一种硝化细菌微生物膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物技术领域，涉及菌剂制备技术领域，具体涉及一种用于处理氨氮转化为硝基氮和亚硝基氮的硝化细菌微生物膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着工农业的发展，氨氮废水对环境的影响已经在全球范围引起了环保领域的高度重视。氨氮是水体中危害较大的污染元素，大量含有氨氮的废水的排放，通常会导致河流、湖泊的的富营养化，进一步导致浮游植物的大量富集生长以及水体水质的降低。因此世界范围内的污水处理厂都在试图寻找能够有效处理高浓度氨氮污水的方法。
[0003]相比于有机类污染物的处理，水体中氨氮的处理要相对困难许多。污水中的氨氮通常指的是以氨离子形式存在的氮。通常处理污水中的氨氮方法包括空气吹脱法、折点氯化法、离子交换吸附法、絮凝沉淀法、电渗析法、催化湿式氧化法、液膜法等物理化学方法。但这些方法普遍用于超高浓度氨氮废水的预处理，并存在效率低和副产物二次污染等问题。相比之下，生物法去除水体氨氮是一种经济可行，环保高效的方法。
[0004]生物法去除氨氮就是利用特种微生物，降解水体中溶解的氨氮并形成无害的氮气气体逸出水体，从而达到污染水体净化处理的目的。生物法去除水体中的氨氮主要采用的是微生物硝化和反硝化过程。硝化过程是硝化细菌在有氧的条件下，氧化水体中的氨氮形成硝酸盐或亚硝酸盐；反硝化过程是反硝化细菌在缺氧的条件的下，利用水体中有机物作为电子供体，将硝酸盐或亚硝酸盐还原成氮气。通常认为，硝化过程是在整个氨氮降解过程中比较重要的一个过程，过程缓慢，完成难度较高。主要是因为硝化细菌属于自养型细菌，包括亚硝酸菌属(nitrosomonas)及硝酸菌属(nitrobacter)。两类菌均为专性好气菌，在氧化过程中均以氧作为最终电子受体，利用无机碳，通常是二氧化碳作为唯一的能量来源。所以硝化细菌代谢时间长，生殖很慢，生长环境较苛刻，很多条件下无法与异养型微生物在生长竞争中取得优势。一些常见的亚硝酸菌种平均要花上26小时才能增殖一倍，而硝酸菌种生殖的周期更长，平均要花上60小时才能增殖一倍。因此当水体中硝化细菌含量较低，或者遇到氨氮突然大幅度超标时，通常做法时直接向污水中投放培养好的高浓度硝化菌种。
[0005]CN1354786A公开了一种活性污泥中高浓度硝化细菌的培养方法，此方法以下水污泥和屎尿污泥作为接种污泥，以污泥脱水滤液或硝化脱离液微培养液，其中的氨氮浓度为100?300mg/l，氨氮浓度高于300mg/l会对菌体的生长产生抑制作用，所富集的硝化细菌不能耐受高浓度的氨氮。CN 100445365C公开了一种硝化细菌培养促进剂。该促进剂使用蜜糖作为碳源，沸石粉或者硅藻等作为吸附剂，直接投放污水中，使得污水本身产生适合硝化菌生长繁殖的环境，不必再由外界引入硝化菌种。此方法不适合硝化细菌含量较低的水体，如新建水产品养殖塘或者水族箱，亦不适用处理突发性氨氮水体污染事件。CN101240253A公开了一种硝化菌的富集方法。该方法是采用间歇式活性污泥法，通过逐渐提高培养液氨氮浓度的方法来进行富集。此方法采用间歇式进水、曝气、沉降、排水工序周期性进行，工序繁琐，往水体中曝气能耗大，逐步提高氨氮浓度的过程导致富集强化时间长。由于培养的硝化细菌以悬浮颗粒的形式存在，因此此工艺同时需要添加适量的钙离子以提高硝化细菌的沉降性，避免硝化细菌在换水过程中的流失。
【发明内容】
