CN113415898B

CN113415898B - 一种耐药性好氧反硝化菌群自富集实现总氮去除的方法

Info

Publication number: CN113415898B
Application number: CN202110707900.XA
Authority: CN
Inventors: 樊晓燕; 张忠兴; 高玉玺; 赵君如; 徐是龙
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2021-06-24
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2041-06-24
Also published as: CN113415898A

Abstract

一种耐药性好氧反硝化菌群自富集实现总氮去除的方法，本发明属于污水生物处理领域。该方法包括三个阶段：一，接种污泥的培养；二，30mg/L的磺胺甲恶唑对耐药好氧反硝化菌属的基础驯化；三，30mg/L的磺胺甲恶唑与甲氧苄胺嘧啶协同对耐药好氧反硝化菌属的强化驯化，相较于以往的纯菌培养，富集方法，有效的维持了原位活性污泥体系平衡，无需分离，纯化富集；最终实现总氮去除率达到71.12％。本发明为解决在现有好氧反硝化菌属强化脱氮在抗生素含量较高的活性污泥体系中存在的好氧反硝化菌属富集困难，对抗生素敏感，难形成优势菌属，总氮去除率低的技术问题。

Description

一种耐药性好氧反硝化菌群自富集实现总氮去除的方法

技术领域

本发明属于污水生物脱氮领域，具体来说，涉及一种耐药性好氧反硝化菌属自富集实现总氮去除的方法。适用于含有制药废水或医院废水的市政生活污水和工业废水的处理等污水处理领域。

背景技术

抗生素是极其重要的药物，被广泛用于治疗人类疾病或促进家畜生长，尤其是在新新冠状病毒爆发期间，抗生素的需求及使用都有很大程度提高，而抗生素在人体内吸收很差且具有持久性，大约30-90％的这些化合物经尿液或粪便排出，然后流入生活污水系统，最终流入污水处理厂。但是，目前没有任何污水处理厂设计特定的工艺来去除抗生素。因此，污水处理厂中汇集的抗生素会直接对微生物的脱氮过程造成影响，甚至会对活性污泥中脱氮功能菌造成不可逆的影响或死亡。从而使得污水排放无法达到一级A标准，这已经逐渐成为了污水处理厂稳定运行和维护的关键问题。

而传统的生物脱氮技术依赖于硝化菌属和反硝化菌属的结合，大多数均为敏感菌属，且由于硝化和反硝化菌属需要分别在曝气条件和厌氧条件两个不同的处理环境中完成氮素转化。而好氧反硝化菌属是指在曝气池中直接实现将水体中氮素转化为氮气的强化反硝化过程，自提出以来，凭借能在单一构筑物中实现同步硝化—反硝化的优点，从而较大程度的节省了初期基建的投资费用，并且反硝化过程产生的碱度足以补偿硝化作用消耗的碱度，进一步降低了药物的费用。

目前人们对于好氧反硝化菌属的富集往往依靠纯菌分离，培养等过程，进而将其投加到污水反应器中，但作为外来菌种，竞争力较原始稳定体系中的微生物弱，尤其是在具有抗生素的协同胁迫下，难以形成优势菌属，甚至可能会消失。本方法通过在活性污泥体系中使用抗生素的种类及接触顺序来进行阶段性强化，进而可以实现耐药性好氧反硝化菌群的快速自富集实现总氮的去除。耐药性好氧反硝化菌群的富集则因其对抗生素具有较高的抗性和高效的生物脱氮技术具有很好的开发和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐药性好氧反硝化菌属自富集实现总氮去除的方法。该方法解决了现有的好氧反硝化菌属在抗生素含量较高的废水中存在的好氧反硝化菌属难形成优势菌群，对抗生素敏感，总氮去除率低的技术问题。降低了活性污泥系统中耐药性好氧反硝化菌属的培养难度，提高了工程应用的可行性。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

a.确定使用磺胺甲恶唑(SMX)和甲氧苄啶(TMP)作为耐药性好氧反硝化菌属的驯化抗生素，所述药物在药理上具有协同作用；

b.确定抗生素的使用浓度，本发明使用的抗生素恒定浓度为30mg/L；确保高于好氧反硝化菌属的最小抑菌浓度；

c.接种污泥的培养：活性污泥采集于市政污水处理厂曝气池的活性污泥；将活性污泥放置反应容器投加合成废水进行曝气，每周期测定其氨氮浓度，每周期结束时氨氮降解程度在98％以上，污泥使得氨氮降解程度98％以上稳定4周期,说明污泥体系稳定；将污泥移至容器中，使用超纯水稀释，MLVSS达到10000mg/L,作为接种污泥；

