一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法

1.本发明涉及污水生物处理技术领域，特别涉及一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法。


背景技术：

2.甲烷是一种污泥厌氧消化的产物，同时也是一种潜在高效的电子供体和碳源。反硝化厌氧甲烷氧化(denitrifying anaerobic methane oxidation，damo)是由damo古菌和damo细菌驱动的分别以no
3-‑
n和no
2-‑
n作为电子受体，以ch4作为电子供体同时进行反硝化和厌氧甲烷氧化。damo过程兼具脱氮与甲烷控制双重功能。
3.目前该技术的发展受到以下因素的极大限制：(1)damo功能微生物生长非常缓慢，倍增时间通常为1～2周甚至数月；(2)damo功能微生物对氧气极为敏感，需在严格厌氧环境中富集；(3)ch4作为damo过程的气态碳源，一方面在气-液-菌体三相中的转化规律极其复杂，另一方面决定了damo工艺的脱氮效率以及功能微生物的活性；(4)在传统的连续流反应器运行的过程中，damo功能微生物流失的现象严重且进水中携带的氧气会对厌氧功能微生物产生不利影响。
4.现有专利技术中关于富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物的“串联管式纤维膜装置”(公开号cn210085457u)通过串联反应器的方式，虽有效地解决了进水不能达到完全厌氧状态的问题，但该富集方法中反应器构型复杂，以纤维膜传递甲烷的方式更是增加了操作难度。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法，该方法能够达到快速富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物并高效脱氮。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法，包括以下步骤；
8.(1)制备无机培养基：
9.将酸性微量元素溶液、碱性微量元素溶液、cacl2、khco3、mgso4·
7h2o和kh2po4加入至去离子水中，用hcl调节ph，配成培养基，向配置好的培养基中通入氮气，曝气以去除溶解氧，得到无机培养基；
10.(2)初始接种源富集：
11.向步骤(1)所得的无机培养基中添加硝酸盐，然后从进料口引至新型序批式生物反应器中；向液相中通入甲烷气，曝气；
12.在序批式生物反应器中接种甲烷氧化耦合反硝化微生物；加入mbbr流化床生物填料供微生物附着；
13.(3)反应阶段：
14.反应周期包括进水-反应-沉淀-排水，实现反硝化厌氧甲烷氧化微生物的成功富
集。
15.所述步骤(1)中，所述酸性微量元素溶液是指：每升溶液含1.14g feso4、32mg zncl2、14mg h3bo3、120mg cocl2·
6h2o、250mg mncl2、320mg cuso4、52mg nicl2，余量为水。
16.所述碱性微量元素溶液是指：每升溶液含104mg na2seo3、50mg na2wo4、284mg na2moo4·
2h2o，余量为水。
17.所述步骤(1)中，将0.5ml酸性微量元素溶液、0.2ml碱性微量元素溶液、0.226g cacl2、1.0g khco3、0.2g mgso4·
7h2o和0.05g kh2po4加入至1升去离子水中，用hcl调节ph至6.8-7.2，配成培养基，向配置好的培养基中通入纯度99.99％的氮气，曝气20分钟以去除氧气，得到无机培养基。
18.所述步骤(2)中，向步骤(1)所得的无机培养基中添加硝酸盐至培养基中硝氮含量为60mg n/l，然后从进料口引至新型序批式生物反应器中；向液相中通入95％ ch4/5％ co2的甲烷气，曝气10分钟；
19.在序批式生物反应器中接种100ml甲烷氧化耦合反硝化微生物；加入mbbr流化床生物填料供微生物附着，填料投配率为20％～30％。
20.所述步骤(3)中：
21.一个运行周期为30d，每周期最后一天停止搅拌使反应器沉淀4h，排去反应器内1/2基质，补充无机培养基至1l，继续正常运行，每5d向反应器内通入95％ ch4/5％ co2的甲烷气，曝气10分钟，保证溶解性甲烷充足，运行时控制温度为30
±
1℃；在1～3个运行周期内实现反硝化厌氧甲烷氧化微生物的成功富集。
22.采用上述步骤(3)成功富集后的反硝化厌氧甲烷氧化微生物在脱氮中的应用，利用富集了能还原硝酸盐、亚硝酸盐的生物微生物的序批式生物反应器，进行硝酸盐废水的处理。
23.具体包括以下步骤：
24.(1)按所述方法制备无机培养基，并用氮气曝气至氧气含量《0.2mg/l，曝气完成后引入至富集了微生物的序批式生物反应器中；
25.(2)向经除氧的培养基中添加硝酸盐废水，使硝酸盐浓度为60mg n/l；然后，连续运行15-20d；整个过程中控制温度为30
±
1℃；
