CN101831392B

CN101831392B - 一种自养异养共生氨氧化菌剂及用途

Info

Publication number: CN101831392B
Application number: CN2009100585584A
Authority: CN
Inventors: 李大平; 陶勇; 何晓红; 王晓梅
Original assignee: Chengdu Institute of Biology of CAS
Current assignee: Sichuan Shuiprince Environmental Technology Co ltd
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: CN101831392A

Abstract

本发明属于环境生物技术领域，具体涉及一种处理氨氮废水的自养异养共生氨氧化菌剂及其用途。本发明自养异养共生氨氧化菌剂，由亚硝化单胞菌Nitrosomonas sp.N-1、假单胞菌Pseudomonas sp.He-X、热单胞菌Thermomonas haemolytica D-2、无色杆菌Achromobacter xylosoxidans C-1混合培养而成，用于氨氮废水处理。具有适应范围广，稳定性强，耐环境及毒物冲击等特点。

Description

一种自养异养共生氨氧化菌剂及用途

技术领域

本发明属于环境生物技术领域，具体涉及一种处理氨氮废水的自养异养共生氨氧化菌剂及其用途。

背景技术

随着全球经济的发展，环境问题逐渐成为人们关注的焦点，保护生态环境、提高人们的生活质量已成为许多国家及国际组织的共识。

氨氮是污水中的重要污染物，氨氮含量也是衡量污水排放的重要指标。随着我国城市化进程的加快，排入城市内河和干渠的污水量急剧增加，特别是近年来印染、化工、制药、造纸等工业废水在城市污水中的比例不断增加，对水体中具有环境净化作用的微生物(如硝化菌等)有一定毒害作用，使其净化能力下降，造成氨氮超标。这些氨氮随支流汇入河流、湖泊后可引起水体的富营养化。同时，农业上化肥的大量使用，使进入水体的氨氮不断增加，进一步加剧了水体的富营养化，使水质不断恶化，从而对生态平衡，农业、渔业和旅游业等诸多行业产生不利影响，并引发一系列的环境和健康问题。因此，消除氮污染是近年来环境科学研究的重要课题。

此外，除了城市生活污水及工业废水外，一些高浓度氨氮废水，如垃圾渗滤液的处理目前已成为环境领域的一个难题。垃圾渗滤液是在垃圾堆放过程中，由于废弃物分解以及降水等冲淋浸泡等作用产生的一种成份复杂、难于降解的高浓度含氨氮有机废水，若不妥善处理会造成地表或地下水源污染。我国城市生活垃圾填埋场渗滤液中氨氮浓度通常为1500-2000mg/L，老龄垃圾填埋场渗滤液氨氮甚至高达5000mg/L，而研究表明，当氨氮浓度＞250mg/L，多数活性污泥微生物生长和活性会受到抑制，进而影响硝化效率。因此，应用传统的自养硝化菌剂及脱氮工艺难于处理垃圾渗滤液中的高浓度氨氮。

常用处理水体氨氮污染的方法主要有物理、化学和生物3种。其中生物法脱氮被认为是未来最有潜力、最有发展前景的方法。

传统生物脱氮工艺主要包括硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成。生物脱氮的关键技术是硝化作用，其效率决定了整个处理系统效率的高低。硝化作用主要由两类菌完成，一类是亚硝酸细菌(又称氨氧化菌)，将氨氮氧化成亚硝酸盐，另一类是硝酸细菌(又称硝化细菌)，将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。其中，氨氧化作用是硝化作用的前提和基础。氨氧化菌大多数为专性化能自养型，例如亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌(Nitrosospira)、亚硝化球菌(Nitrosococcus)、亚硝化叶菌(Nitrosolobus)等。这类茵对能量的利用率不高，生长较缓慢。

