CN109081434A - 一种耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，采用上流式厌氧污泥床反应器，在反应器内接种厌氧氨氧化污泥；通过分阶段提高模拟废水中纳米银负荷逐步诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌，运行至反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白为接种污泥的1.2～1.4倍，微生物活性为初始接种污泥的1.2～1.5倍，即培养成功；本发明培养方法得到的厌氧氨氧化颗粒污泥胞外蛋白浓度高，不仅可耐受高浓度的纳米银，还可抵御其他毒物侵袭，且活性较高，脱氮性能佳。

Description

一种耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法
(一)技术领域
本发明涉及一种提高厌氧氨氧化颗粒污泥对纳米银耐受性的培养方法。
(二)背景技术
厌氧氨氧化工艺因其无需外加有机碳源、脱氮负荷高、运行费用低、占地空间小等优点，已被公认为是目前最经济的生物脱氮工艺之一。
自二十世纪末开始，纳米技术的迅速发展使许多工业领域发生了革命性的变革。目前，纳米银大量生产并广泛应用于消费产品，如塑料、个人护理、食品储存、纺织品和抗菌能力的医疗设备。据估计，大约有三分之一的可用纳米材料的消费产品包含纳米银。纳米银具有长期性、广泛性的特点。因此，在生产、储存、使用和处置过程中，纳米银可能会释放到污水处理厂、垃圾填埋场和自然水体中，对人工和自然生态系统中的各种生物产生潜在威胁。
厌氧氨氧化菌具有生长缓慢，细胞产率低，对环境条件的变化敏感等缺点。而纳米银独特的物化特性和微小结构特点使其更易于穿透微生物细胞膜，进入生物机体，从而产生与常规尺寸物质不同的生物毒性或导致对生物体毒性效应的放大，所以环境中的纳米银会对厌氧氨氧化菌产生负面影响，极大的限制了厌氧氨氧化工艺在实际水处理工程中的大规模应用。
针对这些问题，本发明提出了提高厌氧氨氧化颗粒污泥对纳米银耐受性的培养方法。本发明通过分阶段提高模拟废水中纳米银负荷逐步诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌以减轻过高浓度纳米银对厌氧氨氧化菌的冲击和毒害，从而提高厌氧氨氧化工艺对高浓度纳米银废水的耐受性，且所培养的颗粒污泥因胞外蛋白浓度高，可抵抗其他毒物侵害，且污泥活性高、脱氮性能稳定等。
(三)发明内容
本发明目的是提供一种提高厌氧氨氧化颗粒污泥对纳米银耐受性的培养方法，通过逐步诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌，使得厌氧氨氧化工艺在实际应用中可耐受高浓度纳米银废水以及抵抗其他毒物侵害。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，所述方法为：
(1)在反应器内接种厌氧氨氧化颗粒污泥，以模拟废水为进水，置于30～35℃恒温室中、水力停留时间为0.96h的条件下运行至反应器稳定(优选运行30d～40d)；
(2)逐步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度，直到进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度均达到210～280mg·L-1；
(3)采用逐步分阶段增加进水中纳米银浓度诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌，在厌氧、避光、温度为35±1℃、进水pH为7.7～7.8、水力停留时间为0.9～1.0h的条件下，运行至反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白为接种污泥的1.2～1.4倍，微生物活性为初始接种污泥的1.2～1.5倍，即获得耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥。
本发明中，所述的厌氧氨氧化污泥为本领域常规的厌氧氨氧化污泥，可以取自厌氧氨氧化反应器，优选厌氧氨氧化污泥颗粒粒径为2.34±1.3mm，胞外聚合物(EPS)含量为306.3±16.4mg·g-1VSS。
进一步，步骤(1)中，所述的反应器为升流式厌氧污泥床反应器，所述的反应器接种污泥浓度为15～20gVSS·L-1(优选20gVSS·L-1)。
进一步，步骤(2)中，所述逐步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度是指：每当出水NO2 --N浓度低于10mg·L-1时，以70mg·L-1的步幅同步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度。
