一种好氧反硝化复合菌剂在改良A/O工艺中强化脱氮的应用

一种好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用
技术领域
1.本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种好氧反硝化复合菌在改良a/o工艺中强化脱氮的应用。


背景技术：

2.缺氧/好氧(a/o)工艺，是一种改良型的活性污泥法，该工艺主要由前端的缺氧池(a池)和后端的好氧池(o池)组成，通过曝气维持o池的溶解氧浓度在2-4mg/l，a池的do则控制在0.5mg/l以下，进水nh
4+-n在o池硝化细菌的作用下转化为no
3-‑
n，通过混合液回流将o池中的大量no
3-‑
n携带至a池，在a池反硝化细菌的作用下转化为n2去除，同时通过反硝化作用消耗大量有机物，而未完全降解的有机物在o池中被异养细菌充分吸收。
3.a/o脱氮工艺具有流程简单，可有效利用原水中碳源的优势，但由于受传统生物脱氮机制的限制，导致a/o工艺存在以下几个方面的问题，极大的影响了a/o工艺脱氮的高效性和经济性。
4.(1)硝化菌自身产能少，世代时间长，自养硝化菌对污水中有机物的吸收利用不如异养菌占优势，因此难以维持较高的生物浓度，硝化效果差；
5.(2)硝化反应需要在高浓度溶解氧(2-4mg/l)条件下进行反应，而反硝化反应需要低浓度溶解氧(0-0.5mg/l)环境，这使得硝化和反硝化过程，必须在不同的反应池中进行，增加了占地面积以及运行成本；
6.(3)a/o系统必须通过硝化液回流获得良好的脱氮效率，增加了动力消耗及运行费用；此外，回流过程带入大量溶解氧到a池中，造成a池溶氧波动大，抑制了反硝化细菌的活性，影响了反硝化效率；
7.(4)硝化过程产生的酸度和反硝化过程中产生的碱度需要分别投加药剂中和，除了会增加了运行成本，还可能因药剂投加过量的问题造成出水二次污染。
8.因此，针对传统a/o工艺脱氮效率低下且耗能较高的问题，需要寻求新的生物脱氮技术，以期能够从根本上解决这些问题。


技术实现要素：

9.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用，解决传统的a/o工艺脱氮效率低的技术问题，达到降低污水回流比，节省能耗的目的。
10.为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
11.一种好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用，其特征在于，所述应用的具体步骤如下：
12.(1)将硝化毛球和复合菌剂加入到富集培养液中进行培养挂膜，待填料表面呈现淡黄色且出现明显的絮状物时，表明填料挂膜完成；
13.(2)将挂膜后的填料放入改良a/o工艺的好氧区2中，逐步降低混合液回流比至
50％，待反应器稳定运行后，实现好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用；
14.所述复合菌剂由假单胞菌ad-1、不动杆菌ad-5和假单胞菌z1三种菌液复配而成；
15.所述改良a/o工艺包括缺氧区、好氧区1和好氧区2三部分，混合液从好氧区2回流至缺氧区。
16.优选的，步骤(1)中，所述硝化毛球、复合菌剂和富集培养液的体积比为1-2l：5-10ml：2-4l。
17.优选的，所述假单胞菌ad-1、不动杆菌ad-5和假单胞菌z1的菌液体积比为1-2:1-3:1-2，各菌液的菌密度od
600
值均为1.0。
18.优选的，所述复合菌剂的制备方法包括如下步骤：将假单胞菌ad-1菌株、不动杆菌ad-5菌株和假单胞菌z1菌株用接种环分别接种于灭菌后的lb培养基中，然后放入恒温振荡床进行培养，培养完成后离心收集菌体，用无菌水进行稀释定容，分别得到3种菌液，再将3种菌液进行混合，即得到复合菌剂。
19.优选的，好氧区1中加入活性污泥，好氧区2中加入挂膜填料。
20.优选的，好氧区1溶解氧浓度设置为2-4mg/l，好氧区2溶解氧浓度设置为1-2mg/l。
21.优选的，缺氧区、好氧区1和好氧区2的体积比为2:1:1。
22.优选的，步骤(2)中，混合液回流比的调节分为以下四个阶段：
23.阶段i：将混合液回流比从200％调整为150％，保持其他运行条件不变，每天检测缺氧区与好氧区出水中nh
4+-n、no
3-‑
n、no
2-‑
n、po
43-‑
