CN110255709B - 耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，包括：在厌氧氨氧化反应器进水中投加螺旋霉素，跟踪反应器出水变化；所述进水含有质量浓度比为1:0.9～1.1的亚硝氮和氨氮；根据反应器出水情况停止投加螺旋霉素，等比例降低进水中的氨氮和亚硝氮浓度，然后以等比例梯度增加进水氨氮和亚硝氮浓度的方式恢复反应器的运行性能；待反应器运行性能恢复后，再次投加螺旋霉素，反应器脱氮性能在波动后恢复稳定，完成耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养。本发明通过“首次暴露——梯度恢复——再次暴露”的方法逐步诱导螺旋霉素抗性基因的变化，从而培育出耐受长期螺旋霉素干扰的厌氧氨氧化颗粒污泥。

Description

耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法

技术领域

本发明涉及污泥培养技术领域，具体涉及一种耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法。

背景技术

抗生素在人类医疗、畜禽养殖及水产养殖等方面发挥了无法替代的重要作用。我国是抗生素生产和使用大国，同时也存在明显的抗生素滥用情况，每年养殖业使用的抗生素占我国抗生素使用量的50％左右。绝大多数抗生素进入生物体后，不会被生物体完全吸收，很大一部分(>70％)随排泄物排出体外进入自然环境，导致抗生素生产废水中残留大量的抗生素。在我国，污水厂进出水、地表水、河流底泥、地下水以及饮用水中都有不同类型、不同浓度的抗生素被检出。

螺旋霉素作为一种大环内酯类抗生素，作用于50s亚基，干扰并抑制细菌蛋白质合成。对革兰氏阳性菌和部分革兰氏阴性菌均有抑制效果，在医疗和畜牧业的用量越来越大并且往往被过量使用，养殖场及地表水中都检测出螺旋霉素的存在。通过污泥农用化、有机肥施用以及灌溉水等形式进入农田土壤系统，随着地表径流和淋滤作用，土壤吸附的螺旋霉素会污染地下水和地表水环境，螺旋霉素不易生物降解的特性使其易在水体底泥等环境中富集，影响水中微生物组成及活性，改变微生物生态结构。污泥因受到抗生素的影响而维持较低的生物活性，使有机物产生硫化物、氨气等毒性较大的副产物，从而进一步降低了底泥中有机物降解率，破坏土壤环境中的微生物群落，改变甚至阻止生态系统物质循环，使物种多样性降低，干扰土壤生态系统的物质循环和能量流动，存在不可忽视的生态环境风险。

厌氧氨氧化工艺是一项绿色的、可持续发展的脱氮工艺，以亚硝酸盐作为电子受体，将氨氧化为氮气，该工艺流程短、能源消耗低、无二次污染，但是厌氧氨氧化细菌增殖缓慢，细胞产率低，极易受到外界环境的影响，而废水中残留的螺旋霉素会抑制细菌中蛋白质的合成，从而抑制厌氧氨氧化菌的生长。

因此，在用厌氧氨氧化工艺处理螺旋霉素废水时，往往面临厌氧氨氧化菌失活等风险。为了发挥厌氧氨氧化工艺的优势，尽量避免环境中螺旋霉素残留对其的不利影响，使该工艺进一步得到工程化的实际应用，有必要培养出耐受长期螺旋霉素干扰的厌氧氨氧化颗粒污泥。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，通过“首次暴露——梯度恢复——再次暴露”的方法逐步诱导螺旋霉素抗性基因的变化，从而培育出耐受长期螺旋霉素干扰的厌氧氨氧化颗粒污泥。

一种耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，包括步骤：

(1)首次暴露：在厌氧氨氧化反应器进水中投加螺旋霉素，跟踪反应器出水变化；所述进水含有质量浓度比为1:0.9～1.1的亚硝氮和氨氮；

(2)梯度恢复：根据反应器出水情况停止投加螺旋霉素，等比例降低进水中的氨氮和亚硝氮浓度，然后以等比例梯度增加进水氨氮和亚硝氮浓度的方式恢复反应器的运行性能；

(3)再次暴露：待反应器运行性能恢复后，再次投加螺旋霉素，反应器脱氮性能在波动后恢复稳定，完成耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养。

步骤(1)的螺旋霉素首次暴露过程中，随着螺旋霉素的投加，厌氧氨氧化菌中一系列螺旋霉素相关抗性基因丰度提升，这些抗性基因包括外排泵基因、甲基化基因、酯化酶基因、磷酸化酶基因、裂解酶基因、转移酶基因等。由于步骤(1)的螺旋霉素暴露显著降低了厌氧氨氧化污泥的脱氮性能，厌氧氨氧化菌群活性受到抑制，而原始进水氨氮和亚硝氮基质浓度较高，受螺旋霉素抑制的厌氧氨氧化菌群难以耐受，所以步骤(2)采用梯度恢复。经过步骤(2)的梯度回复过程，反应器运行性能恢复后，厌氧氨氧化污泥有较高的螺旋霉素抗性基因丰度，并且有较好的脱氮性能，此时再次投加螺旋霉素，反应器的脱氮性能在短时间内的波动后可恢复稳定并一直保持较高水平。

