CN115536145A - 一种厌氧氨氧化菌的富集培养方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种厌氧氨氧化菌的富集培养方法及装置，是将含厌氧氨氧化菌的活性污泥接种至厌氧膜生物反应器中，启动进水，进行富集培养，收集培养过程中产生气体，与氢气混合后通入反应器，进行厌氧氨氧化菌的富集培养。本发明实现了厌氧氨氧化菌的快速富集培养，有效减缓了膜污染，延长了膜使用周期。
Description
技术领域
本发明属于环境微生物领域，具体涉及一种厌氧氨氧化菌的富集培养方法及装置。
背景技术
厌氧氨氧化技术具有高效、节能、环保等优点，它的发现与提出使废水生物脱氮技术向低碳、低耗方向的发展迈进一大步。厌氧氨氧化技术在实验室研究已相当成熟，当前国内外研究者们一直致力于推动厌氧氨氧化技术在废水脱氮领域的工业化应用。厌氧氨氧化技术离不开厌氧氨氧化菌，该菌属于化能自养菌，繁殖慢、倍增时间长、易受环境条件等影响。目前，厌氧氨氧化菌种泥缺乏成为限制该技术大范围推广的主要瓶颈，因此实现厌氧氨氧化菌的高效富集培养成为一个研究热点。
现有厌氧氨氧化菌的培养方式有批次运行和连续运行两种。采用批次运行方式，培养结束后沉降排水，可以很好的截留厌氧氨氧化菌，减少流失，但是培养过程中随着反应的进行需要不断补料，为了避免每次补料后亚硝氮浓度高抑制厌氧氨氧化菌活性，陈永等（亚硝酸盐氮浓度对厌氧氨氧化反应的影响，中国给水排水，2006(17):74-76）在研究中只能采用低浓度补料，底物浓度低厌氧氨氧化反应速率就会受到影响，从而降低富集速度。采用连续运行方式，可以很好的解决批次运行培养过程中补料后亚硝氮浓度高对菌体活性抑制的问题，但连续进出水尽管设有沉淀池，依然存在厌氧氨氧化菌流失的问题。
CN103087910A公开了一种快速富集增殖和纯化培养厌氧氨氧化菌的装置和方法，是先设置一个快速富集增殖和纯化培养厌氧氨氧化菌的装置；然后在槽式生物反应池内放置一定量经过淘洗过滤的好氧活性污泥，并将其与营养液混合；在反应池内逐步通入经进水预加热系统加热的营养液；通过布状悬垂式纤维型填料，截留厌氧氨氧化菌；经60-90天培养后，将长满棕红色的厌氧氨氧化菌的布状悬垂式纤维型填料取出，洗脱，自然沉淀，即可获得较大数量和较高纯度的厌氧氨氧化脱氮污泥。该装置和方法能够实现快速富集增殖和纯化厌氧氧化细菌的目标，但该技术采用挂膜培养方式，需要使用特定结构的填料。此外，在厌氧系统中多通过搅拌来实现减轻膜污染的问题，但搅拌在减轻膜污染方面效果不佳，膜污染较严重，需要频繁拆洗、更换膜组件。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种厌氧氨氧化菌的富集培养方法及装置。本发明实现了厌氧氨氧化菌的快速富集培养，有效减缓了膜污染，延长了膜使用周期。
本发明提供的厌氧氨氧化菌的富集培养方法，包括如下内容：
将含厌氧氨氧化菌的活性污泥接种至厌氧膜生物反应器中，启动进水，进行富集培养，收集培养过程中产生气体，与氢气混合后通入反应器，进行厌氧氨氧化菌的富集培养。
本发明中，所述含厌氧氨氧化菌的活性污泥取自工业、城市污水处理场活性污泥或者剩余活性污泥，含有脱氮菌、脱碳菌、脱磷菌等菌体，其中脱氮菌包括厌氧氨氧化菌、好氧氨氧化菌和反硝化菌等。所述活性污泥按照接种后污泥浓度为4000-6000mg/L进行接种。
本发明中，所述厌氧膜生物反应器可以是本领域熟知的MBR膜生物反应器，膜组件可以是平板膜、中空纤维膜等。
本发明中，所述的进水中含有氨氮、亚硝氮和无机碳，其中总氮浓度控制在200-1500mg/L，氨氮、亚硝氮的配比按照1:1.2-1.3进行调控。提供氨氮的物质可以是铵盐，具体如硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵等中的至少一种，优选硫酸铵、氯化铵等中至少一种。提供亚硝氮的物质可以是亚硝酸盐，具体如亚硝酸钠、亚硝酸钾等中的至少一种。提供无机碳的物质可以是KHCO3、NaHCO3等的一种或几种，无机碳的浓度控制在100-150mg/L。
