CN108102980B

CN108102980B - 一种耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉的制备及其处理高盐废水的方法

Info

Publication number: CN108102980B
Application number: CN201810120496.4A
Authority: CN
Inventors: 唐婧; 李光昊; 侯哲; 任琦; 苏书宇
Original assignee: Shenyang Jianzhu University
Current assignee: Shenyang Jianzhu University
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2038-02-07
Also published as: CN108102980A

Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉的制备方法，将F3、F5、X23及N39四株菌扩大培养，混合均匀，收集菌泥；按比例加入保护剂，菌泥和保护剂混合平衡后，在设定的预冻温度下进行预冻12～24h，预冻结束后，将菌泥与保护剂的混合物转入真空冷冻干燥机中，在冻干温度下冻干20～30h，获得耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉。本发明在保持冻干菌粉具有良好的活性与处理能力的条件下，尽可能提高菌体的存活率。

Description

一种耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉的制备及其处理高盐废水的方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，特别是利用生物菌粉处理污水的方法，具体地说是一种耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉的制备及其处理高盐废水的方法。

背景技术

一般来说海水的盐度在3％左右，工业上把盐度和海水相当甚至超过海水的废水称为高盐废水。纺织印染、化工生产过程、食品加工以及农药生产过程中都会排放大量的高盐废水。目前对高盐废水的处理可分为物理化学法和生物法两大类，由于此类废水的溶解性有机物含量高，一般物理、化学方法难以处理并且处理成本高，而生物法具有经济、高效、无害的特点，是首选的处理方法。高盐废水中所含大量的氯离子，会对微生物的生长产生抑制，使微生物细胞脱水；使脱氢酶活性降低，对细胞产生毒害作用；同时由于水的密度增加，活性污泥容易上浮流失。这些对高盐废水的传统生化处理产生了不利的影响。

普通活性污泥通过一定时间的耐盐驯化可用于处理高盐废水，但是驯化周期长，耐冲击负荷能力弱，处理效果无法满足实际需求。分离筛选高效耐盐菌可用于强化生化法的处理效果。一株耐盐脱氮除磷高地芽孢杆菌(专利号：201210171599.6)对高盐废水有较强的耐受力，能够在高盐、好氧条件下实现好氧条件下氮、磷的同步去除，当盐度为3％时，其48h的氨氮去除率达到91.18％。由于生物处理系统是一个十分复杂的系统，投加单一菌株无法达到最佳处理状态，并且单一菌株进入系统后不易建立优势菌地位，强化效果往往难以持久。

生物法处理高盐废水由于盐度对微生物的毒害作用，普通微生物对污染物降解速率较慢，菌种需要较长的一段时间来适应高盐环境。通过投加耐盐或噬盐微生物能够强化高盐系统的处理效率，缩短系统启动时间，增强系统稳定性。目前筛选出的耐盐微生物多为针对COD降解的功能菌株，缺乏针对氨氮，特别是硝氮去除的耐盐硝化菌和耐盐反硝化菌。一种耐盐脱氮复合菌剂及其制备方法和应用(专利号：201510390564.5)将畜禽养殖废水中筛选出的一株具备高效脱氮功能菌和在农家乐餐饮废水中筛选出的一株耐盐菌株复配获得高耐盐负荷、高效脱氮的复合菌剂。该复合菌剂同时具备降解水体中COD功能，对农村污水净化效果强，适应性强，具有一次投菌长期使用的功能。废水中盐含量为3％，废水pH7.2，氨氮浓度为70.6mg/L，COD为320mg/L条件下，加入该复合菌剂，水体中氨氮去除率达到95.5％，COD去除率达到82.3％。

