一种处理含氨废水的微生物菌群的生产方法

摘要

本发明公开了一种处理含氨废水的微生物菌群的生产方法，将微生物菌群放入生物反应器中进行两级放大培养，第一级培养采用批次补加铵盐和微生物生长促进剂的方式；第二级培养采用先批次补加铵盐后批次换水交替运行的方式进行培养，批次补加铵盐至硝化产物浓度达3000～6000mg/L时，进行批次换水，同时补加微生物生长促进剂；所述促进剂包括金属盐、多胺类物质和无机酸羟胺，其中金属盐为40～100重量份，多胺类物质为5～30重量份，无机酸羟胺为0.5～15重量份；所述金属盐由钙盐、铜盐、镁盐和/或亚铁盐组成；当完成两级放大培养后收集菌体。本发明具有培养周期短、培养效率高，获得的微生物菌群活性高、耐受性强，可以有效处理含氨氮的工业废水。

说明书

技术领域

本发明属于环境微生物领域，具体地说涉及一种处理含氨废水的微生物菌群的生产方法，该方法可以实现脱氨氮微生物菌群的产业化、商品化。

背景技术

废水生物脱氮包括硝化和反硝化两个过程，其中参与硝化作用的微生物主要是硝化细菌，它是典型的自养细菌，从生物氧化氨氮到硝态氮过程中获得能量，一般以无机碳为碳源，因此代谢时间长、生长比较缓慢，属于革兰氏阴性菌，细胞壁中肽聚糖含量低，蛋白质和脂肪含量高，对环境变化比较敏感，所以自然界中天然的硝化细菌的适应性和耐受性比较差。

硝化细菌研究中的种种困难起始于将其从纯培养中分离出来。就是采用严格无机培养的平板法，也并不适于从自然环境中直接将其分离出来，因为即使自接种物中引入的有机物质也能使异养的污染微生物生长。自养硝化细菌最成功的分离是预先采用了一系列广泛而仔细的增富步骤（Belser L. W. and E. L. Schmidt. 1978. Diversity in the ammonia-oxidizing nitrifier population of a soil. Appl. Environ. Microbiol. 36:584-588）。如同济大学的金志刚等（硝化细菌富集技术分析及方法研究. 1998，上海环境科学，17（8）：10-19）对污泥中硝化细菌富集培养技术进行较详细的研究，结果表明：经过12-13周的富集培养，污泥中硝化细菌浓度可达2.0×10⁸(MPN)/g(MLSS)，是未经富集污泥中硝化细菌浓度的12.5-20倍。中国专利CN1354786A中公开了一种硝化细菌的高浓度培养方法；中国专利CN200710010383.0也公开了一种硝化细菌的富集方法，得到了富含硝化细菌且价格低廉的活性污泥样品。

已有的这些培养技术仅停留在实验室和小规模试验水平，不适于大规模商业生产，所以硝化细菌的产品化、商业化过程一直进展很慢。

中国专利CN1546650A公开了一种高活性、高稳定性液体硝化细菌的规模生产工艺，其特征是在好氧发酵器中布置软性纤维；采用含有低分子有机碳源的培养基，促进硝化细菌的附着生长；定期补充低分子有机碳源和氮源，定期洗脱软性纤维上的硝化细菌；用低溶氧、低pH值、密封条件保存收集液；检测后装入包装容器。该液体硝化细菌主要用于生物修复养殖水环境和景观水环境。

目前虽然已有硝化细菌培养方面的一些技术，但规模化生产效率较低，产品价格较昂贵，且只能用于处理低浓度如低于500mg/L的氨氮废水，如中国专利CN1509991A公开的硝化菌剂主要用于海水养殖和工厂化循环海水高密度养殖的氨氮去除。中国专利CN200810228404.0公开了一种处理含氨废水微生物菌群的生产方法，采取三级放大培养，一级采用批次补加铵盐的方式，第二级和第三级培养采用批次补料和批次换水交替进行的方式，该方法虽然实现了菌群的放大培养，可以实现脱氨氮菌群的产业化、商品化，但是菌群的培养级数和培养时间较长。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于低COD、高氨氮废水处理的微生物菌群的生产方法。本发明方法具有培养周期短、培养效率高，获得的微生物菌群活性高、耐受性强，可以有效处理含氨氮的工业废水。

