專利名稱：一種自養(yǎng)異養(yǎng)共生氨氧化菌劑、其培養(yǎng)方法及用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種處理氨氮廢水的自養(yǎng)異養(yǎng)共生氨氧 化菌劑及其用途。
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境問題逐漸成為人們關(guān)注的焦點，保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高人 們的生活質(zhì)量已成為許多國家及國際組織的共識。氨氮是污水中的重要污染物，氨氮含量也是衡量污水排放的重要指標(biāo)。隨著我國 城市化進(jìn)程的加快，排入城市內(nèi)河和干渠的污水量急劇增加，特別是近年來印染、化工、制 藥、造紙等工業(yè)廢水在城市污水中的比例不斷增加，對水體中具有環(huán)境凈化作用的微生物 (如硝化菌等)有一定毒害作用，使其凈化能力下降，造成氨氮超標(biāo)。這些氨氮隨支流匯入 河流、湖泊后可引起水體的富營養(yǎng)化。同時，農(nóng)業(yè)上化肥的大量使用，使進(jìn)入水體的氨氮不 斷增加，進(jìn)一步加劇了水體的富營養(yǎng)化，使水質(zhì)不斷惡化，從而對生態(tài)平衡，農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和旅 游業(yè)等諸多行業(yè)產(chǎn)生不利影響，并引發(fā)一系列的環(huán)境和健康問題。因此，消除氮污染是近年 來環(huán)境科學(xué)研究的重要課題。此外，除了城市生活污水及工業(yè)廢水外，一些高濃度氨氮廢水，如垃圾滲濾液的處 理目前已成為環(huán)境領(lǐng)域的一個難題。垃圾滲濾液是在垃圾堆放過程中，由于廢棄物分解以 及降水等沖淋浸泡等作用產(chǎn)生的一種成份復(fù)雜、難于降解的高濃度含氨氮有機廢水，若不 妥善處理會造成地表或地下水源污染。我國城市生活垃圾填埋場滲濾液中氨氮濃度通常為 1500-2000mg/L,老齡垃圾填埋場滲濾液氨氮甚至高達(dá)5000mg/L，而研究表明，當(dāng)氨氮濃度 > 250mg/L，多數(shù)活性污泥微生物生長和活性會受到抑制，進(jìn)而影響硝化效率。因此，應(yīng)用傳 統(tǒng)的自養(yǎng)硝化菌劑及脫氮工藝難于處理垃圾滲濾液中的高濃度氨氮。常用處理水體氨氮污染的方法主要有物理、化學(xué)和生物3種。其中生物法脫氮被 認(rèn)為是未來最有潛力、最有發(fā)展前景的方法。傳統(tǒng)生物脫氮工藝主要包括硝化和反硝化兩個階段，分別由硝化菌和反硝化菌完 成。生物脫氮的關(guān)鍵技術(shù)是硝化作用，其效率決定了整個處理系統(tǒng)效率的高低。硝化作用 主要由兩類菌完成，一類是亞硝酸細(xì)菌(又稱氨氧化菌)，將氨氮氧化成亞硝酸鹽，另一類 是硝酸細(xì)菌(又稱硝化細(xì)菌)，將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。其中，氨氧化作用是硝化作用的 前提和基礎(chǔ)。氨氧化菌大多數(shù)為專性化能自養(yǎng)型，例如亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)、亞 硝化螺菌(Nitrosospira)、亞硝化球菌(Nitrosococcus)、亞硝化葉菌(Nitrosolobus)等。 這類菌對能量的利用率不高，生長較緩慢。針對自養(yǎng)氨氧化菌生長慢、效率低等問題，國內(nèi)外學(xué)者就氨氧化菌的培養(yǎng)及菌劑 研制等方面的工作進(jìn)行了大量的研究。重點探討了 PH、溫度、溶解氧、游離氨等因素對自養(yǎng) 硝化微生物菌株的影響，并申請一些專利。例如，Y0NEDA(2003)公開了 1份氨氧化菌株高 濃度培養(yǎng)方法以及培養(yǎng)基的專利(US6569334)，H0EGL(2003)公開的專利描述了自養(yǎng)硝化 微生物以及配套載體處理高濃度氨氮廢水(US6589425)，NAKAN0(2008)公開了一份氨氧化
