CN112744924B

CN112744924B - 适用于同步硝化反硝化系统的脱氮微生物培养方法

Info

Publication number: CN112744924B
Application number: CN201911045701.6A
Authority: CN
Inventors: 高会杰; 陈明翔; 王刚; 孙丹凤
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: Sinopec Dalian Petrochemical Research Institute Co ltd; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: CN112744924A

Abstract

本发明公开了一种适用于同步硝化反硝化系统的脱氮微生物培养方法。该方法包括：（1）在曝气反应器内加入微生物初始培养液，在不接种微生物的情况下，确定培养体系DO浓度的上限值以及相应的曝气量；（2）接种硝化细菌和反硝化细菌；（3）脱氮微生物的培养分为有氧和缺氧两个阶段；其中通过DO浓度控制补料系统Ⅰ的启动和关闭以及补料系统Ⅱ的开启，通过ORP值控制补料系统Ⅱ的关闭以及曝气系统的开启，有氧和缺氧两个阶段交替进行，直至培养结束。本发明方法不但实现了硝化细菌和反硝化细菌的共同自动控制培养，而且菌体生长繁殖速度快，所获得的菌体活性高，应用过程中可以快速适应不良环境。

Description

适用于同步硝化反硝化系统的脱氮微生物培养方法

技术领域

本发明属于环境微生物领域，具体地说涉及一种适用于同步硝化反硝化系统的脱氮微生物培养方法。

背景技术

脱氮微生物包括硝化细菌和反硝化细菌两类。其中硝化细菌以氧为电子受体首先将氨氮转化为硝态氮，然后反硝化菌以有机物为电子供体再将硝态氮还原为氮气。通常情况下硝化细菌和反硝化细菌需要在不同的溶解氧条件下发挥作用，其中缺氧或者厌氧条件会抑制硝化细菌的硝化作用，有氧条件会抑制反硝化细菌的进一步脱氮，因此无论是采用厌氧好氧（AO）活性污泥工艺还是序列间歇式（SBR）活性污泥工艺运行的污水处理场，氨氮和总氮的去除效果并不理想。

同步硝化反硝化（SND）脱氮可以在同一反应器中同时进行硝化脱氨氮和反硝化脱总氮，这一新型生物脱氮工艺能有效地保持反应器中pH稳定，减少或取消碱度的投加；减少传统反应器的容积、节省基建费用；仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲，SND能够降低实现硝化反硝化所需的时间；节省曝气量、进一步降低能耗。这一工艺符合目前大力提倡的节能减排要求，成为污水处理领域的研究热点。

随着同步硝化反硝化工艺的深入研究，具有好氧反硝化特性的异养硝化细菌的发现从理论上进一步增加了污水硝化与反硝化在一个单元内同步进行的可能性，但如何使同步硝化反硝化系统的脱氮微生物能够稳定高效，还需要深入研究和探讨。

CN201510802694.5公开了一种功能强化脱氮微生物的富集培养方法，虽然能够同时收获硝化细菌和反硝化菌，但是这两类微生物是在不同的反应器内进行培养。

CN201310296747.1公开了一种耐低温异养同步硝化反硝化菌剂的富集及其污水缺氧脱氮应用，虽然实现了好氧硝化异养反硝化细菌在低温条件下活性的维持和稳定，在缺氧条件下具有很高的总氮去除率，但是所富集的菌剂中主要是异养硝化菌，使其应用受限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种适用于同步硝化反硝化系统的脱氮微生物培养方法。本发明方法不但实现了硝化细菌和反硝化细菌的共同自动控制培养，而且菌体生长繁殖速度快，所获得的菌体活性高，应用过程中可以快速适应不良的环境，解决了实际应用过程中经常受抑制，硝化和反硝化效率低的难题。

本发明提供了一种适用于同步硝化反硝化系统的脱氮微生物培养方法，包括：

（1）在曝气反应器内加入微生物初始培养液，在不接种微生物的情况下调整曝气量进行曝气，直到DO浓度不再增加，由此确定培养体系DO浓度的上限值DOmax以及相应的曝气量Q；

（2）接种富含硝化细菌和反硝化细菌的活性污泥；

（3）脱氮微生物的培养分为有氧和缺氧两个阶段交替进行；

（i）在有氧阶段，当培养体系内溶解氧浓度上升到50%-70%DOmax，启动补料系统Ⅰ，补料系统Ⅰ启动后，当DO浓度下降20-40个百分点时停止补料系统Ⅰ，直到DO浓度达到最低值记为DOtop；

