本发明属于环境微生物领域，具体地说涉及一种功能强化脱氮微生物的富集培养方法，特别是涉及一种利用连续培养系统富集培养脱氮微生物的方法。
背景技术：
传统的污水处理厂二级生物处理工艺通常没有针对高浓度氨氮污染物的去除而设计，因此对氨氮去除效率较低。近年来发展起来的新型生物脱氮工艺，如厌氧氨氧化、短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等技术都是解决氨氮污染问题的好方法。由于降解氨氮的微生物生长缓慢，所以保持一定的生物量是生物脱氮技术在工业上实现的关键环节之一。
生物膜水处理技术可使反应器中保持较高的生物量，但是当操作波动时生物膜易脱落并堵塞填料，导致脱氮效果变差。CN03279644.7提出的平槽涡流生物反应器的特点是在反应器内装有沿反应器轴向布置的螺旋形涡流板，在涡流板之间装有高分子填料，该反应器可以减少和避免填料堵塞，但在操作受到冲击或挂膜时间长、体系悬浮生物量多时，菌体仍然会大量流失。将膜分离技术与生物处理单元相结合的膜生物反应器（MBR）可以解决菌体随水流失问题。但用于截留固体污染物的膜容易污染，膜被污染后水的通过能力将大幅下降，这些问题使膜生物反应器在大水量的工业应用中受到限制。
短程硝化反硝化生物脱氮技术，又称亚硝酸型生物脱氮技术，就是将硝化过程控制在NO2-N阶段而终止，随后进行亚硝酸盐反硝化脱氮。与传统生物脱氮技术相比，短程硝化-反硝化生物脱氮技术能缩短水力停留时间，可节省25%的能耗和40%的碳源，同时可以减少剩余污泥处理量。目前短程硝化采用低溶解氧(DO)、高温、高pH、抑制因子等因素来控制或筛选亚硝化优势菌群，由于条件变化使短程硝化向全程硝化转化的现象无法有效控制；短程反硝化主要采用悬浮活性污泥法，由于系统内负责脱氮功能的污泥浓度低，导致总氮去除效果不理想，特别是当条件控制不好污水处理系统受到冲击时，需要补加一定的生物量来进行快速修复。富集培养负责脱氮微生物是实现短程硝化反硝化生物脱氮技术的适宜手段。
存在于自然界中的微生物只有很小一部分能获得纯培养，特别是负责脱氮的微生物群体效应较强，纯培养后的功能效果较混合培养时要差；即使能够得到纯培养微生物，应用于工程系统中利用的底物有限，抗冲击能力弱，所以对于脱氮菌群来说，采用非纯培养系统在特定的环境中进行定向富集，可以获得功能微生物占绝对优势的脱氮微生物群落。
CN201010513960.X公开了一种功能强化微生物的培养系统及定向富集方法，培养系统包括亚硝酸菌培养生物反应器及与其偶联的移动床吸附过滤装置、反硝化菌培养生物反应器及与其偶联的移动床吸附过滤装置；移动床吸附过滤装置将相应生物反应器带出的微生物菌体回收，回收的微生物菌体可以循环回相应的生物反应器，也可以根据需要外排出售或用于相关的污水处理系统中。该方法可以同时富集培养两种菌体，但是菌体培养时间较长，而且菌体的脱氮活性也有待提高。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种功能强化脱氮微生物的富集培养方法。本发明方法可以连续高效培养并收集亚硝酸菌和以亚硝酸盐氮为底物的反硝化菌，显著提高菌体的生物量和脱氮活性，大大缩短菌体的培养时间。
本发明功能强化脱氮微生物的富集培养方法采用的培养系统包括亚硝酸菌培养生物反应器、亚硝酸菌移动床吸附过滤装置、反硝化菌培养生物反应器和反硝化菌移动床吸附过滤装置；首先将含氨废水打入亚硝酸菌培养生物反应器，在好氧条件下进行亚硝酸菌富集培养，培养过程中投加亚硝酸菌生长促进剂，培养后的硝化出水从上部进入亚硝酸菌移动床吸附过滤装置，亚硝化菌被截留收集；吸附过滤后的硝化出水进入反硝化菌培养生物反应器进行反硝化菌的富集培养，培养过程中投加反硝化菌生长促进剂，处理后的反硝化出水进入反硝化菌移动床吸附过滤装置，反硝化菌被截留收集；收集的亚硝酸菌或反硝化菌，循环回相应的生化反应器，同时根据需要连续或定期分离部分富集培养的菌体外排包装，得到相应功能强化微生物菌体；所述的亚硝酸菌生长促进剂包括金属盐、多胺类物质、有机酸羟胺和Na2SO3，所述的反硝化菌生长促进剂包括金属盐、多胺类物质、有机酸羟胺和有机酸盐，其中所述金属盐由钙盐、铜盐、镁盐和/或亚铁盐组成。