一种耐盐脱氮复合菌剂及其制备和使用方法(专利号：201310510802.2)中，通过将具有耐盐特性的盐单胞菌(Halomonas sp.)、具有硝化特性的芽胞杆菌(Bacillus sp.)，具有反硝化特性且脱氮过程中有亚硝氮积累的盐单胞菌(Halomonas sp.)和具有反硝化特性且脱氮过程中无亚硝氮积累的盐单胞菌(Halomonas sp.)复配获得耐盐脱氮复合菌剂，将耐盐脱氮复合菌剂按体积比6％加入到普通活性污泥系统中，控制温度为25℃、pH为7.2，溶解氧为0.11mg/L～3.9mg/L的缺氧-好氧交替条件下处理盐度为3％的废水，接种5d后，氨氮去除率达到了96％以上，TN去除率达到了95％以上。然而，液体菌剂体积大，相对有效生物量小，储存条件苛刻且易失活，在实际应用时，现场定量投加不易控制。

真空冷冻干燥是将菌悬液在低于三相点的低温环境中进行冷冻后抽真空。使细胞内外的游离水在冻结状态下直接升华为气体，达到去除水分的目的。该技术可保留新鲜物料中的大部分营养物质和有效成分；物料在冻结时形成稳定的固体骨架，水分升华后固体骨架基本保持原有形状，且多孔结构的制品具有极好的速溶性、复水性和复水率；真空冷冻干燥可以除去物料中95％以上的水分，使产品能在室温或较高的温度下长期保存，且质量轻、易运输。但是，冻干过程不可避免地会造成部分菌株机械损伤、细胞膜损伤甚至死亡，导致菌粉复活的存活率低，处理性能下降。有研究表明，真空冷冻干燥后微生物存活率下降的最主要原因是冷冻干燥过程中冰晶的形成、高浓度胞内质引起的高渗透压导致微生物细胞膜破坏，此外脱水影响了亲水性大分子性能，蛋白质降解等最终影响了微生物的存活率。针对冷冻、干燥、贮藏等外部环境对微生物存活率造成的影响，可在菌悬液中加入合适的保护剂，减少或避免外部恶劣环境条件对微生物造成破坏，进而提高微生物的存活率，为其商业化应用提供可能。

牛爱华等用10％脱脂奶粉与5％可溶性淀粉作为低温产甲烷菌菌剂的保护剂与10％脱脂奶粉相比，活菌存活率由38.5％增长到68.4％。(见文献：低温产甲烷菌群冻干菌粉制备过程中保护剂的研究)

徐丽萍等使用复合配方为16％脱脂乳+10％麦芽糖糊精+10％海藻糖+1％谷氨酸钠+2％VC+2％甘油+0.8％MnSO4使经冷冻干燥得到的嗜酸乳杆菌菌粉中活菌数量达到1010cfu/g。(见文献：嗜乳酸杆菌冻干菌粉保护剂选择的研究)

杜磊等10％蔗糖+10％脱脂乳+5％谷氨酸钠作为保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌混合菌剂的保护剂，冻干菌粉的存活率达到95％以上。(见文献：乳酸菌冷冻保护剂选择的研究)

田文静等对植物乳杆菌L.plantarum LIP-1进行微胶囊包埋处理，并在微胶囊制备过程中添加由2％甘油+1％麦芽糖+2％L-半胱氨酸+2％的乳糖组成的保护剂，冻干存活率由56.41％提高到83.80％。(见文献：适宜冷冻干燥保护剂提高植物乳杆菌LIP-1微胶囊性能)

杨丽娟等用10.49％脱脂乳+4.22％的葡萄糖作为制备副干酪乳杆菌冻干菌粉的保护剂，菌体存活率达到94.9％。(见文献：副干酪乳杆菌冻干菌粉制备)