针对自养氨氧化菌生长慢、效率低等问题，国内外学者就氨氧化菌的培养及菌剂研制等方面的工作进行了大量的研究。重点探讨了pH、温度、溶解氧、游离氨等因素对自养硝化微生物菌株的影响，并申请一些专利。例如，YONEDA(2003)公开了1份氨氧化菌株高浓度培养方法以及培养基的专利(US6569334)，HOEGL(2003)公开的专利描述了自养硝化微生物以及配套载体处理高浓度氨氮废水(US6589425)，NAKANO(2008)公开了一份氨氧化菌群和反硝化菌群富集培养的方法(JP2008017713)，金明记等(2007)公开的专利描述了一种高效微生物复合剂和利用该复合剂处理城市污水的方法(CN101037655)。在硝化微生物使用方面，HOVANEC(2001)和FUCHS UWE(1984)公开的两份美国专利分别描述了氨氧化菌剂与亚硝酸盐氧化菌剂的使用方法、使用浓度以及相应装置(US 6265206，US4479876)。BOCK(1989)的专利描述了硝化菌剂的生产工艺(US4874707)，CHO(2002)的专利描述了硝化细菌载体的生产方法(US6372138)。近年来，有研究报道异养微生物参与硝化作用，可不受C/N比的限制，且生长迅速，在缺少有机碳或在有机物存在的条件下都能进行氨的氧化，可以明显提高脱氮效果。李旭东等(2007)的专利描述将三株异养氨氧化菌按比例混合制备菌剂，可解除C/N对硝化作用的抑制，提高硝化效率(CN 101024814A)。刘志培等(2005)公开的专利利用三株自养细菌、两株异养细菌与一株酵母菌组合配比成为低温硝化菌剂，在较低的温度下具有去除氨氮的作用(CN 1215991C)。

尽管在氨氧化菌的培养及菌剂研制等方面已取得了一定的进展，但面对氨氮污染及全球水体富营养化程度的不断加剧，在新型高效氨氧化菌发现、培养、改造和保存技术，以及高效氨氧化菌剂的研制及规模化应用等方面都有待进一步加强。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的自养/异养微生物共生氨氧化菌剂，有目的的投放到生化反应器中，处理氨氮废水，提高硝化效率。

本发明所述菌剂主要为四种微生物的混合培养物：①Nitrosomonas sp.N-1(亚硝化单胞菌)、②Pseudomonas sp.He-X(假单胞菌)、③Thermomonas haemolytica D-2(热单胞菌)、④Achromobacter xylosoxidans C-1(无色杆菌)，已于2008年12月23日在北京市朝阳区大屯路中国科学院微生物研究所中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，培养物名称为AHAA-4，保藏号为CGMCC No.2824。与其适配的生物反应器有：接触氧化反应器、曝气生物滤池、流化床生物反应器、生物滤塔(池)、完全混合式反应器、SBR反应器、氧化沟反应器、以生物膜方式运行的SBR反应器、推流式活性污泥反应器等。

本发明所述菌剂适合用于城市生活氨氮废水、工业氨氮废水、城市内河/干渠含氨氮水体，以及垃圾渗滤液高浓度氨氮处理。

本发明涉及的技术内容还有：

菌种的富集、驯化和培养

本发明所述自养、异养共生氨氧化菌群系从某污水处理场的活性污泥中，通过模拟废水长期富集培养，不断驯化所得。其详细步骤如下：

富集培养基成分(g/L)：NH₄Cl 1.0，KH₂PO₄ 0.7，MgSO₄·7H₂O 0.5，CaCl₂·2H₂O 0.5，NaCl 10，NaHCO₃1.0，微量元素溶液1mL。

微量元素(g/100mL)：CuSO₄·5H₂O 0.32，CoCl₂·6H₂O 0.32，(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O 0.24，ZnSO₄·7H₂O 0.44，EDTA 1.0，FeSO₄·7H₂O 1.0，MnSO₄·H₂O 0.87。

驯化培养基(g/L)：NH₄Cl 0.8，NaHCO₃ 1.0，NaCl 1.0，K₂HPO₄ 0.75，KH₂PO₄ 0.25，MgSO₄·7H₂O 0.03，MnSO₄·H₂O 0.01，FeSO₄·7H₂O 0.001，微量元素溶液1mL。

将采集污泥样品接入富集培养基中，振荡富集培养两个月，温度30℃，转速150r/min，其间每天检测培养基中的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、NO₃ ^--N的浓度，若NH₄ ⁺-N低于10mg/L，则以25％的比例转接到新鲜的培养基中。富集结束后，取适量富集样品接入驯化培养基中，30℃，pH为7.5～8.0，恒温磁力搅拌器上培养，每天检测培养基中的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、NO₃ ^--N的浓度，若NH₄ ⁺-N低于10mg/L，则以25％的比例转接到新鲜的培养基中，时间约3个月。

