一种利用复合微生物群活化海绵铁系统处理偶氮染料废水的方法

摘要

本发明公开了一种利用复合微生物群活化海绵铁系统处理偶氮染料废水的方法。本发明首先从城市污泥中富集到解钝化复合微生物群，然后将解钝化复合微生物群加入到海绵铁偶氮染料废水处理系统中，使解钝化复合微生物群与海绵铁结合强化处理染料废水，一方面能改善海绵铁钝化的情况，另一方面微生物在降解废水的过程中能创造一个微酸性的环境，有利于将海绵铁表面的钝化产物去除，恢复其还原能力，并且由于Fe2+和H2的不断产生，为微生物降解有机污染物提供更多的电子供体，促成污染物的生物降解。本发明的海绵铁腐蚀与微生物作用之间相互影响、相互促进。因而通过生物与化学的共同作用，提高了脱色系统处理污染物的能力。

说明书

技术领域：

本发明属于水处理材料与环保技术领域，具体涉及一种利用复合微生物群活化海绵铁系统处理偶氮染料废水的方法。

背景技术：

废水排放大量毒害性污染物导致的严重污染问题，逐渐成为目前环境领域研究的热点。毒害性污染物及新型污染物的累积会严重干扰以活性污泥为核心的废水处理系统的稳定运行，甚至威胁到水环境安全。如何快速、绿色、稳定、低成本地解决废水毒害性污染问题，成为未来新型水处理技术发展的方向。

海绵铁为直接还原铁(含量>90％以上)，其生产过程是采用优质矿石，在高温条件下还原矿石而获得，因为内部多孔如海绵状故称之为海绵铁。其主要功能可对管道、锅炉和氧循环水溶解腐蚀经水处理后进行除氧，也可替代铁介质充当反应与脱色处理系统的填料。以海绵铁为代表的新型零价铁材料具有较强的还原性，在自身氧化过程中，可以还原多种污染物质；其催化作用可加快毒害性污染物降解的速度，尤其对于染料脱色过程中的偶氮偶氮键发生断裂；同时，铁介质在厌氧条件下与水接触反应后可以产生大量Fe²⁺和电子，能加快污染物氧化的过程；铁介质本身不具有氧化性，但却可以在有氧条件下与水中的H⁺和溶解氧发生反应，生成Fe²⁺和H₂O₂，并进一步反应生成氧化能力极强的羟基自由基(OH)，从而氧化毒害性污染物。作为Fenton氧化过程的催化剂，改善了废水的处理效果，有效减轻了后续生化处理过程的负担，从而提高污染物的可生物降解性。再者，海绵铁所释放的产物均能作为微生物生理过程、呼吸过程提供电子。该特性可以从而促进微生物的生长与呼吸过程，如促进硝基苯的厌氧生物转化并生成苯胺等。综上所述，铁介质是改善毒害性废水生物可降解性的有效手段。

水体脱氮与微量污染物去除主要通过微生物的代谢活动完成。传统微生物染料脱色过程主要利用微生物呼吸将偶氮键打开，二价铁离子与零价铁的催化能力能大大加强偶氮染料与其他污染物的去除。虽然，铁介质对染料废水脱色的处理已经非常成熟有效，但目前仍存在运行过程中铁介质钝化的问题亟待解决。钝化后的铁介质形成结块,二价铁离子产生量锐减，零价铁表面被铁锈与结块污染物覆盖，导致催化反应速率降低乃至造成反应系统的堵塞、短流等问题，严重影响铁介质的应用。因此，开发一种直接适用于海绵铁处理，既能去除醋氨酚又能同步脱除总氮、氨氮的新型节能环保的水处理系统，不仅有利于缓解改善无法截污的城镇水污染现状，也有助于提高水环境的安全，对未来3-5年分散式水处理技术的发展具有重要的意义。

目前，减轻铁介质与海绵铁钝化的技术包括：物理法、化学法与生物法。物理法是指使用包括超声、摩擦等方式去除钝化铁结构的技术；化学法是利用酸腐蚀的原理减轻结垢现象。以上的方法需要消耗能量或容易产生二次污染，更重要的是物理、化学法需要停止生产与处理工艺才能完成是另一个不足。

