CN113023901A - 一种耐盐微生物组的构建方法及在高盐废水治理领域的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐盐微生物组的构建方法及在高盐废水治理领域的应用，属于废水生物处理领域。本发明通过进水基质和运行参数诱导构建高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组，该技术方案的关键在于诱导驯化阶段采取低氮负荷、高碳氮比(≥20)和较长水力停留时间运行参数，富集阶段采取高氨氮负荷，高碳氮比(≥20)和短水力停留时间快速富集异养功能微生物。该方案启动时间短，10‑20天可启动成功，相比现有技术驯化速度明显提升，且该调控方案和技术同样适用于其他高盐环境样本构建异养高效微生物组。处理过程在好氧单一构筑物内完成，节省占地面积，操作运行条件简单稳定，易于工程化，在实际高盐废水碳氮磷去除中具有很大的应用潜力。

Description

一种耐盐微生物组的构建方法及在高盐废水治理领域的应用

技术领域

本发明属于含盐污水治理技术领域，具体涉及一种耐盐微生物组的构建方法、所述构建方法构建的耐盐微生物组，所述微生物组相应的菌剂及上述耐盐微生物组、菌剂在高盐废水领域的应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

淡水资源的短缺、海水的直接利用和工业废水的排放，造成了含盐废水排放量的迅速增加。一般来说，含盐质量分数高于1％的污水被认为是高盐污水，而利用海水所产生的高盐污水至少含盐质量分数为3％。我国含盐废水量在总废水量中的比重高达5％，并且以每年2％的速率增加。不同途径产生的高盐废水成分复杂且差异显著，例如屠宰场废水、海产加工废水、海水冲厕水等，除了含有高浓度的无机盐离子以外，也含有高浓度的碳氮磷等营养成分。高盐废水的直接排放会对水环境、土壤和生态系统造成破坏。

传统淡水生物处理系统难以有效处理高盐废水。在高盐度环境下，淡水微生物代谢酶活性受阻，生物增长缓慢，微生物多样性减少，造成高盐废水处理效率低下、生物脱氮除磷困难和亚硝酸盐积累等系列问题。一般来说，2％的无机盐离子对硝化菌和聚磷菌的具有强烈的抑制作用，导致废水中氮和磷无法有效去除。

目前，针对高盐废水的生物处理技术主要有两个切入点：

(1)对活性污泥进行梯度盐度驯化。其原理是先从低盐度的污水开始培养，活性污泥适应低盐度废水后，再逐步提高盐度，从而驯化活性污泥逐渐适应高盐度，强化其再高盐度条件下的生物处理活性。中国专利(CN102502955A)公开了一种适用于高盐污水的活性污泥培养方法，其通过间歇进水提高氯离子负荷，再通过持续进水提高水力负荷，从而得到能处理高盐废水的活性污泥。然而，其培养的活性污泥仅仅适用于氯离子浓度小于7000mg/L的废水，无法满足正常高盐废水的盐度范围。此外，科学界普遍认为利用活性污泥及其发展方法仍然难以突破2％的盐度瓶颈。

(2)筛选耐盐功能单菌。通常是在原生高盐环境中分离纯化的功能单菌，利用其具有的氮、磷利用或者污染物降解功能进行高盐废水处理。中国专利(CN109825454A)提供一株硝酸盐还原菌、培养方法及应用，其利用从海滨盐碱地水样中分离得到的一株硝酸还原菌，能够在8％盐度情况下保持活力。中国专利(CN102747014A)公开了一株具有异养硝化和好氧反硝化的能力的盐弧菌，在2％-10％的盐度和3.7-9的碳氮比条件下实现氨氮的去除。中国专利(CN105754902A)公开了一株高效除磷的希瓦氏菌，其在10％及以下的盐度废水中除磷效率能够达到99％。虽然单菌通常具有较好的处理性能，然而其功能较为单一，无法实现碳氮磷的同步去除，且其在实际废水中的环境适应性未知，实际应用中可能受到自然微生物的竞争和排挤。因此，利用耐盐/适盐功能菌种进行实际高盐废水处理仍存在局限。

