CN109368785A

CN109368785A - 一种反硝化脱氮微生物群落及其应用

Info

Publication number: CN109368785A
Application number: CN201811305111.8A
Authority: CN
Inventors: 胡俊; 李若沛
Original assignee: Ningbo Shui Siqing Environmental Technology Co Ltd
Current assignee: Ningbo Shui Siqing Environmental Technology Co Ltd
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2019-02-22

Abstract

本发明属于环境保护技术领域，公开了一种反硝化微生物群落及其应用。该微生物群落包括绿脓杆菌（Pseudomonas），伯克氏菌（Burkholderia）和贪铜菌属（Cupriavidus），该微生物群落分离自长期运行的固体碳源反硝化生物反应器。该微生物群落结构性能稳定，脱氮活性高，并可以同时降解废水中的抗生素类污染物。该微生物群落可以利用多种溶解性有机物，以及不溶性的可生物降解高分子聚合物作为反硝化碳源，高效去除废水中的硝酸盐。该微生物群落可附着于载体上形成生物膜，也可以直接投加到脱氮生物反应器中，用于去除水中的硝酸盐和抗生素，且对废水水质、进水溶解氧（DO）浓度及废水pH具有较强的适应性。

Description

一种反硝化脱氮微生物群落及其应用

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种反硝化脱氮微生物群落及其应用。

背景技术

我国农业生产中氮肥的大量使用和畜牧养殖业中抗生素的过度使用，导致我国水体环境中，包括主要河流、湖泊及部分地下水中，硝酸盐污染问题突出。而硝酸盐污染会导致水体富营养化，藻类大量繁殖，影响水体的正常功能及使用。

硝酸盐化学性质稳定，绝大多数硝酸盐均易溶于水，一般的水处理工艺难以将其有效去除。目前去除硝酸盐的方法有离子交换法、化学催化还原法和生物反硝化法等。

离子交换法只是将水中的硝酸盐转移富集而没有转化处理，由此会形成的高浓度的再生盐水，在没有合适的排放水体情况下，会对当地的环境构成严重威胁，必须进一步处理。并且在离子交换水厂运行过程中，树脂的再生费用昂贵。

化学催化还原法去除硝酸盐的反应活性很高，但是目前该技术还处于实验研究阶段，距离实用化还有相当的距离。存在的主要问题包括：硝酸盐被还原的产物包括氨和催化剂中使用的重金属可能溶入出水，可能造成二次污染等。

生物反硝化是在缺氧条件下，利用微生物将硝酸盐还原为氮气的过程。

NO3-→NO2-→NO→N2O→N2

大量研究发现，具有反硝化脱氮能力的微生物包括：Pseudomonas sp. ASM-2-3，Pseudomonas stutzeri，Rhodococcus sp. CPZ24，Halomonas campisalis，Zoogloea sp.N299，Acinetobacter junii YB，Cupriavidus sp. S1，Paracoccus denitrificans以及Anthrobacter arilaitensis Y-10等。这些微生物可以在实验室条件下具有较高的硝酸盐去除能力，但在实际废水复杂条件下性能不稳定，脱氮效果不佳，且难以与废水中原有的微生物竞争。

水体中的抗生素主要来源于畜禽养殖、医疗及生活污水的排放，由于其对环境的危害性，引起了国内外广泛关注。传统的废水处理技术难以有效去除废水中的抗生素。

很多废水中同时存在硝酸盐和抗生素，且抗生素的存在对硝酸盐的去除会产生抑制作用。因此，利用生物技术，同时去除废水中的硝酸盐和抗生素，是废水生物脱氮研究领域中的热点和难点问题。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种反硝化脱氮微生物群落，该微生物群落可以同时去除水中的硝酸盐和抗生素。

所述反硝化脱氮微生物群落，其包括假单胞菌（Pseudomonas），伯克氏菌（Burkholderia）和贪铜菌属（Cupriavidus）。

其中，上述反硝化脱氮微生物群落，以质量百分比计，其包括假单胞菌（Pseudomonas）90-95%，伯克氏菌（Burkholderia）2-4%，贪铜菌属（Cupriavidus）1.5-2%。例如，其包括假单胞菌（Pseudomonas）91-94%，伯克氏菌（Burkholderia）3-4%，贪铜菌属（Cupriavidus）1.6-1.9%。

其中，上述反硝化脱氮微生物群落中，还包括其它微生物，例如不动杆菌(Acinetobacter sp.)