发明内容：

本发明的目的是提供一种利用复合微生物群活化海绵铁系统处理偶氮染料废水的方法，该方法能减少能量消耗与不产生二次污染，有效的解决了海绵铁偶氮染料废水处理系统的铁介质钝化问题。

本发明的利用复合微生物群活化海绵铁系统处理偶氮染料废水的方法，其特征在于，首先从城市污泥中利用海绵铁诱导富集到以铁还原为特征功能的解钝化复合微生物群，然后将解钝化复合微生物群加入到海绵铁偶氮染料废水处理系统中。

优选，具体包括以下步骤：

取城市污水厂污泥，经隔除和去除杂质后，再经沉淀、曝气，去除上污泥清液，如此循环若干次后，留下的底泥加入到M0培养基中得到混合液A，放入活化反应器中进行定向培养，活化反应器中的底泥和M0培养基的质量比为1：2～5；

培养分两个阶段：

a、第一阶段为序批培养，混合液A在活化反应器中的培养无需曝气，待其溶解氧低于0.5mg/L，更换新的M0培养基，如此重复若干个周期至pH稳定在3-4之间，再按每升反应液20-30g的量添加海绵铁作诱导介质培养解钝化菌群，由此进入第二阶段；

b、第二阶段采用连续流培养，连续加入M1培养基，水力停留时间为2天，然后按每升反应液加入20～30g海绵铁的量更换海绵铁，待pH稳定至4-4.5后，缩短水力停留时间到1天，全过程培养无需曝气，并需要密封培养，经培养后获得反应器菌液，再收集菌体，得到解钝化复合微生物群；

将解钝化复合微生物群加入到海绵铁偶氮染料废水处理系统中；

所述的M0培养基为：每升含有葡萄糖3-5g、NH₄Cl0.3-0.5g，海绵铁10-20g，余量为水；

所述的M1培养基为：每升含有葡萄糖3-5g、NH₄Cl0.3-0.5g、KH₂PO₄0.7g、Na₂HPO₄2.0g、MgSO4·7H₂O0.1g、NaCl0.2g、CaSO₄0.05g、FeCl₃·6H₂O0.2mg、NaMoO₄0.2mg、MnCl₂·4H₂O0.2mg、CuCl₂·2H₂O0.2mg、ZnSO₄0.2mg、H₃BO₃0.3mg和CoCl₂·6H₂O0.4mg，余量为水。

所述的将解钝化复合微生物群加入到海绵铁偶氮染料废水处理系统中优选是将解钝化复合微生物群按照质量比1：3的比例与M2培养基混合后加入到海绵铁偶氮染料废水处理系统中，或者将解钝化复合微生物群冻干后干燥保存备用，待使用时，将解钝化复合微生物群解冻后接入M2培养基中活化，然后再在活化的解钝化复合微生物群菌液中加入海绵铁，使其浓度为30g/L，在培养反应器内进行使用前活化，培养24h后应保持pH低于4.5，水体呈现明显浑浊或测定蛋白质从0mg/L增长至10mg/L以上，再按照质量比1：3比例与M2培养基混合后，加入海绵铁偶氮染料废水处理系统中使用；

所述的M2培养基为：每升含有葡萄糖2-5g、NH₄Cl0.5-0.8g、KH₂PO₄0.7g、Na₂HPO₄2.0g、MgSO4·7H₂O0.1g、NaCl0.2g、CaSO₄0.05g，海绵铁20-30g。

所述的取城市污水厂污泥，经隔除和去除杂质后，经沉淀、曝气，去除上污泥清液，如此循环若干次后优选为：取城市污水厂污泥，水泥混合液中挥发性有机固体浓度为1.5～2mg/L，经过隔除和去除杂质后，沉淀25～30min、曝气30min、去上污泥清液，如此循环2～3次。

所述的续批培养中的如此重复若干个周期至pH稳定在3-4之间，其重复周期为4-5个周期。

所述的连续流培养中的经培养后获得反应器菌液，是培养3-5周后获得反应器菌液。

所述的留下的底泥加入到M0培养基中得到混合液A优选是将留下的底泥加入到M0培养基，先经培养1～3周后，然后继续添加M0培养基，使得留下的底泥：总的M0培养基质量比1：2～5得到混合液A，将混合液A放入活化反应器进行培养。

