CN114644999B - 一种用于厌氧消化污泥高效脱水的分枝菌酸菌及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于厌氧消化污泥高效脱水的分枝菌酸菌及其应用，属于污泥处置技术领域。该分枝菌酸菌Mycolicibacter sp.NJ02的保藏号为CGMCC No.24346，能够以厌氧消化污泥本身所含的高浓度氨氮(NH4 +‑N)为营养物质进行生长(无需添加任何的营养剂或药剂)，通过其快速氨氧化和产硝酸的双重作用，分解污泥胞外聚合物和絮体细胞，将结合水转化为自由水，随后经机械压滤脱水，可得到含水率<60％的脱水泥饼。本方法的分枝菌酸菌生物调理过程完全依靠厌氧消化污泥所含的营养物质，在高效脱水的同时，还兼有同步去除NH4 +‑N污染物的功效，整个调理过程高效、稳定、经济实用性强。

Description

一种用于厌氧消化污泥高效脱水的分枝菌酸菌及其应用
技术领域
本发明属于污泥处置技术领域，具体地，涉及一种用于厌氧消化污泥高效脱水的分枝菌酸菌及其应用。
背景技术
污泥厌氧消化是国际上大力倡导的一种剩余活性污泥稳定化、减量化和资源化的技术方案。近10多年来，污泥厌氧消化的技术理念在我国日益受到重视，一大批污泥厌氧消化示范工程相继建成并投产运营。然而，厌氧消化处理后产生的污泥(厌氧消化污泥)的含水率一般仍很高(>95％)，这给后续的转运和处置利用带来了极大的困难。此外，许多研究表明，厌氧消化污泥的碱度高(pH值8.0～9.0)、粒径细小，毛细吸水时间(CST)可达200s、过滤比阻(SRF)可达1013以上，脱水性能较差，难以直接进行机械脱水。
目前，用于厌氧消化污泥调理、脱水的方法主要分为：化学法(添加FeCl3-石灰-聚丙烯酰胺等絮凝剂；芬顿或过硫酸盐高级氧化；电化学等)；物理法(微波、超声等)；生物法(嗜酸硫杆菌的生物沥浸法等)。从已有的研究实践来看，化学法、物理法在实际应用中普遍存在化学药剂用量大、能耗成本高、运行管理复杂或不利于脱水污泥的后续利用等技术缺陷。相对而言，生物法的处理成本较低、工序简单、易操作、环境友好，更具工程化应用前景。例如，公布号为CN1079888116A的中国发明专利公开了一种用于厌氧消化污泥生物沥浸处理的微生物营养剂及其制备方法和应用，该营养剂是采用高营养物质为原料，经微生物(氧化亚铁硫杆菌LX5、博德特氏菌ZW2)发酵后压滤脱水后得到的固体物质，营养菌剂中复合微生物菌群含量107～108个/g。公布号为CN108083597A的中国发明专利公开了一种处理厌氧消化污泥复合微生物菌液及生物沥浸新方法，采用氧化亚铁硫杆菌LX5、氧化硫硫杆菌TS6、博德特氏菌ZW2、毕赤酵母D13等复合菌剂，在外源添加微生物营养剂(含N、P、K及Fe、Zn、Mn、S等成分)的条件下进行生物沥浸处理，再经板框压滤，可获得含水率小于60％的脱水污泥；同时，也记载了在复合菌剂接种到厌氧消化污泥之前需要进行不断的多次驯化以及博德特氏菌ZW2分解有毒害效应的小分子有机酸的现象。
然而，这种依托多种复合菌剂和添加高营养基质的生物沥浸法在用于厌氧消化污泥脱水的工程实践中，特别是在长期、连续运行的工况条件下，菌种的活性会逐步衰减，导致脱水的效果不稳定，因此常需要定期的补种和重新的添加营养基质。究其原因，主要是由于：①所用的这些复合微生物菌种都不是从厌氧消化污泥中直接分离获得的(均分离自好氧体系的剩余活性污泥)，属于非土著菌，因而接种到厌氧污泥中需进行反复驯化、以适应新的环境生长；②连续回流过程中，厌氧消化污泥含有的致毒物质(乙酸、丙酸)会抑制2个最重要的功能菌(氧化亚铁硫杆菌LX5和氧化硫硫杆菌TS6)生长，进而造成脱水的效果无法达到预期。