本发明采用“首次暴露——梯度恢复——再次暴露”的方法，逐步诱导系统中厌氧氨氧化菌螺旋霉素抗性基因丰度提升，螺旋霉素抗性增加，从而提高厌氧氨氧化颗粒污泥对高浓度螺旋霉素的耐受性。本发明培养的厌氧氨氧化污泥活性较高，脱氮性能稳定，并且能长期抵御废水中螺旋霉素的毒害。

步骤(1)中，所述的厌氧氨氧化反应器为接种厌氧氨氧化颗粒污泥的升流式厌氧污泥床反应器。

所述厌氧氨氧化反应器中，厌氧氨氧化颗粒污泥的体积占反应器有效体积的40～60％。

所述厌氧氨氧化颗粒污泥的浓度为15～17g VSS·L^-1。

步骤(1)中，作为优选，所述的亚硝氮和氨氮的质量浓度为200～300mg L^-1。

所述进水还含有KH₂PO₄、CaCl₂·2H₂O、MgSO₄·2H₂O、KHCO₃、微量元素浓缩液I和微量元素浓缩液II；

所述微量元素浓缩液I包括EDTA和FeSO₄·7H₂O；

所述微量元素浓缩液II包括EDTA、H₃BO₄、MnCl₂·4H₂O、CuSO₄·5H₂O、ZnSO₄·7H₂O、NiCl₂·6H₂O、NaMoO₄·2H₂O和CoCl₂·6H₂O。

所述进水中的上述物质可提供微生物生长必需的常量元素和微量元素。

所述进水的pH为7.4～7.7，水力停留时间为2～3h。

步骤(1)中，所述进水中的螺旋霉素浓度为2～10mg L^-1。实际废水中螺旋霉素浓度通常小于1mg L^-1，选用高浓度螺旋霉素进行驯化有利于得到耐受性更强的厌氧氨氧化颗粒污泥。但螺旋霉素浓度过高可能会超过厌氧氨氧化菌的耐受负荷，导致驯化失败。

所述厌氧氨氧化反应器的运行温度为30～36℃，运行条件为避光、恒温。

步骤(2)中，等比例降低进水中的氨氮和亚硝氮浓度至50～100mg L^-1。

步骤(2)中，所述的等比例梯度增加进水氨氮和亚硝氮浓度的终点为进水中氨氮和亚硝氮浓度不小于步骤(1)中的浓度。

作为优选，所述步骤(2)的具体步骤为：根据反应器出水情况停止投加螺旋霉素，等比例降低进水中的氨氮和亚硝氮浓度至步骤(1)中浓度的1/4，然后以等比例梯度增加进水氨氮和亚硝氮浓度的方式恢复进水中氨氮和亚硝氮浓度至步骤(1)中浓度，逐步恢复反应器的运行性能。

步骤(2)中，当某一阶段的脱氮率不低于88％时，进入下一阶段。

步骤(3)中，所述进水中的螺旋霉素浓度与步骤(1)相同。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：本发明操作简单，成本较低，通过“首次暴露——梯度恢复——再次暴露”的方式，逐步诱导螺旋霉素抗性基因的变化，从而提高厌氧氨氧化细菌对螺旋霉素压力的耐受性，所培养的颗粒污泥耐受性增强，且生物活性高、脱氮性能稳定。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

在有效容积为1L的升流式厌氧污泥床反应器中，接种入50％体积的厌氧氨氧化颗粒污泥，厌氧氨氧化颗粒污泥浓度为15.9g VSS·L^-1。反应器在35±1℃、进水pH为7.4～7.7、水力停留时间为2.25h的条件下连续运行。进水中氨氮与亚硝氮的浓度均为280mg·L^-1，分别由NaNO₂和(NH₄)₂SO₄提供。

进水具体组成包括：

其中，微量元素浓缩液I的具体组分包括：

EDTA 5g·L^-1；

FeSO₄·7H₂O 9.14g·L^-1。

微量元素浓缩液II的具体组分包括：

待NO₂ ^--N转化量/NH₄ ⁺-N消耗量的比值与NO₃ ^--N的生成量/NH₄ ⁺-N消耗量的比值接近厌氧氨氧化反应稳定时的理论值1.32和0.26时，表明已成功启动厌氧氨氧化反应。总氮去除率已达90.91％，厌氧氨氧化活性为191.23mg N g^-1VSS d^-1，总氮去除负荷达到5.03kgN·m^-3·d^-1。