根据本发明的技术方案，以质量百分比计，所述反硝化微生物群落由Pseudomonas93.5%，Burkholderia 1.6%，Cupriavidus 1.2%和其它微生物3.7%。

其中，上述反硝化微生物群落分离自固体碳源反硝化生物反应器，所述固体碳源和反硝化生物反应器可以为本领域已知碳源和反应器。例如，所述固体碳源可以为不溶性的可生物降解高分子聚合物，例如秸秆、稻壳、玉米芯、聚羟基丁酸酯（PHB）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供上述反硝化微生物群落在水体生物脱氮处理中的应用。例如，所述水体可以为地表水、地下水、工业废水、生活污水或者废水处理厂出水。优选地，反硝化微生物群落在去除水体中硝酸盐的应用。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供上述反硝化微生物群落在降解水体中抗生素的应用。

本发明所要解决的第四个技术问题是提供上述反硝化微生物群落在同时去除水体中硝酸盐和抗生素的应用。

优选地，上述应用中，所述抗生素可以为磺胺类抗生素（例如磺胺甲恶唑）、喹诺酮类抗生素（例如氧氟沙星）和大环内酯类抗生素（例如红霉素）中的一种、两种或更多种。

优选地，上述三个应用中，可以将上述反硝化微生物群落附着于载体上形成生物膜，或者直接投加到反硝化生物反应器中。

本发明的有益效果：本发明提供一种可以同时去除水中硝酸盐和抗生素的反硝化微生物群落，显著提高了生物脱氮系统的运行稳定性及脱氮效率。利用该反硝化微生物群落，可以使反应器的启动时间缩短，反硝化速率加快。

本发明提供的反硝化微生物群落，可用于地表水、地下水、工业废水、生活污水以及废水处理厂出水的生物脱氮处理。

本发明提供的反硝化微生物群落可以利用多种溶解性有机物，以及不溶性的可生物降解高分子聚合物作为反硝化碳源，高效去除废水中的硝酸盐。

本发明提供的反硝化微生物群落可以降解水中的抗生素类污染物。

该微生物群落可附着于载体上形成生物膜，也可以直接投加到反应器中，用于去除水中的硝酸盐和抗生素，且对废水水质、进水溶解氧（DO）浓度及废水pH具有较强的适应能力，这是对传统工艺的进一步提高与创新。

附图说明

图1为本发明提供的一种典型的反硝化微生物群落组成。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

以下实施例中反硝化微生物群落的应用方法：

（1）反硝化微生物的接种及挂膜：接种典型的反硝化微生物群落（图1），使其附着于生物陶粒颗粒或可生物降解聚合物颗粒上生长，形成稳定的生物膜。控制脱氮生物反应器的温度为20℃-30℃。每天检测出水中的NO3-N和NO2-N浓度，当出水中NO3-N浓度基本稳定后，反应器的反硝化性能达到稳定。

（2）生物反硝化脱氮：反应器稳定运行后，开始正式进水，调节水温为20~30℃。利用水泵控制废水的流速，保证一定的水力停留时间，使反硝化脱氮反应有效进行。废水中的硝酸盐氮在填充床中反硝化微生物群落的作用下，被逐步还原为氮气，处理后的水排入出水水箱。

实施例1

被处理水为北京市的地下水，加入NaNO3调节NO3-N浓度为50 mg/L，在下述条件下进行生物脱氮处理：

水力停留时间：2小时

温度：30℃

pH：7.2

进水溶解氧浓度：4.8 mg/L

生物脱氮处理后的出水水质如表1所示。

表1 处理前后的水质变化情况

	NO3-N (mg/L)	NO2-N (mg/L)	pH	NO3-N去除率(%)
					处理前	50	0	7.2
处理后	<1.8	<0.1	7.0	>96

实施例2

被处理水为北京市污水处理厂的二级处理出水，加入NaNO3调节NO3-N浓度为30 mg/L，在下述条件下进行生物脱氮处理：

水力停留时间：1.5小时

温度：25℃

pH：7.2

进水溶解氧浓度：4.5 mg/L

生物脱氮处理后的出水水质如表2所示。

表2 处理前后的水质变化情况

	NO3-N (mg/L)	NO2-N (mg/L)	pH	NO3-N去除率(%)
					处理前	30	0	7.2
处理后	<1.5	<0.1	7.0	>95

实施例3

被处理水为北京市污水处理厂的二级处理出水，加入NaNO3调节NO3-N浓度为40 mg/L，在下述条件下进行生物脱氮处理：

水力停留时间：2小时

温度：25℃

pH：7.2

进水溶解氧浓度：4.5 mg/L

生物脱氮处理后的出水水质如表3所示。

表3 处理前后的水质变化情况

	NO3-N (mg/L)	NO2-N (mg/L)	pH	NO3-N去除率(%)
					处理前	40	0	7.2
处理后	<1.5	<0.1	7.0	>95

实施例4

被处理水为北京市污水处理厂的二级处理出水，加入NaNO3调节NO3-N浓度为40 mg/L，加入0.1 mg/L磺胺甲恶唑（磺胺类抗生素），在下述条件下进行生物脱氮处理：