本发明中，在进水中投加营养液，配方为：0.02-0.025g/LKH2PO4，0.2-0.3g/LCaCl2·2H2O，0.1-0.2g/LMgSO4·7H2O，0.005-0.00625g/LFeSO4，0.005-0.00625g/LEDTA。
本发明中，所述的富集培养条件为：溶解氧浓度低于0.1mg/L，温度为20-35℃，pH为7.0-8.0。
本发明中，在厌氧膜生物反应器顶部设气体收集系统，用于将富集培养过程中产生的气体收集。气体收集系统主要包括具备气体收集功能的储气设施，如可以是气柜、缓冲罐、集气袋等中任意一种。气体收集系统进一步还可以包括干燥设备，收集气体经干燥后进入储气设施，再与氢气混合后输送至厌氧膜生物反应器中。
本发明中，收集气体在进入厌氧膜生物反应器前与一定量氢气混合，氢气的体积占比为90%-95%。
本发明中，整个培养过程通入气体量以曝气强度控制在5-15m3/(m2·h)，优选8-12m3/(m2·h)，其中曝气强度是指单位膜面积单位时间内的曝气量。
本发明中，在培养过程中，进水基质浓度根据出水亚硝氮浓度采用梯度提升的方式，即当系统出水亚硝氮浓度低于20mg/L时，进水总氮浓度提升50-100mg/L，至系统中厌氧氨氧化菌占比增长1倍以上时，完成富集培养。
本发明中，培养过程优选分为两个阶段，在第一阶段投加激活剂，所述激活剂为羟胺、联氨、高丝氨酸内酯等中的至少一种，投加浓度为1-80mg/L，当系统总氮容积负荷达到1.0kgN/m3/d以上时，即完成第一阶段培养，停止投加激活剂，开始第二阶段培养，至系统中厌氧氨氧化菌占比增长1倍以上时，完成富集培养。
本发明中，在整个培养过程中，调控厌氧膜生物反应器压力低于0.16MPa。
本发明还提供了一种用于上述厌氧氨氧化菌富集培养方法的装置，主要包括进料系统、厌氧膜生物反应器、气体收集系统、压力控制系统；其中进料系统用于调控进水配比并将进水输送至厌氧膜生物反应器中；厌氧膜生物反应器用于厌氧氨氧化菌的富集培养；气体收集系统用于将培养过程中产生的气体收集并与氢气混合后输送至厌氧膜生物反应器；压力控制系统用于对膜生物反应器压力进行调控。
本发明中，气体收集系统主要包括具备气体收集功能的储气设施，如可以是气柜、缓冲罐、集气袋等中任意一种。气体收集系统进一步还可以包括干燥设备，收集气体经干燥后进入储气设施，再与氢气混合后输送至厌氧膜生物反应器中。压力控制系统主要包括压力表和安全限压阀。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明根据厌氧氨氧化菌的生长特性和产物特性，收集厌氧氨氧化菌生长过程中产生气体并与氢气混合后定量通入厌氧膜生物反应器中，一方面提高了厌氧氨氧化菌的竞争优势，实现了厌氧氨氧化菌的快速富集培养，缩短了厌氧氨氧化菌的富集时间；同时减轻了膜污染堵塞问题，延长了膜使用周期。
（2）本发明根据厌氧氨氧化菌的生长特性采用分阶段培养方式，在第一阶段通入混合气体并结合投加激活剂协同作用方式，有效提高了厌氧氨氧化菌的选择性快速生长，特别是可以进一步避免膜污染。
（3）本发明方法培养获得的厌氧氨氧化菌活性高，耐受性强，适用于大规模工业应用。
附图说明
图1是本发明厌氧氨氧化菌富集培养装置的一种流程示意图；
其中：1-进料罐、2-进料泵、3-厌氧膜生物反应器、4-膜组件、5-曝气管、6-压力表、7-出水泵、8-出气口、9-干燥罐、10-集气袋、11-安全限压阀、12-隔膜泵、13-排泥口。
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。
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。
本发明实施例中，氨氮浓度采用GB7478-87《水质-铵的测定-蒸镏和滴定法》测定；亚硝酸盐氮浓度采用GB7493-87《水质-亚硝酸盐氮的测定-分光光度法》测定；总氮浓度采用GB11894 -89《水质-总氮的测定-碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》；菌群分析采用宏基因组微生物分类测序测定。
