CN111204882A - 一种有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法 - Google Patents

一种有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，包括以下步骤：S1，在脱氮硫杆菌菌液中合成或加入有机质类化合物，构建脱氮硫杆菌‑有机质类化合物杂化体系；S2，将脱氮硫杆菌‑有机质类化合物杂化体系离心或过滤，取固体转接至无电子供体培养基中，加入牺牲试剂和含有硝酸盐的污水；在光照条件下进行脱氮反应。该方法工艺简单，成本低。

Description

一种有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法
技术领域
本发明涉及一种有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
近几十年来，随着工农业生产的发展，农村、城市的地下水都存在着不同程度的氮污染问题，农业化肥的过量使用和动物排泄物的处置不当，使世界许多地方地表水和地下水中硝酸盐氮的含量在不断升高，已经危及包气带土壤和地下水的质量安全，硝酸盐污染日趋严重。硝酸盐氮的去除是通常通过反硝化脱氮过程实现的，反硝化脱氮是指细菌将硝酸盐(NO3-)中的氮(N)通过一系列中间产物(NO3-、NO、N2O)还原为氮气(N2)的生物化学过程。其中NO3-、NO2-会降低水质，危害人体健康，NO是一种有毒气体，与空气反应生成腐蚀性NO2，N2O是是《京都议定书》规定的6种温室气体之一，其单分子增温潜势是二氧化碳的298倍。
传统的反硝化技术分为三类：物理化学法、化学法和生物法。常用的物理化学法主要有电渗析法、反渗透法、离子交换法等，虽然去除率高，但运行费用高，后续处理成本较高。化学反硝化法主要利用还原剂将硝酸盐氮还原，化学法去除硝酸盐速率快，但需要投加还原剂，成本较高，还会产生副产物。生物反硝化法是在缺氧状态下，以硝酸盐氮为末端电子受体，将硝酸盐氮还原为气态氮化物和氮气的过程，分为异养和自养反硝化技术。异养反硝化需要添加甲醇、乙醇、葡萄糖等有机物作为电子供体；自养反硝化则不需投加有机碳源，而是以氢气、还原性硫化物等无机物为电子供体。
水体中自养反硝化脱氮菌具有快速的自我修复及繁殖能力，特别是脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)，能够有效实现硝酸盐氮的选择性还原。在这个过程中，电子供体起到了重要的作用。目前常用的电子供体包括氢气、还原性硫化物。然而，氢气的水溶性低，费用高。还原性硫化物会被氧化成硫酸盐，造成水体硬度升高。因此，需要寻找一种合适的电子供体。有机质类化合物在分析化学、生物医学和生物传感器方面具有潜在的应用价值。但是经文献与专利检索，尚未有研究考虑将有机质类化合物光生电子作为Thiobacillus denitrificans菌电子来源，也未见其应用于水体脱氮的先例。
发明内容
本发明提供了一种有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，可以有效解决上述问题。
本发明是这样实现的：
一种有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，包括以下步骤：
S1，在脱氮硫杆菌菌液中合成或加入有机质类化合物，构建脱氮硫杆菌-有机质类化合物杂化体系；
S2，将脱氮硫杆菌-有机质类化合物杂化体系离心或过滤，取固体转接至无电子供体培养基中，加入牺牲试剂和含有硝酸盐的污水；在光照条件下进行脱氮反应。
作为进一步改进的，所述脱氮硫杆菌菌液的OD600nm值为0.1～0.3，或者脱氮硫杆菌菌液为生长对数期的菌液。
作为进一步改进的，所述有机质类化合物为蒽醌-2-磺酸钠(AQS)、蒽醌-2,6-二磺酸钠、蒽醌-2-羧酸中的至少一种。
作为进一步改进的，所述有机质类化合物在菌液中的终浓度为0.01～2mmol/L。
作为进一步改进的，所述牺牲试剂为乳酸钠、抗坏血酸或者乙醇中的至少一种。
作为进一步改进的，所述牺牲试剂的加入量为使其终浓度为0.1～1wt％。
作为进一步改进的，所述光照的光强为1～100mW/cm2，光照时的温度为25～40℃。
作为进一步改进的，所述光照的光源选自太阳光、LED灯或者氙灯中的至少一种。
作为进一步改进的，所述光照的光强为2～3mW/cm2。
作为进一步改进的，所述无电子供体培养基的配方为KH2PO4 1.8～2.2g/L，MgSO4·7H2O 0.08～0.12g/L，NaHCO3 0.08～0.12g/L，硫酸亚铁溶液0.48～0.52g/L，微量元素溶液SL-4 1.8～2.2mL/L，乳酸钠1～10mL/L，其余为水。
作为进一步改进的，所述脱氮硫杆菌菌液为脱氮硫杆菌在硫代硫酸钠培养基中培养的菌液，该培养基的pH值为6.5～7.5。
