本發(fā)明屬于生物降解處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用MBBR反應器富集甲烷氧化耦合高氯酸鹽還原菌群的方法。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及工業(yè)的發(fā)達，高氯酸鹽作為一種強氧化劑，被廣泛的應用在諸如火箭燃料，煙花，彈藥等制作生成過程中，從而也帶來后續(xù)的污染問題。典型的地下水高氯酸鹽含量為100μg/L，但是在某些情況下，其含量會達到20mg/L或更多。而高氯酸根離子因為跟碘離子具有相近的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，因而當人們飲用高氯酸鹽含量較高的飲用水時，高氯酸根離子會替代碘離子從而影響到人體所必須的甲狀腺激素的產(chǎn)生而影響到人體的正常發(fā)育。

而目前，利用微生物進行地下水體中的高氯酸鹽還原是具有一定的發(fā)展前景的。利用微生物的生長活動，將高氯酸鹽作為其生產(chǎn)所需的能量來源，同時以甲烷作為碳源，在酶的作用下形成二氧化碳，水和氯離子。在生物體內(nèi)進行如下的反應：

CH₄+ClO₄^-＝HCO₃^-+Cl^-+H₂O ΔG^0’＝-792KJmol^-1CH₄

由于其最終的代謝產(chǎn)物無污染，而且成本相比較化學處理方法更為低廉，因此如何達成高效的微生物高氯酸鹽降解是很有意義的。

同時，硝酸根是一種氧化陰離子，在地下水中通常和高氯酸根一起。在高濃度的情況下，硝酸根有可能會抑制高氯酸根的還原，所以研究高氯酸根和硝酸根同時高效還原也是具有非常重要的意義的。

目前已知并沒有膜生物反應器可以進行高氯酸鹽的高效還原，主要的高氯酸鹽降解方法由活性炭吸附，離子交換法等物理方法以及化學還原法。相較于這些方法，利用序批式膜生物反應器MBBR(Membrane biofilm batch reactor)去除水中的高氯酸鹽具有成本低，有效期長，降解效果穩(wěn)定等優(yōu)點，適合長時間地處理大量低高氯酸鹽污染的廢水。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)內(nèi)容是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用MBBR反應器(序批式膜生物反應器)富集甲烷氧化耦合高氯酸鹽還原菌群的方法。

為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的具體方案是：

提供一種利用MBBR反應器富集甲烷氧化耦合高氯酸鹽還原菌群的方法，包括下述步驟：

(1)制備無機培養(yǎng)基

將1mL酸性微量元素溶液、1mL堿性微量元素溶液、1mg CaCl₂、0.3g NaHCO₃、5mg MgSO₄·7H₂O、0.2g KH₂PO₄和0.4g Na₂HPO₄·12H₂O加入至1升去離子水中，用HCl調(diào)節(jié)pH至7，配成培養(yǎng)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，余量為水；

所述堿性微量元素溶液是指：每升溶液含10mM NaOH、67mg SeO₂、50mg Na₂WO₄·2H₂O、242mg Na₂MoO₄·2H₂O，余量為水；

(2)初始接種源富集

在MBBR反應器中接種10mL ANMO-D菌群；該ANMO-D菌群中含有按質(zhì)量占比計算的下述菌種：β-變形菌2.88％、α-變形菌4.29％、γ-變形菌3.27％、酸桿菌0.73％、綠菌1.11％，余量是非富集對象的雜菌；

(3)反應階段

A、取步驟(1)中制備獲得的無機培養(yǎng)基，用氮氣曝氣至去除氧氣；

B、將步驟A中無機培養(yǎng)基引入至接種了ANMO-D菌群的MBBR反應器中并連續(xù)運行；在進水處引入污水，調(diào)整引入污水中污染物質(zhì)量百分比濃度：ClO₄^-為1mg/L，NO₃^-為1mg/L；控制反應器連續(xù)運行過程中的溫度為29℃，進水速率為0.5mL/min，半保留時間為130min，甲烷分壓為15psi；

C、在反應器連續(xù)運行穩(wěn)定即污染物降解率維持在恒定數(shù)值后，分階段改變引入污水中的污染物濃度：先調(diào)整污水中污染物質(zhì)量百分比濃度：ClO₄^-為1mg/L、NO₃^-為12mg/L，反應器連續(xù)運行穩(wěn)定且污染物降解率重新維持在一個恒定數(shù)值；然后調(diào)整污水中污染物質(zhì)量百分比濃度：ClO₄^-為1mg/L，NO₃^-為4.5mg/L；反應器連續(xù)運行穩(wěn)定且污染物降解率重新維持在一個恒定數(shù)值；此時，在MBBR反應器中即富集了能降解高氯酸鹽的菌群；