(3)利用原生高盐环境中的微生物菌群诱导构建新型微生物组。其优势在于利用原生环境中的微生物群落的稳定性和互作关系，利用特定运行条件诱导构建适合实际废水处理的微生物组。中国专利(CN107739086A)公开了一种高盐度废水的脱氮方法，其利用海底沉积物或淤泥为接种污泥，经过接种启动，氨氮驯化，总氮驯化和高盐度废水处理4个步骤，经历54天启动成功，稳定运行期间总氮去除为90-95％。然而，其仍存在原生高盐环境中微生物富集驯化困难，启动运行时间长且操作步骤复杂，有机碳和磷去除未涉及等问题。

从实际应用角度考虑，快速基于海洋沉积物的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组是处理实际高盐废水中营养去除的可行方案。

发明内容

针对上述研究背景，本发明目的在于提供一种基于微生物组进行高盐废水治理的方法，具体的，本发明提供了一种更加高效的耐盐微生物组构建方法，

通过进水基质和运行参数诱导构建高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组，旨在解决现有技术在高盐条件下碳氮磷一体化去除困难、启动周期长且操作复杂等问题。本发明技术方案包括诱导驯化阶段及富集阶段，所述诱导驯化阶段采取低氮负荷、高碳氮比(≥20)和长水力停留时间运行参数，富集阶段采取高氨氮负荷，高碳氮比(≥20)和短水力停留时间快速富集异养功能微生物，且该调控方案和技术同样适用于其他高盐环境样本构建异养高效微生物组。本发明启动时间短，10-20天可启动成功，氨氮和总氮100％被同化为生物质氮，避免温室气体释放和氮损失，有机碳和总磷去除效率达到95％和85％。处理过程在好氧单一构筑物内完成，节省占地面积，操作运行条件简单稳定，易于工程化，在实际高盐废水碳氮磷去除中具有很大的应用潜力。

基于上述技术效果，本发明提供以下技术方案：

本发明第一方面，提供一种耐盐微生物组的构建方法，所述构建方法包括诱导驯化阶段及富集阶段；

所述诱导驯化阶段方法如下：将原生高盐环境区域的生物样本与培养液进行共培养，培养过程保持氧气供给，曝气速率控制在0.5～2L/min，所述培养液中碳氮比在20及以上；每个运行周期中，曝气、沉降和进水排水时间比为22～23.2：0.4～1：0.4～1，所述进水排水的体积交换比为75～85％，连续培养至该体系中出现絮状体，并且碳氮磷同步去除效率达到50％以上；

所述富集阶段培养方法如下：采用高盐废水培养所述驯化后的絮状体沉积物，所述配演过程中曝气速率为0.5～2L/min，每个运行周期中曝气时间为5～11：0.5：0.5，所述进水排水的体积交换比为45～55％。

上述技术方案中，本发明针对现有高盐废水中耐盐微生物组驯化方法主要对驯化样本的选择和具体驯化参数进行了优化。本发明效果较好的实施方式中，直接采用海洋沉积物作为驯化样本，由于海水本身的高盐特性，采用该方案进行驯化的成功概率更高。另外，本发明还针对微生物驯化的参数进行了调整，优化后的技术方案启动(驯化、富集)时间仅需要10-20天左右即可完成，并且驯化得到的微生物组可耐受盐的浓度范围较广。

本发明第二方面，提供第一方面所述耐盐微生物构建方法的耐盐微生物组。

本发明第三方面，提供一种菌剂，所述菌剂包括第二方面所述耐盐微生物和/或其培养物。

本发明第四方面，提供第二方面所述耐盐微生物组和/或第三方面所述菌剂在高盐废水治理领域的应用。

本发明第五方面，提供一种高盐废水治理方法，所述治理方法包括采用第一方面所述耐盐微生物组构建方法构建耐盐微生物组。

本发明所提供的一种基于海洋沉积物的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组快速构建方法同现有高盐废水生物处理工艺相比，具有下列优势：

(1)本发明无需复杂的筛选和分离耐盐/适盐功能微生物的步骤，直接以海洋沉积物为基础构建高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组，保持原生群落中微生物之间的互养、共生和共代谢等方式。

(2)本发明提供的方法只需要诱导驯化和富集两个步骤即可快速构建新型可实际应用的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组，运行步骤和参数简单，启动和优化周期大大缩短至10-20天，相较于其他专利54天的启动期缩短了60％以上。

