一种耐低温硝化菌的培养方法及其在废水处理中的应用

摘要

本发明公开了一种耐低温硝化菌的培养方法，是以工业含氨废水作为培养液，采用投加硝化菌生长促进剂的方式对富含硝化菌的活性污泥进行富集培养，培养过程采用常温和低温培养交替进行的方式，常温培养温度为18～40℃，低温培养温度为8～18℃；所述硝化菌生长促进剂包括金属盐和多胺类物质，其中金属盐为40～100重量份，多胺类物质为5～30重量份；所述金属盐由钙盐、铜盐、镁盐和/或亚铁盐组成。本发明是通过采用投加硝化菌生长促进剂并配合常温和低温交替运行方式实现的，所获得的菌体适应范围宽、处理效果好，能够在低温条件下实现高效脱氨氮，可以解决冬季低温运行不稳定、污水处理不达标等问题。

说明书

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种耐低温硝化菌的培养方法及其在废水处理中的应用。

背景技术

生物脱氮方法中，无论是传统的硝化-反硝化，还是新型的短程硝化-反硝化及短程硝化-厌氧氨氧化都需经过硝化菌的硝化作用脱除氨氮。硝化菌属于化能营养型微生物，生物细胞只能利用以ATP等形态保存的能量，不能直接利用化学反应所释放的自由能。在好氧代谢中，ATP主要通过呼吸链的氧化磷酸化作用合成。氨氧化磷酸化效率很低，所能产生的ATP非常有限，这些能量主要用于电子跃迁到较高能级，这使得硝化菌生长很缓慢，世代期为8～36h。硝化菌的细胞壁中肽聚糖含量低，蛋白质和脂肪含量高，因此对环境变化比较敏感，自然界中天然的硝化菌适应性和耐受性比较差，在很多条件下无法与异养型微生物在生长竞争中取得优势。污水处理系统中，当活性污泥中硝化菌含量较低时，依靠调节溶解氧和pH等环境条件无法在较短时间内快速生长繁殖，最终导致现有运行的污水处理系统脱除氨氮能力有限。特别是在我国北方地区的冬季，活性污泥中硝化菌的生长繁殖速率和生物活性都会因低温影响而大幅度降低，因此许多污水处理厂的硝化脱氨氮效果变差，出水氨氮浓度很难满足排放标准。在工业上通常可以采用向污水处理系统中直接投放培养好的耐低温硝化菌来解决这一问题。无论是直接在污水处理系统中培养硝化菌还是在污水处理系统外培养硝化菌，都需要添加促进生长的物质，才能加快硝化菌的生长速率。

中国专利CN200510111874.5、CN200510111876.4、CN200510111877.9和CN200510111875.X分别提出了利用不同的金属盐组合而成的硝化菌生长促进剂，主要成分包括糖蜜、金属盐（铁盐、锰盐、钙盐和镁盐）和吸附剂。使用该促进剂后氨氮去除率可以提高20%以上。但由于吸附剂主要是沸石粉、硅藻土、粉末活性炭或粉煤灰等物质，这些吸附剂的投加势必会增大污泥产量。

中国专利CN201310296780.4公开了一种耐低温自养硝化菌剂的富集及其在废水处理中的应用，其特征在于：选用实验室低温反应器中的种泥进行驯化和富集，具体方法分为曝气量不同的三个阶段，以无有机碳、高氨氮合成污水进行富集培养，温度中10℃条件下得到具有耐低温特性的自养硝化菌剂。该方法虽然解决了部分不含有有机碳的污水处理厂冬季运行问题，但是因该发明所使用的富集培养液中没有有机碳，所获得的硝化菌在处理含有机碳废水时将会受到限制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种耐低温硝化菌的培养方法及其在废水处理中的应用。本发明是通过采用投加硝化菌生长促进剂并配合常温和低温交替运行的方式实现的，所获得的菌体适应范围宽、处理效果好，能够在低温条件下实现高效脱氨氮。本发明富集培养的菌体投加到污水处理厂使用后，可以解决冬季低温运行不稳定、污水处理不达标等问题。

本发明耐低温硝化菌的培养方法，是以工业含氨废水作为培养液，采用投加硝化菌生长促进剂的方式对富含硝化菌的活性污泥进行富集培养，培养过程采用常温和低温培养交替进行的方式进行耐低温硝化菌的驯化，常温培养温度为18～40℃，优选为25～35℃，低温培养温度为8～18℃，优选为10～15℃；所述硝化菌生长促进剂包括金属盐和多胺类物质，其中金属盐为40～100重量份，优选为50～80重量份，多胺类物质为5～30重量份，优选为10～20重量份；所述的金属盐由钙盐、铜盐、镁盐和/或亚铁盐组成。

