一种快速、大量富集硝化菌的方法及应用与流程

本发明涉及生物技术领域，具体涉及一种快速、大量富集硝化菌的方法及应用。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，含氮废水的排放仍然是我国水环境不容忽视的问题。目前，生物脱氮是当今世界最为经济有效的污水处理技术。生物脱氮工艺中，无论是传统硝化反硝化工艺脱氮，厌氧氨氧化脱氮工艺，还是新型的短程硝化反硝化脱氮工艺都需要经过硝化作用转化氨氮。通常脱氮效果较差的污水处理厂活性污泥中硝化菌含量一般不能满足脱氮要求，且很多污水处理厂升级改造过程中存在施工周期短的情况，为满足脱氮效果，只有快速富集出高效硝化菌，才能使高效硝化菌在污水处理中得到应用。

然而，现有的一些污水处理过程中富集硝化菌的方法，操作方法复杂，监控检测的数据较多，劳动量大，耗费的时间较长，所用设备复杂，不适宜大量推广使用。屈计凝等在《高效硝化细菌的富集技术研究》(《同济大学学报》1999年第27卷第3期)一文中公开了一种利用氨氮浓度低于300mg/l，有机物浓度在500-1000mg/l范围内的废水富集硝化细菌的方法，该方法仅适用于处理低氨氮浓度的废水，并不适用于处理高氨氮浓度及低碳氮比的废水。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种快速、大量富集硝化菌的方法，该方法操作简单，且能够快速富集高效硝化菌，耗时短，获得的硝化菌对高氨氮浓度耐受性强，能够处理低有机物、高氨氮浓度的污水。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种快速、大量富集硝化菌的方法，包括如下步骤：

1)、在序批式间歇反应器中采用酸碱处理后的粉煤灰作为富集载体，富集培养液以碳酸氢钠为无机碳源；以氯化铵为氮源，初始氨氮浓度为50mg/l，接种污水处理厂的活性污泥进行富集培养；

2)、每间隔一定时间，更换富集培养液，当培养后的氨氮浓度降至0.5mg/l，更换更高氨氮浓度的富集培养液进行富集培养，如此反复，所更换的富集培养液的氨氮浓度逐渐提高；

3)、当所采用的富集培养液的氨氮浓度为1000mg/l～1200mg/l，且培养后富集培养液中氨氮浓度降至1mg/l时，富集结束。

如上所述的方法，优选地，所述粉煤灰的酸碱处理包括：取电厂粉煤灰，过80～100目筛；分别采用0.5～1.5mol/l盐酸和0.5～1.5mol/l氢氧化钠处理8～16h，每次处理后，将所述粉煤灰洗至中性；按此酸碱交替处理三次后烘干备用。

优选地，分别采用0.8～1mol/l盐酸和0.8～1mol/l氢氧化钠处理8～12h。

如上所述的方法，优选地，所述粉煤灰的用量为所述反应器体积的15～25％。

如上所述的方法，优选地，所述碳酸氢钠的浓度为1g/l，初始氯化铵浓度为0.2g/l，反应过程中不断增加其含量以逐渐提高氨氮浓度；所述富集培养液中还含有0.05g/l氯化钠，0.04g/l的硫酸镁，0.02g/l的磷酸氢二钾，以及1ml/l的微量元素液；

所述微量元素液含有氯化铁0.75g/l，硫酸铜0.15g/l，硫酸锰0.05g/l，硫酸锌0.1g/l，edta1g/l，氯化钴0.1g/l和钼酸钠0.05g/l。

如上所述的方法，优选地，步骤1)中，所述活性污泥的浓度为5000～6000mg/l，所述活性污泥的接种量为所述反应器体积的40～55％。

如上所述的方法，优选地，所述富集培养的反应条件为：反应温度为20～30℃，在线ph控制器通过加入1mol/l碳酸氢钠溶液调节ph为7.5～8.5，溶解氧为4～6mg/l。

如上所述的方法，优选地，所述每间隔一定时间为12h，采用进培养液0.3h、曝气10h、沉淀1h、出培养液0.5h、停滞0.2h如此循环进行。

如上所述的方法，优选地，步骤2)中，所述氨氮浓度逐渐提高包括每次更换的富集培养液的氨氮浓度相较上一次的提高30mg/l～100mg/l。

如上所述的方法，优选地，所述粉煤灰的用量为所述反应器体积的20％；所述活性污泥的浓度6000mg/l，曝气24h后进行接种，接种量为所述反应器体积的50％；所述氨氮浓度逐渐提高，其每次更换的富集培养液的氨氮浓度相较上一次的提高50mg/l或100mg/l。