本发明的有益效果是：
本发明的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，能够以丰富廉价的光能作为驱动力激发有机质类化合物光生电子，然后Thiobacillus denitrificans菌利用光生电子能够选择性还原硝酸盐氮实现水体脱氮，显著降低了工艺成本。
本发明的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法克服了传统水体脱氮过程中存在的工艺复杂、能耗大、成本高等缺点，具有工艺简单、能耗低、环保经济的优点，系统的相对简单性使得它们更易于以模块化方式进行修改和改进，因此可进行大规模的推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为Thiobacillus denitrificans-AQS杂化体系水体脱氮性能。
图2为不同浓度AQS对Thiobacillus denitrificans-AQS杂化体系水体脱氮性能的影响。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中所述硫代硫酸钠培养基和无电子供体培养基的配方如表1所示。
表1培养基的组成
Figure BDA0002376861560000051
*每升微量元素溶液SL-4中含有0.4～0.6g EDTA，0.1～0.3g FeSO4·4H2O，100mL微量元素溶液SL-6，余量为水；
**每升微量元素溶液SL-6含有0.08～0.12g ZnSO4·7H2O，0.002～0.004gMnCl2·4H2O，0.2～0.4gH3BO3，0.1～0.3gCoCl2·6H2O，0.008～0.012gCuCl2·2H2O，0.01～0.03gNiCl2·6H2O，0.02～0.04gNa2MoO4·4H2O，余量为水。
***每升硫酸亚铁溶液含有2mgFeSO4·7H2O和2.7mLH2SO4。
实施例1
(1)将Thiobacillus denitrificans(购买于德国微生物菌种保藏中心(DSMZ),保藏编号为ATCC 25259)以1％的体积比接种至pH为7.0的Thiobacillus denitrificans硫代硫酸钠培养基中，调节培养基，30℃恒温培养；
(2)当步骤1中Thiobacillus denitrificans的OD600 nm值约为0.15时，将Thiobacillus denitrificans以5000r/min离心分离8min，取沉淀转接至无电子供体培养基中，Thiobacillus denitrificans的负载量为100％(即4.76*109菌数/ml，下同)，投加乳酸钠、蒽醌-2-磺酸钠、含硝酸盐的污水，使乳酸钠终浓度为1wt％，蒽醌-2-磺酸钠的终浓度0.5mmol/L，硝酸盐的终浓度为30mg/L，则成功构建Thiobacillus denitrificans-有机质类化合物杂化体系；
(3)在30℃恒温条件下，利用LED紫光灯(3.0mW/cm2)对步骤2的杂化体系进行光照实现水体脱氮。
为了分析水体脱氮菌Thiobacillus denitrificans、天然有机质类化合物蒽醌-2-磺酸钠及光源在水体脱氮的作用，还进行了对照组实验，包括：Thiobacillusdenitrificans+light组，即不加入AQS，其他操作均相同；Thiobacillus denitrificans+AQS+dark组，即将紫光灯光照替换成黑暗条件下处理，其他操作均相同；Thiobacillusdenitrificans(dead)+AQS+light组，即加入的Thiobacillus denitrificans为灭活菌体，其他操作均相同；Thiobacillus denitrificans+AQS without lactate，即不加入乳酸钠，其他操作均相同。结果显示，上述4组对照组实验未有硝酸盐下降，仅实验组中的体系能快速完全地去除硝酸盐，采用离子色谱仪(ICS 900,Dionex,Thermo Fisher,USA)检测到10h内30mg/L硝酸盐氮完全被还原(图1)，说明本发明Thiobacillus denitrificans-AQS杂化体系在光照的条件下有优越的水体脱氮性能。
图2不同有机质类化合物浓度对Thiobacillus denitrificans-AQS杂化体系水体脱氮性能的影响。
实施例2
(1)将Thiobacillus denitrificans(购买于德国微生物菌种保藏中心(DSMZ),保藏编号为DSM 12475)以1％的体积比接种至pH为7.0的Thiobacillus denitrificans硫代硫酸钠培养基中，调节培养基，30℃恒温培养；