本发明所述硝化菌生长促进剂中的金属盐可以是钙盐、镁盐和铜盐，其中Ca²⁺、Mg²⁺和Cu²⁺的摩尔比为（5～15）:（5～25）:（0.5～5），优选为（8～12）:（10～20）:（1～4）；或者是钙盐、亚铁盐和铜盐，其中Ca²⁺、Fe²⁺和Cu²⁺的摩尔比为（5～15）:（1～8）:（0.5～5），优选为（8～12）:（2～6）:（1～4）；或者是钙盐、镁盐、亚铁盐和铜盐，其中Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺和Cu²⁺的摩尔比为（5～15）:（5～25）:（1～8）:（0.5～5），优选为（8～12）:（10～20）:（2～6）:（1～4）。

本发明所述硝化菌生长促进剂中的钙盐为CaSO₄或者CaCl₂，优选CaSO₄；镁盐为MgSO₄或者Mg>2，优选MgSO₄；亚铁盐为FeSO₄或者FeCl₂，优选FeSO₄；铜盐为CuSO₄或者CuCl₂，优选CuSO₄。所述硝化菌生长促进剂中的多胺类物质为精胺、亚精胺或者两者的混合物。

本发明所述硝化菌生长促进剂还可以包括无机酸羟胺，含量为0.5～15重量份，优选为2～10重量份。所述无机酸羟胺为盐酸羟胺、硫酸羟胺或者磷酸羟胺中的一种或几种，优选为硫酸羟胺。无机酸羟胺的适量加入可以作为羟胺氧还酶的基质直接参与硝化菌的代谢过程、缩短酶促反应进程，同时作为细胞的激活剂可以加速细胞生长。

本发明所述工业含氨废水包括所有的含有氨氮和COD的废水，其中氨氮浓度为100～500mg/L，COD（Cr法，以下同）浓度为50～1000mg/L，pH为6～9。本发明所述富含硝化菌的活性污泥可以是本领域常用的一切曝气池内的活性污泥，优选处理过含氨污水的活性污泥，以污泥30分钟沉降比20%～40%的量接种。

本发明所述硝化菌的富集培养方法中，每一批次更换培养液的同时补加硝化菌生长促进剂，按照培养体系中促进剂浓度10～50mg/L进行投加，优选20～40mg/L进行投加。

本发明所述采用常温与低温培养交替进行的方式，是指在常温下进行一定时间的培养，优选进行1～10个批次的培养，加速硝化菌的快速繁殖；然后在低温下进行一定时间的培养，优选进行1～10个批次的培养，驯化硝化菌的耐低温能力；通过常温与低温的交替培养，富集培养获得耐低温硝化菌。本发明优选在常温培养过程中当更换培养液后在相同培养时间内连续3～5个批次氨氮去除率均大于90%以上时转为低温培养，当低温培养过程中连续3～5个批次菌体浓度不再降低时转入常温培养，此常温和低温培养交替进行2～6次，结束一个周期的培养，收获菌体。常温培养和低温培养的条件为：溶解氧浓度为1～5mg/L，优选为2～3mg/L；pH为7.0～9.0，优选为7.8～8.5。

本发明富集培养的耐低温硝化菌在废水处理中的应用，可用于处理各种工业含氨废水处理，其中氨氮浓度为100～1000mg/L，COD浓度为50～1000mg/L；废水处理温度为5～35℃，优选为10～30℃，溶解氧浓度为1～5 mg/L，pH为7.0～9.0。经处理后，最高硝化比降解速率可达10mgNH₃-N/(g>

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明通过添加硝化菌生长促进剂配合常温和低温交替培养的方式，可以使得在常温下大量繁殖的硝化菌不断经历低温驯化，菌体适应温度变化的能力显著增强，所获得的菌体适应范围宽、处理效果好，能够在低温条件下实现高效脱氨氮。

2、本发明使用的生长促进剂中含有的金属盐所提供的金属离子作为硝化菌生长所需要的元素，同时作为酶的组份提高酶的活性，可以提高菌体快速降解底物，加速酶促反应进程。多胺类物质可以促进细胞增殖，并且与金属离子共同作用，可以加快细胞增殖，延长菌体使用寿命。

3、本发明在硝化菌富集培养过程中补加特殊组成和配比的硝化菌生长促进剂，使得硝化菌在金属盐、多胺类物质及无机酸羟胺的共同作用下，能够快速适应低温环境，能够在低温条件下生长繁殖，能够与污水处理系统中的活性污泥体系实现良好的协同，提高冬季污水厂低温运行的氨氮脱除效果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明方案进行详细说明。

首先按照表1硝化菌生长促进剂的比例和配方制备金属盐溶液，在使用前将多胺类物质和无机酸羟胺加入到金属盐溶液中，制备得到硝化菌生长促进剂Ⅰ-Ⅳ，所述促进剂浓度均为0.5g/L。