本发明首先从城市污泥中富集到解钝化复合微生物群，然后将解钝化复合微生物群加入到海绵铁偶氮染料废水处理系统中，使解钝化复合微生物群与海绵铁结合强化处理染料废水，一方面能改善海绵铁钝化的情况，另一方面微生物在降解废水的过程中能创造一个微酸性的环境，有利于将海绵铁表面的钝化产物去除，恢复其还原能力，并且由于Fe²⁺和H₂的不断产生，为微生物降解有机污染物提供更多的电子供体，促成污染物的生物降解。本发明的海绵铁腐蚀与微生物作用之间相互影响、相互促进。因而通过生物与化学的共同作用，提高了脱色系统处理污染物的能力。利用微生物的厌氧铁呼吸与产酸过程将结块的铁进行还原的方法，能减少能量消耗与不产生二次污染，有效的解决了海绵铁偶氮染料废水处理系统的铁介质钝化问题。

附图说明：

图1是活化反应器的结构示意图；

其中1、培养基贮存瓶；2、蠕动泵；3、反应器；4、搅拌器；5、海绵铁；6、pH计；7、取菌口；8、排水口；9、进液管；

图2是加入解钝化复合微生物群后海绵铁偶氮染料脱色废水处理系统效率恢复(Iβ代表海绵铁活化菌群，agedspongeiron为海绵铁)，其中A:钝化海绵铁组与钝化海绵铁加解钝化复合微生物群组对比水中二价铁离子变化；B钝化海绵铁组与钝化海绵铁加解钝化复合微生物群组对比水中pH变化；a.钝化海绵铁组与钝化海绵铁加解钝化复合微生物群组对比对偶氮染料脱色率的差异；b，钝化海绵铁组与钝化海绵铁加解钝化复合微生物群组对比偶氮染料脱色中pH的变化。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示，本发明的活化反应器包括培养基贮存瓶1、蠕动泵2、反应器3和搅拌器4，所述的蠕动泵2的入口与培养基贮存瓶1通过管道相连，蠕动泵的出口与进液管9相连，进液管的另外一端伸入反应器3底部，在反应器中设有搅拌器4，在反应器开口壁上设有pH计6，在反应器的底部周壁上设有取菌口7，在反应器的上部周壁上设有排水口8，所述的进液管9、取菌口7和排水管8上设有阀门。

培养基的添加可以通过蠕动泵将培养基贮存瓶泵至反应器中，海绵铁5也可以添加到反应器中，排水口用于排除上清液，而取菌口则是收取菌体沉淀，所述的进液管9、取菌口7和排水管8上的阀门分别控制其开关。

从城市污水厂取污泥20L，污泥的挥发性有机固体(VSS)2mg/L，经过常规的隔除和去除杂质后，沉淀30min，曝气30min后，去上污泥清液后，循环3次后，留下的底泥加入到M0培养基中，培养1周后，菌体蛋白从1mg/L增长至15mg/L，然后继续添加M0培养基，使得留下的底泥：总的M0培养基质量比1：5得到混合液A，将混合液A放入活化反应器的反应器3中进行培养。

培养分两个阶段：

a、第一阶段为序批培养，混合液A在活化反应器中的培养无需曝气，每天测定pH与溶解氧，培养5天后，pH从7逐步下降至4.2，溶解氧从1mg/L降低至0.5mg/L，更换新的M0培养基，加顶盖密封，如此重复4个周期至pH稳定在4，再按30g/L的量加入海绵铁至反应液中作诱导介质培养解钝化菌群，由此进入第二阶段；

b、第二阶段采用连续流培养，连续加入M1培养基，水力停留时间为2天，然后按每升反应液加入30g海绵铁的量更换海绵铁，待pH稳定至4后，缩短水力停留时间到1天，全过程培养无需曝气，并需要加顶盖密封培养，经培养3周后获得反应器菌液，菌液沉淀后可收集沉淀物待使用，沉淀物即为解钝化复合微生物群；