（ii）在缺氧阶段，当DO浓度比DOtop高出3个以上百分点（优选为3-5个百分点）时，关闭曝气系统转入缺氧阶段，此时启动补料系统Ⅱ，并记下启动补料系统Ⅱ时的ORP（氧化还原电位）值为ORP0，与ORP0相比ORP值下降50-200mV时，停止补料系统Ⅱ；当ORP值上升至ORP0时，重新启动曝气系统，使DO浓度上升，转入有氧阶段；

上述步骤（i）和（ii）如此循环，直至培养结束。

本发明方法中，所述补料系统Ⅰ补加的培养液为本领域所公知的用于培养硝化微生物的无机营养物质，主要成分为氨氮，氨氮浓度为2000-8000mg/L。提供氨氮的物质可以为无机铵盐，比如硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵等中的至少一种。

本发明方法中，所述补料系统Ⅱ补加的培养液为本领域所公知的适合反硝化微生物的有机营养物质，以COD计的浓度为4000-10000mg/L。有机营养物质可以是乙酸、乙酸钠、葡萄糖、甲醇、柠檬酸等中至少一种。

本发明步骤（1）中，所述的DOmax是通过调整曝气量来确定的，其浓度一般为6-9mg/L。所述初始培养液的组成包括氮氨以及微量元素，其中提供氮氨的物质可以是硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵等中的至少一种。氮氨浓度不大于300 mg/L，微量元素可以包括含有K⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Ca²⁺、HPO₄ ^2-和 H₂PO₄ ^-等中的至少一种，总离子浓度为0.3-10g/L。

本发明步骤（2）中，接种硝化细菌和反硝化细菌，可以采用常规方法进行，比如按照MLSS为500-1500mg/L接种富含硝化细菌和反硝化细菌的活性污泥或者按照初始培养液体积的1%-5%接种脱氮微生物。

本发明步骤（2）中，富含硝化细菌和反硝化细菌的活性污泥可来源于本领域富含脱氮微生物的活性污泥，还可以是本领域公知的富含硝化细菌和反硝化细菌的脱氮微生物，如可以采用CN201510802694.5富集培养得到的功能强化脱氮微生物。

本发明步骤（3）中，在有氧阶段均采用不变的曝气量Q。

本发明步骤（3）中，在培养过程中有氧阶段需要保证DO浓度不低于5% DOmax，可以通过常规方法进行调整，比如采用搅拌系统调控。

本发明步骤（3）中，所述微生物的培养条件为：pH值为5-9，温度为20-38℃。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明方法，发明人研究发现，同一个体系内，在有氧阶段，在维持通气量不变的情况下，通过在一定的DO浓度范围内、依靠DO浓度控制补料时机，在缺氧阶段，通过ORP值控制补料时机，这样可以同时进行两类微生物的富集培养，实现了生物对不同溶解氧条件和不同底物的适应和驯化，所获得的菌体活性高，繁殖速度快。本发明方法所培养的脱氮微生物直接应用于同步硝化反硝化系统，可以实现快速启动和冲击后的快速修复，效果非常突出。

2、本发明方法可以实现自动控制培养脱氮微生物，适于工业上大规模应用。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明方法和效果作进一步详细说明。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明中，以培养体系内溶解氧浓度的上限值记为DOmax（即初始培养液中的饱和溶解氧浓度），各溶解氧浓度均以相对于DOmax的相对值计，升高或降低的百分点是指某一DO浓度相对于DOmax的浓度与另一DO浓度相对于DOmax浓度之间相差的百分点数。比如，启动补料系统Ⅰ时，控制的溶解氧的浓度为60%DOmax，而停止补料系统Ⅰ时，控制体系的溶解氧的浓度为30%DOmax，此时DO浓度下降30个百分点。再比如，停止补料系统Ⅰ后，直到溶解氧浓度达到最低值记为DOtop，比如当DOtop为5%DOmax时，DO浓度比DOtop升高3个百分点（即为8%DOmax）时，启动补料系统Ⅱ。

本发明中，溶解氧采用WTW-300i溶解氧在线仪测得，pH值采用Hanna在线测定仪测得，ORP采用哈希的在线分析仪测得。

以下实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为本领域常规方法。下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均可从生化试剂商店购买得到。

本发明实施例和比较例中，COD浓度采用GB11914-89《水质-化学需氧量的测定-重铬酸盐法》测定；氨氮浓度采用GB7478-87《水质-铵的测定-蒸馏和滴定法》测定；总氮浓度采用GB11894-89《水质-总氮的测定-紫外分光光度法》测定。总氮去除速率是指单位时间单位体积内能够去除的总氮量，总氮去除速率=（进水总氮浓度-出水总氮浓度）/培养时间。