d.耐药好氧反硝化菌属的基础驯化：按照人工配水与接种污泥体积比为1:1，将人工配水与接种污泥混合均匀添加到锥形瓶中至250mL，放置于恒温震荡箱(r＝110±10rad/min)中，在温度为25±1℃，溶解氧DO＝2-8mg/L,进水NH₄ ⁺浓度在35±1mg/L,COD浓度在300±10mg/L，微量元素含量为1mL/L，SMX浓度在30mg/L,加入碳酸氢钠维持pH值在7-7.5的条件下连续8周期(1.5-17h/周期)驯化，每个周期50％的排水比,一周期和八周期每隔30分钟取样测定三氮浓度，其余周期测定进出水三氮的浓度，第八周期结束即好氧反硝化菌属基础驯化完成；每周期结束时氨氮降解程度在98％以上；

e.8周期结束的耐药好氧反硝化菌属进行强化驯化：将上述第八周期运行结束的活性污泥沉淀静止至泥水分离完全后，排去50％的上清液，仍按照人工配水与活性污泥体积比为1:1，将人工配水与接种污泥混合均匀添加到锥形瓶中至250mL，环境条件与前八周期保持一致，仅改变抗生素的投加类型，即在反应中投加SMX和TMP复合抗生素质量比1:1,而投加的抗生素总浓度仍保持30mg/L的条件下再连续运行八个周期进行强化，每个周期约50％的排水比,十六周期进行全周期取样测定三氮浓度，其余周期测定进出水三氮的浓度，第十六周期运行结束，即好氧反硝化菌属强化驯化完成；每个周期结束时氨氮降解程度维持恒定不再随时间的延长而增加。

对比实验：本对比实验通过使用接种污泥直接处理不含抗生素的人工废水，具体是按照一下步骤进行的：

将人工配水与接种污泥混合均匀添加到锥形瓶中至250mL，放置于恒温震荡箱(r＝110±10rad/min)中，在温度为25±1℃，溶解氧DO＝2-8mg/L,NH₄ ⁺浓度在35±1mg/L,COD浓度在300±10mg/L，微量元素溶液为1mL/L，加入碳酸氢钠维持pH值在7-7.5的条件下连续十六周期驯化，每个周期约50％的排水比,一、八以及十六周期全周期取样测定三氮浓度，其余周期测定进出水三氮的浓度，每天运行一个周期，对照试验完成。

本方法所带来的有益效果：通过使用取自北京市某再生污水处理厂曝气池的活性污泥作为接种污泥，含有30mg/L的磺胺甲恶唑人工配水在一至八周期对耐药好氧反硝化菌属进行基础驯化，从而使其在活性污泥体系中占有一定的生态位，促使耐药好氧反硝化菌属形成一定初步的富集，相较于传统的纯菌培养方法，能够有效的保留活性污泥微生物体系的共现网络关系，提高耐药好氧反硝化菌属的种群数量，增强了工程可行性，降低了培养难度；另外，经过强化驯化阶段经过含有SMX和TMP复合抗生素的人工配水处理后，进一步加强了耐药好氧反硝化菌在活性污泥系统中的竞争力，其比例含量维持在了35.5％，成为优势菌属，有效提高了高浓度抗生素共胁迫下生物脱氮反应体系的反硝化作用，从而达到曝气条件下总氮的高效去除。相较于以往的纯菌培养，富集方法，有效的维持了原位活性污泥体系平衡，无需分离，纯化富集；最终实现总氮去除率达到71.12％。

附图说明

图1是对照试验中第1,8,16周期的NH₄ ⁺-N,N0₂ ^--N和NO₃ ^--N变化曲线；

图2 SAT模式下实验组中第1,8,16周期的NH₄ ⁺-N,N0₂ ^--N和NO₃ ^--N变化曲线；

图3 SAT模式下实验组第16周期的NH₄ ⁺-N,N0₂ ^--N,NO₃ ^--N和TN及总氮去除率的变化曲线；

图4 SAT模式的实验组中第1周期的好氧反硝化菌的相对丰度及第8和16周期耐药性好氧反硝化菌的组成分布。

具体实施方式

实施例1：本实施方式的实现耐药性好氧反硝化菌属自富集实现总氮去除的方法，包括以下步骤：

所述的人工配水浓度及组成：葡萄糖0.56g/L,氯化铵0.268g/L,碳酸氢钠1.68g/L，磷酸二氢钾0.1g/L，氯化钠1.18g/L，氯化钾0.16g/L；微量元素溶液的组成与浓度如下：Na₂EDTA为4.29g/L，FeCl₂4H₂O为1.99g/L，MnCl₂·2H₂O为0.08g/L，NiCl₂·6H₂O为0.02g/L，CoCl·6H₂0为0.02g/L，CuCl₂·H2O为0.02g/L，ZnCl₂为0.02g/L，NaMoO₄·2H₂O为0.02g/L，Na₂WoO₄·2H₂O为0.03g/L，H₃BO₃为0.06g/L；其中配置时微量元素的纯物质称取后溶于1LMilli-Q水中，超声分散0.5h；应用时在每个反应器中加入该溶液，浓度为1mL/L。