本发明处理含氨废水的微生物菌群的生产方法，包括以下内容：将处理含氨废水的微生物菌群放入生物反应器中进行两级放大培养，第一级培养采用批次补加铵盐和微生物生长促进剂的方式；第二级培养采用先批次补加铵盐后批次换水交替运行的方式进行培养，当批次补加铵盐至硝化产物浓度达3000～6000mg/L时，进行批次换水，批次换水同时补加微生物生长促进剂；所述微生物生长促进剂包括金属盐、多胺类物质和无机酸羟胺，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，无机酸羟胺为0.5～15重量份，优选为2～10重量份；所述金属盐由钙盐、铜盐、镁盐和/或亚铁盐组成；当完成两级放大培养后收集菌体。

本发明所述微生物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）。

本发明所述微生物生长促进剂中的钙盐为CaSO₄或者CaCl₂，优选CaSO₄；镁盐为MgSO₄或者MgCl₂，优选MgSO₄；亚铁盐为FeSO₄或者FeCl₂，优选FeSO₄；铜盐为CuSO₄或者CuCl₂，优选CuSO₄。所述的多胺类物质为精胺、亚精胺或者两者的混合物。所述的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。

本发明所述的微生物菌群是指含有硝化细菌的基质通过驯化培养得到，含有硝化细菌的基质来源于天然的土壤、淤泥或含氨工业废水处理厂的活性污泥，或其它一切富含硝化细菌的基质，驯化培养前可以先进行富集培养。含硝化菌的基质富集处理可以为本领域现有任何方法。含硝化细菌基质的驯化培养方法为在高氨氮浓度和高pH值下进行培养，培养过程培养液初始氨氮浓度为100～1000mg/L，最终氨氮浓度为1200～3000mg/L，优选1300～2000mg/L，培养液COD（Cr法，下同）值低于400mg/L，优选低于200mg/L，pH值控制为7.5～9.5。第一级培养时，按照MLSS（悬浮固体含量）为0.3～1.5g/L来投加，与活性污泥混合使用时，接种物按照MLSS为0.5～1.0g/L投加。

本发明所述的两级放大培养，第一级培养采用5～100L小规模培养反应器，第二级培养反应器规模为第一级培养反应器规模的5～20倍。

本发明中，第一级培养采用在不排水的情况下批次补加铵盐和促进剂的方式，当氨氮去除率达到80%以上时补加氨氮浓度为10～25g/L的铵盐溶液，使得补加铵盐后培养液中的氨氮浓度为800～1500mg/L。铵盐为任意可溶性铵盐，如硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵、醋酸铵等中的一种或几种。初始反应器内物料为反应器有效容积的20%～60%，当反应器内物料达到反应器有效体积80%以上时终止反应，自然沉降后排出上清液，将菌体转到第二级培养反应器中。

本发明中，第二级培养采用先批次补加铵盐后批次换水交替运行的方式，培养的初始体积和初始氨氮浓度与第一级培养反应器终止时的体积和氨氮浓度相同，当氨氮去除率达到80%以上时补加铵盐溶液，使得培养液中的氨氮浓度达500～1000mg/L；当硝化反应产物累计浓度达3000～6000mg/L时，停止曝气待自然沉降后排出上清液，保留菌体，加入与排出液同体积的反应液继续反应，同时补加微生物生长促进剂，待氨氮去除率达到80%以上，继续进行批次补加铵盐过程。如此交替运行，直到反应液体积达到反应器容积的80%以上时结束培养。采用该过程可以得到耐受能力强、硝化效果好的微生物菌群，可以直接用于高氨氮废水处理，也可以加入保护剂后保藏备用。