本发明所述的亚硝酸菌生长促进剂中，金属盐为40-100重量份，优选为50-80重量份，多胺类物质为5-30重量份，优选为10-20重量份，有机酸羟胺为0.05-1.5重量份，优选为0.1-1.0重量份，Na2SO3为10-40重量份，优选为20-30重量份。
本发明所述的反硝化菌生长促进剂中，金属盐为40-100重量份，优选为50-80重量份，多胺类物质为5-30重量份，优选为10-20重量份，有机酸羟胺为0.5-15重量份，优选为2-10重量份，有机酸盐为5-30重量份，优选为10-20重量份。
本发明所述的两种生长促进剂中，所述的金属盐可以为钙盐、铁盐和铜盐，其中Ca2+、Fe2+和Cu2+的摩尔比为（5-15）:（1-8）:（0.5-5），优选为（8-12）:（2-6）:（1-4）；或者是钙盐、镁盐和铜盐，其中Ca2+、Mg2+和Cu2+的摩尔比为（5-15）:（5-25）:（0.5-5），优选为（8-12）:（10-20）:（1-4）；或者是钙盐、镁盐、铁盐和铜盐，其中Ca2+、Mg2+、Fe2+和Cu2+的摩尔比为（5-15）:（5-25）:（1-8）:（0.5-5），优选为（8-12）:（10-20）:（2-6）:（1-4）。
本发明所述的两种生长促进剂中，钙盐为CaSO4或者CaCl2，镁盐为MgSO4或者MgCl2，铜盐为CuSO4或者CuCl2，铁盐为FeSO4或者FeCl2。所述的多胺类物质为精胺、亚精胺或者两者的混合物。所述有机酸羟胺为甲酸羟胺、乙酸羟胺或者两者的混合物。
本发明所述的反硝化菌生长促进剂中，所述的有机酸盐为乙酸钠、琥珀酸钠和柠檬酸钠等有机酸盐中的一种或几种，有机酸盐有助于诱导出反硝化作用所需的亚硝酸还原酶，反硝化脱氮效果好。
本发明所述的生长促进剂在使用过程中，首先将促进剂溶解，按照培养液中促进剂浓度10-50mg/L进行投加，优选20-40mg/L进行补加。
本发明中，亚硝酸菌培养生物反应器可以采用本领域任意生物曝气反应器，反应器内可以使用填料，也可以不使用填料。反硝化菌培养生物反应器可以采用本领域任意搅拌生物反应器，反应器内可以使用填料，也可以不使用填料。两个生物反应器优选采用连续操作方式。
本发明中，亚硝酸菌移动床吸附过滤装置和反硝化菌移动床吸附过滤装置可以采用连续操作的移动床过滤装置，移动床过滤装置将进水中的悬浮物吸附过滤得到清液，同时清洗吸附悬浮物的填料得到浓缩的悬浮物。具体如CN03134006.7、CN03134007.5、CN03213521.1等所述的连续移动床过滤装置，当然，可以使用任意的可以实现悬浮菌体过滤收集的过滤装置。可以根据需要设置相应的控制系统，动力系统，菌体包装系统等。
本发明中，亚硝酸菌培养生物反应器的工艺条件为：温度15-40℃，优选为20-35℃；pH为6-9.5，优选为7.5-8.5；溶解氧0.2-7.0mg/L，优选为0.5-2.5mg/L，体系中培养液初始氨氮浓度为200-1500mg/L，COD浓度低于200mg/L。反硝化菌培养生物反应器的工艺条件为：温度15-40℃，优选为20-35℃；pH 为 6.0-10.0优选为7.8-9.0；溶解氧小于1.0mg/L；体系中培养液初始总氮浓度为200-1500 mg/L，其中亚硝氮占总氮浓度的75%-85%，COD浓度为600-4500mg/L。