本发明实施例采用的富集培养装置如附图1所示，厌氧氨氧化菌生长所需物料从进料罐1通过进料泵2输送至厌氧膜生物反应器3。反应器中的水在出水泵7的作用下通过膜组件4、压力表6外排。培养过程中产生气体通过出气口8，经过或者不经过干燥罐9后进入集气袋10。隔膜泵12将收集到的气体通过曝气管5通入厌氧膜生物反应器3内。随着产气增多，当厌氧膜生物反应器3中压力达到0.16MPa后，安全限压阀11开启，进行排气泄压。
实施例使用的含厌氧氨氧化菌的活性污泥取自某高氨氮水处理系统，经宏基因组微生物分类测序测定，测得污泥中厌氧氨氧化菌占比约为9.1%。
实施例1
厌氧膜生物反应器有效容积为5L，膜组件为平板膜，接种含厌氧氨氧化菌的活性污泥，接种后MLSS为4000mg/L。
配制进水，进水中氨氮浓度为100mg/L、亚硝氮浓度为130mg/L，无机碳的浓度为100mg/L。提供氨氮的物质是硫酸铵，提供亚硝氮的物质是亚硝酸钠，提供无机碳的物质是NaHCO3。在进水中投加营养液，配方为：0.025g/LKH2PO4，0.3g/LCaCl2·2H2O，0.2g/LMgSO4·7H2O，0.00625g/LFeSO4，0.00625g/LEDTA。
启动进水，进行富集培养，条件为：溶解氧浓度为0.08mg/L，温度为35℃，pH为7.3，连续进出水，水力停留时间控制在16h。
收集培养过程中产生气体，按照氢气体积占比为95%混合后通入厌氧膜生物反应器中，通入气体量为8m3/(m2·h)。在整个培养过程中，调控厌氧膜生物反应器压力低于0.16MPa。
装置启动3天后，监测到出水亚硝氮浓度低于20mg/L，进水总氮采用梯度提升的方式，按照氨氮：亚硝氮=1:1.2，进水总氮浓度提高100mg/L，继续进行培养。随着污泥活性、浓度逐渐提升，处理能力也不断提升，第28天进水总氮浓度为1120mg/L，通过宏基因组微生物分类测序测定污泥中厌氧氨氧化菌占比达到18.7%，即完成富集培养。整个培养过程中，在第21天压力达到0.040MPa，膜组件进行更换清洗。
实施例2
厌氧膜生物反应器有效容积为5L，膜组件为平板膜，接种含厌氧氨氧化菌的活性污泥，接种后MLSS为6000mg/L。
配制进水，进水中氨氮浓度为100mg/L、亚硝氮浓度为130mg/L，无机碳浓度为150mg/L。提供氨氮的物质是氯化铵，提供亚硝氮的物质是亚硝酸钾，提供无机碳的物质是KHCO3。在进水中投加营养液，配方为：0.025g/LKH2PO4，0.3g/LCaCl2·2H2O，0.2g/LMgSO4·7H2O，0.00625g/LFeSO4，0.00625g/LEDTA。
启动进水，进行富集培养，条件为：溶解氧浓度为0.08mg/L，温度为35℃，pH为7.3，连续进出水，水力停留时间控制在16h。
收集培养过程中产生气体，按照氢气体积占比为90%混合后通入厌氧膜生物反应器中，通气量为12m3/(m2·h)。在整个培养过程中，调控厌氧膜生物反应器压力低于0.16MPa。
装置启动2天后，监测到出水亚硝氮浓度低于20mg/L，进水总氮浓度采用梯度提升的方式，按照氨氮：亚硝氮=1:1.2，进水总氮浓度提高100mg/L，继续进行培养。随着污泥活性、浓度逐渐提升，处理能力也不断提升，第26天进水总氮浓度为1180mg/L，通过宏基因组微生物分类测序测定污泥中厌氧氨氧化菌占比达到19.3%，即完成富集培养。整个培养过程中，在第24天压力达到0.042MPa，膜组件进行更换清洗。
实施例3
厌氧膜生物反应器有效容积为5L，膜组件为平板膜，接种含厌氧氨氧化菌的活性污泥，接种后MLSS为4000mg/L。
配制进水，进水中氨氮浓度为100mg/L、亚硝氮浓度为130mg/L，无机碳的浓度为130mg/L。提供氨氮的物质是碳酸铵，提供亚硝氮的物质是亚硝酸钠，提供无机碳的物质是KHCO3。在进水中投加营养液，配方为：0.025g/LKH2PO4，0.3g/LCaCl2·2H2O，0.2g/LMgSO4·7H2O，0.00625g/LFeSO4，0.00625g/LEDTA。
启动进水，进行富集培养，条件为：溶解氧浓度为0.08mg/L，温度为35℃，pH为7.3，连续进出水，水力停留时间控制在16h。
收集培养过程中产生气体，按照氢气体积占比为90%混合后通入厌氧膜生物反应器中，通气量为12m3/(m2·h)。在整个培养过程中，调控厌氧膜生物反应器压力低于0.16MPa。
