一种同步培养硝化菌与好氧反硝化菌的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境微生物领域，具体地说涉及一种同步培养硝化菌与好氧反硝化菌 的方法。
【背景技术】
[0002] 生物强化技术是指通过向传统的生物处理系统中引入具有特定功能的微生物，提 高有效微生物的浓度，增强其对难降解有机物的降解能力，提高降解速率，并改善原有生物 处理体系对难降解有机物的去除效能。近年来，生物强化技术在环境治理中的应用受到越 来越多的关注。生物强化技术应用最为普遍的方式之一是直接投加特定功能的微生物，特 定功能的微生物是指从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种，主 要用于以去除某一种或某一类有害物质。另一种方式是引入生物强化菌剂，将从自然界中 筛选出来的、有特定功能的细菌制成菌液制剂或将其附着在麦麸上制成干粉制剂被称为生 物强化菌剂。但是，无论采取何种方式，都需要对筛选获得的特定功能的微生物菌体进行扩 大培养，以期大量获得具有工业应用价值的微生物。
[0003] 生物脱氮是解决氮素污染较为经济有效的方法之一，一般包括硝化过程和反硝化 过程。硝化过程是由硝化菌，将氨氮转化为N〇r和N〇r的反应过程。反硝化过程是在无氧 或低氧条件下，N〇r和NO 21 皮微生物还原转化为气体的过程，反应过程中需要以有机碳作 为碳源和能源。不管是传统脱氮工艺还是新型脱氮工艺，负责脱氮的微生物主要是硝化菌 和反硝化菌。在实际应用中，由于两种菌体的生长环境的差异，一般是将硝化过程和反硝化 过程分离开，如传统的A/0, A2A)工艺，存在工艺冗长，污水处理构筑物占地面积大，投资和 运行费用高等诸多弊端。同步硝化反硝化脱氮是指硝化反应和反硝化反应在同一反应器内 同时进行的新型工艺，不仅克服了传统工艺硝化和反硝化过程在两个不同的反应器内进行 或者在同一反应器内顺次进行的不足，而且在降低能耗和物耗等方面具有突出的优势。例 如，可以减少反硝化反应设备、节省基建费用；反硝化过程产生的碱可部分中和硝化过程产 生的酸，减少碱液的消耗，能有效地保持反应器中PH稳定。因此，同步硝化反硝化脱氮过 程，已经成为水处理领域的研究热点。耿金菊等利用好氧反硝化菌群和自养硝化菌群组合 脱氮(应用与环境生物学报，2002, 8 (1) : 78-82)，虽然具有较好的氨氮脱除能力，但抗冲击 能力较弱，高于300mg/L的高浓度氨氮能抑制菌体的生长，并且氨氮浓度高于200mg/L时， 脱氮后氨氮残余量较多，同步不耐受高浓度有机碳，500mg/L的有机碳浓度抑制菌体生长并 降低脱氮效果；这种组合菌群中的各类细菌培养与生长条件不一致，一种发挥功能时另一 种却被处于抑制状态，导致彼此不协调，生物脱氮时间延长，成本增大，脱氮效率受到影响。
[0004] 生物强化菌剂通常是多种菌株按照一定比例复配而成的，不同菌株的生长环境一 般是不同的。如果采取单独放大培养菌体，然后将收集的菌体按比例混和为菌剂，则需要多 个反应器，投资和运行费用大；如果单独培养种子液，然后将各种菌的种子液按比例混合后 进行放大培养并收集得到菌剂，则不能保证不同菌体在各自适宜的条件下生长，培养的效 率不高，培养后的比例也不能够保证。因此，如果将硝化菌和反硝化菌直接混合培养，除非 筛选获得生长环境相同的菌体，否则不能保证两种菌体在各自适宜的环境生长，就不能保 证同步硝化反硝化的高效进行，影响硝化菌和反硝化菌的活性和收获量。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供一种同步培养硝化菌与好氧反硝化菌的方法。 本发明利用膜分离组件将硝化菌与好氧反硝化菌隔离开进行半混合培养，菌体在各自单独 的生长空间，培养基则是共混与互通的，实现了两种菌的共同培养和分别收获，减少了设备 投资，提高了菌体的培养效率。
[0006] 本发明同步培养硝化菌与好氧反硝化菌的方法，包括如下内容：（1)培养硝化菌 种子液和好氧反硝化菌种子液；（2)将上述种子液分别接入具有内置膜分离组件的生物反 应器内进行半混合培养，好氧反硝化菌在膜分离组件内部进行反硝化反应，硝化菌在膜分 离组件外部的反应器内进行硝化反应，膜分离组件内外的培养基组成则是共混与互通的。
[0007] 本发明中，膜分离组件的材质可以采用各种具有分离特性的膜，优选采用陶瓷分 离膜，膜孔直径为〇. 05?0. 5 ym。根据实际情况，设计膜分离组件与生物反应器的体积比 为1:2?1:6。膜分离组件内部设搅拌器，搅拌转速为50?200rpm，实现内部的高效返混。
[0008] 本发明中，硝化菌为具有硝化功能的亚硝酸菌和/或硝酸菌，可以是纯化的单一 菌或者混合菌，在培养过程中可将氨氮转化成亚硝氮和/或硝氮，优选采用具有亚硝酸功 能的亚硝酸菌。好氧反硝化菌为具有反硝化功能的好氧反硝化菌，可以是纯化的单一菌或 者混合菌，在培养过程中可将硝氮和/或亚硝氮变成气体物质。硝化菌和好氧反硝化菌经 过活化后，接入液体培养基制备种子液。