[0006]针对上述存在的问题，本发明的目的是在于提供一种简便，高效，低能耗的对硝化细菌微生物膜的富集培养方法以及该方法制得的硝化细菌微生物膜。该方法所得到的硝化细菌微生物膜具有能够处理高浓度氨氮污水，能够作为微生物反应器直接投入污水中使用，使污水氨氮含量达标并能够安全排放的作用。
[0007]为达此目的，本发明所采用的技术方案是:
[0008]一种硝化细菌微生物膜，其特征在于，所述的硝化细菌微生物膜通过在多孔介质载体表面接种活性污泥，采用连续式循环供给硝化细菌富集培养液的方法进行硝化细菌的富集培养后，形成附载在多孔介质载体表面的硝化细菌膜。
[0009]所述连续式循环供给硝化细菌富集培养液的方法是指:第一，往回收池内添加硝化细菌富集培养液；第二，通过压力水泵从喷头循环注入反应器；第三，在反应器底部回收流出的培养液并回流到回收池；如此循环供给硝化细菌富集培养液，培养得到所述硝化细菌生物膜。
[0010]本发明的硝化细菌富集培养液的主要组分为无机盐，包括微量元素Fe、Mg、Na、K、pH缓冲液以及氨离子NH4+— N和COD。微量元素可采用常规的用量的常用的物质引入，优选如下:Fe是以FeSO4.7H20的形式加入的，Fe2+的浓度为lmg/L?15mg/L，优选为2mg/L?8mg/L ；Mg是以MgCl2.6H20的形式加入的，Mg2+的浓度为2mg/L?30mg/L，优选为4mg/L?15mg/L ；Na是以似!10)3或Na 20)3的形式加入的，Na +的浓度为200mg/L?800mg/L，优选为300mg/L?500mg/L ;K是以KH2PO4或K 2ΗΡ04的形式加入的，K +的浓度为20mg/L?10mg/L，优选为30mg/L?50mg/L ;所用缓冲液为KH2PO4, K2HPO4, NaHCO^ Na 20)3中的一种或者多种，其浓度为200mg/L?1200mg/L，优选为500mg/L?1000mg/L。氨离子順4+— N浓度为50mg/L?800mg/L，优选为400mg/L ；C0D是以葡萄糖或酵母粉的形式加入的，其浓度为10mg/L ?500mg/L，优选为 30mg/L ?100mg/L。
[0011]本发明的多孔介质载体可选用合适氨离子选择吸附剂，如斜发沸石(clinoptilolite)，发光沸石(mordenite)，1?十字沸石(phillipsite)等，所选用氨离子选择吸附剂的颗粒尺寸为0.075mm?100mm，优选为3mm?30mm。
[0012]本发明的接种活性污泥可以选取本领域常用的含硝化细菌的活性污泥，优选取自炼油污水处理厂的活性污泥或催化剂污水处理厂的活性污泥。
[0013]本发明的富集培养的条件为:温度15?35°C ;pH为6.0?9.0，优选6.5?8.5 ;溶解氧DO采用自然通风或鼓气，无需向水体中曝氧；硝化细菌膜内的溶解氧大于lmg/L，优选3.5?10mg/L ；pH值是通过似!10)3或Na 2C03中的一种或两种来调节的。
[0014]本发明还涉及所述的硝化细菌微生物膜的制备方法，包括以下步骤:
[0015]步骤一:在反应器内添加多孔介质材料，将接种活性污泥通过喷头从反应器顶部注入反应器，使得活性污泥与多孔介质充分接触；搜集从底部流出的剩余活性污泥，导入回收池，并通过泵从喷头循环注入反应器，直到活性污泥中大于60% (干重)的活性微生物(污泥中的固相物质)被负载在多孔介质材料表面，优选大于85%;接种的活性污泥体积为0.5V?2V，优选IV?1.5V，其中V指的是反应器的容积；