因此，亟需寻找一种适应于厌氧消化污泥环境的生物处理新方法，以提高脱水的效率和稳定性，达成高效脱水的目标。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有的厌氧消化污泥脱水工程实践中，依托复合菌剂的生物沥浸方法存在的功能菌衰减失活、脱水效果不稳定，以及需要额外添加高营养物质的技术不足，本发明提供一种分枝菌酸菌(Mycolicibactersp.)菌株NJ02，该菌株能够以厌氧消化污泥本身所含的高浓度的氨氮(NH4 +-N)为营养物质进行氨氧化生长，即无需添加任何的营养剂或药剂。本发明还提供了利用前述分枝菌酸菌生物调理实现厌氧消化污泥高效脱水的方法。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供了的一种分枝菌酸菌，菌株命名为NJ02，分类命名为Mycolicibactersp.，于2022年01月19日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，保藏号为CGMCC No.24346，该菌株能够快速氨氧化和大量产硝酸，通过生物氨氧化、产硝酸的双重作用，厌氧消化污泥的胞外聚合物被氧化分解，絮体细胞裂解，大量的结合水转化为自由水，脱水性能得以显著提升。
优选地，所述分枝菌酸菌16S rRNA基因序列如SEQ ID NO:1所示(表1)。
本发明还提供了上述一种分枝菌酸菌在厌氧消化污泥高效脱水中的应用，该菌株能够快速氨氧化和大量产硝酸，通过生物氨氧化、产硝酸的双重作用，厌氧消化污泥的胞外聚合物被氧化分解，絮体细胞裂解，大量的结合水转化为自由水，脱水性能得以显著提升。
优选地，上述应用方法包括如下步骤：
S1：培养分枝菌酸菌菌株NJ02，制备含有107～108细菌/mL的菌剂；
S2：向厌氧消化污泥中接种S1中菌剂，进行生物调理，得到调理后的污泥；
S3：对调理后的污泥进行机械压滤脱水，得到脱水污泥饼和压滤液。
优选地，上述应用方法中S2后还包括步骤：
S3：制备回流接种物：将S2中调理后的污泥留存一半用于回流接种的连续处理，其余污泥进行机械脱水。
优选地，上述应用方法包括如下步骤：
S1：培养分枝菌酸菌菌株NJ02，制备含有107～108细菌/mL的菌剂；
S2：向厌氧消化污泥中接种S1中菌剂，进行生物调理，得到调理后的污泥；
S3：制备回流接种物：将S2中调理后的污泥留存一半用于回流接种的连续处理，其余污泥进行机械脱水；
S4：对调理后的污泥进行机械压滤脱水，得到脱水污泥饼和压滤液。
优选地，上述S1中，所述培养分枝菌酸菌菌株采用培养基组分如下：(NH4)2SO42.1g/L，FeSO4·7H2O 30mg/L，NaCl 3000mg/L，K2HPO4 1g/L，NaHCO3 1.6g/L，MgSO4·7H2O30mg/L。
优选地，上述S1中，所述培养分枝菌酸菌菌株的条件为20～35℃，振荡培养3～5天。
优选地，上述S2中，所述厌氧消化污泥的固体浓度为1～5％。
优选地，上述S2中，所述菌剂的接种量为体积比的5～20％。
优选地，上述S2中，所述生物调理中采用25～35℃通风搅拌3～5天。更进一步地，所述的通风为控制溶解氧含量1～3mg/L。
优选地，脱水污泥饼的含水率为55～60％。
本发明还提供了一种用于厌氧消化污泥高效脱水的菌剂，所述菌剂含有上述的分枝菌酸菌。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明提供的一种分枝菌酸菌Mycolicibacter sp.NJ02，分离自厌氧消化污泥，属于土著菌，其生物调理厌氧消化污泥过程中能够以污泥本身所富含的氨氮(NH4 +-N)为营养物，无需添加任何的营养剂或药剂。因此，可以节约经济成本，经济实用性更强。