3菌群和反硝化菌群富集培養(yǎng)的方法(JP2008017713)，金明記等(2007)公開的專利描述了 一種高效微生物復(fù)合劑和利用該復(fù)合劑處理城市污水的方法(Cm01037655)。在硝化微生 物使用方面，H0VANEC(2001)和FUCHS UWE(1984)公開的兩份美國專利分別描述了氨氧化 菌劑與亞硝酸鹽氧化菌劑的使用方法、使用濃度以及相應(yīng)裝置(US 6265206，US4479876)。 BOCK(1989)的專利描述了硝化菌劑的生產(chǎn)工藝(US4874707)，CH0(2002)的專利描述了硝 化細(xì)菌載體的生產(chǎn)方法(US6372138)。近年來，有研究報道異養(yǎng)微生物參與硝化作用，可不 受C/N比的限制，且生長迅速，在缺少有機碳或在有機物存在的條件下都能進(jìn)行氨的氧化， 可以明顯提高脫氮效果。李旭東等(2007)的專利描述將三株異養(yǎng)氨氧化菌按比例混合制 備菌劑，可解除C/N對硝化作用的抑制，提高硝化效率(CN 101024814A)。劉志培等(2005) 公開的專利利用三株自養(yǎng)細(xì)菌、兩株異養(yǎng)細(xì)菌與一株酵母菌組合配比成為低溫硝化菌劑， 在較低的溫度下具有去除氨氮的作用(CN 1215991C)。盡管在氨氧化菌的培養(yǎng)及菌劑研制等方面已取得了一定的進(jìn)展，但面對氨氮污染 及全球水體富營養(yǎng)化程度的不斷加劇，在新型高效氨氧化菌發(fā)現(xiàn)、培養(yǎng)、改造和保存技術(shù)， 以及高效氨氧化菌劑的研制及規(guī)?；瘧?yīng)用等方面都有待進(jìn)一步加強。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效的自養(yǎng)/異養(yǎng)微生物共生氨氧化菌劑，有目的的投 放到生化反應(yīng)器中，處理氨氮廢水，提高硝化效率。本發(fā)明所述菌劑主要為四種微生物的混合培養(yǎng)物①Nitrosomona sp. N_1 (亞硝 化單胞菌)、② Pseudomonas sp. He_X (假單胞菌)、③ Thermomonas haemolytica D_2 (熱 單胞菌)、④Achromobacter xylosoxidans C-1 (無色桿菌)，已于2008年12月23日在北 京市朝陽區(qū)大屯路中國科學(xué)院微生物研究所中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物 中心保藏，培養(yǎng)物名稱為AHAA-4，保藏號為CGMCC No. 2824。與其適配的生物反應(yīng)器有接 觸氧化反應(yīng)器、曝氣生物濾池、流化床生物反應(yīng)器、生物濾塔(池)、完全混合式反應(yīng)器、SBR 反應(yīng)器、氧化溝反應(yīng)器、以生物膜方式運行的SBR反應(yīng)器、推流式活性污泥反應(yīng)器等。本發(fā)明所述菌劑適合用于城市生活氨氮廢水、工業(yè)氨氮廢水、城市內(nèi)河/干渠含 氨氮水體，以及垃圾滲濾液高濃度氨氮處理。本發(fā)明涉及的技術(shù)內(nèi)容還有菌種的富集、馴化和培養(yǎng)本發(fā)明所述自養(yǎng)、異養(yǎng)共生氨氧化菌群系從某污水處理場的活性污泥中，通過模 擬廢水長期富集培養(yǎng)，不斷馴化所得。其詳細(xì)步驟如下富集培養(yǎng)基成分(g/L) :NH4C1 1. 0，KH2P04 0. 7，MgS04.7H20 0. 5，CaCl2 *2H20 0. 5， NaCllO, NaHC03l. 0，微量元素溶液 lmL。微量元素(g/lOOmL):CuS04 5H20 0. 32，CoCl2 6H20 0. 32，(NH4)6Mo7024 4H20 0. 24，ZnS04 7H20 0. 44，EDTA 1. 0，F(xiàn)eS04 7H20 1. 0，MnS04 H20 0. 87。馴化培養(yǎng)基(g/L):NH4C1 0. 