所述抗生素暴露种类，浓度及顺序(SAT模式)：一至八周期，在人工废水中添加磺胺甲恶唑的浓度为30mg/L，九至十六周期在人工废水中添加磺胺甲恶唑浓度为15mg/L以及甲氧苄啶浓度为15mg/L。

实验方法

阶段一

活性污泥的培养：原泥采集于北京某市政污水处理厂曝气池的活性污泥。将活性污泥放置反应容器投加合成废水进行曝气，每周期测定其氨氮浓度，氨氮降解程度在98％以上的污泥稳定维持在4周期左右,说明污泥完成稳定，稳定后的污泥用超纯水冲洗三次，去除混合液中的污染物，将洗涤后的污泥移至2L容器中，使用超纯水稀释，MLVSS达到10000mg/L,作为接种污泥。

阶段二

好氧反硝化菌属的基础驯化：按照人工配水与活性污泥体积比为1:1，将人工配水与接种污泥混合均匀添加到锥形瓶中至250mL，放置于恒温震荡箱(r＝110±10rad/min)中，在温度为25±1℃，溶解氧DO＝2-8mg/L,NH₄ ⁺浓度在35±1mg/L,COD浓度在300±10mg/L，微量元素为1mg/L，磺胺甲恶唑浓度在30mg/L,加入碳酸氢钠维持pH值在7-7.5的条件下连续8周期驯化，每个周期约50％的排水比,一和八周期每个30分钟取样测定三氮浓度，其余周期测定进出水三氮的浓度，每天运行1个周期，好氧反硝化菌属基础驯化完成；

阶段三

八周期结束的好氧反硝化菌属进行强化驯化：将八周期运行结束的活性污泥沉淀静止至泥水分离完全后，排去50％的上清液。仍按照人工配水与活性污泥体积比为1:1，将人工配水与接种污泥混合均匀添加到锥形瓶中至250mL。环境条件与前8周期保持一致，仅改变抗生素的投加类型，即在反应器中投加磺胺甲恶唑和甲氧苄胺嘧啶复合抗生素(1:1),而投加的抗生素浓度仍保持30mg/L的条件下连续运行8个周期进行强化，每个周期约50％的排水比,16周期进行全周期取样测定三氮浓度，其余周期测定进出水三氮的浓度，每天运行1个周期，好氧反硝化菌属强化驯化完成；

将人工配水与接种污泥混合均匀添加到锥形瓶中至250mL，放置于恒温震荡箱(r＝110±10rad/min)中，在温度为25±1℃，溶解氧DO＝2-8mg/L,NH₄ ⁺浓度在35±1mg/L,COD浓度在300±10mg/L，微量元素溶液为1mL/L，加入碳酸氢钠维持pH值在7-7.5的条件下连续16周期驯化，每个周期约50％的排水比,一、八和十六周期全周期取样测定三氮浓度，其余周期测定进出水三氮的浓度，每天运行1个周期，对照试验完成。

实验1的耐药性好氧反硝化菌属驯化反应装置与对照试验以相同的反应条件运行处理实际生活污水，运行16天，对比实验装置和对照组对污水中氮的处理结果如图1,2所示，第十六周期实验组的NH₄ ⁺-N,N0₂ ^--N,NO₃ ^—-N，TN及总氮去除率变化如图3所示；活性污泥体系中存在的好氧反硝化菌属的组成如图4所示。

图1是在不使用磺胺甲恶唑和甲氧苄啶的人工废水与活性污泥体系中一、八和十六周期的NH₄ ⁺-N,NO₂ ^--N,NO₃ ^--N的浓度变化。

图2是使用SAT模式的人工废水与活性污泥体系中一、八和十六周期的NH₄ ⁺-N,NO₂ ^--N,NO₃ ^--N的浓度变化图：从图中可以看出，在16周期的NH₄ ⁺-N浓度变化趋近于稳定，NO₃ ^--N在整个过程并没有产生积累，TN去除率达到了71.12％，较第八周期增加了34.33％，而第八周期较第一周期仅增加了7.63％。且第十六周期出水TN为10.52mg/L。