装置启动3天后，监测到出水亚硝氮浓度低于20mg/L，进水氨氮浓度采用梯度提升的方式，按照氨氮：亚硝氮=1:1.2，进水总氮浓度提高100mg/L，继续进行培养。随着污泥活性、浓度逐渐提升，处理能力也不断提升，第28天进水总氮浓度为1100mg/L，通过宏基因组微生物分类测序测定污泥中厌氧氨氧化菌占比达到18.2%，即完成富集培养。整个培养过程中，在第25天压力达到0.041MPa，膜组件进行更换清洗。
实施例4
同实施例1，不同在于：富集培养分为两个阶段，在第一阶段投加羟胺，投加浓度为45mg/L，运行至第8天系统总氮容积负荷达到1.1kgN/m3/d，停止投加，进行第二阶段培养。
第17天进水总氮浓度为1240mg/L，通过宏基因组微生物分类测序测定污泥中厌氧氨氧化菌占比达到19.9%，即完成富集培养。整个培养过程中，膜组件的过膜压力最高至0.033MPa，无需进行清洗。
实施例5
同实施例1，不同在于：富集培养分为两个阶段，在第一阶段投加联氨，投加浓度为5mg/L，运行至第9天系统总氮容积负荷达到1.01kgN/m3/d，停止投加，进行第二阶段培养。
第18天进水总氮浓度为1260mg/L，通过宏基因组微生物分类测序测定污泥中厌氧氨氧化菌占比达到18.9%，即完成富集培养。整个培养过程中，膜组件的过膜压力最高至0.031MPa，无需进行清洗。
实施例6
同实施例1，不同在于：富集培养分为两个阶段，在第一阶段投加高丝氨酸内酯，投加浓度为30mg/L，运行至第6天系统总氮容积负荷达到1.03kgN/m3/d，停止投加，进行第二阶段培养。
第16天进水总氮浓度为1260mg/L，通过宏基因组微生物分类测序测定污泥中厌氧氨氧化菌占比达到19.1%，即完成富集培养。整个培养过程中，膜组件的过膜压力最高至0.035MPa，无需进行清洗。
实施例7
同实施例1，不同在于：富集培养分为两个阶段，在第一阶段投加羟胺18mg/L、联氨2mg/L、高丝氨酸内酯12mg/L，运行至第7天系统总氮容积负荷达到1.02kgN/m3/d，停止投加，进行第二阶段培养。
第14天进水总氮浓度为1260mg/L，通过宏基因组微生物分类测序测定污泥中厌氧氨氧化菌占比达到18.4%，即完成富集培养。整个培养过程中，膜组件的过膜压力最高至0.031MPa，无需进行清洗。
比较例1
同实施例1，不同在于：集气袋中氢气体积占比为80%。
运行至第32天进水总氮浓度为940mg/L，通过宏基因组微生物分类测序测定，测得污泥中厌氧氨氧化菌占比达到18.3%，即完成富集培养。培养过程中，膜组件的过膜压力在第24天达到0.041MPa，进行更换清洗。
比较例2
同实施例1，不同在于：未收集厌氧膜生物反应器培养过程中产生气体，只通入相同量的氢气。
运行至第33天进水总氮浓度为910mg/L，通过宏基因组微生物分类测序测定，测得污泥中厌氧氨氧化菌占比达到18.2%，即完成富集培养。培养过程中，膜组件的过膜压力在第23天达到0.041MPa，进行更换清洗。
比较例3
同实施例1，不同在于：收集培养过程中产生气体，通入厌氧膜生物反应器，未使用氢气。
运行至第37天进水总氮浓度为850mg/L，通过宏基因组微生物分类测序测定，测得污泥中厌氧氨氧化菌占比达到18.2%，即完成富集培养。培养过程中，膜组件的过膜压力在第22天达到0.041MPa，进行更换清洗。
Claims (20)
1.一种厌氧氨氧化菌的富集培养方法，其特征在于包括如下内容：将含厌氧氨氧化菌的活性污泥接种至厌氧膜生物反应器中，启动进水，进行富集培养，收集培养过程中产生气体，与氢气混合后通入反应器，进行厌氧氨氧化菌的富集培养。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述含厌氧氨氧化菌的活性污泥取自工业、城市污水处理场活性污泥或者剩余活性污泥，含有脱氮菌、脱碳菌和脱磷菌，其中脱氮菌包括厌氧氨氧化菌、好氧氨氧化菌和反硝化菌。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述活性污泥按照接种后污泥浓度为4000-6000mg/L进行接种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述厌氧膜生物反应器是MBR膜生物反应器，膜组件是平板膜或中空纤维膜。