[0016]步骤二:当所需活性污泥被负载到多孔介质表面后，清空剩余活性污泥，并往回收池内添加硝化细菌富集培养液，通过泵从喷头循环注入反应器，并在反应器底部回收流出的培养液并回流到回收池，向反应器内连续式循环供给硝化细菌富集培养液，流速为24V/24小时?1V/24小时，优选12V/24小时?4V/24小时，其中V指的是反应器的容积；
[0017]步骤三:监测从反应器底部流出富集培养液的溶解氧DO、回收池内富集培养液的PH值和氨离子NH4+— N浓度；当DO低于lmg/L，则通过反应器顶部向反应器内鼓风向负载在多孔介质表面的硝化细菌膜提供氧气；当PH值低于6，优选低于6.5，则往回收池添加碱溶液(优选碳酸氢钠(NaHCO3)或者碳酸钠(Na2CO3))，调节pH值6?9，优选6.5?8.5 ;用纳氏试剂分光光度法监测NH4+- N浓度，当浓度低于1.4mg/L，用新配置的富集培养液替换当前富集培养液；
[0018]步骤四:重复步骤二和步骤三，直至监测到富集培养液中NH4+— N的降解速率大于42mg/L/h，完成硝化细菌微生物膜培养。
[0019]有益效果:
[0020]1、本发明在硝化细菌富集培养初期就使用大浓度氨氮培养液，使得驯化能适应高浓度氨氮离子的硝化细菌的过程大幅缩短。
[0021 ] 2、本发明采用的富集培养液中含有极少量的有机物，使污泥中的原生动物、后生动物、真菌、以及碳化菌等杂菌的生长受到抑制，有利于硝化细菌成为优势菌群。
[0022]3、本发明的多孔介质载体吸附氨离子，同时又通过解吸附持续向负载的活性污泥细菌膜底部释放氨离子，促进了硝化细菌从负载活性污泥细菌膜的底部富集，加快了硝化细菌膜的富集生长过程；最终形成的硝化细菌膜能够处理浓度高达1000mg/L，容积负荷950g NH；- N/(m 3.d)的氨氮废水，是污水中高浓度氨氮降低到10mg/L以下。
[0023]4、本发明反应器中含有大量空隙，空气能以很小的阻力通过反应器，为反应器内负载在多孔介质表面的硝化细菌膜提供氧气，相比于传统的往水体中曝氧，所需能量大幅度减少。
[0024]5、本发明的微生物膜可以处理低浓度和高浓度氨氮，能处理浓度高达1000mg/L，容积负荷950g NH4+- N/(m3.d)的氨氮废水，使污水中氨氮浓度降低到10mg/L以下；并且可以直接作为微生物膜反应器投入到污水处理工艺中，具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0025]图1为制备本发明硝化细菌微生物膜的方法示意图；
[0026]图2为本发明硝化细菌微生物膜培养过程中去除氨氮时间变化图。
[0027]图中，A、反应容器；B、喷头；C、回收池；D、压力水泵；E、多孔介质材料。
【具体实施方式】
[0028]为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下:
[0029]实施例1:
[0030]一种连续式循环供给硝化细菌富集培养液进行硝化细菌的富集培养的方法，如图1所示，首先是活性污泥的负载:在反应容器A (顶端不封闭)内添加多孔介质材料E，将接种活性污泥通过喷头B从反应器A顶部注入反应器A，使得活性污泥与多孔介质充分接触。从底部搜集流出的剩余活性污泥，导入回收池C，并通过压力水泵D从喷头B循环注入反应器A。直到大于60%干重的活性污泥被负载在多孔介质材料E表面，优选大于85%。
[0031]其次，当所需活性污泥被负载到多孔介质表面后，清空剩余活性污泥，并往回收池C内添加一定体积量的硝化细菌富集培养液。并通过压力水泵D从