26.(3)待硝氮浓度《0.5mg n/l时，再次向反应器中添加硝酸盐废水，连续运行；步骤(3)可重复进行。
27.本发明的有益效果：
28.本发明通过上述步骤最终成功富集的反硝化厌氧甲烷氧化微生物在上述脱氮应用中具有高效的生物还原硝酸盐的效率，在72h的反应时间内可以将65mg n/l的硝酸盐完全生物还原。
29.本发明采用的新型序批式反应器结构简单，气密性佳，操作简易，富集效果好。
附图说明：
30.图1为新型序批式生物反应器应用的装置结构示意图。
31.图2为反应器运行过程中硝酸盐、亚硝酸盐的去除效能示意图。
32.附图标记：
33.图中：进料口1，瓶塞2，反应器主体3，填料4，转子5，磁力搅拌器6。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
35.本发明所述序批式生物反应器的结构如图1所示：反应器主体3由容量为1l的细口瓶、瓶塞2和橡胶软管构成，橡胶软管穿过瓶塞2，上端连接外界环境部分作为进料口1；可在软管顶部加装阀门保证整体气密性；反应器主体3内投加填料4供微生物附着；反应器内底部预置磁性转子5。
36.下面通过具体应用实例介绍利用序批式生物反应器富集甲烷厌氧氧化耦合反硝化还原微生物的方法。
37.(1)制备无机培养基
38.将0.5ml酸性微量元素溶液、0.2ml碱性微量元素溶液、0.226g cacl2、1.0gkhco3、0.2g mgso4·
7h2o和0.05g kh2po4加入至1升去离子水中，用hcl调节ph至6.8-7.2，配成培养基，向配置好的培养基中通入纯度99.99％的氮气，曝气20分钟以去除氧气；
39.所述酸性微量元素溶液是指：每升溶液含1.14g feso4、32mg zncl2、14mg h3bo3、120mg cocl2·
6h2o、250mg mncl2、320mg cuso4、52mg nicl2，余量为水；
40.所述碱性微量元素溶液是指：每升溶液含104mg na2seo3、50mg na2wo4、284mg na2moo4·
2h2o，余量为水；
41.(2)初始接种源富集
42.向步骤(1)所得的无机培养基中添加硝酸钠至培养基中硝氮含量为60mg n/l，然后从进料口引至反应器中；向液相中通入甲烷气(95％ ch4/5％ co2)，曝气10分钟。
43.在序批式生物反应器中接种100ml甲烷氧化耦合反硝化微生物；加入mbbr流化床生物填料供微生物附着，填料投配率为20％～30％。mbbr流化床生物填料参数表格如下所示；
44.表1为mbbr流化床生物填料参数表格
45.直径(mm)长度(mm)孔数(个)比重(g/cm3)表面积(m2/m3)孔隙率(％)投配率(％)1010190.965109620
46.(3)反应阶段
47.反应周期包括进水-反应-沉淀-排水，一个运行周期为30d，每周期最后一天停止搅拌使反应器沉淀4h，排去反应器内1/2基质，补充无机培养基至1l，继续正常运行。每5d向反应器内通入甲烷气(95％ch4/5％co2)，曝气10分钟，保证溶解性甲烷充足，运行时控制温度为30
±
1℃。
48.反应器连续稳定运行且硝酸盐降解速率持续不断地升高，此时，在序批式生物反应器中即富集了能降解硝酸盐的微生物。
49.作为本发明的进一步应用方案：
50.是利用富集了能降解硝酸盐的微生物的序批式生物反应器，进行含硝酸盐污水的处理；具体包括：
51.(1)按上述方法制备无机培养基，并用氮气曝气至氧气含量《0.2mg/l，曝气完成后引入至富集了微生物的序批式生物反应器中；
52.(2)向经除氧的培养基中添加硝酸盐废水，使硝酸盐浓度为60mg n/l；然后，连续运行15-20d；整个过程中控制温度为30
±
1℃；
53.(3)待硝酸盐浓度《0.5mgn/l时，再次向反应器中添加硝酸盐废水，连续运行；步骤(3)可重复进行。
54.经验证，在72小时的反应时间内，富集的微生物可以将模拟废水中65mg n/l的硝酸盐完全降解。
55.本发明反应器运行过程中硝酸盐、亚硝酸盐的去除效能如图2所示：
56.随着硝酸盐废水的投加，浓度为60.00mg n/l的硝酸盐在0-11d内以5.46mgn/(l
·
d)的速率还原至硝酸盐浓度《0.5mgn/l，在反应初期(0-5d)亚硝酸盐略有积累，随后被完全还原；第11d时投加第二批浓度为62.25mg n/l的硝酸盐废水继续供微生物还原，在第30d时硝酸盐浓度《0.5mg n/l；第34d时投加第三批浓度为65.00mg n/l的硝酸盐废水以验证微生物富集效果，该批废水中的硝酸盐在72小时的反应时间内完全降解，硝酸盐还原速率达到21.67mg n/(l
·
d)，亚硝酸盐浓度均在5mg n/l以下，且在40d时完全还原。上述数据可证实采用本发明的反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法，能够达到快速富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物并高效脱氮的目的。