如上所述述方法富集后的硝化菌在用于处理污水中的应用。更进一步用于处理低碳氮比污水或高氨氮废水中。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的方法，通过采用粉煤灰作为填料同时逐渐提高基质中氨氮质量浓度的方法，在不外加有机碳源的情况下，采用无机碳，使活性污泥中的原生动物、后生动物、真菌以及碳化菌等杂菌的生长明显受到抑制，有利于硝化菌成为优势菌，并耐受越来越高的氨氮浓度，最终达到处理氨氮浓度高达1000mg/l、负荷高达83.38mgnh4⁺-n/(l·h)的氨氮废水，在12h后，可使废水出水中的氨氮浓度降至1mg/l以下。

本发明的快速富集硝化菌的方法，不仅能在40天内达到富集硝化菌的效果，而且对于含有1000mg/l高浓度氨氮的污水进行处理时，氨氮去除效果也非常理想；其次，在富集后的硝化菌应用过程中，按照1％体积比投加入脱氮效果较差的sbr反应器中，系统脱氮效果能迅速增加20％左右，系统中硝化菌含量也有所增加。富集完成后硝化菌对高氨氮废水处理也同样有较好的效果，按照5％(v/v)比例向高氨氮无机废水(500mgn/l)中投加富集完成后硝化菌，使系统中氨氮去除率迅速提高40％左右，出水低于5mg/l。本发明方法富集得到的硝化菌不仅在处理污水方面具有很好的应用前景，同时也能在高氨氮无机废水中取得良好的脱氮效果。

附图说明

图1为富集过程中进出富集培养液氨氮浓度变化；

图2为富集完成前后微生物群落结构在属层面上的分析。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

一种快速、大量富集硝化菌方法，采用装置为序批式间歇(sbr)反应器，通过ph在线检测装置检测及调节ph，气体流量计控制溶解氧浓度，时控开关控制时间。方法包括如下步骤：

(1)将电厂粉煤灰过100目筛，采用1mol/l盐酸和1mol/l氢氧化钠对粉煤灰进行轮流处理，每次处理12h，12h后用水将粉煤灰洗至中性。重复三次后烘干备用。

(2)取污水处理厂生化池活性污泥(以沈阳市辽中生态污水处理厂的活性污泥为例)，曝气24h备用，污泥浓度为6000mg/l。

(3)配制富集培养液：模拟无机废水，组成为1g/l的碳酸氢钠，0.2g/l的氯化铵，0.05g/l氯化钠，0.04g/l的硫酸镁，0.02g/l的磷酸氢二钾，以及1ml/l的微量元素；其中，微量元素组成为氯化铁0.75g/l，硫酸铜0.15g/l，硫酸锰0.05g/l，硫酸锌0.1g/l，edta1g/l，氯化钴0.1g/l，钼酸钠0.05g/l；

在富集过程中通过逐渐提高氯化铵的量来提高进水氨氮浓度。

(4)分别按照溶液总体积的20％和50％接种粉煤灰和活性污泥到sbr反应器中，该反应器总体积为60l，有效体积为50l。

(5)在硝化菌富集过程中ph通过在线控制装置控制，利用1mol/l碳酸氢钠将ph控制在7.5～8.5，溶解氧控制在4～6mg/l，水力停留时间设定为12h，温度为室温，反应过程中粉煤灰均匀悬浮在反应器中。其中进培养液0.3h-曝气10h-沉淀1h-出液0.5h-停滞0.2h。每个阶段以及每个周期均通过时控开关来控制时间。

(6)在每个周期进培养液后以及沉淀完成后取培养后的液体样测定，其中，氨氮浓度测定采用纳什试剂法测定，通过进出水氨氮浓度衡量硝化细菌的硝化效率。

(7)在富集过程中初始进水氨氮浓度为50mg/l，当氨氮浓度降低至1mg/l以下后缓慢提高进水中氨氮浓度，按每次递增50mg/l至进水氨氮浓度高达1000mg/l～1200mg/l。在进水氨氮浓度高达1000mg/l～1200mg/l时，出水中的nh4⁺-n浓度稳定低于1mg/l时，此时认为富集完成。