8，NaHC03 1. 0，NaCl 1. 0，K2HP04 0. 75，KH2P04 0. 25， MgS04 7H20 0. 03，MnS04 H20 0. 01，F(xiàn)eS04 7H20 0. 001，微量元素溶液 lmL。將采集污泥樣品接入富集培養(yǎng)基中，振蕩富集培養(yǎng)兩個月，溫度30°C，轉(zhuǎn)速150r/ min，其間每天檢測培養(yǎng)基中的NH4+-N、N02--N、N03__N的濃度，若NH4+_N低于10mg/L，則以25%的比例轉(zhuǎn)接到新鮮的培養(yǎng)基中。富集結(jié)束后，取適量富集樣品接入馴化培養(yǎng)基中， 30°C，pH為7. 5 8. 0，恒溫磁力攪拌器上培養(yǎng)，每天檢測培養(yǎng)基中的NH4+-N、N02__N、N03__N 的濃度，若NH4+-N低于10mg/L，則以25%的比例轉(zhuǎn)接到新鮮的培養(yǎng)基中，時間約3個月。菌劑的制備1、菌種活化菌種的模擬氨氮廢水培養(yǎng)基(g/L):NH4C1 0. 8，NaHC03 1. 0，Na2HP04 10. 5，KH2P04 0. 3，MgS04 7H20 0. 5。按5%比例將馴化后菌劑接入模擬氨氮廢水培養(yǎng)基，30°C培養(yǎng)3-5d，氨氮< 10mg/ L收集菌體，即液態(tài)自養(yǎng)、異養(yǎng)共生氨氧化菌劑。固態(tài)菌劑所用的吸附劑為經(jīng)過處理的干燥 麥麩或米糠或木削、或其混合物，其用量為每升混合菌液加入吸附劑1千克，攪拌混勻，然 后45°C下烘干16-20小時，至含水量為15-18%，即為干菌劑，定量包裝，8-15°C低溫保存。2、菌劑的主要指標(biāo)1)液態(tài)菌劑總活菌數(shù)5. OX 108CFU/mL以上，氨氧化菌1. 0X 107CFU/mL以上，成 懸液狀。2)固體菌劑總活菌數(shù)5. OX 108CFU/g，氨氧化菌1. 0X 107CFU/g。本發(fā)明所述菌劑可應(yīng)用于城市生活氨氮廢水、工業(yè)氨氮廢水、城市內(nèi)河/干渠含 氨氮水體，以及垃圾滲濾液高濃度氨氮廢水處理。3、培養(yǎng)基培養(yǎng)基成分(g/L):NH4C1 0.8，葡萄糖0. 015，NaHC03 1.0，Na2HP04l 0.5，KH2P04 0. 3,MgS04*7H20 0. 5，微量元素 lmL，pH 7. 2-7. 4，溫度 25_30°C ；其中，微量元素(g/100mL) CuS04 5H20 0. 32，CoCl2 6H20 0. 32，(NH4)6Mo7024 4H20 0. 24，ZnS04 7H20 0. 44，EDTA1. 0， FeS04 7H20 1.0，MnS04 H20 0. 87。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、本自養(yǎng)、異養(yǎng)共生氨氧化菌劑適應(yīng)范圍廣，能夠耐受10-40°C溫度；在溶解氧 (D0)0. 5mg/l以上，低于3.0%鹽度(NaCl)及2_1000mg/L氨氮濃度生長良好，轉(zhuǎn)化效率不 受影響。2、本菌劑在完全無機營養(yǎng)環(huán)境或C/N< 3 1條件下生長迅速，48h內(nèi)氨氧速率可 達(dá)到峰值。批式培養(yǎng)的氨氧化速率最高可達(dá)150mg/L d。并且，在缺少有機碳或在有機物 存在的條件下都能進(jìn)行氨的氧化，可以明顯提高脫氮效果。3、本菌劑具有穩(wěn)定性強，耐環(huán)境及毒物沖擊等特點，可直接用于處理垃圾滲濾液 氨氮。最高處理垃圾滲濾液負(fù)荷可達(dá)0. 650kgN/m3. d。4、本菌劑經(jīng)掛膜后，可迅速降低城市生活污水及河流湖泊中低濃度的氨氮。 具體實施方案為了更好地理解本發(fā)明，通過以下實施實例進(jìn)一步說明，但并非本發(fā)明的限定。實施例1 自養(yǎng)、異養(yǎng)共生氨氧化菌劑的制備培養(yǎng)基成分(g/L):NH4C1 0. 8，葡萄糖 0. 015，NaHC03 1. 0，Na2HP04 10. 5，KH2P04 0. 3,MgS04*7H20 0. 5，微量元素 lmL，pH 7. 2-7. 4，溫度 25_30°C ；其中，微量元素(g/100mL) CuS04 ‘ 5H20 0. 32，CoC12 6H20 0. 32，(NH4) 6Mo7024 4H20 0. 24，ZnS04 7H20 0. 44，EDTA1. 0，
