利用MBBR反应器富集甲烷氧化耦合高氯酸盐还原菌群的方法与流程

本发明属于生物降解处理技术领域，具体涉及利用MBBR反应器富集甲烷氧化耦合高氯酸盐还原菌群的方法。

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。

目前已知并没有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。相较于这些方法，利用序批式膜生物反应器MBBR(Membrane biofilm batch reactor)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。

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，提供一种利用MBBR反应器(序批式膜生物反应器)富集甲烷氧化耦合高氯酸盐还原菌群的方法。

为解决技术问题，本发明的具体方案是：

提供一种利用MBBR反应器富集甲烷氧化耦合高氯酸盐还原菌群的方法，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MBBR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；

(3)反应阶段

A、取步骤(1)中制备获得的无机培养基，用氮气曝气至去除氧气；

B、将步骤A中无机培养基引入至接种了ANMO-D菌群的MBBR反应器中并连续运行；在进水处引入污水，调整引入污水中污染物质量百分比浓度：ClO₄^-为1mg/L，NO₃^-为1mg/L；控制反应器连续运行过程中的温度为29℃，进水速率为0.5mL/min，半保留时间为130min，甲烷分压为15psi；

C、在反应器连续运行稳定即污染物降解率维持在恒定数值后，分阶段改变引入污水中的污染物浓度：先调整污水中污染物质量百分比浓度：ClO₄^-为1mg/L、NO₃^-为12mg/L，反应器连续运行稳定且污染物降解率重新维持在一个恒定数值；然后调整污水中污染物质量百分比浓度：ClO₄^-为1mg/L，NO₃^-为4.5mg/L；反应器连续运行稳定且污染物降解率重新维持在一个恒定数值；此时，在MBBR反应器中即富集了能降解高氯酸盐的菌群；

所述MBBR反应器(序批式膜生物反应器)的结构如下：

反应器本体由两根中空的玻璃管组成，分别为主管和副管；主管和副管的上端通过橡胶管相连，底部通过循环蠕动泵相连，内部循环方向是由副管底部流向主管底部；副管的上端设出样口，副管的底部设有进样口，定量进样泵通过管路接至进样口；在主管和副管内部，沿长度方向填充了长条形的疏水性微孔聚乙烯膜，主管中的填充物数量多于副管；甲烷钢瓶出口设减压阀，减压阀的出口通过橡胶管分别接至主管底部和顶部及副管顶部。

本发明中，所述MBBR反应器(序批式膜生物反应器)可置于恒温的室内，以保证反应器连续运行过程中的温度为29℃。

本发明中，所述主管和副管的总体积为65mL，主管中填充了32根疏水性微孔聚乙烯膜，副管中填充了16根疏水性微孔聚乙烯膜；疏水性微孔聚乙烯膜的外径为280μm，内径为180μm，其微孔直径为0.1-0.15μm。

本发明进一步提供了前述方法中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MBBR反应器，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序批式膜生物反应器MBBR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5mg/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。

本发明还提供了前述方法中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MBBR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MBBR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5mg/L，NO₃^-在引入总量中的浓度为28mg/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。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1、本发明所采用的MBBR反应器(序批式膜生物反应器)能为生物膜生长提供良好的微环境；

2、本发明中的优化后的菌群可以将高氯酸盐的降解效率从1mg/L提升到5.5mg/L。

附图说明

图1本发明中序批式膜生物反应器构造图；

图2本发明中反应器(阶段2)降解效率图；

图3本发明中反应器(阶段3)降解效率图；

图4本发明中反应器(阶段4)降解效率图；

图5本发明中反应器(阶段5)降解效率图；

图6本发明中反应器进行硝酸盐单解效率图；

图7本发明中各个阶段主要功能菌群丰度图。

图中标记说明：1、甲烷钢瓶；2、减压阀；3、循环蠕动泵；4、污水储罐；5、定量进样泵；6、主管；7、副管；8、出样口。

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。

本发明所述MBBR反应器(序批式膜生物反应器)的结构如图1所示：

反应器本体由两根中空的玻璃管组成，分别为主管6和副管7；主管6和副管7的上端通过橡胶管相连，底部通过循环蠕动泵3相连，内部循环方向是由副管7底部流向主管6底部；副管7的上端设出样口8，副管7的底部设有进样口，定量进样泵5通过管路接至进样口，定量进样泵5的进口通过管路接至污水储罐4；在主管6和副管7内部，沿长度方向填充了长条形的疏水性微孔聚乙烯膜，主管6中的填充物数量多于副管7；甲烷钢瓶1出口设减压阀2，减压阀2的出口通过橡胶管分别接至主管6底部、顶部以及副管7的顶部。

本实施例中，主管6和副管7的总体积为65mL，主管6中填充了32根疏水性微孔聚乙烯膜，副管7中填充了16根疏水性微孔聚乙烯膜；疏水性微孔聚乙烯膜的外径为280μm，内径为180μm，其微孔直径为0.1-0.15μm。该膜由日本Mitsubishi公司制造，型号MHF-200TL。

MBBR反应器的使用方法：

存储在污水储罐4中的进样废水经定量进样泵5以0.5mL/min的速率流向副管7底部的进样口，在循环蠕动泵的作用下，反应器内的液体由副管7底部流经主管6底部后，自副管7顶部出样口8流出。主管6和副管7的总体积为65mL，半保留时间为130min，通入的甲烷作为微生物生长所需的电子供体。在使用过程中，MBBR反应器(序批式膜生物反应器)可置于恒温的室内，以保证反应器连续运行过程中的温度为29℃。

本发明中，利用MBBR反应器富集甲烷氧化耦合高氯酸盐还原菌群的方法，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MBBR反应器中接种10mL ANMO-D菌群(阶段1)；

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；

(3)反应阶段

A、取步骤(1)中制备获得的无机培养基，用氮气曝气至去除氧气；

B、将步骤A中无机培养基引入至接种了ANMO-D菌群的MBBR反应器中并连续运行(阶段2)；在进水处引入污水，调整引入污水中污染物质量百分比浓度：ClO₄^-为1mg/L，NO₃^-为1mg/L；控制反应器连续运行过程中的温度为29℃，进水速率为0.5mL/min，半保留时间为130min，甲烷分压为15psi；

C、在反应器连续运行稳定即污染物降解率维持在恒定数值后，分阶段改变引入污水中的污染物浓度：先调整污水中污染物质量百分比浓度：ClO₄^-为1mg/L、NO₃^-为12mg/L，反应器连续运行稳定且污染物降解率重新维持在一个恒定数值(阶段3)；然后调整污水中污染物质量百分比浓度：ClO₄^-为1mg/L，NO₃^-为4.5mg/L；反应器连续运行稳定且污染物降解率重新维持在一个恒定数值(阶段4)；此时，在MBBR反应器中即富集了能降解高氯酸盐的菌群。

作为本发明的进一步应用方案：

是利用富集了能降解高氯酸盐的菌群的MBBR反应器，进行含高氯酸盐污水的处理(阶段5)；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序批式膜生物反应器MBBR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5mg/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5.5mg/L的ClO₄^-完全降解。

更进一步的应用实例：

是利用富集了能降解高氯酸盐的菌群的MBBR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MBBR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5mg/L，NO₃^-在引入总量中的浓度为28mg/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28mg/L的NO₃^-降解至16mg/L。