表1 硝化菌生长促进剂的配方及比例

实施例1

按照20%（污泥30分钟沉降比）的接种量向硝化菌培养反应器中接入某污水处理厂富含硝化菌的活性污泥，所采用工业含氨废水的水质为：氨氮浓度为100～150mg/L，COD为50～100mg/L，pH为7～8。每批次更换培养液的同时补加硝化菌生长促进剂Ⅰ，按照培养体系中促进剂浓度20mg/L进行投加。培养过程采用常温和低温培养交替进行的方式，首先在温度25℃的条件下常温培养1个批次，然后在温度15℃的条件下低温培养1个批次，再转为常温培养，此常温和低温培养交替进行10次，结束一个周期的培养过程，收获耐低温硝化菌A。培养过程中溶解氧浓度为2.0mg/L，pH为7.8。

实施例2

按照25%（污泥30分钟沉降比）的接种量向硝化菌培养反应器中接入某污水处理厂富含硝化菌的活性污泥，所采用工业含氨废水的水质为：氨氮浓度为200～250mg/L，COD为200～500mg/L，pH为7.5～8.3。每批次更换培养液的同时补加硝化菌生长促进剂Ⅱ，按照培养体系中促进剂浓度25mg/L进行投加。培养过程采用常温和低温培养交替进行的方式，首先在温度30℃的条件下常温培养2个批次，然后在温度12℃的条件下低温培养2个批次，再转为常温培养，此常温和低温培养交替进行6次，结束一个周期的培养过程，收获耐低温硝化菌B。培养过程中溶解氧浓度为2.5mg/L，pH为8.0。

实施例3

按照30%（污泥30分钟沉降比）的接种量向硝化菌培养反应器中接入某污水处理厂富含硝化菌的活性污泥，所采用工业含氨废水的水质为：氨氮浓度为300～400mg/L，COD为500～600mg/L，pH为7.5～8.5。每批次更换培养液的同时补加硝化菌生长促进剂Ⅲ，按照培养体系中促进剂浓度30mg/L进行投加。培养过程采用常温和低温培养交替进行的方式，首先在温度35℃的条件下常温培养3个批次，然后在温度15℃的条件下低温培养4个批次，再转为常温培养，此常温和低温培养交替进行4次，结束一个周期的培养过程，收获耐低温硝化菌C。培养过程中溶解氧浓度为2.0mg/L，pH为8.5。

实施例4

按照35%（污泥30分钟沉降比）的接种量向硝化菌培养反应器中接入某污水处理厂富含硝化菌的活性污泥，所采用工业含氨废水的水质为：氨氮浓度为400～500mg/L，COD为900～960mg/L，pH为7～9。每批次更换培养液的同时补加硝化菌生长促进剂Ⅳ，按照培养体系中促进剂浓度40mg/L进行投加。培养过程采用常温和低温培养交替进行的方式，首先在温度25℃的条件下常温培养3个批次，然后在温度15℃的条件下低温培养3个批次，再转为常温培养，此常温和低温培养交替进行5次，结束一个周期的培养过程，收获耐低温硝化菌D。培养过程中溶解氧浓度为3.0mg/L，pH为8.0。

实施例5

处理工艺与操作条件同实施例3，不同之处在于在常温培养过程中当更换培养液后连续3批次氨氮去除率均大于90%以上时转为低温培养，当低温培养过程中连续4个批次菌体浓度不再降低时转入常温培养，此常温和低温培养交替进行4次，结束一个周期的培养，收获耐低温硝化菌E。

实施例6

处理工艺与操作条件同实施例4，不同之处在于在常温培养过程中当更换培养液后连续3批次氨氮去除率均大于90%以上时转为低温培养，当低温培养过程中连续3个批次菌体浓度不再降低时转入常温培养，此常温和低温培养交替进行5次，结束一个周期的培养，收获耐低温硝化菌F。

比较例1

处理工艺与操作条件同实施例4，不同之处是培养过程中不采用常温和低温培养交替进行的方式，温度始终为25℃。培养结束后，收获硝化菌G。

比较例2

处理工艺与操作条件同实施例4，不同之处是培养过程中不采用常温和低温培养交替进行的方式，温度始终为15℃。培养结束后，收获硝化菌H。

比较例3

处理工艺与操作条件同实施例4，不同之处在于：培养过程中不投加硝化菌生长促进剂。培养结束后，收获硝化菌I。

将上述培养获得的硝化菌A-I用于催化剂含氨废水的处理，其中氨氮浓度为500mg/L，COD浓度为100mg/L，废水处理温度为10℃，溶解氧浓度为2～3mg/L，pH为7.5～8.0。在同一反应时间内，氨氮去除率见表2。

表2 耐低温硝化菌处理效果

由表2可见，耐低温硝化菌A-F在低温条件下处理含氨废水时，氨氮去除率均大于85%，不加硝化菌生长促进剂获得硝化菌I、只在常温条件下培养和只在低温条件下培养获得的硝化菌G和H，氨氮去除率均小于50%。由此可见，耐低温硝化菌的培养是在使用生长促进剂和常温低温交替培养方式相结合，才能使培养的硝化菌达到很好的脱氨氮效果。由此可见，本发明富集培养的菌体投加到污水处理厂使用后，可以解决冬季低温运行不稳定、污水处理不达标等问题。