菌剂的制备

1、菌种活化

菌种的模拟氨氮废水培养基(g/L)：NH₄Cl 0.8，NaHCO₃ 1.0，Na₂HPO₄ 10.5，KH₂PO₄ 0.3，MgSO₄·7H₂O 0.5。

按5％比例将驯化后菌剂接入模拟氨氮废水培养基，30℃培养3-5d，氨氮＜10mg/L收集菌体，即液态自养、异养共生氨氧化菌剂。固态菌剂所用的吸附剂为经过处理的干燥麦麸或米糠或木削、或其混合物，其用量为每升混合菌液加入吸附剂1千克，搅拌混匀，然后45℃下烘干16-20小时，至含水量为15-18％，即为干菌剂，定量包装，8-15℃低温保存。

2、菌剂的主要指标

1)液态菌剂：总活菌数5.0×10⁸CFU/mL以上，氨氧化菌1.0×10⁷CFU/mL以上，成悬液状。

2)固体菌剂：总活菌数5.0×10⁸CFU/g，氨氧化菌1.0×10⁷CFU/g。

本发明所述菌剂可应用于城市生活氨氮废水、工业氨氮废水、城市内河/干渠含氨氮水体，以及垃圾渗滤液高浓度氨氮废水处理。

3、培养基

培养基成分(g/L)：NH₄Cl 0.8，葡萄糖：0.015，NaHCO3 1.0，Na₂HPO₄ 10.5，KH₂PO₄ 0.3，MgSO₄·7H₂O 0.5，微量元素1mL，pH 7.2-7.4，温度25-30℃；其中，微量元素(g/100mL)：CuSO₄·5H₂O 0.32，CoCl₂·6H₂O 0.32，(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O 0.24，ZnSO₄·7H₂O 0.44，EDTA1.0，FeSO₄·7H₂O 1.0，MnSO₄·H₂O 0.87。

本发明的优点在于：

1、本自养、异养共生氨氧化菌剂适应范围广，能够耐受10-40℃温度；在溶解氧(DO)0.5mg/l以上，低于3.0％盐度(NaCl)及2-1000mg/L氨氮浓度生长良好，转化效率不受影响。

2、本菌剂在完全无机营养环境或C/N＜3∶1条件下生长迅速，48h内氨氧速率可达到峰值。批式培养的氨氧化速率最高可达150mg/L·d。并且，在缺少有机碳或在有机物存在的条件下都能进行氨的氧化，可以明显提高脱氮效果。

3、本菌剂具有稳定性强，耐环境及毒物冲击等特点，可直接用于处理垃圾渗滤液氨氮。最高处理垃圾渗滤液负荷可达0.650kgN/m3.d。

4、本菌剂经挂膜后，可迅速降低城市生活污水及河流湖泊中低浓度的氨氮。

具体实施方案

为了更好地理解本发明，通过以下实施实例进一步说明，但并非本发明的限定。

实施例1：自养、异养共生氨氧化菌剂的制备

培养基成分(g/L)：NH₄Cl 0.8，葡萄糖0.015，NaHCO₃ 1.0，Na₂HPO₄ 10.5，KH₂PO₄ 0.3，MgSO₄·7H₂O 0.5，微量元素1mL，pH 7.2-7.4，温度25-30℃；其中，微量元素(g/100mL)：CuSO₄·5H₂O 0.32，CoCl₂·6H₂O 0.32，(NH4)₆Mo₇O₂₄·4H₂O 0.24，ZnSO₄·7H₂O 0.44，EDTA1.0，FeSO₄·7H₂O 1.0，MnSO₄·H₂O 0.87。

将保藏的菌种接入上述培养液中，25-30℃活化3d。然后按5％比例接入新鲜的培养基中(NH4Cl 0.8g/L)，继续培养3-5d，氨氮＜10mg/L收集菌体，即液态自养、异养共生氨氧化菌剂。固态菌剂所用的吸附剂为经过处理的干燥麦麸或米糠或木削、或其混合物，其用量为每升混合菌液加入吸附剂1千克，搅拌混匀，然后45℃下烘干16-20小时，至含水量为15-18％，即为干菌剂，定量包装，8-15℃低温保存。

