CN116730490A - 一种导电细菌耦合零价铁实现水体零碳脱氮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导电细菌耦合零价铁实现水体零碳脱氮的方法，属于含氮废水处理技术领域。本发明是将含硝态氮的污染水体置于反应器中，然后按配比向所述污染水体中加入导电细菌和零价铁，再继续加入反硝化模式微生物或厌氧反硝化污泥，最后将所述反应器中氧气排净后密封，20‑35℃恒温条件下恒温振荡反应2‑20天；其中：所述反应器中不人为添加额外有机碳源。本发明将导电细菌与零价铁耦合，可以利用导电细菌提取零价铁中电子，并将其定向传递至反硝化菌群，从而提升零价铁的电子利用率和反硝化效率。同时，与传统方法相比，本发明方法不需要额外提供有机电子供体，有望减少反硝化过程中的碳排放。
Description
技术领域
本发明属于含氮废水处理技术领域，具体涉及一种导电细菌耦合零价铁实现水体零碳脱氮的方法。
背景技术
硝酸盐被认为是水体中的一种典型污染物，其主要通过工业活动及农业生产过程中化肥大量使用被排放到环境中。尽管硝酸盐是一种生物必需的营养物质，但是其过量存在于水体中会导致水体富营养化，并能危害人体健康。水体硝酸盐污染问题引起了科研工作者和政府部门的广泛关注，是水处理领域中的研究重点。
厌氧反硝化是一种传统的微生物硝酸盐处理技术，利用反硝化细菌呼吸代谢有机碳时产生的电子实现硝酸盐逐步还原转化为氮气。不难发现，异养厌氧反硝化的处理效率取决于有机碳与硝态氮的比值，理论上，当有机碳(以化学需氧量(COD)计)与硝态氮比值为2.86时，硝态氮可被完全转化为氮气。但是在实际场景下，有机碳与硝态氮比值在5左右时，才能实现水体中硝态氮的完全去除。在水处理过程中，往往需要通过厌氧消化除去废水中的有机质，再通过厌氧反硝化去除硝酸盐。此时，通常会面临有机碳不足的情况，需要加入额外碳源提升反硝化效率，进而增加处理成本。因此需要寻找一种高效绿色的替代电子供体，以降低反硝化过程中的处理成本。
零价铁由于其成本低廉、环境友好等特点，零价铁及相应的铁基材料被科研工作者用于强化低碳氮比废水的处理过程。此过程中，通常是利用零价铁厌氧析氢腐蚀产生的氢气作为电子供体来提升低碳氮比废水的反硝化效率。但是，受限于氢气的溶解度，铁基材料的电子无法被高效用于反硝化过程。并且由于硝酸盐化学还原过程与生物还原过程对电子具有竞争效应，部分硝氮会被化学还原为氨氮，从而影响水体脱氮效能。因此，寻找一种方法调控零价铁在生物反硝化过程中的电子选择性(即零价铁贡献于还原硝氮到氮气的选择性占其反应消耗总电子的比例)，成为提升零价铁电子利用效率的关键问题。
有研究表明，导电细菌可以参与金属微生物腐蚀过程，从金属材料处得到电子，并可通过微生物胞外电子传递过程，将电子重新分配至环境中的电子受体。因此，利用导电细菌耦合零价铁有望成为提高零价铁的电子选择性的有效途径之一，并且有望在不添加有机碳源的情况下，实现水体脱氮。
基于上述理由，提出本申请。
发明内容
本发明所解决的技术问题是针对低碳氮比废水厌氧反硝化效率低的问题，提供一种高效廉价的导电细菌耦合零价铁耦合技术，以降低成本和碳排放，并提高厌氧反硝化效率与零价铁电子利用率的方法。
基于上述理由，针对现有技术中存在的问题或缺陷，本发明的目的在于提供一种导电细菌耦合零价铁实现水体零碳脱氮的方法，解决或至少部分解决现有技术中存在的上述技术缺陷。
为了实现本发明的上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种导电细菌耦合零价铁实现水体零碳脱氮的方法，所述方法具体包括如下步骤：
将含硝态氮的污染水体置于反应器中，然后按配比向所述污染水体中加入导电细菌和零价铁，再继续加入反硝化模式微生物或厌氧反硝化污泥，最后将所述反应器中氧气排净后密封，20-35℃恒温条件下恒温振荡反应2-20天；其中：所述反应器中不人为添加额外有机碳源。