实施例1 脱氮微生物培养

在100L的曝气反应器内进行脱氮微生物的培养。该反应器同时安装搅拌、pH、ORP和补料自控系统I和II。培养过程中温度设定在28℃，pH设置在7.7-8.1。

（1）首先在曝气反应器内加入50L脱氮微生物初始培养液，在不接种微生物的情况下打开曝气系统并调整曝气量进行曝气，直到DO浓度不再增加，由此确定培养所需DO浓度的上限值DOmax为7.1mg/L，并在整个有氧阶段培养过程中维持该通气量不变。其中微生物培养基的组成及含量为硫酸铵45g、硫酸亚铁1.5g、氯化钙0.5g、七水合硫酸镁7g、磷酸二氢钾7g。

（2）按照初始培养液体积的2%接种按照CN201510802694.5的实施例1方法富集培养得到的功能强化脱氮微生物。

（3）脱氮微生物的培养

（i）在有氧阶段，当DO浓度上升到60%DOmax时启动补料系统I补加基质氨氮（氨氮浓度为5000 mg/L）；随着基质的补加系统内溶解氧浓度又开始呈现下降趋势，当DO降至35%DOmax则停止补料系统I，直到DO浓度达到最低值即DOtop为7%DOmax；

（ii）在缺氧阶段，当DO浓度达到10%DOmax时，关闭曝气系统转入缺氧阶段，此时启动补料系统Ⅱ，补加有机物甲醇，以COD计的浓度为8000mg/L，并记下启动补料系统Ⅱ时的ORP值即ORP0为50mV，当ORP值下降100mv时，停止补料系统Ⅱ；当ORP值上升至ORP0时，重新启动曝气系统，使DO浓度上升，转入有氧阶段；

上述步骤（i）和（ii），如此循环，直至培养体系达反应器总体积的80%时，关掉自动补料系统，待培养液中基质耗尽，结束本批次的培养，沉降后排出上清液，收获菌体A。

所收获的菌体总氮去除速率由接种时的3mg/(L·h)提高到39mg/(L·h)。

实施例2脱氮微生物培养

在100L的曝气反应器内进行脱氮微生物的培养。该反应器同时安装搅拌、pH、ORP和补料自控系统I和II。培养过程中温度设定在30℃，pH设置在7.9-8.2。

（1）首先在曝气反应器内加入50L脱氮微生物初始培养液，在不接种微生物的情况下打开曝气系统并调整曝气量进行曝气，直到DO浓度不再增加，由此确定培养所需DO浓度的上限值DOmax为7.1mg/L，并在整个有氧阶段培养过程中维持该通气量不变。其中微生物培养基的组成及含量为硫酸铵50g、硫酸亚铁1.5g、氯化钙0.5g、七水合硫酸镁7g、磷酸二氢钾7g。

（2）按照初始培养液体积的3%接种按照CN201510802694.5的实施例1方法富集培养得到的功能强化脱氮微生物。

（3）脱氮微生物的培养

（i）在有氧阶段，当DO浓度上升到50%DOmax时启动补料系统I补加基质氨氮（氨氮浓度为2000 mg/L）；随着基质的补加系统内溶解氧浓度又开始呈现下降趋势，当DO降至25%DOmax则停止补料系统I，直到DO浓度达到最低值即DOtop为6%DOmax；

（ii）在缺氧阶段，当DO浓度达到10%DOmax时，关闭曝气系统转入缺氧阶段，此时启动补料系统Ⅱ，补加有机物乙酸钠，以COD计的浓度为5000mg/L，并记下启动补料系统Ⅱ时的ORP值即ORP0为60mV，当ORP值下降120mv时，停止补料系统Ⅱ；当ORP值上升至ORP0时，重新启动曝气系统，使DO浓度上升，转入有氧阶段；

上述步骤（i）和（ii），如此循环，直至培养体系达反应器总体积的85%时，关掉自动补料系统，待培养液中基质耗尽，结束本批次的培养，沉降后排出上清液，收获菌体B。

所收获的菌体总氮去除速率由接种时的3.5mg/(L·h)提高到38mg/(L·h)。

实施例3脱氮微生物培养

在100L的曝气反应器内进行脱氮微生物的培养。该反应器同时安装搅拌、pH、ORP和补料自控系统I和II。培养过程中温度设定在32℃，pH设置在7.7-8.1。

（2）按照初始培养液体积的5%接种按照CN201510802694.5的实施例1方法富集培养得到的功能强化脱氮微生物。

（3）脱氮微生物的培养

（i）在有氧阶段，当DO浓度上升到70%DOmax时启动补料系统I补加基质氨氮（氨氮浓度为7000 mg/L）；随着基质的补加系统内溶解氧浓度又开始呈现下降趋势，当DO降至35%DOmax则停止补料系统I，直到DO浓度达到最低值即DOtop为5%DOmax；