所述MBBR反應器(序批式膜生物反應器)的結(jié)構(gòu)如下：

反應器本體由兩根中空的玻璃管組成，分別為主管和副管；主管和副管的上端通過橡膠管相連，底部通過循環(huán)蠕動泵相連，內(nèi)部循環(huán)方向是由副管底部流向主管底部；副管的上端設出樣口，副管的底部設有進樣口，定量進樣泵通過管路接至進樣口；在主管和副管內(nèi)部，沿長度方向填充了長條形的疏水性微孔聚乙烯膜，主管中的填充物數(shù)量多于副管；甲烷鋼瓶出口設減壓閥，減壓閥的出口通過橡膠管分別接至主管底部和頂部及副管頂部。

本發(fā)明中，所述MBBR反應器(序批式膜生物反應器)可置于恒溫的室內(nèi)，以保證反應器連續(xù)運行過程中的溫度為29℃。

本發(fā)明中，所述主管和副管的總體積為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徑為280μm，內(nèi)徑為180μm，其微孔直徑為0.1-0.15μm。

本發(fā)明進一步提供了前述方法中獲得的菌群在降解高氯酸鹽中的應用，是利用富集了能降解高氯酸鹽的菌群的MBBR反應器，進行含高氯酸鹽污水的處理；具體包括：

(1)按前述方法制備無機培養(yǎng)基，并用氮氣曝氣至去除氧氣；

(2)將所得無機培養(yǎng)基引入至富集了所述菌群的序批式膜生物反應器MBBR中并連續(xù)運行；在進水處引入含高氯酸鹽的污水，且ClO₄^-在引入總量中的濃度為5mg/L；整個過程中控制溫度為29℃，進水速率為0.5mL/min，半保留時間為130min，甲烷分壓為15psi。

本發(fā)明還提供了前述方法中獲得的菌群在降解高氯酸鹽中的應用，是利用富集了能降解高氯酸鹽的菌群的MBBR反應器，進行含高氯酸鹽和硝酸鹽的污水的處理；具體包括：

(1)按前述方法制備無機培養(yǎng)基，并用氮氣曝氣至去除氧氣；

(2)將所得無機培養(yǎng)基引入至富集了所述菌群的MBBR反應器中并連續(xù)運行；在進水處引入含高氯酸鹽和硝酸鹽的污水，且ClO₄^-在引入總量中的濃度為5mg/L，NO₃^-在引入總量中的濃度為28mg/L；整個過程中控制溫度為29℃，進水速率為0.5mL/min，半保留時間為130min，甲烷分壓為15psi。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：

1、本發(fā)明所采用的MBBR反應器(序批式膜生物反應器)能為生物膜生長提供良好的微環(huán)境；

2、本發(fā)明中的優(yōu)化后的菌群可以將高氯酸鹽的降解效率從1mg/L提升到5.5mg/L。

附圖說明

圖1本發(fā)明中序批式膜生物反應器構(gòu)造圖；

圖2本發(fā)明中反應器(階段2)降解效率圖；

圖3本發(fā)明中反應器(階段3)降解效率圖；

圖4本發(fā)明中反應器(階段4)降解效率圖；

圖5本發(fā)明中反應器(階段5)降解效率圖；

圖6本發(fā)明中反應器進行硝酸鹽單解效率圖；

圖7本發(fā)明中各個階段主要功能菌群豐度圖。

圖中標記說明：1、甲烷鋼瓶；2、減壓閥；3、循環(huán)蠕動泵；4、污水儲罐；5、定量進樣泵；6、主管；7、副管；8、出樣口。

具體實施方式

本發(fā)明中，作為初始接種源的是ANMO-D菌群。ANMO-D菌群的獲取方式是：采集污水處理廠的活性污泥(本申請人采集自杭州七格污水處理廠)，以硝酸鹽作為電子受體，以甲烷作為電子供體富集培養(yǎng)約半年，然后接種到甲烷MBfR反應器中直至運行穩(wěn)定，即可獲得菌種含量穩(wěn)定的ANMO-D菌群。ANMO-D菌群中含有按質(zhì)量占比計算的下述菌種：β-變形菌2.88％、α-變形菌4.29％、γ-變形菌3.27％、酸桿菌0.73％、綠菌1.11％，余量是非富集對象的雜菌。

申請人承諾：從該專利申請之日起20年內(nèi)向公眾發(fā)放該ANMO-D菌群，以用于實現(xiàn)、利用本發(fā)明所述技術(shù)方案。

本發(fā)明所述MBBR反應器(序批式膜生物反應器)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

反應器本體由兩根中空的玻璃管組成，分別為主管6和副管7；主管6和副管7的上端通過橡膠管相連，底部通過循環(huán)蠕動泵3相連，內(nèi)部循環(huán)方向是由副管7底部流向主管6底部；副管7的上端設出樣口8，副管7的底部設有進樣口，定量進樣泵5通過管路接至進樣口，定量進樣泵5的進口通過管路接至污水儲罐4；在主管6和副管7內(nèi)部，沿長度方向填充了長條形的疏水性微孔聚乙烯膜，主管6中的填充物數(shù)量多于副管7；甲烷鋼瓶1出口設減壓閥2，減壓閥2的出口通過橡膠管分別接至主管6底部、頂部以及副管7的頂部。