进一步，步骤(3)中，逐步分阶段增加进水中纳米银浓度的方法是每阶段纳米银浓度增加幅度为前一阶段的5～10倍，每次调整后驯化15～30d，当反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白含量为接种污泥的1.2～1.4倍，微生物活性为初始接种污泥的1.2～1.5倍，即获得耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥。
进一步，步骤(3)中，纳米银粒径为60～120nm。
进一步，步骤(3)中，所述的诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌是指：在进水中添加1mg·L-1纳米银，在厌氧、避光、温度为30℃～35℃、进水pH为7.7～7.8、水力停留时间为0.9～1.0h的条件下培养30d，测定厌氧氨氧化颗粒污泥中的胞外蛋白的含量和活性并与原接种污泥作比较；增加进水中纳米银浓度为10mg·L-1，继续诱导胞外蛋白分泌，培养30d后，测定厌氧氨氧化颗粒污泥中的胞外蛋白的含量和活性并与原接种污泥的作比较；增加进水纳米银浓度至50mg·L-1继续培养30d，测定厌氧氨氧化颗粒污泥中的胞外蛋白的含量和活性并与原接种污泥的作比较；如上所述逐步分阶段增加纳米银负荷诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌，且每阶段纳米银浓度增加幅度为前一阶段的5～10倍，每次调整后驯化15～30d，当纳米银浓度达50mg·L-1时，反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白为接种污泥的1.2～1.4倍，微生物活性为初始接种污泥的1.2～1.5倍，即完成培养。
进一步，所述模拟废水组成为：NaH2PO4 10mg·L-1、CaCl2·2H2O 5.6mg·L-1、MgSO4·7H2O 5.6mg·L-1、NaHCO3 840mg·L-1，微量元素Ⅰ储备液1.25ml·L-1、微量元素Ⅱ储备液1.25ml·L-1、NH4 +-N 70mg·L-1、NO2 --N70mg·L-1，溶剂为水；其中，所述微量元素Ⅰ组成为：EDTA 5.00g·L-1，FeSO4 9.14g·L-1，溶剂为水；微量元素Ⅱ组成为：EDTA 15.0g·L-1，ZnSO4·7H2O 0.430g·L-1，CoCl2·6H2O 0.240g·L-1，MnCl2·4H2O 0.990g·L-1，CuSO4·5H2O 0.250g·L-1，NaMoO4·2H2O 0.220g·L-1，NiCl2·6H2O 0.210g·L-1，H3BO4 0.014g·L-1，溶剂为水。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：本发明培养方法得到的厌氧氨氧化颗粒污泥胞外蛋白浓度高，可达初始颗粒污泥蛋白浓度的1.2～1.4倍，不仅可耐受高浓度(50mg·L-1)的纳米银，还可抵御其他毒物侵袭，且活性提高了1.2～1.5倍，脱氮性能佳。
(四)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：
(1)采用有效体积1.0L的升流式厌氧污泥床反应器，接种厌氧氨氧化颗粒污泥取自实验室长期运行的厌氧氨氧化反应器，颗粒粒径为2.34±1.3mm，胞外聚合物(EPS)含量为306.3±16.4mg·g-1VSS。以模拟废水为进水，反应器置于35±1℃恒温室中，避光运行，初始污泥浓度20.0gVSS·L-1，水力停留时间为0.96h。
所述模拟废水组成为：NaH2PO4 10mg·L-1、CaCl2·2H2O 5.6mg·L-1、MgSO4·7H2O5.6mg·L-1、NaHCO3 840mg·L-1，微量元素Ⅰ储备液1.25ml·L-1、微量元素Ⅱ储备液1.25ml·L-1、NH4 +-N 70mg·L-1、NO2 --N70mg·L-1，溶剂为水；
其中，所述微量元素Ⅰ组成为：EDTA 5.00g·L-1，FeSO4 9.14g·L-1，溶剂为水。微量元素Ⅱ组成为：EDTA 15.0g·L-1，ZnSO4·7H2O 0.430g·L-1，CoCl2·6H2O 0.240g·L-1，MnCl2·4H2O 0.990g·L-1，CuSO4·5H2O 0.250g·L-1，NaMoO4·2H2O 0.220g·L-1，NiCl2·6H2O 0.210g·L-1，H3BO4 0.014g·L-1，溶剂为水。