(2)当步骤1中Thiobacillus denitrificans的OD600 nm值约为0.15时，将Thiobacillus denitrificans以5000r/min离心分离8min，取沉淀转接至无电子供体培养基中，Thiobacillus denitrificans的负载量为100％，投加抗坏血酸、蒽醌-2,6-二磺酸钠、含硝酸盐的污水，使抗坏血酸终浓度为1wt％，蒽醌-2,6-二磺酸钠的终浓度为0.1mmol/L,硝酸盐的终浓度为30mg/L，则成功构建Thiobacillus denitrificans-有机质类化合物杂化体系；
(3)在30℃恒温条件下，利用LED紫光灯(3.0mW/cm2)对步骤2的杂化体系进行光照实现水体脱氮。
检测方法同实施例1，结果显示，Thiobacillus denitrificans-蒽醌-2,6-二磺酸钠杂化体系能完全地去除硝酸盐，72h内30mg/L硝酸盐氮完全被还原。
实施例3
(1)将Thiobacillus denitrificans(购买于德国微生物菌种保藏中心(DSMZ),保藏编号为JCM3870)以1％的体积比接种至pH为7.0的Thiobacillus denitrificans硫代硫酸钠培养基中，调节培养基，30℃恒温培养；
(2)当步骤1中Thiobacillus denitrificans的OD600 nm值约为0.15时，将Thiobacillus denitrificans以5000r/min离心分离8min，取沉淀转接至无电子供体培养基中，Thiobacillus denitrificans的负载量为100％，投加乙醇、蒽醌-2-羧酸、含硝酸盐的污水，使乙醇终浓度分别为0.5wt％、蒽醌-2-羧酸的终浓度为2mmol/L,硝酸盐的终浓度为20mg/L，则成功构建Thiobacillus denitrificans-有机质类化合物杂化体系；
(3)在30℃恒温条件下，利用LED紫光灯(3.0mW/cm2)对步骤2的杂化体系进行光照实现水体脱氮。
检测方法同实施例1，结果显示，Thiobacillus denitrificans-蒽醌-2-羧酸杂化体系能完全地去除硝酸盐，72h内20mg/L硝酸盐氮被还原。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，在脱氮硫杆菌菌液中合成或加入有机质类化合物，构建脱氮硫杆菌-有机质类化合物杂化体系；
S2，将脱氮硫杆菌-有机质类化合物杂化体系离心或过滤，取固体转接至无电子供体培养基中，加入牺牲试剂和含有硝酸盐的污水；在光照条件下进行脱氮反应。
2.根据权利要求1所述的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，其特征在于：所述脱氮硫杆菌菌液的OD600 nm值为0.1～0.3，或者脱氮硫杆菌菌液为生长对数期的菌液。
3.根据权利要求1所述的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，其特征在于：所述有机质类化合物为蒽醌-2-磺酸钠、蒽醌-2,6-二磺酸钠、蒽醌-2-羧酸中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，其特征在于：所述有机质类化合物在菌液中的终浓度为0.01～2mmol/L。
5.根据权利要求1所述的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，其特征在于：所述牺牲试剂为乳酸钠、抗坏血酸或者乙醇中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，其特征在于：所述牺牲试剂的加入量为使其终浓度为0.1～1wt％。
7.根据权利要求1所述的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，其特征在于：所述光照的光强为1～100mW/cm2，光照时的温度为25～40℃。
8.根据权利要求1所述的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，其特征在于：所述光照的光源选自太阳光、LED灯或者氙灯中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，其特征在于：所述无电子供体培养基的配方为KH2PO4 1.8～2.2g/L，MgSO4·7H2O 0.08～0.12g/L，NaHCO3 0.08～0.12g/L，硫酸亚铁溶液0.48～0.52g/L，微量元素溶液SL-4 1.8～2.2mL/L，乳酸钠1～10mL/L，其余为水。
10.根据权利要求1所述的有机质类化合物驱动的水体脱氮的方法，其特征在于：所述脱氮硫杆菌菌液为脱氮硫杆菌在硫代硫酸钠培养基中培养的菌液。
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