进一步地，上述技术方案，所述污染水体中硝态氮的浓度均介于28-70ppm之间。所述硝态氮指硝酸盐中所含有的氮元素。
进一步地，上述技术方案，在本发明的一个优选实施例中，所述导电细菌为奥奈达希瓦氏菌MR-1(Shewanella oneidensis MR-1)。
更进一步地，上述技术方案，所述奥奈达希瓦氏菌MR-1以奥奈达希瓦氏菌MR-1菌液的形式添加，在本发明的一个优选实施例中，所述奥奈达希瓦氏菌MR-1菌液采用下述方法培养而成：
将奥奈达希瓦氏菌MR-1置于LB培养液中，30℃、220转/min条件下培养12h，然后离心收集，利用生理盐水洗净残留培养液；其中：所述LB培养液配方为：10g/L胰蛋白胨，5g/L酵母浸膏，5g/L氯化钠。
进一步地，上述技术方案，所述零价铁包括商业微米零价铁或球磨零价铁。
更进一步地，上述技术方案，所述商业微米零价铁为100-300目还原性铁粉，在本发明的一个优选实施例中，所述零价铁的尺寸为100目。
更进一步地，上述技术方案，所述球磨零价铁平均粒径为0.5-2微米，所述球磨零价铁具体是将微米零价铁经球磨后制备而成。
优选地，上述技术方案，所述球磨的工艺具体如下：所述球磨的速度为200-800转/min，球磨的时间为2-6h。在本发明的一个优选实施例中，所述球磨的速度为500转/min，球磨的时间为4h。
进一步地，上述技术方案，所述零价铁与污染水体的用量比为0.5-2g/L。在本发明的一个优选实施例中，所述零价铁与污染水体的用量比为1g/L。
进一步地，上述技术方案，在本发明的一个优选实施例中，所述反硝化模式微生物为脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)。所述脱氮副球菌采用菌液的形式添加，在本发明的一个优选实施例中，所述脱氮副球菌菌液采用下述方法培养而成：
将脱氮副球菌置于LB培养液中，30℃、220转/min条件下培养24h，然后离心收集，利用生理盐水洗净残留培养液；其中：所述LB培养液配方为：10g/L胰蛋白胨，5g/L酵母浸膏，5g/L氯化钠。
进一步地，上述技术方案，在本发明的一个优选实施例中，所述污染水体中奥奈达希瓦氏菌MR-1与脱氮副球菌的浓度比为2：1。
进一步地，上述技术方案，利用厌氧反硝化污泥处理时，所述厌氧反硝化污泥的接种量(湿重)为1-10kg/m3。在本发明的一个优选实施例中，所述厌氧反硝化污泥的接种量(湿重)为5kg/m3，所述奥奈达希瓦氏菌MR-1OD600＝0.08。
本发明涉及的技术原理如下：
异养反硝化水处理过程中，水体脱氮效率主要受生物可利用性有机碳限制，其本质为电子供体受限，往往需要在处理过程中投加有机碳源强化水体脱氮，这种做法会增加水处理成本并增加碳排放。因此，有必要寻找廉价易得的无机电子供体以节约成本并减少碳排放。零价铁是一种廉价易得的无机电子供体，其在水处理过程中具有优异的应用前景。本发明利用导电细菌增强零价铁电子利用效率，并且使其电子能够高效应用于反硝化过程。其中，导电细菌细胞外膜中的细胞色素c通过自身氧化还原状态的变化实现电子的跨膜运输，当细菌与零价铁接触后，细胞色素c被零价铁还原，进而将所获取的电子传递至细胞内部通过一系列导电蛋白进行再分配。当导电细菌与其他环境功能微生物(例如反硝化细菌)接触时，二者间可以形成类似纳米孔道的导电结构，导电细菌的富余电子可以通过该导电结构传递至环境功能微生物，以协助其完成相应的环境功能。由此，利用导电细菌耦合零价铁可以增强零价铁电子利用效率，并且提高反硝化过程中零价铁的电子选择性。