5FeSO4 · 7H20 1. 0，MnSO4 · H2O 0. 87。將保藏的菌種接入上述培養(yǎng)液中，25-30°C活化3d。然后按5%比例接入新鮮的培 養(yǎng)基中(NH4C1 0.8g/L)，繼續(xù)培養(yǎng)3-5d，氨氮<10mg/L收集菌體，即液態(tài)自養(yǎng)、異養(yǎng)共生氨 氧化菌劑。固態(tài)菌劑所用的吸附劑為經(jīng)過處理的干燥麥麩或米糠或木削、或其混合物，其用 量為每升混合菌液加入吸附劑1千克，攪拌混勻，然后45°C下烘干16-20小時，至含水量為 15-18%，即為干菌劑，定量包裝，8-15°C低溫保存。實施例2 自養(yǎng)、異養(yǎng)共生氨氧化菌劑對垃圾滲濾液中氨氮的去除滲濾液(NH4-N 1810-1910mg/L, COD :4300_5800mg/L，pH 7. 6-7. 8)經(jīng) 5 倍稀釋 后，作為一個連續(xù)式生物反應(yīng)器(有效容積1.5L)的起始溶液，按5%比例加入本菌劑，溫 度25°C，溶解氧1.9mg/L，馴化5-7d后，以相同的稀釋液作為連續(xù)進(jìn)水，氨氮負(fù)荷保持在 0.10-0. 15Kg N/m3. d，出水氨氮逐漸降低到< IOmg N/L，氨氮去除率達(dá)90%以上。待反應(yīng) 器中氨氮穩(wěn)定到10mg/L以下后，逐步以4倍、3倍、2倍稀釋的滲濾液及原液替換進(jìn)水，待出 水氨氮可穩(wěn)定保持在10mg/L以下，完成馴化，整個階段約45-50d。在此后的反應(yīng)器運行期 間，逐漸提高連續(xù)進(jìn)水的氨氮負(fù)荷。當(dāng)最大負(fù)荷達(dá)到0. 6kg N/m3. d時，出水氨氮可穩(wěn)定保持 在IOmg N/L以下，氨氮去除率可達(dá)99.4%。氨氮負(fù)荷繼續(xù)增加后，出水氨氮將超過IOmg/ L，去除率也有所下降。實施例3 自養(yǎng)、異養(yǎng)共生氨氧化菌劑對模擬廢水中氨氮的去除效果配制模擬廢水，氨氮濃度從100mgN/L至1000mgN/L，按5%比例加入本菌劑，控溫 28. 50C，中速攪拌培養(yǎng)(約200r/min)。每天檢測pH值，當(dāng)pH低于6. 80時，添加適量NaHCO3 調(diào)節(jié)堿度。每天檢測氨氮殘留量。結(jié)果見圖2，NH4+-N濃度在100-1000mg/L范圍內(nèi)，氨氧 化混合菌群生長正常并具有較高的氨氧化活性，氧化速率隨濃度增加而增加，最高負(fù)荷可 達(dá)0. 150kgN/m3. d，殘留氨濃度低至0_3mg/L。實施例4 :自養(yǎng)、異養(yǎng)共生氨氧化菌劑對城市內(nèi)河及干渠中低濃度氨氮的去除效 果成都市高新區(qū)南干堰段水樣主要為工業(yè)廢水及生活污水混合而成，氨氮濃度隨季 節(jié)及降雨而變化，約1. 8-18. 4mg/L。自然水樣于25°C存放30天，氨氮濃度基本不變，表明 水體自凈能力喪失，有待修復(fù)。因此本實施例以此水樣為處理樣本，研究菌劑對水樣中氨氮 的去除效果。取IOOOmL抽濾瓶作為反應(yīng)器，內(nèi)裝入三片膜，加入水樣700mL(NH4+_N濃度 18. 14mg/L)，再加入氨氧化菌劑2mL，室溫(18士 2°C )曝氣，每天檢測氨氮，待氨氮消耗完后 重新?lián)Q水，直到氨氧化菌附著在膜上，形成穩(wěn)定的生物膜。經(jīng)過25d后，完成掛膜，進(jìn)行南干 堰水的連續(xù)處理試驗。南干堰水通過恒流泵進(jìn)入反應(yīng)器中，水力停留時間從初始的4. 2h逐漸縮短到2h、 lh,0. 5h.由于南干堰水質(zhì)情況很不穩(wěn)定，進(jìn)水氨氮最高達(dá)到18. 