(2)本发明提供的一种分枝菌酸菌Mycolicibacter sp.NJ02用于厌氧消化污泥高效脱水，与现有的依托复合菌剂和添加高营养基质的生物沥浸法相比，本发明采用的分枝菌酸菌Mycolicibacter sp.NJ02，通过生物氨氧化和产硝酸的双重作用，破坏厌氧消化污泥的胞外聚合物并裂解絮体细胞，大量的结合水转化为自由水，脱水性能显著提升，整个处理过程中氨氮浓度持续降低、分枝菌酸菌始终优势生长，起到了高效脱水和同步去除厌氧消化污泥中氨氮污染物的“一石二鸟”功效。
附图说明
图1为Mycolicibacter sp.NJ02在琼脂平板上的菌落形态图；
图2为厌氧消化污泥进行机械压滤脱水后脱水污泥饼和压滤液，其中A为未经处理的厌氧消化污泥，B为对比例1接种复合菌剂的生物沥浸法处理的厌氧消化污泥，C为实施例1本发明的Mycolicibacter sp.NJ02处理后的厌氧消化污泥。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
需要说明的是，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如本文所使用，术语“约”用于提供与给定术语、度量或值相关联的灵活性和不精确性。本领域技术人员可以容易地确定具体变量的灵活性程度。
如本文所使用，术语“......中的至少一个”旨在与“......中的一个或多个”同义。例如，“A、B和C中的至少一个”明确包括仅A、仅B、仅C以及它们各自的组合。
浓度、量和其他数值数据可以在本文中以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式仅是为了方便和简洁而使用，并且应当灵活地解释为不仅包括明确叙述为范围极限的数值，而且还包括涵盖在所述范围内的所有单独的数值或子范围，就如同每个数值和子范围都被明确叙述一样。例如，约1至约4.5的数值范围应当被解释为不仅包括明确叙述的1至约4.5的极限值，而且还包括单独的数字(诸如2、3、4)和子范围(诸如1至3、2至4等)。相同的原理适用于仅叙述一个数值的范围，诸如“小于约4.5”，应当将其解释为包括所有上述的值和范围。此外，无论所描述的范围或特征的广度如何，都应当适用这种解释。
任何方法或过程权利要求中所述的任何步骤可以以任何顺序执行，并且不限于权利要求中提出的顺序。
实施例1
本实施例提供分枝菌酸菌Mycolicibacter sp.NJ02的筛选、分离和鉴定。
培养基：(NH4)2SO4 2.1g/L，FeSO4·7H2O 30mg/L，NaCl 3000mg/L，K2HPO4 1g/L，NaHCO31.6g/L，MgSO4·7H2O 30mg/L。
菌种的筛选、分离：取污水处理厂厌氧消化污泥500mL，置于三角瓶中，25℃、180rpm振荡培养，每天补充加入一定量的厌氧消化污泥，每10天为一个培养周期，第一个培养周期结束后，将污泥固相物质离心移除，然后补充新鲜的厌氧消化污泥，开始下一个10天的培养，如此反复循环连续进行25个培养周期，并同步观测培养体系的碱度、氨氮、硝态氮的含量，不同形态的氮含量趋于稳定。将上述富集成功的培养液吸取20mL至100mL培养基中，25℃、180rpm下再次培养10天，随后将上述培养液进行梯度稀释，将不同稀释度的培养液于固体培养基上涂布培养、划线分离，最终获得分离菌株NJ02。
菌种鉴定：采用分子生物学技术对分离菌株NJ02进行鉴定。细菌总DNA采用TSINGKE植物DNA提取试剂盒，引物采用27F：AGTTTGATCMTGGCTCAG和1492R:GGTTACCTTGTTACGACTT。反应程序为:95℃2m:n:95℃10s，56℃退火10s，72℃延伸20s，共35次循环，72℃延伸5m:n。PCR测序由北京擎科生物科技有限公司进行双向测序。将测序结果登录GenBank进行同源性比较，应用MEGA 11软件构建16SrRNA的系统发育树。