（ii）在缺氧阶段，当DO浓度达到9%DOmax时，关闭曝气系统转入缺氧阶段，此时启动补料系统Ⅱ，补加有机物甲醇，以COD计的浓度为8000mg/L，并记下启动补料系统Ⅱ时的ORP值即ORP0为70mV，当ORP值下降140mv时，停止补料系统Ⅱ；当ORP值上升至ORP0时，重新启动曝气系统，使DO浓度上升，转入有氧阶段；

上述步骤（i）和（ii），如此循环，直至培养体系达反应器总体积的80%时，关掉自动补料系统，待培养液中基质耗尽，结束本批次的培养，沉降后排出上清液，收获菌体C。

所收获的菌体总氮去除速率由接种时的4mg/(L·h)提高到39mg/(L·h)。

比较例1

同实施例1，不同在于：步骤（3）脱氮微生物培养过程中，在有氧阶段和缺氧阶段，均采用等量的基质流加补料方式。所收获的菌体氨氮只有40 mg/(L·h) ，总氮去除速率只有20mg/(L·h)。

比较例2

同实施例1，不同在于：步骤（3）脱氮微生物培养过程中，在有氧阶段采用等量的基质流加补料方式。所收获的菌体氨氮去除速率只有42mg/(L·h) ，总氮去除速率只有25mg/(L·h)。

比较例3

同实施例3，不同在于：步骤（3）脱氮微生物培养过程中，在缺氧阶段采用等量的基质流加补料方式。所收获的菌体氨氮去除速率只有58mg/(L·h) ，总氮去除速率只有22mg/(L·h)。

实施例4 脱氮微生物活性比较

分别采用本发明实施例1的菌体A和按照CN201510802694.5的实施例1方法培养相同天数获得的菌体，使用相同的菌体浓度，处理氨氮浓度为500mg/L、COD浓度为800mg/L的废水。相同的时间处理后，本发明实施例1的菌体A出水氨氮浓度8.6mg/L、总氮浓度23.6mg/L、COD浓度低于50mg/L，采用CN201510802694.5的实施例1培养的菌体处理后的出水氨氮浓度为24.5mg/L、总氮浓度为45.4mg/L、COD浓度为56mg/L。由此可见，采用本发明所收获的菌体，脱氮活性明显提高。

实施例5脱氮微生物的应用

取四个能够实现同步硝化反硝化脱氮的反应器命名为Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号、Ⅳ号、V号，按照浓度MLSS为1500mg/L分别接种按照CN201510802694.5的实施例1方法培养的菌体和本发明实施例1-3和比较例1的菌体，在溶解氧浓度为1.5mg/L条件下处理某企业含有氨氮浓度为100mg/L的废水，三个反应器分别经过30天、18天、19天、19天和25天实现了反应器同时硝化反硝化的成功启动，出水总氮浓度小于30mg/L。由此可见本发明所获得的脱氮微生物能够实现系统的快速启动。

Claims

1.一种适用于同步硝化反硝化系统的脱氮微生物培养方法，包括：

（2）接种硝化细菌和反硝化细菌；

（3）脱氮微生物的培养分为有氧和缺氧两个阶段交替进行；

（ii）在缺氧阶段，当DO浓度比DOtop高出3-5百分点时，关闭曝气系统转入缺氧阶段，此时启动补料系统Ⅱ，并记下启动补料系统Ⅱ时的ORP值为ORP0，与ORP0相比ORP值下降50-200mv时，停止补料系统Ⅱ；当ORP值上升至ORP0时，重新启动曝气系统，使DO浓度上升，转入有氧阶段；

上述步骤（i）和（ii）如此循环，直至培养结束；

步骤（3）中，在有氧阶段均采用不变的曝气量Q；

步骤（3）中，在有氧阶段，控制DO浓度不低于5% Domax；

所述补料系统Ⅰ补加的培养液为用于培养硝化微生物的无机营养物质，主要成分为氨氮，氨氮浓度为2000-8000mg/L；

所述补料系统Ⅱ补加的培养液为适合反硝化微生物生长的有机营养物质，以COD计的浓度为4000-10000mg/L。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，有机营养物质是乙酸、乙酸钠、葡萄糖、甲醇、柠檬酸中至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的DOmax是通过调整曝气量来确定的，其浓度为6-9mg/L。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述初始培养液的组成包括氮氨以及微量元素，氮氨浓度不大于300 mg/L，微量元素的离子总浓度为0.3-10g/L。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，提供氨氮的物质为无机铵盐，选自硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，按照MLSS为500-1500mg/L接种富含硝化细菌和反硝化细菌的活性污泥或者按照初始培养液体积的1%-5%接种脱氮微生物。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述脱氮微生物的培养条件为：pH值为5-9，温度为20-38℃。