨氧化污泥，硫酸铵的添加量不变；每个驯化周期递增的添加硫酸钠；每个驯化周期时长选择72-96h，
(3)逐渐提升进水硫酸盐浓度，至污泥略显灰白色、氨氮去除率小于80％为止；此时进水硫酸根浓度为18-20g/L。
5.如权利要求4所述的耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，步骤(1)中进水pH应控制在7.0-8.0。更优选的，pH应控制在7.0-7.5。
6.如权利要求4所述的耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，步骤(1)中进水pH使用碳酸氢钠、磷酸二氢钾调节；步骤(1)中的低浓度硫酸盐废水，硫酸盐浓度为500～1500mg/L；所述硫酸盐包括硫酸钠、硫酸铵、硫酸钾、硫酸钙、硫酸镁。
7.如权利要求4所述的耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，人工废水应使用高纯氮气进行曝气处理，使溶解氧降低至0.5mg/L以下。更优选的，降低至0.3mg/L以下。
8.如权利要求4所述的耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，步骤(2)中，使用10L反应器，厌氧氨氧化种泥接种量为2.7-4.0L，其污泥浓度(MLSS)应为8900-9300mg/L。
9.如权利要求4所述的耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，步骤(1)中人工废水中硫酸铵的浓度为1.47-2.94g/L，不添加硫酸钠；随着时间推移，步骤(2)中每个驯化周期递增添加硫酸钠1.2-3.0g/L；最终使人工废水中硫酸根的浓度达到18-20g/L。
10.如权利要求4所述的耐盐厌氧氨氧化菌群的培养方法，其特征在于，驯化过程中人工废水氨氮浓度为150-200mg/L，亚硝态氮浓度为160-220mg/L；
驯化采用上流式厌氧污泥床反应器(UASB)；
人工废水中不含有有机碳源，使用碳酸氢钠作为外加无机碳源；浓度为1500-1700mg/L。
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