p、cod浓度，直至反应器稳定运行，并检测稳定后好氧区1中的mlss、svi；
24.阶段ii：在反应器稳定运行的条件下，将混合液回流比从200％调整为150％，其他操作同阶段i；
25.阶段iii：在反应器稳定运行的条件下，将混合液回流比从150％调整为100％，其他操作同阶段i；
26.阶段iv：在反应器稳定运行的条件下，将混合液回流比从100％调整为50％，其他操作同阶段i。
27.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
28.本发明提供的假单胞菌ad-1菌株对no
3-‑
n具有较强的降解性能，不动杆菌ad-5菌株对nh
4+-n具有较强的降解性能，假单胞菌z1菌株对no
2-‑
n的降解性能较强，在本发明中，具有不同氮代谢特性的三株细菌在同步硝化反硝化脱氮过程中产生了协同效应，在脱氮功能上形成了互补，通过菌种间的相互作用，形成了一条高效、完整的氮代谢途径，这三株菌利用生态位差异，发挥各自的脱氮优势，提高了复合菌群对混合氮源的代谢性能。本发明中混合液从好氧区2进行回流，好氧区2溶解氧浓度较低，回流后不会造成缺氧池溶解氧浓度升高，有利于a段溶解氧的控制。
29.本发明将复合菌挂膜填料投加到混合液回流比为50％的改良a/o反应器中，经过50天的生物强化后，cod、tn和po
43-‑
p的去除率较投加前分别提高了3.94％、20.93％及7.41％；同步硝化反硝化脱氮效率较投加前提高了28.34％，较混合液回流比降低前提高了35.69％，通过降低混合液回流比可减少60％左右回流泵耗费的电能。
附图说明
30.图1是本发明提供的假单胞菌ad-1菌株的扫描电镜图；
31.图2是本发明提供的不动杆菌ad-5菌株的扫描电镜图；
32.图3是本发明提供的复合菌剂的同步硝化反硝化特性图；
33.图4是本发明提供的假单胞菌ad-1的同步硝化反硝化特性图；
34.图5是本发明提供的不动杆菌ad-5的同步硝化反硝化特性图；
35.图6是本发明提供的假单胞菌z1的同步硝化反硝化特性图；
36.图7是本发明提供的复合菌剂的脱氮途径流程图；
37.图8是本发明提供的好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用的工艺流程图；
38.图9为降低混合液回流比以及投加挂膜填料后nh
4+-n、no
2-‑
n、no
3-‑
n进出水浓度变化。
具体实施方式
39.以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
40.需要说明的是，无特殊说明外，本发明中涉及到的化学试剂均通过商业渠道购买。
41.本发明中的假单胞菌ad-1菌株(genbank登录号：mw426198)、不动杆菌ad-5菌株(genbank登录号：mw426203)及假单胞菌z1菌株(genbank登录号：mt898541)均来源于活性污泥，通过对污泥进行驯化筛选分离得到，菌种筛选纯化具体步骤如下：
42.(1)富集：将10ml活性污泥与90ml无菌水混匀，取1ml污泥悬液置于富集培养基中，于30℃恒温振荡器中以120r/min振荡培养3d；
43.(2)驯化：取上述富集菌液1ml，转接至液体驯化培养基中继续培养，24h后取菌悬液分别稀释至104、105、106、107倍，各取0.1ml涂布在固体驯化培养基上，于30℃恒温培养箱中倒置培养3d，直至平板表面长出形态清晰的单菌落；挑取不同形态的单菌落，分别接种于液体驯化培养基中，于30℃、120r/min的恒温振荡器中过夜培养，并再次将长至对数生长期(od
600
＝1.0)的菌悬液进行稀释涂布培养，上述实验操作重复3次；
44.(3)筛选：从稀释涂布3次的驯化培养基上挑取不同形态的单菌落，分别接种于液体驯化培养基中，以30℃、120r/min恒温振荡培养24h；将菌液进行梯度稀释(10-4-10-7
)后涂布于btb培养基上，于30℃恒温培养箱中培养3d，挑取培养基中由黄色变为蓝色的单菌落，继续在btb培养基上划线纯化，如此重复4次；
45.(4)经过多次的富集、分离、纯化，筛选出具有异养硝化或好氧反硝化性能的菌株，将筛选得到的菌株以2％的接种量分别接种至异养硝化鉴定培养基和好氧反硝化鉴定培养基中，于30℃、120r/min摇床培养24h后，根据水质检测指标结果，保留异养硝化或好氧反硝化tn去除率高于80％的菌株，筛选出3株高效好氧反硝化菌株，命名为假单胞菌ad-1、不动杆菌ad-5和假单胞菌z1；
