CN113104992B - 用于处理n,n-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养方法 - Google Patents

用于处理n,n-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于处理N,N‑二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养方法，包括以下步骤：将厌氧启动泥、污泥和N,N‑二甲基甲酰胺混合，所得混合物料进行厌氧培养，得到厌氧接种泥。本发明中，通过厌氧培养培养得到的厌氧接种泥中与N,N‑二甲基甲酰胺降解相关的菌群丰度高、对N,N‑二甲基甲酰胺的降解能力强，能够快速、彻底地实现对废水中N,N‑二甲基甲酰胺的去除，有着很高的使用价值，同时，本发明培养方法，具有工艺简单、培养时间短、无需添加营养药剂、成本低廉等优点，有着很高的使用价值和很好的应用前景。

Description

用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养方法
技术领域
本发明属于有机废水处理领域，涉及一种用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养方法。
背景技术
N,N-二甲基甲酰胺(DMF)被广泛用于药物、电子、生物及纺织工业中，由于在工业中DMF仅作为溶剂，不发生化学反应，在生产流程中没有被损耗，因而全部进入废水之中，故大量含有DMF的工业废水亟需被处理。DMF分子结构中酰胺基团，由于邻位上的甲基取代物的限位作用，导致DMF分子结构较稳定。DMF在水土环境中能够存留较长时间，对环境具有较大的潜在威胁，因而寻求有效的方法来处理含DMF的工业废水正成为行业关注的重点问题。
目前，国内外处理含DMF废水的主要方法有物化法(吸附、萃取)、化学法(催化氧化、超临界水氧化、碱性水解)，这些物理化学方法均存在有处理成本较高，技术设备复杂等问题，难以适用处理含有DMF的工业废水。生物法具有处理能力强，处理成本低的优点，成为处理DMF废水的可行途径。在诸多针对DMF生化处理研究中，主要是采用好氧处理方法，但鲜有对DMF废水进行厌氧处理的研究。另外，在应用上流式厌氧污泥床工艺处理DMF废水时，存在系统启动困难，降解效果较差等问题，其原因在于DMF废水可供细菌维持生命活动的物质较少，厌氧条件下降解菌群难以扩增，因而采用厌氧工艺处理DMF废水时，关键在于在系统中富集高效厌氧降解DMF菌种。因此，获得一种与N,N-二甲基甲酰胺降解相关的菌群丰度高、对N,N-二甲基甲酰胺的降解能力强的厌氧接种泥对于利用厌氧工艺处理DMF废水具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、培养时间短、成本低廉的用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养方法，且该培养方法培养得到的厌氧接种泥中与N,N-二甲基甲酰胺降解相关的菌群丰度高、对N,N-二甲基甲酰胺的降解能力强。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养方法，包括以下步骤：
S1、将厌氧启动泥、污泥和N,N-二甲基甲酰胺混合，得到混合物料；
S2、将步骤S1中得到的混合物料进行厌氧培养，得到用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥。
上述的培养方法，进一步改进的，步骤S1中，所述混合物料中N,N-二甲基甲酰胺的初始浓度为100mg/L～10000mg/L。
上述的培养方法，进一步改进的，步骤S1中，所述混合物料中含固率为10000mg/L～30000mg/L。
上述的培养方法，进一步改进的，步骤S1中，所述厌氧启动泥的接种量为污泥体积的5％～50％。
上述的培养方法，进一步改进的，所述污泥为活性污泥、剩余污泥、由污水处理流程各个单元的混合液经静置后形成的沉淀物中的至少一种；所述混合液为A/A/O工艺中各单元的混合液、A/O工艺中的各单元混合液或氧化沟工艺各单元的混合液；所述污泥中含固率为2000mg/L～30000mg/L。