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的进水中含有氨氮、亚硝氮和无机碳，其中总氮浓度控制在200-1500mg/L，氨氮、亚硝氮的配比按照1:1.2-1.3进行调控。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：提供氨氮的物质是铵盐，优选硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：提供亚硝氮的物质是亚硝酸盐，优选亚硝酸钠、亚硝酸钾中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：提供无机碳的物质是KHCO3、NaHCO3的一种或几种，无机碳的浓度控制在100-150mg/L。
9.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于：在进水中投加营养液，配方为：0.02-0.025g/L KH2PO4，0.2-0.3g/L CaCl2·2H2O，0.1-0.2g/L MgSO4·7H2O，0.005-0.00625g/LFeSO4，0.005-0.00625g/L EDTA。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的富集培养条件为：溶解氧浓度低于0.1mg/L，温度为20-35℃，pH为7.0-8.0。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在厌氧膜生物反应器顶部设气体收集系统，用于将富集培养过程中产生的气体收集。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：收集气体在进入厌氧膜生物反应器前与氢气混合，氢气的体积占比为90%-95%。
13.根据权利要求1或12所述的方法，其特征在于：整个培养过程通入气体量以曝气强度控制在5-15m3/(m2·h)，优选8-12 m3/(m2·h)。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在培养过程中，进水基质浓度根据出水亚硝氮浓度采用梯度提升的方式，即当系统出水亚硝氮浓度低于20mg/L时，进水总氮浓度提升50-100mg/L，至系统中厌氧氨氧化菌占比增长1倍以上时，完成富集培养。
15.根据权利要求1或14所述的方法，其特征在于：培养过程分为两个阶段，在第一阶段投加激活剂，当系统总氮容积负荷达到1.0kgN/m3/d以上时，即完成第一阶段培养，停止投加激活剂，开始第二阶段培养，至系统中厌氧氨氧化菌占比增长1倍以上时，完成富集培养。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述激活剂为羟胺、联氨、高丝氨酸内酯中的至少一种，投加浓度为1-80mg/L。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在整个培养过程中，调控厌氧膜生物反应器压力低于0.16MPa。
18.一种用于权利要求1-17任一项所述厌氧氨氧化菌富集培养方法的装置，主要包括进料系统、厌氧膜生物反应器、气体收集系统、压力控制系统；其中进料系统用于调控进水配比并将进水输送至厌氧膜生物反应器中；厌氧膜生物反应器用于厌氧氨氧化菌的富集培养；气体收集系统用于将培养过程中产生的气体收集并与氢气混合后输送至厌氧膜生物反应器；压力控制系统用于对膜生物反应器压力进行调控。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于：气体收集系统主要包括具备气体收集功能的储气设施，优选气柜、缓冲罐、集气袋中任意一种。
20.根据权利要求18所述的装置，其特征在于：气体收集系统进一步还包括干燥设备，收集气体经干燥后进入储气设施，再与氢气混合后输送至厌氧膜生物反应器中。
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