表1分枝菌酸菌Mycol:c:bacter sp.NJ0216S rRNA基因序列
Figure BDA0003610188300000051
实施例2
本实施例提供利用分枝菌酸菌生物调理法进行厌氧消化污泥脱水。
厌氧消化污泥样品采自江苏某污水厂污泥中温湿式厌氧消化反应罐，基本性质见表2。
表2污泥样品的基本性质
Figure BDA0003610188300000052
Figure BDA0003610188300000061
本实施例针对上述污泥样品进行处理，包括以下步骤：
(1)制备菌剂：从斜面挑取NJ02菌体，接入PDA生长培养基，25℃，振荡好氧培养3天，获得含有108细菌/mL的NJ02菌剂。
(2)处理污泥：向固体浓度5％的污泥中，按照体积比10％接种NJ02菌剂，在35℃下通风搅拌，控制溶解氧含量1～3mg/L，生物调理3天，胞外聚合物降解，絮体细胞裂解，结合水转变为自由水，CST数值降至35s，SRF降至1011m/kg；将处理后的污泥留存一半体积用于回流接种的连续处理，处理条件同上，其余一半处理后的污泥则进行机械脱水。
(3)机械脱水：对处理后的污泥进行板框压滤脱水，得到干裂的脱水污泥饼(含水率56.2％)和清澈的压滤液(图2C)。
实施例3
本实施例提供利用分枝菌酸菌生物调理法进行厌氧消化污泥脱水，样品与实施例2中相同。
本实施例针对上述污泥样品进行处理，包括以下步骤：
(1)制备菌剂：从斜面挑取NJ02菌体，接入PDA生长培养基，20℃，振荡好氧培养5天，获得含有108细菌/mL的NJ02菌剂。
(2)处理污泥：向固体浓度5％的污泥中，按照体积比20％接种NJ02菌剂，在30℃下通风搅拌，控制溶解氧含量1～3mg/L，生物调理4天，胞外聚合物降解，絮体细胞裂解，结合水转变为自由水，CST数值降至32s，SRF降至1011m/kg；将处理后的污泥留存一半体积用于回流接种的连续处理，处理条件同上，其余一半处理后的污泥则进行机械脱水。
(3)机械脱水：对处理后的污泥进行板框压滤脱水，得到干裂的脱水污泥饼(含水率56.8％)和清澈的压滤液。
实施例4
本实施例提供利用分枝菌酸菌生物调理法进行厌氧消化污泥脱水，样品与实施例2中相同。
本实施例针对上述污泥样品进行处理，包括以下步骤：
(1)制备菌剂：从斜面挑取NJ02菌体，接入PDA生长培养基，35℃，振荡好氧培养3天，获得含有107细菌/mL的NJ02菌剂。
(2)处理污泥：将固体浓度5％的污泥稀释成固体浓度1％的污泥，按照体积比5％接种NJ02菌剂，在25℃下通风搅拌，控制溶解氧含量1～3mg/L，生物调理5天，胞外聚合物降解，絮体细胞裂解，结合水转变为自由水，CST数值降至33s，SRF降至1011m/kg；将处理后的污泥留存一半体积用于回流接种的连续处理，处理条件同上，其余一半处理后的污泥则进行机械脱水。
(3)机械脱水：对处理后的污泥进行板框压滤脱水，得到干裂的脱水污泥饼(含水率56.5％)和清澈的压滤液。
对比例1
本对比例采用公布号为CN108083597A的中国发明专利公开了一种处理厌氧消化污泥复合微生物菌液及生物沥浸新方法进行厌氧消化污泥脱水的对照。
样品与实施例1相同，本对比例的处理步骤如下：
(1)按发明专利方法，分别制备氧化亚铁硫杆菌LX5、氧化硫硫杆菌TS6、博德特氏菌ZW2、毕赤酵母D13等复合菌剂、微生物营养剂(含N、P、K及Fe、Zn、Mn、S等成分)。
(2)处理污泥：向固体浓度5％的污泥中，按照体积比10％接种上述复合菌剂，并添加相应的营养剂，在30℃下通风搅拌，生物沥浸处理48h；将处理后的污泥留存一半体积用于回流接种的连续处理，处理条件同上，其余一半处理后的污泥则进行机械脱水。