(3)本发明提供的高效碳氮磷一体化去除过程中氨氮和总氮去除效率达到100％，总氮完全转化为生物有机氮，避免了温室气体氧化亚氮的产生和逸散。

(4)本发明提供的高效碳氮磷一体化去除方法对总磷的去除效率达到85％以上，解决了其它专利单一脱氮的难题。

(5)本发明提供的高效碳氮磷一体化去除技术在单一反应装置内进行，区别于传统硝化反硝化工艺在不同构筑物发生的情况，占地面积节省50％以上。

(6)本发明提供的高效碳氮磷一体化去除技术在单一好氧条件下运行，避免了好氧厌氧条件交替运行可能导致的系统稳定性差及不良中间产物累积。

(7)本发明提供的高效碳氮磷一体化去除耐盐去除技术具有较大的盐度适应范围，系统可耐受的盐度范围为1％～7％。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为一种基于海洋沉积物的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组快速构建方法处理装置示意图。

图1中：1原水桶；2抽水泵；3SBR反应器；4气体流量计；5液面控制器；6时间自动控制系统；7磁力搅拌器；8搅拌磁子；9曝气头；10加热控温装置；11出水管；12曝气泵；13电磁阀。

图2为本发明的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组的有机碳变化示意图。

图3为本发明的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组的氨氮变化示意图。

图4为本发明的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组的总氮变化示意图。

图5为本发明的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组的总磷变化示意图。

图6为本发明的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组的周期水质变化示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，针对现有技术中原生高盐环境中微生物富集驯化困难，启动运行时间长且操作步骤复杂等问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种耐盐微生物组的构建方法。

本发明第一方面，提供一种耐盐微生物组的构建方法，所述构建方法包括诱导驯化阶段及富集阶段；

所述诱导驯化阶段方法如下：将原生高盐环境区域的生物样本与培养液进行共培养，培养过程保持氧气供给，曝气速率控制在0.5～2L/min，所述培养液中碳氮比在20及以上；每个运行周期中，曝气、沉降和进水排水时间比为22～23.2：0.4～1：0.4～1，所述进水排水的体积交换比为75～85％，连续培养至该体系中出现絮状体，并且碳氮磷同步去除效率达到50％以上；

所述富集阶段培养方法如下：采用高盐废水培养所述驯化后的絮状体沉积物，所述配演过程中曝气速率为0.5～2L/min，每个运行周期中曝气时间为5～11：0.5：0.5，所述进水排水的体积交换比为45～55％。

上述技术方案中，所述目标治理区域的生物样品为取自待治理高盐废水区域中的样本或高盐样本中的生物样本等，所述生物样本中应当包括该区域中的微生物组群。

具体的，所述生物样本可以为高盐废水环境中的淤泥、沉积物和/或高盐废水领域的土壤样本等。

另外，所述高盐样本中的生物样本包括但不限于取自海洋、咸水湖、腌制品中包含微生物的样本等。

本发明提供的一种具体的实施方式中，所述生物样本为黄海海底表层沉积物，所述沉积物取自黄海海底表层≥10cm。

优选的，所述诱导驯化阶段的培养液中，所述氨氮浓度在20～50mg/L，总磷浓度在4～10mg/L，采用海水素调节盐度在3％～3.5％，所述pH为7.5～8.5，还包括通过乙酸钠模拟COD。

优选的，所述诱导驯化阶段的培养时间为5～10天。

优选的，所述富集阶段水力停留时间控制在12～24小时。

优选的，所述富集阶段培养时间为5-10天。

优选的，所述高盐废水中：乙酸钠配置的COD为2000～3000mg/L，氨氮100～150mg/L，总磷在20～30mg/L，海水素调节盐度在2％～7％，pH利用盐酸和氢氧化钠调节在7.5-8。

优选的，所述构建过程通过序批式反应器进行培养。

进一步的，本发明一个系列的实施方式中，还提供了一种适用于上述培养过程的序批式反应器。

所述序批式反应器中包括反应器主体、进水系统、曝气系统、混流系统、出水系统及控制系统；所述混流系统为磁力搅拌装置，设置于反应器主体下方，用于对反应器主体中的溶液进行搅拌；所述曝气系统包括曝气系统、曝气砂头和气体流量计；所述控制装置包括计数器及继电控制器，用于控制进水系统、出水系统、曝气系统及混流系统。