由本发明实验结果可知，在反硝化细菌接种量与零价铁投加量一定时，体系的脱氮效率与导电细菌的接种量成正相关。这是由于导电细菌会调控脱氮体系内硝酸盐所涉及的化学过程和生物过程，其中，当导电细菌接种量不足时，会导致部分零价铁与硝酸盐反应形成氨态氮，这不利于水体完全脱氮。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用的零价铁具有成本低廉、环境友好等优点，通常作为电子供体用于环境污染修复过程。本发明将其作为电子供体应用于厌氧反硝化处理过程，替代传统电子供体(甲醇、乙酸钠等)，以实现低碳氮比废水高效脱氮，并降低成本。
(2)传统方法中，通常利用零价铁厌氧腐蚀产生的氢气为微生物代谢提供电子，但是由于氢气的溶解度低，微生物无法高效利用零价铁腐蚀产生的氢气。而导电细菌能够通过诱导金属腐蚀的方式获取零价铁中的电子，并且，导电细菌能够将自身代谢过程所产生的电子通过胞外电子传递过程传递至环境中其他电子受体，调控环境中电子流。
(3)传统铁基材料强化水体脱氮技术中，往往需要通过烧结或加入改性剂等方式制备铁基材料，本发明方法中，不需要对零价铁进行复杂处理，材料简单易得。
(4)本发明将导电细菌与零价铁耦合，可以利用导电细菌提取零价铁中电子，并将其定向传递至反硝化菌群，从而提升零价铁的电子利用率和反硝化效率。同时，与传统方法相比，本发明方法不需要额外提供有机电子供体，有望减少反硝化过程中的碳排放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1所使用的导电细菌表面细胞色素c的拉曼光谱图；
图2为实施例2(N2组)、实施例3(N3组)和对比例1(N1组)三种不同处理方式促进水体脱氮效果对比图；
图3为实施例3中奥奈达希瓦氏菌与脱氮副球菌接种比为2：1时的水体脱氮效果图；
图4为实施例4中奥奈达希瓦氏菌与脱氮副球菌接种比为1：1时的水体脱氮效果图；
图5为实施例5、对比例2和对比例3在不同体系下增强反硝化污泥零碳脱氮效果对比图。
具体实施方式
下面通过实施案例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施案例。
根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。
为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。
本发明中所采用的设备和原料等均可从市场购得，或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
下述实施例中涉及的奥奈达希瓦氏菌MR-1(Shewanella oneidensis MR-1，ATCC700550)获取自中国普通微生物菌种保藏管理中心。
下述实施例中涉及的脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans，ATCC 17741)获取自宁波明舟生物科技有限公司；
下述实施例中涉及的厌氧反硝化污泥来自江西省赣州市白塔污水处理厂生化池，经实验室序批式反应器造粒驯化后使用：反应器有效容积为10.24L，换水率为50％，反应器采用间歇式运行，循环周期为6h，包括进水(3min)、反应(345min)、沉淀(20min)、排水(2min)4个过程。反应过程中使用机械搅拌器进行搅拌以促进污泥造粒。由16s rRNA测序结果可知，其优势反硝化微生物所属种属Thauera、Ohtaekwangia、Nitrosomonas。
实施例1
导电细菌与零价铁接触后导电细菌表面细胞色素c的表征