目前的菌体冷冻干燥技术多应用于产乳酸菌的制备，较少涉及水处理功能菌，并且冻干菌粉的制备大多针对单一菌株或两种菌株，尚缺乏对多种混合功能菌的冻干菌粉的制备和使用方法，尤其是对四种不同类型的水质净化同步硝化反硝化复合菌粉的制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决活性污泥耐盐驯化周期长、处理效能无法满足高盐废水生物处理系统的要求，采用单一菌株进行生物强化优势菌地位稳定性差易失效，同时液体微生物菌剂不易运输保存，复合菌粉制备和使用技术缺乏等问题，而提供了一种耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉制备及其处理高盐废水的方法，能够简化菌粉制备过程、保持较高的存活率和处理效果，使用时能够快速启动高盐废水生物处理系统，获得高效的脱氮效果。

解决上述技术问题的技术方案如下：

一种耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉制备方法，包括以下步骤：

将具有反硝化特性且脱氮过程中有亚硝氮积累的盐单胞菌(F3)、具有反硝化特性且脱氮过程中无亚硝氮积累的盐单胞菌(F5)、具有硝化特性的芽胞杆菌(X23)和具有耐盐特性的盐单胞菌(N39)四株菌扩大培养，按比例将四种菌液混合均匀，通过高速离心收集菌泥；按一定比例加入保护剂，所述的保护剂为基础保护剂和复合冻干保护剂的混合物，菌泥和保护剂混合平衡后，在设定的预冻温度下进行预冻12～24h，预冻结束后，将菌泥与保护剂的混合物转入真空冷冻干燥机中，在冻干温度下冻干20～30h，获得耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉。

进一步地说，所述的四菌株扩大培养后按照体积比F3：F5：X23：N39为1:1:(10～20):(60～85)进行混合。

进一步地说，所述的离心的速度为4000～6000r/min。

进一步地说，所述的基础保护剂为1％～3％质量浓度的NaCl。

进一步地说，所述的复合冻干保护剂由4％～8％质量浓度的海藻糖、2％～6％质量浓度的甘油、8％～16％质量浓度的蔗糖和5％～15％质量浓度的脱脂乳粉组成。

进一步地说，所述的平衡时间为15～60min。

进一步地说，所述的预冻温度为-20℃～-45℃；所述的冻干温度为-35℃～-55℃。

进一步地说，所述的菌泥与保护剂的体积比为1:1。

一种利用上述方法制备出的耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉处理高盐废水的方法，是将在一定温度下贮存一定时间的冻干菌粉用无菌水复溶混合均匀，投加到高盐废水生物处理系统中。

进一步地说，所述的贮存温度为-4℃～-20℃；贮存时间为0～15d，复溶后按照体积比5％～10％或细胞干重15～20mg/L投加到高盐废水生物处理系统中。

本发明的有益效果是：

本发明通过选择合适的冻干保护剂与冻干工艺将F3、F5、X23及N39组成的耐盐脱氮复合菌剂制成冻干菌粉，在保持冻干菌粉具有良好的活性与处理能力的条件下，尽可能提高菌体的存活率；耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉在长时间冷藏贮存和低投加量条件下，可使高盐废水生物处理系统实现快速启动，确保耐盐脱氮复合菌在反应系统中保持较高的生物量和生物活性，提高系统脱氮效率，增强生物系统的稳定性和持久性，进而降低污水处理系统的运行成本。

该制备方法利用真空冷冻干燥技术，事先加入针对耐盐菌的基础保护剂和复合保护剂，优化制备过程的步骤和控制条件，将液体复合菌剂制备成冻干菌粉，使菌粉依然保持较高的存活率和脱氮率。按照该使用方法采用优化的存储条件和存储时间，将存储0～15d的菌粉用于强化高盐废水生物处理系统可实现系统的快速启动，获得和新鲜菌液一样的强化效果，脱氮率在98％以上。

该发明还提出了利用该冻干菌粉处理高盐废水的方法，能够提高耐盐脱氮复合菌剂的实用性，延长贮存时间，简化使用方法，同时获得良好的处理效果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