本发明第二方面，提供第一方面所述耐盐微生物构建方法的耐盐微生物组。

本发明第三方面，提供一种菌剂，所述菌剂包括第二方面所述耐盐微生物和/或其培养物。

本发明第四方面，提供第二方面所述耐盐微生物组和/或第三方面所述菌剂在高盐废水治理领域的应用。

本发明第五方面，提供一种高盐废水治理方法，所述治理方法包括采用第一方面所述耐盐微生物组构建方法构建耐盐微生物组。

优选的，所述高盐废水治理方法中，还包括向高盐废水中投加所述耐盐微生物组的步骤。

进一步的，所述投加的方式优选为投加上述耐盐微生物组的固定化产品；具体的实施方式中，所述固定化产品包括含有该耐盐微生物的污泥、或所述耐盐微生物与固定化载体耦合后的产品。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

采用如图1所示的一种基于海洋沉积物的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组快速构建方法，其特征在于其按如下步骤进行：

高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组快速构建方法诱导驯化阶段：微生物组诱导构建过程在一定体积的容器内进行，向容器内加入30mL取自黄海海底表层≥10cm的海洋沉积物和150mL培养液，培养液氨氮浓度在50mg/L，COD由乙酸钠配置浓度为1000mg/L，碳氮比为20，总磷浓度在10mg/L，由海水素配置盐度为3％，pH由盐酸和氢氧化钠调节为7.5。利用曝气泵和曝气砂头进行氧气供给，曝气速率由气体流量计控制在2L/min，运行周期设定为24小时，包括曝气23小时，沉降0.5小时，进水和排水共0.5小时，体积交换比为80％；控制水体温度在25±3℃；连续运行10天，至海洋沉积物呈现出絮体形状并达到50％以上的碳氮磷同步去除效率，进入高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组富集阶段。

将驯化成功的絮体沉积物转移到序批式反应器中，反应器污泥浓度控制在5g/L；采用模拟高盐高营养废水进行耐盐异养同步脱氮除磷微生物组富集。模拟高盐高营养废水的主要成分及浓度为乙酸钠配置的COD为2000mg/L，氨氮100mg/L，总磷在20mg/L，海水素调节盐度在3％，pH利用盐酸和氢氧化钠调整为7.5。模拟高盐高营养废水通过2抽水泵和5液面控制器完成；氧气由12曝气泵和4气体流量计提供，曝气强度调整为1L/min；设定运行周期为8小时，主要包括曝气时间控制在7小时，沉降30分钟，进水和排水共30分钟；运行期间由7电磁搅拌器和8搅拌磁子提供混流；排水由电磁阀6控制，体积交换比为50％，水力停留时间为16小时，温度在25±3℃；自动控制装置通过电子式计时器和电磁继电器控制反应周期不间断运行10天，实现高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组快速富集。

富集成功后，COD、总氮和磷酸盐的去除性能见图2。由图6可见，氨氮和总氮在5小时内被完全去除，磷酸盐在10小时去除效率为88％。

实施例2

采用如图1所示的一种基于海洋沉积物的高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组快速构建方法，其特征在于其按如下步骤进行：

高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组诱导驯化阶段：微生物组诱导构建过程在一定体积的容器内进行，向容器内加入30mL取自黄海海底表层≥10cm的海洋沉积物和150mL培养液，培养液氨氮浓度在50mg/L，COD由乙酸钠配置浓度为1500mg/L，碳氮比为30，总磷浓度在10mg/L，由海水素配置盐度为3％，pH由盐酸和氢氧化钠调节为7.5。利用曝气泵和曝气砂头进行氧气供给，曝气速率由气体流量计控制在2L/min，运行周期设定为24小时，包括曝气23小时，沉降0.5小时，进水和排水共0.5小时，体积交换比为80％；控制水体温度在25±3℃；连续运行7天，至海洋沉积物呈现出絮体形状并达到50％以上的碳氮磷同步去除效率，进入高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组富集阶段。

将驯化成功的絮体沉积物转移到序批式反应器中，反应器污泥浓度控制在5g/L；采用模拟高盐高营养废水进行耐盐异养同步脱氮除磷微生物组富集。模拟高盐高营养废水的主要成分及浓度为乙酸钠配置的COD为2000mg/L，氨氮100mg/L，总磷在20mg/L，海水素调节盐度在3％，pH利用盐酸和氢氧化钠调整为7.5。模拟高盐高营养废水通过2抽水泵和5液面控制器完成；氧气由12曝气泵和4气体流量计提供，曝气强度调整为1L/min；设定运行周期为8小时，主要包括曝气时间控制在7小时，沉降30分钟，进水和排水共30分钟；运行期间由7电磁搅拌器和8搅拌磁子提供混流；排水由电磁阀6控制，体积交换比为50％，水力停留时间为16小时，温度在25±3℃；自动控制装置通过电子式计时器和电磁继电器控制反应周期不间断运行10天，实现高效碳氮磷一体化去除耐盐微生物组的快速富集。