46.其中富集培养基配方为：蛋白胨5g，酵母浸出液5g，nacl 10g，蒸馏水1l；
47.驯化培养基配方为：ch3coona 2.93g，kno
3 0.722g，kh2po
4 0.088g，mgso4·
7h2o 0.2g，微量元素2ml，蒸馏水1l；微量元素配方为：edta 15g，znso
4 0.2g，mncl2·
4h2o 1.5g，
feso4·
7h2o 0.5g，cuso4·
5h2o 0.5g，cocl2·
6h2o 0.3g，na2moo4·
2h2o 0.2g，cacl
2 0.1g，蒸馏水1l；
48.btb培养基配方为：ch3coona 2.93g，kno
3 0.722g，kh2po
4 0.088g，mgso4·
7h2o 0.2g，微量元素2ml，2％琼脂，1％btb，蒸馏水1l；微量元素配方为：edta 15g，znso
4 0.2g，mncl2·
4h2o 1.5g，feso4·
7h2o 0.5g，cuso4·
5h2o 0.5g，cocl2·
6h2o 0.3g，na2moo4·
2h2o 0.2g，cacl
2 0.1g，蒸馏水1l；
49.好氧硝化鉴定培养基配方为：ch3coona 0.937g，kno
3 0.288g，kh2po
4 0.0351g，mgso4·
7h2o 0.2g，微量元素2ml，蒸馏水1l；微量元素配方为：edta 15g，znso
4 0.2g，mncl2·
4h2o 1.5g，feso4·
7h2o 0.5g，cuso4·
5h2o 0.5g，cocl2·
6h2o 0.3g，na2moo4·
2h2o 0.2g，cacl
2 0.1g，蒸馏水1l；
50.异养硝化鉴定培养基配方为：ch3coona 0.937g，nh4cl 0.153g，kh2po
4 0.0351g，mgso4·
7h2o 0.2g，微量元素2ml，蒸馏水1l；微量元素配方为：edta 15g，znso
4 0.2g，mncl2·
4h2o 1.5g，feso4·
7h2o 0.5g，cuso4·
5h2o 0.5g，cocl2·
6h2o 0.3g，na2moo4·
2h2o 0.2g，cacl
2 0.1g，蒸馏水1l；
51.本发明中的假单胞菌(pseudomonas sp.)ad-1及假单胞菌(pseudomonas sp.)z1分别与基因库genbank中的bacterium strain gz16111700525(genbank登录号：ky963532.1)及pseudomonas entomophila l48(genbank登录号：prjna16800)同源性达到100％，属于已有被发现的菌株，因此没有进行保藏；
52.不动杆菌acinetobacter sp.ad-5，其为新种，于2021年12月21日保藏于中国典型培养物保藏中心(简称cctcc，地址为湖北省武汉市武昌区八一路299号)，保藏编号为：cctcc m 20211654。
53.实施例1
54.将假单胞菌ad-1菌株、不动杆菌ad-5菌株和假单胞菌z1菌株分别用lb培养基富集后稀释至od
600
值为1，然后以1:1:1的体积比进行混合，得到好氧反硝化复合菌，再将复合菌以2％接种量(v/v)接种于100ml的同步硝化反硝化培养基中，以nh
4+-n和no
3-‑
n为混合氮源，在30℃、120r/min的摇床上培养24h，检测水体中od
600
、nh
4+-n、no
3-‑
n、no
2-‑
n以及tn等水质指标的浓度变化，其中lb培养基配方为：蛋白胨10g，酵母浸出液5g，nacl 5g，蒸馏水1l。
55.对比例1
56.将假单胞菌ad-1菌株用lb培养基富集后稀释至od
600
值为1，然后以2％接种量(v/v)接种于100ml的同步硝化反硝化培养基中，以nh
4+-n和no
3-‑
n为混合氮源，在30℃、120r/min的摇床上培养24h，检测水体中od
600
、nh
4+-n、no
3-‑
n、no
2-‑
n以及tn等水质指标的浓度变化，其中lb培养基配方为：蛋白胨10g，酵母浸出液5g，nacl 5g，蒸馏水1l。
57.对比例2
58.将不动杆菌ad-5菌株用lb培养基富集后稀释至od
600
值为1，然后以2％接种量(v/v)接种于100ml的同步硝化反硝化培养基中，以nh
4+-n和no
3-‑
n为混合氮源，在30℃、120r/min的摇床上培养24h，检测水体中od