图3是使用SAT模式的反应装置在第十周期NH₄ ⁺-N,N0₂ ^--N,NO₃ ^--N，TN浓度及总氮去除率的变化曲线；从图中可以看出在第十六周期的氨氮降解过程中，NO₃ ^--N从反应初期到反应末期并没有出现积累，且NH₄ ⁺-N和TN浓度变化基本保持一致，表明在氨氮降解的过程中TN同时得到了去除，并最终总氮去除率达到了70％以上。

图4是使用SAT模式的人工废水与活性污泥体系中在一周期，八周期和十六周期的存在的好氧反硝化菌属的相对丰度变化堆积柱状图。从图4中可以看出，在接种污泥中好氧反硝化菌属的总相对丰度仅为1.24％，均处于稀有属地位，而经过SAT模式的基础驯化后，其好氧反硝化菌属的相对丰度上升至25.74％，进一步在强化驯化后，其相对丰度增加至35.50％，居于优势菌属地位，且具有耐药性。

比较可知，经过SAT模式驯化的反应器出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准中的总氮排放标准，其耐药性好氧反硝化菌属自富集成功。

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以上所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

Claims

1.一种耐药性好氧反硝化菌群自富集实现总氮去除的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.确定使用磺胺甲恶唑和甲氧苄啶作为耐药性好氧反硝化菌属的驯化抗生素，所述抗生素在药理上具有协同作用；

b.确定抗生素使用浓度恒定为30 mg/L；确保高于好氧反硝化菌属的最小抑菌浓度；

c.接种污泥的培养：活性污泥采集于市政污水处理厂曝气池的活性污泥；将活性污泥放置反应容器投加合成废水进行曝气，每周期测定其氨氮浓度，每周期结束时氨氮降解程度在98%以上，污泥使得氨氮降解程度98%以上稳定4周期,说明污泥体系稳定；将污泥移至容器中，使用超纯水稀释，MLVSS达到10000 mg/L, 作为接种污泥；

d.耐药好氧反硝化菌属的基础驯化：按照人工配水与接种污泥体积比为1:1，将人工配水与接种污泥混合均匀添加到锥形瓶中至250 mL，放置于恒温震荡箱中，在温度为25±1℃，溶解氧DO=2-8 mg/L,进水NH₄ ⁺浓度在35±1 mg/L，COD浓度在300±10 mg/L，微量元素溶液为1 mL/L，磺胺甲恶唑浓度在30 mg/L，加入碳酸氢钠维持pH值在7-7.5的条件下连续8周期驯化，每个周期50%的排水比，第一周期和第八周期每隔30分钟取样测定氨氮、亚硝酸盐氮及硝酸盐氮浓度，其余周期测定只测定进出水氨氮、亚硝酸盐氮及硝酸盐氮浓度，第八周期结束即好氧反硝化菌属基础驯化完成；每周期结束时氨氮降解程度在98%以上；

e.第八周期结束的耐药好氧反硝化菌属进行强化驯化：将上述第八周期运行结束的活性污泥沉淀静止至泥水分离完全后，排去50%的上清液，仍按照人工配水与活性污泥体积比为1:1，将人工配水与接种污泥混合均匀添加至500 mL锥形瓶，环境条件与前八周期保持一致，仅改变抗生素的投加类型，即在反应中投加磺胺甲恶唑和甲氧苄啶复合抗生素质量比1:1,而投加的抗生素总浓度仍保持30 mg/L的条件下再连续运行八个周期进行强化，每个周期50%的排水比，第十六周期在反应第2、4、6、8、14和17 h进行全周期取样测定氨氮、亚硝酸盐氮及硝酸盐氮浓度，其余周期只测定进出水氨氮、亚硝酸盐氮及硝酸盐氮浓度，第十六周期运行结束，即好氧反硝化菌属强化驯化完成；每个周期结束时氨氮降解程度维持恒定。

2.按照权利要求1所述的一种耐药性好氧反硝化菌群自富集实现总氮去除的方法，其特征在于，步骤b中的周期的时长为1.5-17 h/周期，每个周期相同或不同。

3.按照权利要求1所述的一种耐药性好氧反硝化菌群自富集实现总氮去除的方法，其特征在于，放置于恒温震荡箱的条件r=110±10 rad/min。

4.按照权利要求1所述的一种耐药性好氧反硝化菌群自富集实现总氮去除的方法，其特征在于，微量元素溶液的组成与浓度如下：Na₂EDTA为4.29 g/L， FeCl₂4H₂O为 1.99 g/L，MnCl₂•2H₂O为 0.08 g/L，NiCl₂•6H₂O 为0.02 g/L，CoCl•6H₂0 为0.02 g/L，CuCl₂•H₂O 为0.02 g/L，ZnCl₂为 0.02 g/L，NaMoO₄•2H₂O为 0.02 g/L，Na₂WoO₄•2H₂O为 0.03 g/L，H₃BO₃为0.06 g/L。