(3)机械脱水：对处理后的污泥进行板框压滤脱水，得到脱水污泥饼(含水率58.2％)和压滤液(图2B)。
表3实施例1、对比例1进行厌氧消化污泥脱水的效果对比
Figure BDA0003610188300000071
从实施例和对比例可以看出，本申请能够将厌氧消化污泥的含水率从95％降至56.2％，脱水率达42％，与现有的生物沥浸法的效果(脱水率40％)基本持平，均可满足国家标准中泥饼含水率<60％的要求。而且，更重要的是，本申请的分枝菌酸菌菌株Mycolicibacter sp.NJ02在生物调理的批次和连续回流运行过程中都不需要额外添加任何的营养物质和药剂，并且在提高脱水性能的同时还能同步脱除厌氧消化污泥中高浓度的氨氮污染物，最终产生的脱水污泥的性质也更安全，易于后续处置利用。

Claims (9)

1.一种分枝菌酸菌(Mycolicibacter sp.)，其特征在于，命名为分枝菌酸菌NJ02，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，保藏号为CGMCC No.24346。
2.权利要求1所述的一种分枝菌酸菌在厌氧消化污泥脱水中的应用。
3.根据权利要求2所述的一种分枝菌酸菌在厌氧消化污泥脱水中的应用，其特征在于，所述应用包括如下步骤：
S1：培养分枝菌酸菌菌株NJ02，制备含有107～108细菌/mL的菌剂；
S2：向厌氧消化污泥中接种S1中菌剂，进行生物调理，得到调理后的污泥；
S3：对调理后的污泥进行机械压滤脱水，得到脱水污泥饼和压滤液。
4.根据权利要求3所述的一种分枝菌酸菌在厌氧消化污泥脱水中的应用，其特征在于，所述S2还包括制备回流接种物：将调理后的污泥留存一半用于回流接种的连续处理。
5.根据权利要求3或4所述的一种分枝菌酸菌在厌氧消化污泥脱水中的应用，其特征在于，所述S1中，培养分枝菌酸菌菌株NJ02采用培养基组分如下：(NH4)2SO4 2.1g/L，FeSO4·7H2O 30mg/L，NaCl 3000mg/L，K2HPO4 1g/L，NaHCO3 1.6g/L，MgSO4·7H2O 30mg/L。
6.根据权利要求5所述的一种分枝菌酸菌在厌氧消化污泥脱水中的应用，其特征在于，所述S1中，所述培养分枝菌酸菌菌株NJ02的条件为20～35℃，振荡培养3～5天。
7.根据权利要求6所述的一种分枝菌酸菌在厌氧消化污泥脱水中的应用，其特征在于，所述S2中，所述厌氧消化污泥的固体浓度为1～5％；和/或所述菌剂的接种量为体积比的5～20％；和/或所述生物调理中采用25～35℃通风搅拌3～5天。
8.根据权利要求7所述的一种分枝菌酸菌在厌氧消化污泥脱水中的应用，其特征在于，所述的通风为控制溶解氧含量1～3mg/L。
9.一种用于厌氧消化污泥脱水的菌剂，其特征在于，所述菌剂含有权利要求1所述的分枝菌酸菌。
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Mycolicibacter acidiphilus sp. nov., an extremely acid-tolerant member of the genus Mycolicibacter;Jun Xia 等;《 Int. J. Syst. Evol. Microbiol.》;第1-9页 *
餐厨垃圾干式厌氧消化污泥膨胀微生态特征;何琴 等;《中国环境科学》;第1010-1017页 *

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CN114644999A (zh) 2022-06-21

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