富集成功后，COD、总氮和磷酸盐的去除性能见图2。富集成功后，COD、总氮和磷酸盐的去除性能见图2。由图6可见，氨氮和总氮在3小时内被完全去除，磷酸盐在10小时去除效率为88％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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)

1.一种耐盐微生物组的构建方法，其特征在于，所述构建方法包括诱导驯化阶段及富集阶段；所述诱导驯化阶段方法如下：

将原生高盐环境区域的生物样本与培养液进行共培养，培养过程保持氧气供给，曝气速率控制在0.5～2L/min，所述培养液中碳氮比在20及以上；每个运行周期中，曝气、沉降和进水排水时间比为22～23.2：0.4～1：0.4～1，所述进水排水的体积交换比为75～85％，连续培养至该体系中出现絮状体，并且碳氮磷同步去除效率达到50％以上；

所述富集阶段培养方法如下：采用高盐废水培养所述驯化后的絮状体沉积物，所述配演过程中曝气速率为0.5～2L/min，每个运行周期中曝气时间为5～11：0.5：0.5，所述进水排水的体积交换比为45～55％。

2.如权利要求1所述耐盐微生物组的构建方法，其特征在于，所述目标治理区域的生物样品为取自待治理高盐废水区域中的样本或高盐样本中的生物样本等，所述生物样本中应当包括该区域中的微生物组群；

优选的，所述生物样本可以为高盐废水环境中的淤泥、沉积物和/或高盐废水领域的土壤样本；进一步的，所述高盐样本中的生物样本包括但不限于取自海洋、咸水湖、腌制品中包含微生物的样本；更进一步的，所述生物样本为黄海海底表层沉积物，所述沉积物取自黄海海底表层≥10cm。

3.如权利要求1所述耐盐微生物组的构建方法，其特征在于，所述诱导驯化阶段的培养液中，所述氨氮浓度在20～50mg/L，总磷浓度在2～10mg/L，采用海水素调节盐度在3％～3.5％，所述pH为7.5～8.5，还包括通过乙酸钠模拟COD。

4.如权利要求1所述耐盐微生物组的构建方法，其特征在于，所述诱导驯化阶段的培养时间为5～10天；

或，所述富集阶段水力停留时间控制在12～24小时；

或，所述富集阶段培养时间为5-10天。

5.如权利要求1所述耐盐微生物组的构建方法，其特征在于，所述高盐废水中：乙酸钠配置的COD为2000～3000mg/L，氨氮100～150mg/L，总磷在20～30mg/L，海水素调节盐度在2％～7％，pH利用盐酸和氢氧化钠调节在7.5-8。

6.如权利要求1所述耐盐微生物组的构建方法，其特征在于，所述构建过程通过序批式反应器进行培养；

优选的，还提供了一种适用于上述培养过程的序批式反应器；

所述序批式反应器中包括反应器主体、进水系统、曝气系统、混流系统、出水系统及控制系统；所述混流系统为磁力搅拌装置，设置于反应器主体下方，用于对反应器主体中的溶液进行搅拌；所述曝气系统包括曝气系统、曝气砂头和气体流量计；所述控制装置包括计数器及继电控制器，用于控制进水系统、出水系统、曝气系统及混流系统。

7.权利要求1-6任一项所述耐盐微生物组构建方法的耐盐微生物组。

8.一种菌剂，其特征在于，所述菌剂包括权利要求7所述耐盐微生物和/或其培养物。

9.权利要求7所述耐盐微生物组和/或权利要求8所述菌剂在高盐废水治理领域的应用。

10.一种高盐废水治理方法，其特征在于，所述治理方法包括采用权利要求1-6任一项所述耐盐微生物组构建方法构建耐盐微生物组；

优选的，所述高盐废水治理方法中，还包括向高盐废水中投加所述耐盐微生物组的步骤；

进一步的，所述投加的方式优选为投加上述耐盐微生物组的固定化产品；具体的实施方式中，所述固定化产品包括含有该耐盐微生物的污泥、或所述耐盐微生物与固定化载体耦合后的产品。

Images