甲烷氧化耦合高氯酸盐还原菌群的富集方法及应用与流程

本发明属于生物降解处理技术领域，具体涉及一种甲烷氧化耦合高氯酸盐还原菌群的富集及其在膜生物反应器中进行生物降解处理的应用。

背景技术：

随着我国经济的快速发展以及工业的发达，高氯酸盐作为一种强氧化剂，被广泛的应用在诸如火箭燃料，烟花，弹药等制作生成过程中，从而也带来后续的污染问题。典型的地下水高氯酸盐含量为100μg/L，但是在某些情况下，其含量会达到20mg/L或更多。而高氯酸根离子因为跟碘离子具有相近的结构与性质，因而当人们饮用高氯酸盐含量较高的饮用水时，高氯酸根离子会替代碘离子从而影响到人体所必须的甲状腺激素的产生而影响到人体的正常发育。

而目前，利用微生物进行地下水体中的高氯酸盐还原是具有一定的发展前景的。利用微生物的生长活动，将高氯酸盐作为其生产所需的能量来源，同时以甲烷作为碳源，在酶的作用下形成二氧化碳，水和氯离子。在生物体内进行如下的反应：

CH₄+ClO₄^-＝HCO₃^-+Cl^-+H₂O ΔG^0’＝-792KJmol^-1CH₄

由于其最终的代谢产物无污染，而且成本相比较化学处理方法更为低廉，因此如何达成高效的微生物高氯酸盐降解是很有意义的。

同时，硝酸根是一种氧化阴离子，在地下水中通常和高氯酸根一起。在高浓度的情况下，硝酸根有可能会抑制高氯酸根的还原，所以研究高氯酸根和硝酸根同时高效还原也是具有非常重要的意义的。

现有技术中，目前尚无膜生物反应器可以进行高氯酸盐的高效还原。主要的高氯酸盐降解方法由活性炭吸附，离子交换法等物理方法以及化学还原法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术内容是，克服现有技术的不足，提供一种能降解高氯酸盐的菌群的富集方法及应用。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种能降解高氯酸盐的菌群的富集方法，包括下述步骤：

(1)制备无机培养基

将1mL酸性微量元素溶液、1mL碱性微量元素溶液、1mg CaCl₂、0.3g NaHCO₃、5mg MgSO₄·7H₂O、0.2g KH₂PO₄和0.4g Na₂HPO₄·12H₂O加入至1升去离子水中，用HCl调节pH至7，配成培养基；

所述酸性微量元素溶液是指：每升溶液含100mM HCl、2.085g FeSO₄·7H₂O、68mg ZnSO₄·7H₂O、14mg H₃BO₃、120mg CoCl₂·6H₂O、500mg MnCl₂·4H₂O、320mg CuSO₄、95mg NiCl₂·6H₂O，余量为水；

所述碱性微量元素溶液是指：每升溶液含10mM NaOH、67mg SeO₂、50mgNa₂WO₄·2H₂O、242mg Na₂MoO₄·2H₂O，余量为水；

(2)初始接种源富集

在中空纤维膜生物反应器中接种10mL ANMO-D菌群；该ANMO-D菌群中含有按质量占比计算的下述菌种：β-变形菌2.88％、α-变形菌4.29％、γ-变形菌3.27％、酸杆菌0.73％、绿菌1.11％，余量是非富集对象的杂菌；

向步骤(1)所得的无机培养基中添加亚硝酸盐至培养基中含氮量为2mg/L，然后通过泵引入至中空纤维膜生物反应器的进水中；每两天供给一次，每次供给的量为5L，使中空纤维膜生物反应器进水中的亚硝酸盐浓度维持恒定；连续供给40天后停止引入培养基，直至NO₂^-被完全还原，得到接种了初始菌群的中空纤维膜生物反应器；

(3)反应阶段

在步骤(1)所得的无机培养基中添加ClO₄^-直至其浓度为5.5mg/L，然后引入至接种了初始菌群的中空纤维膜生物反应器中并连续运行；整个过程中控制温度为29℃，进水速率为0.5mL/min，半保留时间为130min，甲烷分压为15psi(1.03bar)；运行10天后，该中空纤维膜生物反应器中即富集了能降解高氯酸盐的菌群。