本實施例中，主管6和副管7的總體積為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徑為280μm，內(nèi)徑為180μm，其微孔直徑為0.1-0.15μm。該膜由日本Mitsubishi公司制造，型號MHF-200TL。

MBBR反應器的使用方法：

存儲在污水儲罐4中的進樣廢水經(jīng)定量進樣泵5以0.5mL/min的速率流向副管7底部的進樣口，在循環(huán)蠕動泵的作用下，反應器內(nèi)的液體由副管7底部流經(jīng)主管6底部后，自副管7頂部出樣口8流出。主管6和副管7的總體積為65mL，半保留時間為130min，通入的甲烷作為微生物生長所需的電子供體。在使用過程中，MBBR反應器(序批式膜生物反應器)可置于恒溫的室內(nèi)，以保證反應器連續(xù)運行過程中的溫度為29℃。

本發(fā)明中，利用MBBR反應器富集甲烷氧化耦合高氯酸鹽還原菌群的方法，包括下述步驟：

(1)制備無機培養(yǎng)基

將1mL酸性微量元素溶液、1mL堿性微量元素溶液、1mg CaCl₂、0.3g NaHCO₃、5mg MgSO₄·7H₂O、0.2g KH₂PO₄和0.4g Na₂HPO₄·12H₂O加入至1升去離子水中，用HCl調(diào)節(jié)pH至7，配成培養(yǎng)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，余量為水；

所述堿性微量元素溶液是指：每升溶液含10mM NaOH、67mg SeO₂、50mg Na₂WO₄·2H₂O、242mg Na₂MoO₄·2H₂O，余量為水；

(2)初始接種源富集

在MBBR反應器中接種10mL ANMO-D菌群(階段1)；

該ANMO-D菌群中含有按質(zhì)量占比計算的下述菌種：β-變形菌2.88％、α-變形菌4.29％、γ-變形菌3.27％、酸桿菌0.73％、綠菌1.11％，余量是非富集對象的雜菌；

(3)反應階段

A、取步驟(1)中制備獲得的無機培養(yǎng)基，用氮氣曝氣至去除氧氣；

B、將步驟A中無機培養(yǎng)基引入至接種了ANMO-D菌群的MBBR反應器中并連續(xù)運行(階段2)；在進水處引入污水，調(diào)整引入污水中污染物質(zhì)量百分比濃度：ClO₄^-為1mg/L，NO₃^-為1mg/L；控制反應器連續(xù)運行過程中的溫度為29℃，進水速率為0.5mL/min，半保留時間為130min，甲烷分壓為15psi；

C、在反應器連續(xù)運行穩(wěn)定即污染物降解率維持在恒定數(shù)值后，分階段改變引入污水中的污染物濃度：先調(diào)整污水中污染物質(zhì)量百分比濃度：ClO₄^-為1mg/L、NO₃^-為12mg/L，反應器連續(xù)運行穩(wěn)定且污染物降解率重新維持在一個恒定數(shù)值(階段3)；然后調(diào)整污水中污染物質(zhì)量百分比濃度：ClO₄^-為1mg/L，NO₃^-為4.5mg/L；反應器連續(xù)運行穩(wěn)定且污染物降解率重新維持在一個恒定數(shù)值(階段4)；此時，在MBBR反應器中即富集了能降解高氯酸鹽的菌群。

作為本發(fā)明的進一步應用方案：

是利用富集了能降解高氯酸鹽的菌群的MBBR反應器，進行含高氯酸鹽污水的處理(階段5)；具體包括：

(1)按前述方法制備無機培養(yǎng)基，并用氮氣曝氣至去除氧氣；

(2)將所得無機培養(yǎng)基引入至富集了所述菌群的序批式膜生物反應器MBBR中并連續(xù)運行；在進水處引入含高氯酸鹽的污水，且ClO₄^-在引入總量中的濃度為5mg/L；整個過程中控制溫度為29℃，進水速率為0.5mL/min，半保留時間為130min，甲烷分壓為15psi(1.03bar)。

經(jīng)檢驗，在130min的半保留時間內(nèi)，可以將污水中5.5mg/L的ClO₄^-完全降解。

更進一步的應用實例：

是利用富集了能降解高氯酸鹽的菌群的MBBR反應器，進行含高氯酸鹽和硝酸鹽的污水的處理；具體包括：

(1)按前述方法制備無機培養(yǎng)基，并用氮氣曝氣至去除氧氣；

(2)將所得無機培養(yǎng)基引入至富集了所述菌群的MBBR反應器中并連續(xù)運行；在進水處引入含高氯酸鹽和硝酸鹽的污水，且ClO₄^-在引入總量中的濃度為5mg/L，NO₃^-在引入總量中的濃度為28mg/L；整個過程中控制溫度為29℃，進水速率為0.5mL/min，半保留時間為130min，甲烷分壓為15psi(1.03bar)。

經(jīng)檢驗，在130min的半保留時間內(nèi)，可以將污水中28mg/L的NO₃^-降解至16mg/L。