将F3、F5、X23与N39按照1：1：10：60的比例混合成耐盐脱氮复合菌剂。高速离心后获得的菌泥与3％NaCl+6％海藻糖+4％甘油+16％蔗糖+15％脱脂乳粉组成的保护剂混合30min后，在-20℃的条件下预冻18h，预冻结束后立即在-35℃下真空冷冻干燥24h。将新鲜的冻干菌粉加无菌水复溶至与冻干前菌液相同的体积，在30℃条件下振荡复活15min后，按体积比5％接种到高盐含氮废水中(盐度3％、COD 1500mg/L、NH₄-N 100mg/L)，获得菌液存活率为75.11％、氨氮去除率为95.78％、TN去除率为95.01％。

实施例2：

将F3、F5、X23与N39按照1：1：20：85的比例混合成耐盐脱氮复合菌剂。高速离心后获得的菌泥与2％NaCl+4％海藻糖+6％甘油+8％蔗糖+10％脱脂乳粉组成的保护剂混合平衡25min后，在-45℃的条件下预冻12h，预冻结束后立即在-55℃下真空冷冻干燥20h。将新鲜的冻干菌粉加无菌水复溶至与冻干前菌液相同的体积,在30℃条件下振荡复活15min后，按体积比8％接种到高盐含氮废水中(盐度3％、COD 1500mg/L、NH4-N 100mg/L)，获得菌液存活率为82.67％、氨氮去除率为95.96％、TN去除率为95.32％。

实施例3：

将F3、F5、X23与N39按照1：1：10：65的比例混合成耐盐脱氮复合菌剂。高速离心后获得的菌泥与1％NaCl+6％海藻糖+4％甘油+8％蔗糖+5％脱脂乳粉组成的保护剂混合平衡15min后，在-20℃的条件下预冻18h，预冻结束后立即在-45℃下真空冷冻干燥24h。将新鲜的冻干菌粉加无菌水复溶至与冻干前菌液相同的体积，在30℃条件下振荡复活15min后，按体积比10％接种到高盐含氮废水中(盐度3％、COD 1500mg/L、NH4-N 100mg/L)，获得菌液存活率为92.74％、氨氮去除率为97.66％、TN去除率为96.42％。

实施例4：

将F3、F5、X23与N39按照1：1：15：75的比例混合成耐盐脱氮复合菌剂。高速离心后获得的菌泥与1％NaCl+5％海藻糖+5％甘油+10％蔗糖+5％脱脂乳粉组成的保护剂混合平衡18min后，在-45℃的条件下预冻12h，预冻结束后立即在-45℃下真空冷冻干燥24h。将新鲜的冻干菌粉加无菌水复溶，在30℃条件下振荡复活15min后，按细胞干重为15mg/L接种到高盐含氮废水中(盐度3％、COD1500mg/L、NH4-N 100mg/L)，获得菌液存活率为90.73％、氨氮去除率为97.38％、TN去除率为96.01％。

实施例5：

将F3、F5、X23与N39按照1：1：10：60的比例混合成耐盐脱氮复合菌剂。高速离心后获得的菌泥与1％NaCl+6％海藻糖+4％甘油+8％蔗糖+5％脱脂乳粉组成的保护剂混合平衡15min后，在-20℃的条件下预冻18h，预冻结束后立即在-45℃下真空干燥24h。将新鲜的冻干菌粉加无菌水复溶，在30℃条件下振荡复活15min后，按细胞干重为17.5mg/L接种到高盐废水生物处理系统中(盐度3％、COD1800mg/L、NH4-N 120mg/L)，启动时间为2-3d左右，系统出水氨氮去除率为98.15％，TN去除率为97.5％，COD去除率92.21％。