上述的培养方法，进一步改进的，所述厌氧启动泥中含有用于降解N,N-二甲基甲酰胺的厌氧菌和/或兼性厌氧菌；所述厌氧启动泥为用于降解N,N-二甲基甲酰胺的厌氧反应器中的厌氧污泥或自然水体中的沉积物。
上述的培养方法，进一步改进的，步骤S2中，所述厌氧培养过程中还包括往混合物料中通入氮气，去除混合物料中的氧气；所述氮气的通入量为混合物料体积的两倍以上。
上述的培养方法，进一步改进的，步骤S2中，所述厌氧培养过程中控制培养体系的温度为30℃～37℃；所述厌氧培养过程中控制搅拌的转速为10rpm～180rpm；所述厌氧培养的时间为8天～28天。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养方法，以厌氧消化系统中的厌氧污泥为厌氧启动泥，与污泥和N,N-二甲基甲酰胺混合后形成混合物料，进而通过厌氧培养在厌氧启动泥、污泥和N,N-二甲基甲酰胺的混合物料中培养出降解N,N-二甲基甲酰胺的菌群，即为本发明用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥。本发明中，在厌氧系统中加入污泥、N,N-二甲基甲酰胺，在中温条件下，通过污泥有机质与N,N-二甲基甲酰胺的共厌氧消化作用，N,N-二甲基甲酰胺逐渐被功能微生物降解，在这个过程中N,N-二甲基甲酰胺降解功能菌丰度也得到增加，液相中DMF含量降至0后，即得到厌氧接种泥。本发明中，通过厌氧培养得到的厌氧接种泥中与N,N-二甲基甲酰胺降解相关的菌群丰度高、对N,N-二甲基甲酰胺的降解能力强，能够快速、彻底地实现对废水中N,N-二甲基甲酰胺的去除，具有很高的使用价值，同时，本发明培养方法，具有工艺简单、培养时间短、无需添加营养液、成本低廉等优点，有着很高的使用价值和很好的应用前景。
(2)本发明中，通过优化混合物料中N,N-二甲基甲酰胺的初始浓度为100mg/L～10000mg/L，能够更有利于快速有效的培养出富集程度高的用于降解N,N-二甲基甲酰胺的厌氧降解菌，这是因为N,N-二甲基甲酰胺的初始浓度较低(如低于100mg/L)时，会使得培养过程中N,N-二甲基甲酰胺降解菌的富集程度较低；而N,N-二甲基甲酰胺的初始浓度较高(如高于10000mg/L)时，会因为N,N-二甲基甲酰胺的初始浓度过高，使得培养周期拉长，培养效率低，并且N,N-二甲基甲酰胺的降解过程中会产生大量氨氮，而厌氧体系中氨氮值过高将影响体系的运行，不利于厌氧接种泥的后续利用。
(3)本发明中，通过优化混合物料中含固率为10000mg/L～30000mg/L，能够更有利于快速有效的培养出富集程度高的用于降解N,N-二甲基甲酰胺的厌氧降解菌，这是因为混合物料中含固率过低(如低于10000mg/L)时，体系内有机质含量越低，体系内菌群竞争激烈，不利于DMF降解菌群的富集；而混合物料中含固率过高(如高于30000mg/L)时，会因为密度过大，不利于后续厌氧培养过程中物料的搅拌均匀，因而不利于培养富集程度高的用于降解N,N-二甲基甲酰胺的厌氧降解菌，或搅拌功率大幅提高，培养成本更高。
(4)本发明中，通过厌氧启动泥和污泥的体积比为5％～50％∶1，有利于快速启动厌氧体系的厌氧培养，且更有利于优势菌落的生长，从而能够更有利于快速有效的培养出富集程度高的用于降解N,N-二甲基甲酰胺的厌氧降解菌，这是因为厌氧启动泥用量过大(如体积比大于0.5)时，污泥中可能厌氧微生物利用的有机质相对较少，不利于优势菌群的生长；而厌氧启动泥用量过小(如体积比大于0.05)时，启动用的厌氧微生物菌种相对较少，厌氧体系不容易启动，或需要更长的时间才能产相同量的沼气。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养过程中液相中DMF含量与培养时间的关系图。
图2为本发明实施例1中用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养过程中沼气产量与培养时间的关系图。
图3为本发明实施例1中培养得到的厌氧接种泥中属水平上细菌群落分布图。
图4为本发明实施例1中培养得到的厌氧接种泥中属水平上古菌群落分布图。
图5为本发明实施例2中采用厌氧接种泥降解N,N-二甲基甲酰胺废水时降解效果和沼气产量与处理时间的关系图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1