将导电细菌与零价铁混合培养：将奥奈达希瓦氏菌MR-1使用标准LB培养液(LB培养液配方为：10g/L胰蛋白胨，5g/L酵母浸膏，5g/L氯化钠)在30℃，200转/min条件下培养12小时后，在7000转/min转速下富集细菌，投加入100mL含有1g/L球磨零价铁的生理盐水中，使其OD600＝0.1。利用氩气除氧后，密封于30℃，30转/min条件下培养，间隔取样。样品取出后使用拉曼光谱仪进行测定。拉曼光谱仪激光波长为532nm，激光功率为40mW。其表面细胞色素c的拉曼光谱随时间的变化如图1所示。可以发现，随着培养时间的延长，样品中细胞色素c的特征峰(750cm-1，1129cm-1和1584cm-1)均明显增强。其中，750cm-1处特征峰代表细胞色素c中吡咯氮间静电吸引的强度，当细胞色素c被还原时，其中心的三价铁离子被还原为二价铁离子，与其配位的吡咯氮的静电吸引变强，对应拉曼信号增强，由此可以发现，在导电细菌与零价铁接触混合培养过程中，导电细菌表面的细胞色素c被还原。1584cm-1处特征峰的强度代表细菌表面还原态细胞色素c的相对含量，可以发现，随着导电细菌与零价铁混合培养时间延长，导电细菌表面还原态细胞色素c的相对含量有明显增加。拉曼光谱结果可以说明，零价铁能够提供电子还原细胞色素c。
实施例2
本实施例的一种导电细菌耦合零价铁实现水体零碳脱氮的方法，所述方法具体包括如下步骤：
针对硝态氮污染水体的修复，本实施例以100mL浓度为28ppm硝态氮水溶液作为模拟废水，向其中加入0.1g 100目商业微米零价铁，并加入导电细菌奥奈达希瓦氏菌MR-1菌液和脱氮副球菌菌液，再利用氩气排净反应瓶中氧气后密封，放入30℃转速为30转/min的恒温摇床内反应，定时取样，利用离子色谱测定硝酸根、亚硝酸根和铵根浓度，并换算为硝氮、亚硝氮和氨氮浓度；其中：
所述硝态氮水溶液由250mg/L NaHCO3、25mg/L NaH2PO4、和2mmol/L KNO3组成；
污染水体中所述奥奈达希瓦氏菌MR-1与脱氮副球菌的浓度比(接种比)为2：1；具体地，所述奥奈达希瓦氏菌MR-1的OD600(MR-1)＝0.16；所述脱氮副球菌的OD600(P.d)＝0.08；
所述奥奈达希瓦氏菌MR-1菌液采用下述方法培养而成：
将奥奈达希瓦氏菌MR-1置于LB培养液中，30℃、220转/min条件下培养12h，然后离心收集，利用生理盐水洗净残留培养液；其中：所述LB培养液配方为：10g/L胰蛋白胨，5g/L酵母浸膏，5g/L氯化钠。
所述脱氮副球菌菌液采用下述方法培养而成：
将脱氮副球菌置于LB培养液中，30℃、220转/min条件下培养24h，然后离心收集，利用生理盐水洗净残留培养液；其中：所述LB培养液配方为：10g/L胰蛋白胨，5g/L酵母浸膏，5g/L氯化钠。
实施例3
本实施例的一种导电细菌耦合零价铁实现水体零碳脱氮的方法，所述方法与实施例2基本相同，区别仅在于：本实施例采用的零价铁为球磨零价铁，其具体制备方法为：将100目商业微米零价铁在500转/min的条件下球磨4h所制得，所得球磨零价铁的平均粒径为1.31μm。
对比例1
本对比例的一种利用导电细菌实现水体零碳脱氮的方法，所述方法与实施例2基本相同，区别仅在于本对比例不加入零价铁。
图2为实施例2(N2组)、实施例3(N3组)和对比例1(N1组)三种不同处理方式促进水体脱氮效果对比图。可以发现，不加入零价铁的对照组(N1组)几乎无水体脱氮性能，而加入球磨零价铁(N3组)后，在6天内可实现约25ppm硝氮完全去除，加入微米零价铁组(N2组)可实现约20ppm硝氮去除，剩余约8ppm的氮元素以氨氮的形式积累。
实施例4
本实施例的一种导电细菌耦合零价铁实现水体零碳脱氮的方法，所述方法与实施例3基本相同，区别仅在于：本实施例污染水体中奥奈达希瓦氏菌MR-1与脱氮副球菌的接种比为1：1；所述奥奈达希瓦氏菌MR-1的OD600(MR-1)＝0.08；所述脱氮副球菌的OD600(P.d)＝0.08。
图3为实施例3中奥奈达希瓦氏菌MR-1与脱氮副球菌接种比为2：1时的水体脱氮效果图。图4为实施例4中奥奈达希瓦氏菌MR-1与脱氮副球菌接种比为1：1时的水体脱氮效果图。可以发现，在其他条件相同时，提高奥奈达希瓦氏菌MR-1的接种比可以有效提升反硝化体系的脱氮速率和脱氮效率。
实施例5
本实施例的一种导电细菌耦合零价铁实现水体零碳脱氮的方法，所述方法具体包括如下步骤：