此时进水中投加5mg·L^-1的螺旋霉素，并维持这一浓度。投加后反应器运行第20天，脱氮速率降至71.58％，总氮去除负荷降至3.26kg N·m^-3·d^-1。投加后46天，脱氮速率降至17.5％，比厌氧氨氧化活性降至47.19mg N·g^-1VSS·d^-1，总氮去除负荷降至1.49kgN·m^-3·d^-1。

停止投加螺旋霉素，并将进水中的氨氮与亚硝氮的浓度均降低至70mg·L^-1，根据出水情况以70mg·L^-1的梯度逐步提升进水基质浓度至进水浓度为280mg·L^-1。最初进水浓度为70mg·L^-1，反应器运行6天后，脱氮率为91.16％；此时提升进水浓度到140mg·L^-1，运行8天后，脱氮率为88.97％；进一步提升进水浓度到210mg·L^-1，运行10天至脱氮率到93.15％；最后将浓度升至280mg·L^-1，6天后，厌氧氨氧化活性恢复至189.60mg N·g^{- 1}VSS·d^-1，脱氮速率回升至91.41％，厌氧氨氧化活性及脱氮率均恢复至投加螺旋霉素前水平。经过30天的恢复，氮去除负荷恢复至4.94kg N·m^-3·d^-1，反应器的运行性能和功能微生物活性成功恢复至初始水平。

在进水中再次投加5mg·L^-1的螺旋霉素，并维持该浓度不变。投加第三天脱氮率降至58.66％，不改变进水组分，第五天反应器脱氮率恢复至76.67％，第七天达88.38％，逐步恢复至投加螺旋霉素前的水平，并最终稳定在94.54±3.50％。维持进水中螺旋霉素5mg·L^-1浓度不变，进水组分不变，连续长期运行，脱氮性能保持稳定不变，厌氧氨氧化活性恢复至较高水平且保持稳定，成功培养出耐受螺旋霉素长期暴露的厌氧氨氧化颗粒污泥。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，包括步骤：

(1)首次暴露：在厌氧氨氧化反应器进水中投加螺旋霉素，跟踪反应器出水变化；所述进水含有质量浓度比为1:0.9～1.1的亚硝氮和氨氮；所述的亚硝氮和氨氮的质量浓度为200～300mg L^-1；

(2)梯度恢复：根据反应器出水情况停止投加螺旋霉素，等比例降低进水中的氨氮和亚硝氮浓度至50～100mg L^-1，然后以等比例梯度增加进水氨氮和亚硝氮浓度的方式恢复反应器的运行性能；

(3)再次暴露：待反应器运行性能恢复后，再次投加螺旋霉素，反应器脱氮性能在波动后恢复稳定，完成耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养。

2.根据权利要求1所述的耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，其特征在于，所述的厌氧氨氧化反应器为接种厌氧氨氧化颗粒污泥的升流式厌氧污泥床反应器。

3.根据权利要求1或2所述的耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，其特征在于，所述厌氧氨氧化反应器中，厌氧氨氧化颗粒污泥的体积占反应器有效体积的40～60％；

厌氧氨氧化颗粒污泥的浓度为15～17g VSS·L^-1。

4.根据权利要求1所述的耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，其特征在于，所述进水还含有KH₂PO₄、CaCl₂·2H₂O、MgSO₄·2H₂O、KHCO₃、微量元素浓缩液I和微量元素浓缩液II；

所述微量元素浓缩液I包括EDTA和FeSO₄·7H₂O；

所述微量元素浓缩液II包括EDTA、H₃BO₄、MnCl₂·4H₂O、CuSO₄·5H₂O、ZnSO₄·7H₂O、NiCl₂·6H₂O、NaMoO₄·2H₂O和CoCl₂·6H₂O。

5.根据权利要求1所述的耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，其特征在于，所述进水的pH为7.4～7.7，水力停留时间为2～3h。

6.根据权利要求1所述的耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，其特征在于，步骤(1)中，所述进水中的螺旋霉素浓度为2～10mg L^-1。

7.根据权利要求1所述的耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为：根据反应器出水情况停止投加螺旋霉素，等比例降低进水中的氨氮和亚硝氮浓度至步骤(1)中浓度的1/4，然后以等比例梯度增加进水氨氮和亚硝氮浓度的方式恢复进水中氨氮和亚硝氮浓度至步骤(1)中浓度，逐步恢复反应器的运行性能。

8.根据权利要求1或6所述的耐受高浓度螺旋霉素的厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，其特征在于，步骤(3)中，所述进水中的螺旋霉素浓度与步骤(1)相同。