水力停留时间：2小时

pH：7.2

进水溶解氧浓度：4.5 mg/L

生物脱氮处理后的出水水质如表4所示。

温度：25℃

表4 处理前后的水质变化情况

	NO3-N (mg/L)	NO2-N (mg/L)	pH	NO3-N去除率(%)
					处理前	40	0.1	7.2
处理后	<2	未检出	7.0	>95

实施例5

被处理水为北京市污水处理厂的二级处理出水，加入NaNO3调节NO3-N浓度为40 mg/L，加入0.1 mg/L氧氟沙星，在下述条件下进行生物脱氮处理：

水力停留时间：2小时

温度：25℃

pH：7.2

进水溶解氧浓度：4.5 mg/L

生物脱氮处理后的出水水质如表5所示。

表5 处理前后的水质变化情况

	NO3-N (mg/L)	氧氟沙星(mg/L)	pH	NO3-N去除率(%)
					处理前	40	0.1	7.2
处理后	<2	未检出	7.0	>95

实施例6

被处理水为北京市污水处理厂的二级处理出水，加入NaNO3调节NO3-N浓度为40 mg/L，加入0.1 mg/L红霉素，在下述条件下进行生物脱氮处理：

水力停留时间：2小时

温度：25℃

pH：7.2

进水溶解氧浓度：4.5 mg/L

生物脱氮处理后的出水水质如表6所示。

表6 处理前后的水质变化情况

	NO3-N (mg/L)	红霉素(mg/L)	pH	NO3-N去除率(%)
					处理前	40	0.1	7.2
处理后	<2	未检出	7.0	>95

应用例7

被处理水为北京市的自来水，加入NaNO3调节NO3-N浓度为20 mg/L，在下述条件下进行生物脱氮处理：

水力停留时间：1.0小时

温度：25℃

pH：7.6

进水溶解氧浓度：5.0 mg/L

生物脱氮处理后的出水水质如表7所示。

表7 处理前后的水质变化情况

	NO3-N (mg/L)	NO2-N(mg/L)	pH	NO3-N去除率(%)
					处理前	20	0	7.6
处理后	<1.5	<0.05	7.2	>92

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种反硝化微生物群落，其特征在于，该微生物群落包括假单胞菌（Pseudomonas），伯克氏菌（Burkholderia）和贪铜菌属（Cupriavidus）。

2.根据权利要求1所述的反硝化微生物群落，其特征在于，以质量百分比计，其包括假单胞菌（Pseudomonas）90-95%，伯克氏菌（Burkholderia）2-4%，贪铜菌属（Cupriavidus）1.5-2%。

3.根据权利要求1或2所述的反硝化微生物群落，其特征在于，以质量百分比计，其包括假单胞菌（Pseudomonas）91-94%，伯克氏菌（Burkholderia）3-4%，贪铜菌属（Cupriavidus）1.6-1.9%。

4.根据权利要求1~3任一项所述的反硝化微生物群落，其特征在于，该群落还包括其它微生物，例如不动杆菌(Acinetobacter sp.)。

5.根据权利要求1~4任一项所述的反硝化微生物群落，其特征在于，以质量百分比计，所述反硝化微生物群落由Pseudomonas 93.5%，Burkholderia 1.6%，Cupriavidus 1.2%和其它微生物3.7%。

6.根据权利要求1~5任一项所述的反硝化微生物群落，其特征在于，所述反硝化微生物群落该微生物群落分离自固体碳源反硝化生物反应器。

7.权利要求1~6任一项所述反硝化微生物群落在水体生物脱氮处理中的应用。

8.权利要求1~6任一项所述反硝化微生物群落在降解水体中抗生素的应用。

9.权利要求1~6任一项所述反硝化微生物群落在同时去除水体中硝酸盐和抗生素的应用。

10.根据权利要求7~9任一项所述的应用，将权利要求1~6任一项所述反硝化微生物群落附着于载体上形成生物膜，或者直接投加到反硝化生物反应器中。