本发明中，培养亚硝酸菌群和反硝化菌群的初始来源可以由含有硝化菌和反硝化菌的基质通过富集培养得到。含有硝化细菌和反硝化菌的基质来源于天然的土壤、淤泥或含氨工业废水处理厂的活性污泥，或其它一切富含硝化细菌或反硝化菌的基质。
本发明方法可以连续高效培养并收集亚硝酸菌和以亚硝酸盐氮为底物的反硝化菌，显著提高菌体的生物量和脱氮活性，大大缩短菌体的培养时间。本发明方法获得的亚硝酸优势菌群具有较高的氨氮去除率和亚硝酸盐生成速率，获得的反硝化菌具有较高的总氮去除率，两种菌群具有较强的耐受性和适应性，具有较好的抗冲击性和稳定性。富集的微生物群落可以直接用于含氨废水处理或者在系统受到冲击后作为微生物进行补充，起到快速修复的作用。
附图说明
图1为本发明功能强化微生物的富集培养方法的一种流程简图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明的方案和效果。
本发明功能强化脱氮微生物的富集培养方法采用的培养系统具体为采用CN201010513960.X所述的培养系统，包括亚硝酸菌培养生物反应器、亚硝酸菌移动床吸附过滤装置、反硝化菌培养生物反应器和反硝化菌移动床吸附过滤装置；亚硝酸菌培养生物反应器出水口与亚硝酸菌移动床吸附过滤装置入口相通，亚硝酸菌移动床吸附过滤装置清液出口与反硝化菌培养生物反应器进水口相通，亚硝酸菌移动床吸附过滤装置的浓缩悬浮液出口分别与亚硝酸菌培养生物反应器和亚硝酸菌回收装置相通；反硝化菌培养生物反应器出水口与反硝化菌移动床吸附过滤装置入口相通，反硝化菌移动床吸附过滤装置的浓缩悬浮液出口分别与反硝化菌培养生物反应器和反硝化菌回收装置相通，亚硝酸菌培养生物反应器出水口与亚硝酸菌移动床吸附过滤装置入口相通，亚硝酸菌移动床吸附过滤装置清液出口与反硝化菌培养生物反应器进水口相通，亚硝酸菌移动床吸附过滤装置的浓缩悬浮液出口分别与亚硝酸菌培养生物反应器和亚硝酸菌回收装置相通；反硝化菌培养生物反应器出水口与反硝化菌移动床吸附过滤装置入口相通，反硝化菌移动床吸附过滤装置的浓缩悬浮液出口分别与反硝化菌培养生物反应器和反硝化菌回收装置相通。
具体流程为：将含氨废水首先打入亚硝酸菌培养生物反应器，在好氧条件下进行亚硝酸菌富集培养，培养过程中投加亚硝酸菌生长促进剂，培养后的硝化出水从上部进入亚硝酸菌移动床吸附过滤装置，亚硝化菌被截留收集，吸附过滤后的硝化出水进入反硝化菌培养生物反应器进行反硝化菌的富集培养，培养过程中投加反硝化菌生长促进剂，处理后的反硝化出水进入反硝化菌移动床吸附过滤装置，反硝化菌被截留收集。收集的亚硝酸菌或反硝化菌，循环回相应的生化反应器，同时根据需要连续或定期分离部分富集培养的菌体外排包装，得到相应功能强化微生物菌体，用于适宜废水生化处理过程中。
实施例中，亚硝酸菌培养生物反应器为连续进料式全返混反应器，内循环生物反应器、螺旋流生物反应器。反硝化菌培养生物反应器为连续搅拌罐式反应器。亚硝酸菌移动床吸附过滤装置和反硝化菌移动床吸附过滤装置为CN03134007.5所述的连续移动床过滤装置。亚硝化菌群和反硝化菌群的初始来源均为污水处理厂曝气池内的活性污泥。
本发明中所使用的亚硝酸菌生长促进剂可以按照CN201410585483.6、CN201410585481.7和CN201410585655.X所述方法制备。按照表1的比例和配方制备金属盐溶液，在使用前将多胺类物质、有机酸羟胺、Na2SO3加入到金属盐溶液中，制备得到微生物生长促进剂A-C，所述促进剂浓度均为0.5g/L。
表1 亚硝酸菌生长促进剂的配方及比例
本发明中所使用的反硝化菌生长促进剂的制备方法同亚硝酸菌生长促进剂。按照表2的比例和配方制备金属盐溶液，在使用前将多胺类物质、有机酸羟胺和有机酸盐加入到金属盐溶液中，制备得到反硝化菌生长促进剂D-F，所述促进剂浓度均为0.5g/L。