实施例2：自养、异养共生氨氧化菌剂对垃圾渗滤液中氨氮的去除

渗滤液(NH₄-N：1810-1910mg/L，COD：4300-5800mg/L，pH 7.6-7.8)经5倍稀释后，作为一个连续式生物反应器(有效容积1.5L)的起始溶液，按5％比例加入本菌剂，温度25℃，溶解氧1.9mg/L，驯化5-7d后，以相同的稀释液作为连续进水，氨氮负荷保持在0.10-0.15Kg N/m3.d，出水氨氮逐渐降低到＜10mg N/L，氨氮去除率达90％以上。待反应器中氨氮稳定到10mg/L以下后，逐步以4倍、3倍、2倍稀释的渗滤液及原液替换进水，待出水氨氮可稳定保持在10mg/L以下，完成驯化，整个阶段约45-50d。在此后的反应器运行期间，逐渐提高连续进水的氨氮负荷。当最大负荷达到0.6kgN/m3.d时，出水氨氮可稳定保持在10mg N/L以下，氨氮去除率可达99.4％。氨氮负荷继续增加后，出水氨氮将超过10mg/L，去除率也有所下降。

实施例3：自养、异养共生氨氧化菌剂对模拟废水中氨氮的去除效果

配制模拟废水，氨氮浓度从100mgN/L至1000mgN/L，按5％比例加入本菌剂，控温28.5℃，中速搅拌培养(约200r/min)。每天检测pH值，当pH低于6.80时，添加适量NaHCO₃调节碱度。每天检测氨氮残留量。结果见图2，NH4+-N浓度在100-1000mg/L范围内，氨氧化混合菌群生长正常并具有较高的氨氧化活性，氧化速率随浓度增加而增加，最高负荷可达0.150kgN/m3.d，残留氨浓度低至0-3mg/L。

实施例4：自养、异养共生氨氧化菌剂对城市内河及干渠中低浓度氨氮的去除效果

成都市高新区南干堰段水样主要为工业废水及生活污水混合而成，氨氮浓度随季节及降雨而变化，约1.8-18.4mg/L。自然水样于25℃存放30天，氨氮浓度基本不变，表明水体自净能力丧失，有待修复。因此本实施例以此水样为处理样本，研究菌剂对水样中氨氮的去除效果。

取1000mL抽滤瓶作为反应器，内装入三片膜，加入水样700mL(NH4+-N浓度：18.14mg/L)，再加入氨氧化菌剂2mL，室温(18±2℃)曝气，每天检测氨氮，待氨氮消耗完后重新换水，直到氨氧化菌附着在膜上，形成稳定的生物膜。经过25d后，完成挂膜，进行南干堰水的连续处理试验。

南干堰水通过恒流泵进入反应器中，水力停留时间从初始的4.2h逐渐缩短到2h、1h、0.5h.由于南干堰水质情况很不稳定，进水氨氮最高达到18.37mg/L，最低为1.8mg/L。试验中当水力停留时间4.2h时，进水氨氮18.14mg/L，氨氮平均降低为0.37mg/L，氨氮负荷0.101kgN/m3.d；当停留时间缩短到2h，这时平均进水氨氮13.98mg/L，处理后出水氨氮降低为0.95mg/L，氨氮负荷0.156kgN/m3.d；水力停留时间降低为1h，进水平均氨氮10.29mg/L，处理后出水氨氮为2.23mg/L，氨氮负荷0.191kgN/m3.d；当水力停留时间降低为0.5h，进水氨氮为2.77mg/L，出水0.32mg/L，氨氮负荷0.117g/N/m3.d。

Claims

1.一种自养异养共生氨氧化菌剂，其特征在于：由亚硝化单胞菌(Nitrosomonas sp.)N-1、假单胞菌(Pseudomonas sp.)He-X、热单胞菌(Thermomonas haemolytica)D-2、无色杆菌(Achromobacterxylosoxidans)C-1混合培养而成，该培养物于2008年12月23日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，保藏号为CGMCC No.2824。

2.权利要求1所述的自养异养共生氨氧化菌剂在氨氮废水处理中的用途。

3.权利要求1所述的自养异养共生氨氧化菌剂在城市生活氨氮废水、工业氨氮废水、城市内河/干渠含氨氮水体、以及垃圾渗滤液高浓度氨氮废水处理中的用途。