实施例6：

将F3、F5、X23与N39按照1：1：10：60的比例混合成耐盐脱氮复合菌剂。高速离心后获得的菌泥与1％NaCl+6％海藻糖+4％甘油+8％蔗糖+5％脱脂乳粉组成的保护剂混合平衡15min后，在-20℃的条件下预冻18h，预冻结束后立即在-45℃下真空冷冻干燥24h。将制得的菌粉密封，放置在-20℃的条件下储存15d。使用时将冻干菌粉加无菌水复溶，在30℃条件下振荡复活15min后，按细胞干重为20mg/L接种到高盐废水生物处理系统中(盐度3％、COD1800mg/L、NH4-N120mg/L)，启动时间为4d左右，系统出水氨氮去除率为97.6％，TN去除率为97.6％，COD去除率92.13％。

对比例7：

将F3、F5、X23与N39按照1：1：10：60的比例混合成耐盐脱氮复合菌剂。按5％浓度接种到高盐废水生物处理系统中(盐度3％、COD 1800mg/L、NH4-N120mg/L)，启动时间为2-3d左右，系统出水氨氮去除率为98.6％，TN去除率为98.6％，COD去除率92.03％。

对比例8：

不加复合菌液或冻干菌粉的高盐废水生物处理系统(盐度3％、COD 1800mg/L、NH4-N 120mg/L)，启动5d以后，系统出水氨氮去除率为87.8％，TN去除率为87％，COD去除率85.6％。

因此，综上可知：

1、将F3、F5、X23与N39按照比例混合成耐盐脱氮复合菌剂，高速离心获得菌泥，添加冻干保护剂，平衡一段时间，预冻，真空冷冻干燥24h，获得冻干菌粉的存活率达到92％以上、氨氮脱氮率达到97％以上、TN脱氮率达到96％以上。

2、将耐盐脱氮复合菌新鲜菌粉投加到高盐废水生物处理系统中，启动2-3d，氨氮去除率达到98％以上，TN去除率达到98％以上。在-20℃条件下储存耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉15d时，冻干菌粉的存活率达到51％以上，投加到高盐废水生物处理系统中，启动4d后，氨氮去除率达到了98％以上，TN去除率达到了98％以上。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将具有反硝化特性且脱氮过程中有亚硝氮积累的盐单胞菌F3、具有反硝化特性且脱氮过程中无亚硝氮积累的盐单胞菌F5、具有硝化特性的芽胞杆菌X23和具有耐盐特性的盐单胞菌N39四株菌扩大培养，按比例将四种菌液混合均匀，通过高速离心收集菌泥；按一定比例加入保护剂，所述的保护剂为基础保护剂和复合冻干保护剂的混合物，菌泥和保护剂混合平衡后，在设定的预冻温度下进行预冻12～24h，预冻结束后，将菌泥与保护剂的混合物转入真空冷冻干燥机中，在冻干温度下冻干20～30h，获得耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉；

所述的四菌株扩大培养后按照体积比F3：F5：X23：N39为1:1:（10～20）:（60～85）进行混合；

所述的基础保护剂为1%～3%质量浓度的NaCl；

所述的复合冻干保护剂由4%～8%质量浓度的海藻糖、2%～6%质量浓度的甘油、8%～16%质量浓度的蔗糖和5%～15%质量浓度的脱脂乳粉组成；

所述的预冻温度为-20℃～-45℃；所述的冻干温度为-35℃～-55℃；

所述的菌泥与保护剂的体积比为1:1。

2.根据权利要求1所述的耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉制备方法，其特征在于，所述的离心的速度为4000～6000r/min。

3.根据权利要求1所述的耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉制备方法，其特征在于，所述的平衡时间为15～60min。

4.一种利用权利要求1-3任意一项制备出的耐盐脱氮复合菌剂冻干菌粉处理高盐废水的方法，其特征在于，将在一定温度下贮存一定时间的冻干菌粉用无菌水复溶混合均匀，投加到高盐废水生物处理系统中；所述的贮存温度为-4℃～-20℃；贮存时间为0～15d，复溶后按照体积比5%～10%或细胞干重15～20mg/L投加到高盐废水生物处理系统中。