表2 反硝化菌生长促进剂的配方及比例
实施例1
亚硝酸菌培养采用连续进料式全返混反应器，在温度25℃，pH为7.8，溶解氧1.2mg/L的条件下进行亚硝酸菌培养，培养液初始氨氮浓度为400mg/L，COD浓度低于80mg/L，培养过程中按照培养液中促进剂浓度30mg/L补加亚硝酸菌生长促进剂A；反硝化菌培养采用连续搅拌罐式反应器，在温度25℃，pH 为8.0-8.5，溶解氧小于0.2mg/L的条件下进行反硝酸菌培养，培养液初始亚硝氮浓度为380mg/L，COD浓度为1050mg/L，培养过程中按照培养液中促进剂浓度30mg/L补加反硝化菌生长促进剂D。采用连续移动床过滤装置进行功能强化微生物的定向富集，两种菌体的平均生长速率为0.15g/(L·d)和0.192g/(L·d)，20天后收获液体亚硝酸菌500L、液体反硝化菌400L，亚硝酸菌和反硝化菌分别增长了150倍和145倍。与专利CN201010513960.X相比，在同样的培养时间内，菌体的收获量明显增大。
实施例2
采用内循环生物反应器在温度30℃，pH 8.0，溶解氧0.5mg/L条件下进行亚硝酸菌培养，培养液初始氨氮浓度为800mg/L，COD浓度低于150mg/L，培养过程中按照培养液中促进剂浓度40mg/L补加微生物生长促进剂B；采用连续搅拌罐式反应器在温度30℃，pH 为8.0-9.0，溶解氧小于0.5mg/L条件下进行反硝化菌培养，培养液初始亚硝氮浓度为780mg/L，COD浓度为2050mg/L，培养过程中按照培养液中促进剂浓度40mg/L补加反硝化菌生长促进剂E。采用连续移动床过滤装置进行功能强化微生物的定向富集，当获得微生物量与对比专利CN201010513960.X相同时，菌体培养时间为25 d。
实施例3
采用螺旋式生物反应器在温度35℃，pH 7.5，溶解氧2.0mg/L条件下进行亚硝酸菌培养，培养液初始氨氮浓度为1200mg/L，COD浓度低于250mg/L，培养过程中按照培养液中促进剂浓度20mg/L补加微生物生长促进剂C；采用连续搅拌罐式反应器在温度35℃，pH 为8.0，溶解氧小于0.1mg/L条件下进行反硝化菌培养；培养液初始亚硝氮浓度为1100mg/L，COD浓度为3050mg/L，培养过程中按照培养液中促进剂浓度20mg/L补加反硝化菌生长促进剂F。采用连续移动床过滤装置进行功能强化微生物的定向富集。培养15天后收获液体亚硝酸菌300L、液体反硝化菌300L，亚硝酸菌和反硝化菌均增长100倍。与专利CN201010513960.X相比，在同样的培养时间内，菌体的收获量明显增大。
实施例4
采用本发明实施例1和专利CN201010513960.X中实施例1培养45天所获得的菌体，处理氨氮浓度为800mg/L、COD浓度为2000mg/L的废水。处理24h后，采用实施例1获得的菌体处理后的出水氨氮浓度13.4mg/L、总氮浓度24.5mg/L、COD浓度低于56mg/L，采用专利CN201010513960.X培养45天所获得的菌体处理后的出水氨氮浓度为25mg/L、总氮浓度为50mg/L、COD浓度为55mg/L。由此可见，采用本发明所收获的菌体，脱氮活性明显提高。
比较例1
按照实施例1所述的生产过程，不同的是培养过程中使用的促进剂采用专利CN201010513960.X所述的金属阳离子总浓度为0.25mol/L的生长促进剂，补加量为反应器内物料体积的1%，其它操作条件与实施例1相同。结果表明，同样的培养条件下，菌体的生长速率相对较慢，要想收获和实施例1相同的生物量，培养时间为40天以上。由此可见，采用本发明方法能明显缩短培养时间。