37mg/L，最低為1. 8mg/L。 試驗中當(dāng)水力停留時間4. 2h時，進(jìn)水氨氮18. 14mg/L，氨氮平均降低為0. 37mg/L，氨氮負(fù)荷 0. 101kgN/m3. d ；當(dāng)停留時間縮短到2h，這時平均進(jìn)水氨氮13. 98mg/L，處理后出水氨氮降 低為0. 95mg/L，氨氮負(fù)荷0. 156kgN/m3. d ；水力停留時間降低為lh，進(jìn)水平均氨氮10. 29mg/ L，處理后出水氨氮為2. 23mg/L，氨氮負(fù)荷0. 191kgN/m3. d ；當(dāng)水力停留時間降低為0. 5h，進(jìn) 水氨氮為 2. 77mg/L,出水 0. 32mg/L，氨氮負(fù)荷 0. 117kgN/m3. d。
權(quán)利要求
一種自養(yǎng)異養(yǎng)共生氨氧化菌劑，其特征在于由亞硝化單胞菌Nitrosomonas sp.N-1、假單胞菌Pseudomonas sp.He-X、熱單胞菌Thermomonas haemolytica D-2、無色桿菌Achromobacter xylosoxidansC-1混合培養(yǎng)而成，該培養(yǎng)物于2008年12月23日在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心保藏，保藏號為CGMCC No.2824。
2.權(quán)利要求1所述的自養(yǎng)異養(yǎng)共生氨氧化菌劑的培養(yǎng)方法為培養(yǎng)基成分 g/L :NH4C1 0. 8，葡萄糖 0. 015，NaHC03 1. 0，Na2HP04 10. 5，KH2P04 0. 3， MgS04 '7H20 0. 5，微量元素lmL，pH 7. 2-7. 4，溫度25_30°C ；其中，微量元素組成為g/100mL CuS04 5H20 0. 32，CoCl2 6H20 0. 32，(NH4) 6Mo7024 4H20 0. 24，ZnS04 7H20 0. 44，EDTA 1. 0，F(xiàn)eS04 7H201. 0，MnS04 H20 0. 87 ；培養(yǎng)過程將保藏的菌種接入上述培養(yǎng)基中，25-30°C活化3天；然后按5%比例接入 新鮮的培養(yǎng)基中，繼續(xù)培養(yǎng)3-5天，氨氮< 10mg/L收集菌體，即液態(tài)自養(yǎng)、異養(yǎng)共生氨氧化 菌劑；固態(tài)菌劑所用的吸附劑為經(jīng)過處理的干燥麥麩或米糠或木削、或其混合物，其用量 為每升混合菌液加入吸附劑1千克，攪拌混勻，然后45°C下烘干16-20小時，至含水量為 15-18%，即為干菌劑，定量包裝，8-15°C低溫保存。
3.權(quán)利要求1所述的自養(yǎng)異養(yǎng)共生氨氧化菌劑在氨氮廢水處理中的用途。
4.權(quán)利要求1所述的自養(yǎng)異養(yǎng)共生氨氧化菌劑在城市生活氨氮廢水、工業(yè)氨氮廢水、 城市內(nèi)河/干渠含氨氮水體、以及垃圾滲濾液高濃度氨氮廢水處理中的用途。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種處理氨氮廢水的自養(yǎng)異養(yǎng)共生氨氧化菌劑及其用途。本發(fā)明自養(yǎng)異養(yǎng)共生氨氧化菌劑，由亞硝化單胞菌Nitrosomonas sp.N-1、假單胞菌Pseudomonas sp.He-X、熱單胞菌Thermomonas haemolytica D-2、無色桿菌Achromobacter xylosoxidans C-1混合培養(yǎng)而成，用于氨氮廢水處理。具有適應(yīng)范圍廣，穩(wěn)定性強，耐環(huán)境及毒物沖擊等特點。
文檔編號C12R1/38GK101831392SQ200910058558
公開日2010年9月15日 申請日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者何曉紅, 李大平, 王曉梅, 陶勇 申請人:中國科學(xué)院成都生物研究所