本发明中，在第一级培养过程中每次补加铵盐的同时补加微生物生长促进剂，在第二级培养过程中在每次更换培养液的同时补加微生物生长促进剂，促进剂补加量按照培养体系中促进剂浓度5～50mg/L进行补加，优选10～40mg/L进行补加。

本发明两级培养的条件为：pH值为7.4～9.5，优选7.8～8.5；温度为10～40℃，优选20～35℃；溶解氧浓度为1-5mg/L，优选为2-3mg/L。所用的培养反应器可以是各种适宜结构，只要有良好的曝气系统，可以采用搅拌器搅拌也可以不需搅拌。pH值可以通过添加碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液或氢氧化钠溶液等进行调节。

本发明在微生物菌群批量生产过程中补加特殊组成和配比的生长促进剂，使得脱氨氮微生物菌群在金属盐、多胺类物质及无机酸羟胺的共同作用下，实现快速增殖。微生物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，并能够提高所收获菌体的沉降性和稳定性，延长菌体使用寿命。

本发明处理含氨废水微生物菌群的生产方法采用在两级放大培养过程中补加微生物生长促进剂，在不同的培养阶段优化不同的培养方式和条件，配合特殊组成和配比的生长促进剂，获得了综合优化效果，实现了菌体的快速增值，放大速度快，生产量大，得到的微生物菌群使用性能好。

本发明方法所生产的脱氮微生物菌群特别适合处理催化剂、合成氨等过程中产生的高浓度含氨废水，该微生物菌群耐受性和适应性强，抗冲击性好，氨氮的去除负荷高、处理效果好。经过一定时间保藏的硝化菌群恢复速度快，活性高，可实现脱氨氮微生物的产业化、商品化。

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。本发明硝化菌生长速度快，收集量大，菌群具有较强的耐受性和适应性，具有较好的抗冲击性；可以实现脱氨氮微生物的产业化、商品化。

首先按照表1微生物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，制备得到三种型号的微生物生长促进剂Ⅰ-Ⅲ，所述促进剂浓度均为0.5g/L。

表1 不同促进剂的配方及比例

本发明所述的微生物菌群以实验室富集驯化好的微生物菌群作为接种物进行扩大培养，接种量按照MLSS（悬浮固体含量）为0.3～1.0g/L来投加。所述培养过程中温度为20～35℃，pH控制在7.5～8.5，DO为2～3mg/L。

本发明中，第一级培养采用在不排水的情况下批次补加铵盐和促进剂的方式，当氨氮去除率达到80%以上时，补加氨氮浓度为10～25g/L的铵盐溶液，使得补加铵盐后培养液中的氨氮浓度为800～1500mg/L。初始反应器内物料为反应器有效容积的20%～60%，当反应器内物料达到反应器有效体积80%以上时终止反应，自然沉降后排出上清液，将菌体转到第二级培养反应器中。

本发明中，第二级培养采用先批次补加铵盐后批次换水交替运行的方式，培养的初始体积和初始氨氮浓度与第一级培养反应器终止时的体积和氨氮浓度相同，当氨氮去除率达到80%以上时补加铵盐溶液，使得培养液中的氨氮浓度达500～1000mg/L；当硝化反应产物累计浓度达3000～6000mg/L时，停止曝气待自然沉降后排出上清液，保留菌体，加入与排出液同体积的反应液继续反应，同时补加微生物生长促进剂，待氨氮去除率达到80%以上，继续进行批次补加铵盐过程。如此交替运行，直到反应液体积达到反应器容积的80%以上时结束培养。采用该过程可以得到耐受能力强、硝化效果好的微生物菌群，可以直接用于高氨氮废水处理，也可以加入保护剂后保藏备用。