针对硝酸盐污染水体的修复，以100mL浓度为70ppm硝态氮的水溶液作为模拟废水，向其中加入0.1g球磨零价铁，并将奥奈达希瓦氏菌MR-1按照OD600＝0.08进行接种，同时厌氧反硝化污泥的接种量(湿重)为5kg/m3，利用氩气排净反应瓶中氧气后密封，放入30℃转速为30转/min的恒温摇床内反应，定时取样，利用离子色谱测定硝酸根、亚硝酸根和铵根浓度，并换算为硝氮、亚硝氮和氨氮浓度；其中：
所述硝态氮水溶液由250mg/L NaHCO3、25mg/L NaH2PO4、和5mmol/L KNO3组成；
本实施例采用的零价铁为球磨零价铁，其具体制备方法为：将100目商业微米零价铁在500转/min的条件下球磨4h所制得，所得球磨零价铁的平均粒径为1.31μm。
对比例2
本对比例的一种导电细菌实现水体零碳脱氮的方法，与实施例6基本相同，区别仅在于：本对比例未添加球磨零价铁和导电细菌奥奈达希瓦氏菌MR-1。
对比例3
本对比例的一种导电细菌实现水体零碳脱氮的方法，与实施例6基本相同，区别仅在于：本对比例未添加导电细菌奥奈达希瓦氏菌MR-1。
上述对比例2和对比例3同时设置仅有反硝化污泥，及有反硝化污泥与球磨零价铁混合体系作为对照实验。
图5为实施例5(N3组)、对比例2(N1组)和对比例3(N2组)三种不同处理方式促进水体脱氮效果的对比图。可以发现，仅有反硝化污泥的对照组(N1组)在2天内无明显水体脱氮性能，加入球磨零价铁(N2组)后，在2天能可实现约20ppm硝态氮去除。而当同时加入球磨零价铁与导电细菌奥奈达希瓦氏菌MR-1(N3组)后，反硝化污泥的水体脱氮性能得到显著加强，其在2天可以实现约65ppm硝氮的完全去除。
Claims (10)
1.一种导电细菌耦合零价铁实现水体零碳脱氮的方法，其特征在于：述方法具体包括如下步骤：
将含硝态氮的污染水体置于反应器中，然后按配比向所述污染水体中加入导电细菌和零价铁，再继续加入反硝化模式微生物或厌氧反硝化污泥，最后将所述反应器中氧气排净后密封，20-35℃恒温条件下恒温振荡反应2-20天；其中：所述反应器中不人为添加额外有机碳源。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述污染水体中硝态氮的浓度均介于28-70ppm之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述导电细菌为奥奈达希瓦氏菌MR-1(Shewanella oneidensis MR-1)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述零价铁包括商业微米零价铁或球磨零价铁。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述零价铁与污染水体的用量比为0.5-2g/L。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述零价铁与污染水体的用量比为1g/L。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述反硝化模式微生物为脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述污染水体中奥奈达希瓦氏菌MR-1与脱氮副球菌的浓度比2：1。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用厌氧反硝化污泥处理时，所述厌氧反硝化污泥的接种量为1-10kg/m3。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述厌氧反硝化污泥的接种量为5kg/m3，所述奥奈达希瓦氏菌MR-1OD600＝0.08。
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