此时，系统中微生物已经能改耐受1000mg/l氨氮浓度，并且能处理浓度高达1000mgnh4⁺-n/l浓度的废水，如图1显示的是不断提高进水氨氮浓度的情况下系统对氨氮的处理效果，结果说明经40天富集，当进水氨氮浓度高达1000mg/l时，12小时后出水氨氮稳定低于1mg/l以下。

实施例2

收集实施例1中富集前及富集完成后系统中污泥样品，进行miseq高通量测序手段进行微生物群落结构分析，委托上海美吉生物医药科技有限公司完成，属层面上的微生物菌落结构见图2，图2中e0和e1分别表示富集前后污泥样品中微生物群落结构，不同颜色灰度代表不同种类微生物，每种灰度条带的长度表示对应微生物的相对丰度。具体微生物富集前后群落结构中微生物中英文名称对照及相对丰度见表1。

表1微生物富集前后群落结构中微生物中因为名称对照及相对丰度

注：相对丰度小于0.5％且不重要的微生物归为其它中。

结果说明富集前活性污泥中硝化菌含量极低，而富集完成后活性污泥中具有极其丰富的硝化菌，这些硝化菌属主要包括nitrosomonas(亚硝化单胞菌)以及nitrospira(硝化螺菌属)。这些硝化菌占总细菌含量的46.38％，其中亚硝化单胞菌含量为46.33％，占绝对优势。常规城市污水处理厂中硝化菌含量仅为活性污泥中细菌总数的1％-5％左右，而本发明富集得到的硝化菌用于处理无机高氨氮浓度废水或者生物污水中，大大提高了生产效率。

实施例3

富集完成后硝化菌的应用一：平行运行两sbr反应器，命名为r1和r2，有效体积为5l，每个周期时间设定为进水0.5h-曝气4h-沉淀0.5h-出水0.5h-静置0.5h。接种污泥为污水处理厂生化池活性污泥，进水为模拟低c/n生活污水，cod为150mg/l，nh4⁺-n浓度为50mg/l；沉淀测定出水cod能够低于50mg/l，而nh4⁺-n浓度为15mg/l。按照1％(v/v)比例向r2投加实施例1富集完成的硝化菌，而r1中投加等体积及浓度的接种活性污泥。结果为r1出水nh4⁺-n浓度仍然为15mg/l，而r2出水nh4⁺-n浓度低于5mg/l；当进水nh4⁺-n浓度突然提升至100mg/l左右时，r1出水nh4⁺-n浓度高达40mg/l，需要稳定一周才降低至20mg/l，而r2只需要稳定3d就能使出水nh4⁺-n浓度低于5mg/l。表明硝化菌的投加不仅能够使系统脱氮性能提高，还可以提高系统的抗冲击负荷能力，尤其适合于处理低c/n污水。

由上可知，按照1％(v/v)比例投加入脱氮效果较差的sbr反应器中，系统脱氮效果能迅速增加20％，且面对较强冲击负荷时，出水稍微有所波动但能很快满足出水条件，抗冲击负荷能力及强；系统中硝化菌含量也有所增加。该种方法富集得到的硝化菌具有很好的应用前景，尤其适用于我国目前低碳氮比生活污水处理厂。由此可见，采用该种方法富集得到的硝化菌对硝化能力较弱的污水处理厂进行生物强化，可以使污水处理厂出水能够很快达到较高的硝化效果，出水达到一级a标准，并且使系统中硝化菌含量增加。

实施例4

富集完成后硝化菌的应用二：平行运行两sbr反应器，命名为r1和r2，有效体积为5l，每个周期时间设定为进水0.5h-曝气6h-沉淀0.5h-出水0.5h-静置0.5h。接种污泥为污水处理厂生化池活性污泥，进水为高氨氮浓度无机废水，其中nh4⁺-n浓度为500mg/l，碳酸氢钠1g/l；反应过程中ph用1mol/l碳酸氢钠维持在7.5～8.0。驯化一周后测定出水nh4⁺-n浓度为200mg/l。按照5％(v/v)比例向r2投加实施例1富集完成的硝化菌，而r1中投加等体积及浓度的接种活性污泥。结果为r1出水nh4⁺-n浓度仍然为200mg/l，而r2出水nh4⁺-n浓度稳定6个周期后持续低于5mg/l。表明硝化菌的投加能够使系统对高氨氮浓度无机废水的脱氮性能迅速提高，该方法富集的硝化菌能够应用于高氨氮浓度废水。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。