(2)初始进水浓度为NH4 +-N 70mg·L-1、NO2 --N70mg·L-1，逐步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度，每当出水NO2 --N浓度低于10mg·L-1时，以70mg·L-1的步幅同步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度；直到进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度均达到280mg·L-1；培养30天后，该颗粒污泥的粒径为2.34±1.3mm，EPS含量为306.3±16.4mg·g-1VSS，其中胞外蛋白含量(采用Lowry法测定)为246.2±15.4mg·g-1VSS，活性(Specific anammox activity比厌氧氨氧化活性)为535.3±35.6mgTN·g-1VSS·d-1；经高通量测续鉴定菌种为厌氧氨氧化菌(Candidatus Kuenenia stuttgartiensis)。
(3)采用逐步分阶段增加纳米银负荷逐步诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌，具体为：在进水中添加1mg·L-1纳米银(购自阿拉丁，粒径60～120nm)，在厌氧、避光、温度为35±1℃、进水pH为7.7～7.8、水力停留时间为0.9～1.0h的条件下培养30d，本阶段结束后，厌氧氨氧化颗粒污泥的活性为535.3±35.6mgTN·g-1VSS·d-1，与初始活性相同，且EPS中的蛋白增加至259.5±17.7mg·g-1VSS，为原接种污泥胞外蛋白的1.05倍；之后调整进水中纳米银浓度为10mg·L-1，继续培养30d，厌氧氨氧化颗粒污泥的活性增加至601.3±23.9mgTN·g-1VSS·d-1，为原接种污泥的1.12倍，且EPS增加至312.3±18.6mg·g-1VSS，其中蛋白增加至284.9±18.3mg·g-1VSS，为原接种污泥的1.16倍；最终增加进水纳米银浓度至50mg·L-1继续驯化30d，厌氧氨氧化颗粒污泥的活性显著增加至725.4±47.9mgTN·g- 1VSS·d-1，为原接种污泥的1.5倍，且EPS增加至343.0±21.5mg·g-1VSS，其中蛋白显著增加至317.8±21.3mg·g-1VSS，为原接种污泥的1.4倍，获得耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥。
总体而言，增加纳米银负荷逐步诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌进而提高厌氧氨氧化颗粒污泥对纳米银的耐受性。最终当纳米银浓度至50mg·L-1时，厌氧氨氧化颗粒污泥的活性显著增加至725.4±47.9mgTN g-1VSS d-1，为初始接种污泥活性的1.5倍，增加了所培养的厌氧氨氧化污泥的活性；EPS中的蛋白显著增加至317.8±21.3mg g-1VSS，有利于增强颗粒污泥的防御功能。
表1 不同纳米银负荷下各参数指标
ND:Not detected(未检测到)
AgNPs，Inf.Ag+，Eff.Ag+，NLR，NRR，NRE，RS，RP分别表示：纳米银浓度，进水纳米银浓度，出水纳米银浓度，氮负荷率，氮去除率，氮去除效率，消耗亚硝氮/消耗氨氮，产生硝氮/消耗氨氮。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.一种耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，其特征在于所述方法为：
(1)在反应器内接种厌氧氨氧化颗粒污泥，以模拟废水为进水，置于30～35℃恒温室中、水力停留时间为0.96h的条件下运行至反应器稳定；
(2)逐步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度，直到进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度均达到210～280mg·L-1；
(3)采用逐步分阶段增加进水中纳米银浓度诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌，在厌氧、避光、温度为35±1℃、进水pH为7.7～7.8、水力停留时间为0.9～1.0h的条件下，运行至反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白为接种污泥的1.2～1.4倍，微生物活性为初始接种污泥的1.2～1.5倍，即获得耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥。