[0009] 本发明中，所述的硝化菌种子液与好氧反硝化菌种子液是将活化好的菌体按10% 的体积比接入液体培养基中，在lOOrpm、30°C条件下培养至对数生长期与稳定期的交界点， 可以保证菌体的最高活性和稳定性。硝化菌种子液与好氧反硝化菌种子液的接种量为生 物反应器体积的10%?30%，其中硝化菌种子液和反硝化菌种子液的接入体积比为2:1? 6:1。
[0010] 本发明中，生物反应器可以是普通生物反应器，底部设曝气装置；也可以直接采用 气升式生物反应器，底部直接通入气体形成返混状态。生物反应器的其它操作条件按常规 的硝化菌和反硝化菌的培养条件控制。可以设置培养体系溶解氧量的测定装置，根据需要 调整通气量，以获得良好的效果。同时提供PH电极检测，以便通过外源加入酸、碱来实现系 统PH的控制。温度控制为内部盘管加热方式或者在反应器外部设置控温夹套来维持所需 要的培养温度。
[0011] 本发明中，半混合培养的培养液中的氨氮浓度为100?1000mg/L，Fe2+浓度为 0? 01 ?0? 06g/L，K+浓度为 0? 05 ?0? 5g/L，Ca2+浓度为 0? 01 ?0? lg/L，Mg2+浓度为 0? 05 ? 0? 5g/L，pH 值为 6. 5 ?7. 5。
[0012] 本发明中，培养过程中补充反硝化菌生长代谢所需的有机碳源，按照碳氮质量比 为3:1?10:1补加有机碳源，有机碳源可以是丁二酸钠、乙酸钠、甲醇、葡萄糖或纤维素水 解液等。以批次或连续方式补充有机碳源，最好根据有机碳源的消耗速度进行流加，以减少 有机碳源对硝化污泥的影响。
[0013] 本发明中，膜分离组件外部区域的处理条件采用与硝化污泥条件相似的条件，如 温度一般为20°C?40°C，pH值一般为6?9,溶解氧浓度一般为1?5mg/L等。为了实现 膜分离组件外部区域的有效返混，维持曝气量不变。当硝化区域溶解氧浓度出现波动时，通 过调节曝气中的氧浓度，以保证膜分离组件外部区域溶解氧浓度在1?5mg/L。菌体培养至 对数生长期，获得高活性大批量硝化菌体和好氧反硝化菌体。
[0014] 与现有技术相比，本发明具有如下突出特点： 1、利用膜分离组件将硝化菌和好氧反硝化菌隔离开进行半混合培养，在一个反应器中 实现菌体各自单独的生长空间，培养基组成则是共混与互通的，实现了两种菌体的共同培 养和分别收获，减少了设备投资，提高了培养效率，解决了单独培养需要不同反应器和混合 培养不能获得单一菌种的不足。
[0015] 2、硝化菌利用培养基中的氨氮进行硝化反应，产生的硝氮和亚硝氮可以进入膜分 离组件内部作为好氧反硝化菌的营养物质。随着好氧反硝化的进行，硝氮和亚硝氮会进入 膜分离组件内部满足好氧反硝化的需要；同时由于产物抑制作用的削减，有助于提高硝化 反应的进程和效果。二者互相补充和促进，实现了硝化菌和反硝化菌的高效生长，提高了菌 体收获量。
[0016] 3、硝化菌和好氧反硝化菌对溶解氧的需求不同，好氧反硝化菌虽然具有耐氧能 力，但是在低氧的条件下其脱氮性能更高，因此将两种菌直接混合存在弊端。本发明在膜分 离组件的外部区域进行曝气，由于硝化污泥、分离膜、曝气和搅拌的共同作用，膜分离组件 内外区域会形成不同的溶解氧浓度，外部区域的溶解氧浓度高于内部区域，有利于好氧反 硝化污泥在适宜的低氧条件下发挥脱氮性能。与两种菌直接混合相比，本发明可以使硝化 菌和反硝化菌在各自适宜的溶解氧条件下生长，有效提高了硝化菌和反硝化菌的生长量和 脱氮活性。
[0017] 4、随着硝化反应的进行，需要补加碱液维持适宜生长的pH，而反硝化过程产生的 碱可部分中和硝化过程产生的酸，减少碱液的消耗，能有效地保持反应器中PH稳定，符合 节能减排的要求。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明生物反应器的结构示意图； 其中：1-生物反应器，2-膜分离组件，3-曝气系统，4-搅拌器；5-硝化反应区，6-好氧 反硝化区，7-补碱口，8-补碳口，9-气体出口。
【具体实施方式】
[0019]结合图1所示，生物反应器1中设置膜分离组件2,膜分离组件与生物反应器的体 积比为1:2?1:6。膜分离组件采用陶瓷分离膜，膜孔直径为O.OSiim?0.5i!m。生物反 应器底部设曝气系统3,膜分离组件内部设搅拌器4,搅拌转速为50?200rpm，以实现内部 的高效返混。首先将培养好的硝化菌种子液加入到生物反应器的硝化反应区5中，将好氧 反硝化菌种子液加入好氧反硝化区6中，硝化菌在膜分离组件以外的区域进行硝化反应， 好氧反硝化菌在膜分离组件内部进行反硝化反应，膜分离组件内外的培养基组成是共混与 互通的。通过补碱口 7来调节混合培养液的pH至6. 0?9. 0,通过补碳口 8将有机碳源流 加到膜分离组件中。好氧反硝化及曝气产生的气体通过气体出口 9排出。
[0020] 本发明中，硝化菌为具有硝化功能的亚硝酸菌和/或硝酸菌，可以是纯化的单一 菌或者混合菌，在培养过程中可将氨氮转化成亚硝氮和/或硝氮。硝化菌可以采用具有亚 硝酸功能的亚硝酸菌，如亚硝化单胞菌(Ai'trosofflmas)、