一种用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养方法，包括以下步骤：
S1、将37.5mL厌氧启动泥(来自连续式厌氧反应器中的厌氧污泥)和150mL、含固率(TS)为18000mg/L的剩余污泥加入到250mL的钳口反应瓶中，混合均匀，得到混合物I。
S2、取0.235mL、0.468mL、0.936mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF，分析纯)分别加入到步骤S1中得到的装有混合物I的钳口反应瓶，使得各体系内DMF的初始浓度依次为1181mg/L、2362mg/L、4725mg/L，含固率均为18720mg/L，得到不同DMF初始浓度、不同含固率的混合物料。
S3、按照氮气的通入量为混合物料体积的两倍，往步骤S2中得到的混合物料中通入氮气，驱逐混合物料中的氧气，然后将装有不同混合物料的钳口反应瓶放入到空气培养箱中，控制温度在35±1℃、振荡转速在180rpm进行厌氧培养，直至N,N-二甲基甲酰胺的浓度降为0，得到用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥，该厌氧接种中含固率为16800mg/L。
本实施例中，在厌氧培养过程中，定时检测钳口反应瓶中的沼气产量，并取样分析液相中DMF的含量，结果如图1和2所示。
图1为本发明实施例1中用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养过程中液相中DMF含量与培养时间的关系图。如图1所示，对于DMF的初始浓度依次为1181mg/L、2362mg/L、4725mg/L的混合物料，培养进行到10天、14天、16天时，液相中的DMF均已去除完毕。
图2为本发明实施例1中用于处理N,N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养过程中沼气产量与培养时间的关系图。如图2所示，对于DMF的初始浓度依次为1181mg/L、2362mg/L、4725mg/L的混合物料，培养进行到10天、14天、16天时，沼气产量基本达到平衡。另外，由图1和图2可知，与液相中DMF含量的变化趋势与沼气产量的变化趋势基本一致，说明本发明的厌氧培养过程中体系中的DFM已被降解，进而也说明本发明中得到的厌氧接种泥具备了降解DMF的能力。
取体系内DMF的初始浓度为2362mg/L时培养得到的厌氧接种泥进行16s RNA多样性分析。为了更清晰的得出厌氧接种泥中的种群分布，分别采用对应引物对群落中的细菌和古菌进行扩增分析，如图3和图4所示。
图3为本发明实施例1中培养得到的厌氧接种泥中属水平上细菌群落分布图。由图3可知，厌氧接种泥中细菌门水平上，Dojkabacteria,Mycobacterium,Romboutsia,OPB41,JG30-KF-CM45,Bacteroidetes_vadinHA17等菌群在厌氧接种泥中丰度较高，一方面可能是部分细菌利用污泥中有机质用于自身种群丰度的增加，同时将蛋白质、糖类转化成脂肪酸和短链脂肪酸。另一方面这些菌群能分泌特定的DMF分解酶分解DMF。其中被证实是可以分解DMF的细菌Mycobacterium属，这种菌被广泛报道具有将DMF分解成甲酸和二甲胺的能力。其中OPB41种群数量也增加较快，说明其可能通过氧化磷酸盐为DMF分解过程提供电子。
图4为本发明实施例1中培养得到的厌氧接种泥中属水平上古菌群落分布图。由图4可知，厌氧接种泥中古菌门水平上，Methanomethylovorans属占比达到了80.65％，在丰度水平上占据了优势，该菌种被广泛证实可以以甲基胺为原料，通过歧化作用转化为甲烷、二氧化碳和氨氮。同时Methanobacteriaceae属也被报道利用甲酸、氢气、二氧化碳在-330mV以下的还原环境中，进行产甲烷活动。
由图3和图4可知，通过微生物群落分析，经过驯化后的厌氧接种泥中与N,N-二甲基甲酰胺降解相关的菌群丰度高，含有大量用于降解N,N-二甲基甲酰胺的菌落，因而从微生物角度被证明本发明培养得到的厌氧接种泥具有高效DMF降解能力。同时，结合图1中的沼气产量数据，说明经过驯化后的厌氧接种泥具有将DMF转化为甲酸、甲基胺，进而转化为沼气的能力。