2.如权利要求1所述耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，其特征在于所述接种的厌氧氨氧化污泥颗粒粒径为2.34±1.3mm，胞外聚合物含量为306.3±16.4mg·g-1VSS。
3.如权利要求1所述耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，其特征在于步骤(1)中，所述的反应器为升流式厌氧污泥床反应器，所述的反应器接种污泥浓度为15～20gVSS·L-1。
4.如权利要求1所述耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，其特征在于步骤(2)中，所述逐步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度是指：每当出水NO2 --N浓度低于10mg·L-1时，以70mg·L-1的步幅同步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度。
5.如权利要求1所述耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，其特征在于步骤(3)中，逐步分阶段增加进水中纳米银浓度是指每阶段纳米银浓度增加幅度为前一阶段的5～10倍，每次调整后驯化15～30d，当反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白含量为接种污泥的1.2～1.4倍，微生物活性为初始接种污泥的1.2～1.5倍，即获得耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥。
6.如权利要求1所述耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，其特征在于步骤(3)中，纳米银粒径为60～120nm。
7.如权利要求5所述耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，其特征在于步骤(3)中，纳米银首次加入浓度为1mg·L-1。
8.如权利要求1所述耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，其特征在于步骤(3)中，所述的诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌方法为：首先在进水中添加1mg·L-1纳米银，在厌氧、避光、温度为30℃～35℃、进水pH为7.7～7.8、水力停留时间为0.9～1.0h的条件下培养30d，测定厌氧氨氧化颗粒污泥中的胞外蛋白的含量和活性并与原接种污泥作比较；增加进水中纳米银浓度为10mg·L-1，继续诱导胞外蛋白分泌，培养30d后，测定厌氧氨氧化颗粒污泥中的胞外蛋白的含量和活性并与原接种污泥的作比较；增加进水纳米银浓度至50mg·L-1继续培养30d，测定厌氧氨氧化颗粒污泥中的胞外蛋白的含量和活性并与原接种污泥的作比较；如上所述逐步分阶段增加纳米银负荷诱导厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白分泌，且每阶段纳米银浓度增加幅度为前一阶段的5～10倍，每次调整后驯化15～30d，当纳米银浓度达50mg·L-1时，反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥的胞外蛋白为接种污泥的1.2～1.4倍，微生物活性为初始接种污泥的1.2～1.5倍，即完成培养。
9.如权利要求1所述耐受纳米银的厌氧氨氧化颗粒污泥培养方法，其特征在于所述模拟废水组成为：NaH2PO4 10mg·L-1、CaCl2·2H2O 5.6mg·L-1、MgSO4·7H2O 5.6mg·L-1、NaHCO3 840mg·L-1，微量元素Ⅰ储备液1.25ml·L-1、微量元素Ⅱ储备液1.25ml·L-1、NH4 +-N70mg·L-1、NO2 --N70mg·L-1，溶剂为水；其中，所述微量元素Ⅰ组成为：EDTA 5.00g·L-1，FeSO4 9.14g·L-1，溶剂为水；微量元素Ⅱ组成为：EDTA 15.0g·L-1，ZnSO4·7H2O 0.430g·L-1，CoCl2·6H2O 0.240g·L-1，MnCl2·4H2O 0.990g·L-1，CuSO4·5H2O 0.250g·L-1，NaMoO4·2H2O 0.220g·L-1，NiCl2·6H2O 0.210g·L-1，H3BO4 0.014g·L-1，溶剂为水。
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