本发明中，在第一级培养过程中每次补加铵盐的同时补加微生物生长促进剂，在第二级培养过程中在每次更换培养液的同时补加微生物生长促进剂，促进剂补加量按照培养体系中促进剂浓度5～50mg/L进行补加，优选10～40mg/L进行补加。

实施例1

以本实验室富集驯化的微生物菌群作为接种物进行批量生产。首先将接种物接种到10L反应器内进行菌体的一级放大培养，初始投加生物量2g，初始培养液的体积为5L。初始培养液中的氨氮浓度为800mg/L，COD为46mg/L。当氨氮去除率达到80%时，补加氨氮浓度为 15g/L的氯化铵溶液，使得培养液中的氨氮浓度为800～1000mg/L，同时补加微生物生长促进剂Ⅰ，使得培养液中促进剂浓度为15mg/L。培养至反应器内物料达到9L，此时终止反应，自然沉降后排出上清液，将菌体转到60L反应器进行第二级培养。

第二级培养液的初始体积为9L，初始氨氮浓度为800～1000mg/L。当氨氮去除率达到80%以上补加氯化铵溶液，使得培养液中的氨氮浓度达500～600mg/L，当硝化产物累计浓度达3000mg/L，停止曝气待自然沉降后排出上清液，保留菌体，加入与排出液同体积的反应液继续培养，同时补加微生物生长促进剂Ⅰ，使得培养液中促进剂浓度为25mg/L，待氨氮去除率达到80%以上，继续进行批次补加铵盐过程，培养至硝化产物浓度累计达3000mg/L，停止曝气待自然沉降后排出上清液，继续进行交替运行。当反应液体积达到50L，氨氮浓度小于20mg/L时，停止通气，结束培养，待自然沉降后除去上清液，收集菌体。整个培养过程中pH控制在7.5，温度控制在25℃，溶解氧浓度为2.0～3.0mg/L。当获得污泥的量与CN200810228404.0相同时，菌体批量生产周期为25d；处理同样浓度的含氨废水时，污泥负荷增加0.5倍。

实施例2

以本实验室富集驯化的微生物菌群作为接种物进行批量生产。首先将接种物接种到20L反应器内进行菌体的一级放大培养，初始培养液体积为10L，接种后MLSS为0.9g/L。初始培养液中的氨氮浓度为1000mg/L，COD为80mg/L。当氨氮去除率达到80%时，补加氨氮浓度为 25g/L的硫酸铵溶液，使得培养液中的氨氮浓度为900～1000mg/L，同时补加微生物生长促进剂Ⅱ，使得培养液中促进剂浓度为25mg/L。培养至反应器内物料达到18L，此时终止反应，自然沉降后排出上清液，将菌体转到100L反应器进行第二级培养。

第二级培养液的初始体积为18L，初始氨氮浓度为900～1000mg/L。当氨氮去除率达到80%以上补加铵盐溶液，使得培养液中的氨氮浓度达600～700mg/L，当硝化产物浓度累计达4000mg/L，停止曝气待自然沉降后排出上清液，保留菌体，加入与排出液同体积的反应液继续培养，同时补加微生物生长促进剂Ⅱ，使得培养液中促进剂浓度为35mg/L，待氨氮去除率达到80%以上，继续进行批次补加铵盐过程，培养至硝化产物累计浓度达4000mg/L，停止曝气待自然沉降后排出上清液，继续进行交替运行。批次补料和批次换水交替运行至反应液体积达到80L，氨氮浓度小于20 mg/L时，停止通气，结束培养，待自然沉降后除去上清液，收集菌体。整个培养过程中pH控制在7.5，温度控制在25℃，溶解氧浓度为2.0～3.0mg/L。当获得污泥的量与CN200810228404.0相同时，菌体批量生产周期为36 d；处理同样浓度的含氨废水时，污泥负荷增加0.5倍。