本发明进一步提供了前述获得的菌群在降解高氯酸盐中的应用，是利用富集了能降解高氯酸盐的菌群的中空纤维膜生物反应器，进行含高氯酸盐污水的处理；具体包括：

(1)按权利要求1所述方法制备无机培养基，并用氮气曝气至去除氧气；

(2)将所得无机培养基引入至所述富集了菌群的中空纤维膜生物反应器中并连续运行；在进水处引入含高氯酸盐的污水，且ClO₄^-在引入总量中的浓度为5.5mg/；整个过程中控制温度为29℃，进水速率为0.5mL/min，半保留时间为130min，甲烷分压为15psi(1.03bar)。

本发明还提供了前述获得的菌群在降解高氯酸盐中的应用，是利用富集了能降解高氯酸盐的菌群的中空纤维膜生物反应器，进行含高氯酸盐和硝酸盐的污水的处理；具体包括：

(1)按权利要求1所述方法制备无机培养基，并用氮气曝气至去除氧气；

(2)将所得无机培养基引入至所述富集了菌群的中空纤维膜生物反应器中并连续运行；在进水处引入含高氯酸盐和硝酸盐的污水，且ClO₄^-在引入总量中的浓度为1mg/L，NO₃^-在引入总量中的浓度为4mg/L；整个过程中控制温度为29℃，进水速率为0.5mL/min，半保留时间为130min，甲烷分压为15psi(1.03bar)。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1、本发明中的菌群具有高效的降解高氯酸盐的效率，在130min的半保留时间内可以将5.5mg/L的ClO₄^-完全降解。

2、本发明中的反应器可以同时降解污水中的高氯酸盐和硝酸盐，同时二者的降解率均可以达到接近100％。

3、相较现有技术，本发明用微生物反应器去除水中的高氯酸盐具有成本低、有效期长，降解效果稳定等优点，适合长时间地处理大量低高氯酸盐污染的废水。

附图说明

图1本发明中反应器进行高氯酸盐污水降解数据图；

图2本发明中反应器进行高氯酸盐污水降解效率图；

图3本发明中反应器进行高氯酸盐与硝酸盐污水混合降解高氯酸盐数据图；

图4本发明中反应器进行高氯酸盐与硝酸盐污水混合降解硝酸盐数据图；

图5本发明中反应器进行高氯酸盐与硝酸盐污水混合降解效率图。

具体实施方式

本发明中，作为初始接种源的是ANMO-D菌群。ANMO-D菌群的获取方式是：采集污水处理厂的活性污泥(本申请人采集自杭州七格污水处理厂)，以硝酸盐作为电子受体，以甲烷作为电子供体富集培养约半年，然后接种到甲烷MBfR反应器中直至运行稳定，即可获得菌种含量稳定的ANMO-D菌群。ANMO-D菌群中含有按质量占比计算的下述菌种：β-变形菌2.88％、α-变形菌4.29％、γ-变形菌3.27％、酸杆菌0.73％、绿菌1.11％，余量是非富集对象的杂菌。

申请人承诺：从该专利申请之日起20年内向公众发放该ANMO-D菌群，以用于实现、利用本发明所述技术方案。

本发明中，所使用的反应器是中空纤维膜生物反应器，可按常规方式自行搭建。该反应器为双管中空纤维膜生物反应器，总体积为65mL，每个管内各32根疏水性微孔聚乙烯膜(外径为280μm，内径为180μm，微孔直径为0.1-0.15μm)，该膜由日本Mitsubishi公司制造，型号MHF-200TL)。反应器构型可参照MBfR反应器，具体可见参考文献(Zhao et.al,2011,Interactions between perchlorate and nitrate reductions in the biofilm of a hydrogen-based membrane biofilm reactor))。

实施例1：

本发明中，能降解高氯酸盐的菌群的富集方法，包括下述步骤：

(1)制备无机培养基

将1mL酸性微量元素溶液、1mL碱性微量元素溶液、1mg CaCl₂、0.3g NaHCO₃、5mg MgSO₄·7H₂O、0.2g KH₂PO₄和0.4g Na₂HPO₄·12H₂O加入至1升去离子水中，用HCl调节pH至7，配成培养基；