经分析，解钝化复合微生物群中的主要23条序列归属于2个细菌类群：厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacter)。其中有22条与厚壁菌门(Firmicutes)相似，有2条与变形菌门(Proteobacter)相似。厚壁菌门(Firmicutes)包括梭菌属(Clostridium)、类芽孢杆菌(Paenibacillus)、芽孢乳杆菌属(Sporolac-tobacillus)、颤螺菌属(Oscillospira)、瘤胃菌属(Ruminococcus)、芽孢杆菌属(Bacillus)、乙醇杆菌属(Ethanoligenens)、Pseudobacteroides、Anaerobacterium、Ruminiclostridium、Hydrogenoanaerobacterium、Papillibacter；变形菌门(Proteobacter)包括假单胞菌属(Pseudomonas)、伯克氏菌属(Burkholderia)。梭菌属(Clostridium)在Iβ菌群中所占的比例最高，达到22.1％，其次是Pseudobacteroides，该菌群的序列所占比例为15.1％，乙醇杆菌属(Ethanoligenens)、类芽孢杆菌(Paenibacillus)和Hydrogenoanaerobacterium在细菌类群中的所占比例分别为7.2％、4.7％和4.5％。

将解钝化复合微生物群按照质量比1：3的比例与M2培养基混合后，得到含有解钝化复合微生物群的M2培养基。

10L的海绵铁偶氮染料脱色废水处理系统运行了3个月后，表面生成了结块与氧化物，亚铁离子溶出量基本不变，pH也维持在6-7之间，失去脱色能力(图2A，B)表面也形成了深色块状物。结果发现，Iβ菌群(解钝化复合微生物群)的加入可以明显的促进Fe²⁺的溶出。如图2A，钝化海绵铁+Iβ菌群体系中Fe²⁺的浓度在48h到120h之间，由19.17mg/L增长到80.47mg/L，而钝化海绵铁体系中Fe²⁺浓度在48h到120h之间几乎没有什么变化。在120h时，钝化海绵铁+Iβ菌群体系中Fe²⁺浓度比钝化海绵铁体系高62.51mg/L。并且通过显著性分析可得，加菌组与对照组之间有明显差异(p<0.001)。同时，由图2B可知Iβ菌群在生长过程pH值会下降，使反应体系的pH由中性变为酸性，这为去除海绵铁表面包裹的氧化膜创造了一个良好的微酸性环境。

按体积比1:10的比例将含有解钝化复合微生物群的M2培养基加入海绵铁偶氮染料脱色废水处理系统的反应液中，经过48h解钝化后，钝化海绵铁脱色能力得到有效恢复，结果发现随着菌群的增长，钝化海绵铁+Iβ菌群体系的脱色率逐渐恢复，至120h，橙黄Ⅱ的脱色可以达到96.1％，接近于完全脱色(如图2a)，而对照组钝化海绵铁体系的脱色能力则一直维持在10％左右，与加菌组相比脱色能力较差。故微生物的加入使钝化海绵铁外包裹的氧化膜打开，使其中裸露的零价铁与橙黄Ⅱ反应，断裂偶氮键，消除水体的色度。因而微生物的加入可以使钝化的海绵铁重新恢复脱色能力，亚铁离子逐步溶出，从20mg/L上升至75mg/L，脱色效率得到恢复，由原来的10％的脱色效能恢复至100％的脱色率(图2a，b)。将Iβ菌群加入含橙黄Ⅱ的钝化海绵铁体系中，考察解钝化过程中的海绵铁对偶氮染料的脱色作用。该系统经过微生物活化后能持续运行。

所述的M0培养基为：每升含有葡萄糖5g、NH₄Cl0.5g，海绵铁20g，余量为水；其配制方法是将其成份按其含量混合均匀后，灭菌得到M0培养基。

所述的M1培养基为：每升含有葡萄糖5g、NH₄Cl0.5g、KH₂PO₄0.7g、Na₂HPO₄2.0g、MgSO4·7H₂O0.1g、NaCl0.2g、CaSO₄0.05g、FeCl₃·6H₂O0.2mg、NaMoO₄0.2mg、MnCl₂·4H₂O0.2mg、CuCl₂·2H₂O0.2mg、ZnSO₄0.2mg、H₃BO₃0.3mg和CoCl₂·6H₂O0.4mg，余量为水。其配制方法是将其成份按其含量混合均匀后，灭菌得到M1培养基。