实施例3

以本实验室富集驯化的微生物菌群作为接种物进行批量生产。首先将接种物接种到10L反应器内进行菌体的一级放大培养，初始培养液体积为5L，接种后MLSS为0.9g/L。初始培养液中的氨氮浓度为1000mg/L，COD为80mg/L。当氨氮去除率达到80%时，补加氨氮浓度为 25g/L的硫酸铵溶液，使得培养液中的氨氮浓度为1000～1200mg/L，同时补加微生物生长促进剂Ⅲ，使得培养液中促进剂浓度为30mg/L。培养至反应器内物料达到9L，此时终止反应，自然沉降后排出上清液，将菌体转到100L反应器进行第二级培养。

第二级培养液的初始体积为9L，初始氨氮浓度为1000～1200mg/L。当氨氮去除率达到80%以上补加硫酸铵溶液，使得培养液中的氨氮浓度达700～800mg/L，当硝化产物浓度累计达5000mg/L，停止曝气待自然沉降后排出上清液，保留菌体，加入与排出液同体积的反应液继续培养，同时补加微生物生长促进剂Ⅲ，使得培养液中促进剂浓度为40mg/L，待氨氮去除率达到80%以上，继续进行批次补加铵盐过程，培养至硝化产物浓度累计达5000mg/L，停止曝气待自然沉降后排出上清液，继续进行交替运行。批次补料和批次换水交替运行至反应液体积达到80L，氨氮浓度小于20mg/L时，停止通气，结束培养，待自然沉降后除去上清液，收集菌体。整个培养过程中pH控制在7.5，温度控制在25℃，溶解氧浓度为2.0～3.0mg/L。当获得污泥的量与CN200810228404.0相同时，菌体批量生产周期为35 d；处理同样浓度的含氨废水时，污泥负荷增加0.5倍。

实施例4

取超低温保藏6个月的CN200810228404.0中实施例1的菌体和相同条件下低温保藏6个月的本发明实施例1的菌体，按照MLSS为800mg/L的接种量接种到两个5L的曝气反应器中进行活性恢复实验，培养液中氨氮浓度为300mg/L。曝气24h后接种CN200810228404.0中实施例1菌体的反应器内培养液中的氨氮浓度仍然高达100mg/L，接种本发明实施例1菌体的反应器内培养液中氨氮浓度低于15mg/L，由此可见，本发明方法生产的脱氮微生物的菌体活性恢复能力明显高于CN200810228404.0中的脱氮微生物。

比较例1

按照CN200810228404.0实施例1和实施例2所述的方法生产脱氮微生物，采用三级放大培养，为了获得与本发明实施例1相同生物量，需要的培养时间至少需要30天。

比较例2

按照实施例1所述的生产过程，不同的是培养过程中使用的促进剂采用专利CN200810228404.0所述的金属阳离子总浓度为0.25mol/L的生长促进剂，补加量为反应器内物料体积的1%，其它操作条件与实施例1相同。结果表明，同样的培养条件下，菌体的生长速率相对较慢，要想收获和实施例1相同的生物量，批量生产周期为40天以上。由此可见，采用本发明方法能明显缩短培养时间。

比较例3

按照实施例1所述的生产过程，不同的是第二级培养过程中不采用批次补加铵盐和批次换水交替运行的方式，单独采取批次补加铵盐或者批次换水的培养方法，其它操作条件与实施例1相同。结果表明同样的培养条件和培养时间，如果只采取批次换水的方式，因为多次换水导致菌体不易形成菌交团，最终收获的生物量明显少于实施例1方案收获的生物量，实施例1收获的生物量是其收获生物量的1.4倍。如果只采取批次补加铵盐的方式，因为硝化产物的过多积累，会抑制菌体的高效快速生长和氨氮的有效去除，最终收获的生物量也少于实施例1收获的生物量，实施例1收获的生物量是其收获生物量的1.6倍。由此可见，只有采用工艺和投加微生物生长促进剂相配合，才能取得理想的生产效果。