实施例2
考察实施例1中培养得到的厌氧接种泥对N,N-二甲基甲酰胺(DMF)废水的降解效果，具体为利用实施例1中体系内DMF的初始浓度为2362mg/L时培养得到的厌氧接种泥对N,N-二甲基甲酰胺(DMF)废水进行降解处理，包括以下步骤：
S1、将37.5mL实施例1中体系内DMF的初始浓度为2362mg/L时培养得到的厌氧接种泥和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)废水加入到250mL的钳口反应瓶中，使体系内DMF的初始浓度为2362mg/L，混合均匀，得到混合物II。
S2、按照氮气的通入量为混合物II体积的两倍，往步骤S1中得到的混合物II中通入氮气，驱逐混合物II中的氧气，然后将装有混合物II的钳口反应瓶放入到空气培养箱中，控制温度在35±1℃、振荡转速在180rpm进行厌氧培养14天，完成对N,N-二甲基甲酰胺(DMF)废水的处理。同样条件下，共设置三个平行样。
本实施例中，在厌氧培养过程中，定时检测钳口反应瓶中的沼气产量，并取样分析液相中DMF的含量，结果如图5所示。
图5为本发明实施例2中采用厌氧接种泥降解N,N-二甲基甲酰胺废水时降解效果和沼气产量与处理时间的关系图。
由图5可知，通过14天的培养，体系内液相DMF浓度降至0mg/L，且平行样差异较小，说明厌氧接种泥具备对DMF的降解能力。第14天时，反应器中沼气产量达到200mL左右，说明DMF降解通路没有停留在中间产物阶段，而是进一步转化成甲烷、二氧化碳等，证明本专利所获得的厌氧接种物具有将DMF转化成甲烷、二氧化碳的能力。
综上可知，本发明培养方法培养得到了含有降解DMF菌群的厌氧接种泥，并且这些厌氧接种泥可以用于DMF废水的处理，能够快速、彻底地降解去除废水中的N,N-二甲基甲酰胺。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于处理N, N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥的培养方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将厌氧启动泥、污泥和N, N-二甲基甲酰胺混合，得到混合物料；所述厌氧启动泥的接种量为污泥体积的5%～50%；所述厌氧启动泥中含有用于降解N, N-二甲基甲酰胺的厌氧菌和/或兼性厌氧菌；所述污泥为活性污泥、剩余污泥、由污水处理流程各个单元的混合液经静置后形成的沉淀物中的至少一种；所述混合液为A/A/O工艺中各单元的混合液、A/O工艺中的各单元混合液或氧化沟工艺各单元的混合液；
S2、将步骤S1中得到的混合物料进行厌氧培养，得到用于处理N, N-二甲基甲酰胺废水的厌氧接种泥。
2.根据权利要求1所述的培养方法，其特征在于，步骤S1中，所述混合物料中N, N-二甲基甲酰胺的初始浓度为100 mg/L～10000 mg/L。
3.根据权利要求2所述的培养方法，其特征在于，步骤S1中，所述混合物料中含固率为10000mg/L～30000mg/L。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的培养方法，其特征在于，所述污泥中含固率为2000mg/L～30000mg/L。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的培养方法，其特征在于，所述厌氧启动泥为用于降解N, N-二甲基甲酰胺的厌氧反应器中的厌氧污泥或自然水体中的沉积物。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的培养方法，其特征在于，步骤S2中，所述厌氧培养过程中还包括往混合物料中通入氮气，去除混合物料中的氧气；所述氮气的通入量为混合物料体积的两倍以上。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的培养方法，其特征在于，步骤S2中，所述厌氧培养过程中控制培养体系的温度为30℃～37 ℃；所述厌氧培养过程中控制搅拌的转速为10rpm～180 rpm；所述厌氧培养的时间为8天～28天。
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