所述酸性微量元素溶液是指：每升溶液含100mM HCl、2.085g FeSO₄·7H₂O、68mg ZnSO₄·7H₂O、14mg H₃BO₃、120mg CoCl₂·6H₂O、500mg MnCl₂·4H₂O、320mg CuSO₄、95mg NiCl₂·6H₂O，余量为水；

所述碱性微量元素溶液是指：每升溶液含10mM NaOH、67mg SeO₂、50mg Na₂WO₄·2H₂O、242mg Na₂MoO₄·2H₂O，余量为水；

(2)初始接种源富集

在中空纤维膜生物反应器中接种10mL ANMO-D菌群；该ANMO-D菌群中含有按质量占比计算的下述菌种：β-变形菌2.88％、α-变形菌4.29％、γ-变形菌3.27％、酸杆菌0.73％、绿菌1.11％，余量是非富集对象的杂菌；

向步骤(1)所得的无机培养基中添加亚硝酸盐至培养基中含氮量为2mg/L(即6.57mg/L亚硝酸盐)，然后通过泵引入至中空纤维膜生物反应器的进水中；每两天供给一次，每次供给的量为5L，使中空纤维膜生物反应器进水中的亚硝酸盐浓度维持恒定；连续供给40天后停止引入培养基，直至NO₂^-被完全还原，得到接种了初始菌群的中空纤维膜生物反应器；

(3)反应阶段

在步骤(1)所得的无机培养基中添加ClO₄^-直至其浓度为5.5mg/L，然后引入至接种了初始菌群的中空纤维膜生物反应器中并连续运行；整个过程中控制温度为29℃，进水速率为0.5mL/min，半保留时间为130min，甲烷分压为15psi(1.03bar)；运行10天后，该中空纤维膜生物反应器中即富集了能降解高氯酸盐的菌群。

(4)菌群结构鉴定

对步骤(3)中富集菌群的群落结构进行测序鉴定，菌群中主要菌种包括：β-变形菌(Betaproteobacteria)、α-变形菌(Alphaproteobacteria)、γ-变形菌(Gammaproteobacteria)、酸杆菌(Acidobacteria)和绿菌(Chlorobia)，各自的比例为：β-变形菌41.15％、α-变形菌27.08％、γ-变形菌11.12％、酸杆菌7.38％、绿菌2.40％(其余为各类非富集对象的杂菌)。

实施例2：

本发明可进一步用于降解污水中的高氯酸盐。

通过利用富集了所述菌群的中空纤维膜生物反应器可以进行含高氯酸盐污水的处理；具体包括：

(1)按前述方法制备无机培养基，并用氮气曝气至去除氧气；

(2)将所得无机培养基引入至富集了所述菌群的中空纤维膜生物反应器中并连续运行；在进水处引入含高氯酸盐的污水，且ClO₄^-在引入总量中的浓度为5.5mg/；整个过程中控制温度为29℃，进水速率为0.5mL/min，半保留时间为130min，甲烷分压为15psi(1.03bar)。

经检验，在130min的半保留时间内，可以将污水中5.5mg/L的ClO₄^-完全降解。

实施例3：

本发明还可用于同时降解污水中的高氯酸盐与硝酸盐。

通过利用富集了所述菌群的中空纤维膜生物反应器进行含高氯酸盐污水的处理；具体包括：

(1)按权利要求1所述方法制备无机培养基，并用氮气曝气至去除氧气；

(2)将所得无机培养基引入至富集了所述菌群的中空纤维膜生物反应器中并连续运行；在进水处引入含高氯酸盐和硝酸盐的污水，且ClO₄^-在引入总量中的浓度为1mg/L，NO₃^-在引入总量中的浓度为4mg/L；整个过程中控制温度为29℃，进水速率为0.5mL/min，半保留时间为130min，甲烷分压为15psi(1.03bar)。

经检验，在130min的半保留时间内，可以将污水中1mg/L的ClO₄^-与4mg/L的NO₃^-完全降解。