所述的M2培养基为：每升含有葡萄糖2g、NH₄Cl0.5g、KH₂PO₄0.7g、Na₂HPO₄2.0g、MgSO4·7H₂O0.1g、NaCl0.2g、CaSO₄0.05g，海绵铁30g.其配制方法是将其成份按其含量混合均匀后，灭菌得到M2培养基。

实施例2：

从城市污水厂取污泥10L，污泥的挥发性有机固体(VSS)1.5mg/L，经过常规的隔除和去除杂质后，沉淀25min，曝气30min后，去上污泥清液后，循环2次后，留下的底泥加入到M0培养基中，培养3周后，菌体蛋白从2mg/L增长至21mg/L，然后继续添加M0培养基，使得留下的底泥：总的M0培养基质量比1：2得到混合液A，将混合液A放入活化反应器的反应器3中进行培养。

培养分两个阶段：

a、第一阶段为序批培养，混合液A在活化反应器中的培养无需曝气，每天测定pH与溶解氧，培养7天后，pH从7逐步下降至4.6，溶解氧从1mg/L降低至0.5mg/L，更换新的M0培养基，加顶盖密封，如此重复5个周期至pH稳定在3～4，再按20g/L的量加入海绵铁到反应液中作诱导介质培养解钝化菌群，由此进入第二阶段；

b、第二阶段采用连续流培养，连续加入M1培养基，水力停留时间为2天，然后按每升反应液加入20g海绵铁的量更换海绵铁，待pH稳定至4后，缩短水力停留时间到1天，全过程培养无需曝气，并需要加顶盖密封培养，培养5周后获得反应器菌液，菌液沉淀后可收集沉淀物，沉淀物即为解钝化复合微生物群，解钝化复合微生物群沉淀后用甘油制作成冻干管后保存在冰箱中。

待使用时，将解钝化复合微生物群解冻后接入M2培养基中活化12h，然后再在活化的解钝化复合微生物群菌液中加入海绵铁，使其浓度为30g/L，在培养反应器内进行使用前活化，培养24h后应保持pH低于4.5，水体呈现明显浑浊或测定蛋白质从0mg/L增长至10mg/L以上，再按照质量比1：3比例与M2培养基混合后，得到含有解钝化复合微生物群的M2培养基。

10L的海绵铁偶氮染料脱色废水处理系统运行了3个月后，表面生成了结块与氧化物，亚铁离子溶出量基本不变，pH也维持在6-7之间，失去脱色能力表面也形成了深色块状物。按体积比1:10的比例将含有解钝化复合微生物群的M2培养基加入海绵铁偶氮染料脱色废水处理系统的反应液中，经过48h解钝化后，钝化海绵铁脱色能力得到有效恢复，亚铁离子逐步溶出，从10mg/L上升至60mg/L，脱色效率得到恢复，由原来的10％的脱色效能恢复至90％的脱色率。该系统经过微生物活化后能持续运行。

所述的M0培养基为：每升含有葡萄糖3g、NH₄Cl0.3g，海绵铁10g，余量为水；其配制方法是将其成份按其含量混合均匀后，灭菌得到M0培养基。

所述的M1培养基为：每升含有葡萄糖3g、NH₄Cl0.3g、KH₂PO₄0.7g、Na₂HPO₄2.0g、MgSO4·7H₂O0.1g、NaCl0.2g、CaSO₄0.05g、FeCl₃·6H₂O0.2mg、NaMoO₄0.2mg、MnCl₂·4H₂O0.2mg、CuCl₂·2H₂O0.2mg、ZnSO₄0.2mg、H₃BO₃0.3mg和CoCl₂·6H₂O0.4mg，余量为水。其配制方法是将其成份按其含量混合均匀后，灭菌得到M1培养基。

所述的M2培养基为：每升含有葡萄糖5g、NH₄Cl0.8g、KH₂PO₄0.7g、Na₂HPO₄2.0g、MgSO4·7H₂O0.1g、NaCl0.2g、CaSO₄0.05g，海绵铁20g.其配制方法是将其成份按其含量混合均匀后，灭菌得到M2培养基。