技术特征：
1.一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法，其特征在于，包括以下步骤；(1)制备无机培养基：将酸性微量元素溶液、碱性微量元素溶液、cacl2、khco3、mgso4·
7h2o和kh2po4加入至去离子水中，用hcl调节ph，配成培养基，向配置好的培养基中通入氮气，曝气以去除氧气，得到无机培养基；(2)初始接种源富集：向步骤(1)所得的无机培养基中添加硝酸盐，然后从进料口引至新型序批式生物反应器中；向液相中通入甲烷气，曝气；在序批式生物反应器中接种甲烷氧化耦合反硝化微生物；加入mbbr流化床生物填料供微生物附着；(3)反应阶段：反应周期包括进水-反应-沉淀-排水，实现反硝化厌氧甲烷氧化微生物的成功富集。2.根据权利要求1所述的一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述酸性微量元素溶液是指：每升溶液含1.14g feso4、32mg zncl2、14mg h3bo3、120mg cocl2·
6h2o、250mg mncl2、320mg cuso4、52mg nicl2，余量为水。3.根据权利要求1所述的一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法，其特征在于，所述碱性微量元素溶液是指：每升溶液含104mg na2seo3、50mg na2wo4、284mg na2moo4·
2h2o，余量为水。4.根据权利要求1所述的一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将0.5ml酸性微量元素溶液、0.2ml碱性微量元素溶液、0.226g cacl2、1.0g khco3、0.2gmgso4·
7h2o和0.05g kh2po4加入至1升去离子水中，用hcl调节ph至6.8-7.2，配成培养基，向配置好的培养基中通入纯度99.99％的氮气，曝气20分钟以去除氧气，得到无机培养基。5.根据权利要求4所述的一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法，其特征在于，所述步骤(2)中，向步骤(1)所得的无机培养基中添加硝酸盐至培养基中硝氮含量为60mg n/l，然后从进料口引至新型序批式生物反应器中；向液相中通入95％ch4/5％co2的甲烷气，曝气10分钟；在序批式生物反应器中接种100ml甲烷氧化耦合反硝化微生物；加入mbbr流化床生物填料供微生物附着，填料投配率为20％～30％。6.根据权利要求1所述的一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法，其特征在于，所述步骤(3)中：一个运行周期为30d，每周期最后一天停止搅拌使反应器沉淀4h，排去反应器内1/2基质，补充无机培养基至1l，继续正常运行，每5d向反应器内通入95％ch4/5％co2的甲烷气，曝气10分钟，保证溶解性甲烷充足，运行时控制温度为30
±
1℃；在1～3个运行周期内实现反硝化厌氧甲烷氧化微生物的成功富集。7.基于权利要求1-6任一项所述的.根据权利要求1所述的一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法的应用，其特征在于，采用上述步骤(3)成功富集后的反硝化厌氧甲烷氧化微生物在脱氮中的应用，利用富集了能还原硝酸盐、亚硝酸盐的生物微生物的序批式生物反应器，进行硝酸盐废水的处理；
具体包括以下步骤：(1)按所述方法制备无机培养基，并用氮气曝气至氧气含量<0.2mg/l，曝气完成后引入至富集了微生物的序批式生物反应器中；(2)向经除氧的培养基中添加硝酸盐废水，使硝酸盐浓度为60mg n/l；然后，连续运行15-20d；整个过程中控制温度为30
±
1℃；(3)待硝氮浓度<0.5mg n/l时，再次向反应器中添加硝酸盐废水，连续运行；步骤(3)可重复进行。

技术总结
本发明公开了一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集方法，包括以下步骤；(1)：将酸性微量元素溶液、碱性微量元素溶液、CaCl2、KHCO3、MgSO4·


技术研发人员：吕盘龙 贾川 陈荣
受保护的技术使用者：西安建筑科技大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/24