600
、nh
4+-n、no
3-‑
n、no
2-‑
n以及tn等水质指标的浓度变化；其中lb培养基配方为：蛋白胨10g，酵母浸出液5g，nacl 5g，蒸馏水1l。
59.对比例3
60.将假单胞菌z1菌株用lb培养基富集后稀释至od
600
值为1，然后以2％接种量(v/v)
接种于100ml的同步硝化反硝化培养基中，以nh
4+-n和no
3-‑
n为混合氮源，在30℃、120r/min的摇床上培养24h，检测水体中od
600
、nh
4+-n、no
3-‑
n、no
2-‑
n以及tn等水质指标的浓度变化；其中lb培养基配方为：蛋白胨10g，酵母浸出液5g，nacl 5g，蒸馏水1l。
61.实验结果如图3-图6所示，从图中可以看到，各单菌和复合菌剂在同步硝化反硝化脱氮过程中对不同的氮源显示了不同的降解特性，ad-1对no
3-‑
n具有较强的降解性能，培养24h后，no
3-‑
n减少到0，但nh
4+-n和no
2-‑
n残留量较高，分别为4.12mg/l和2.62mg/l；ad-5显示了较强的异养硝化能力，培养24h后，nh
4+-n降解到0.56mg/l，但具有较高的no
2-‑
n和no
3-‑
n积累，分别为3.10mg/l和2.70mg/l；z1则对no
2-‑
n的降解性能较强，培养24h后无no
2-‑
n积累,nh
4+-n和no
3-‑
n积累量分别为4.22mg/l和1.18mg/l；而组合ad-1+ad-5+z1对nh
4+-n、no
2-‑
n和no
3-‑
n均具有较强的降解能力，培养24h后，各种氮素的积累量均不足1mg/l，同时，复合菌剂在混合氮源中的生长和脱氮效率均高于单菌，这很可能是因为具有不同氮代谢特性的三株细菌在同步硝化反硝化脱氮过程中产生了协同效应，在脱氮功能上形成了互补，通过菌种间的相互作用，形成了一条高效、完整的氮代谢途径，如图7所示，弯曲箭头显示了菌群对混合氮源的主要降解途径，虚线箭头显示了部分氮源的可能降解路径，ad-1、ad-5和z1利用生态位差异，发挥各自的脱氮优势，提高了复合菌群对混合氮源的代谢性能。
62.一种好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用，工艺流程如图8所示，具体步骤如下：
63.用实验废水模拟城镇生活污水，具体污染物成分及含量为：cod为300mg/l，tn为40mg/l，nh
4+-n为40mg/l，tp为8mg/l，mgso4·
7h2o为0.06mg/l，无水cacl2为0.02mg/l，实验采用硝化毛球作为生物填料，购自河南龙信环保科技有限公司，填料分内外双层球体，内部为直径30mm的毛球，材料为聚酯中空纤维，外壳为镂空的聚丙烯网状球体，具有质轻、比表面积大、孔隙率高以及生物附着力强等优点。
64.在烧杯中加入2.5l富集培养液以及1.5l硝化毛球，然后将3株细菌菌液(od
600
为1)各接种2ml到烧杯中进行培养，富集培养液的成分和含量为(g/l)：ch3coona 5g，nh4cl 0.306g，kno
3 0.576g，kh2po
4 0.02g，mgso4·
7h2o 0.2g，微量元素2ml，培养期间对两个烧杯进行间歇式曝气，维持烧杯内do在1mg/l，水温在25℃，每3d为一个周期，每周期结束后更换培养液，定期观察填料表面颜色，当载体表面呈现淡黄色且出现明显的絮状物，表明挂膜基本完成；
65.以模拟生活污水作为进水，接种活性污泥于改良a/o反应器中，控制反应器中的mlss浓度为3g/l，定期排泥，污泥回流比为100％，混合液回流比逐步从200％降低至50％，连续运行反应器，每天检测二沉池出水nh
4+-n、no
3-‑
n、no
2-‑
n、po
43-‑
p、cod浓度，直至反应器稳定运行；
66.改良a/o工艺稳定运行之后，将好氧区2中的污泥排掉，加入体积比为25％的挂膜填料，溶解氧浓度从4mg/l降低至2mg/l，保持其他运行条件不变，每天检测各生物池出水中nh
4+
、no
3-‑
n、no
2-‑
n、po
43-‑
p、tn、cod浓度，直至反应器稳定运行，并检测稳定后好氧区1中的mlss、svi。
67.实验结果如图9所示，从图中可以看到，随着混合液回流比不断降低，出水中no
3-‑
n及tn浓度不断升高，主要是因为较多的no
3-‑
n未进行回流反硝化。投加挂膜填料之后，出水no
3-‑
n浓度在初期出现了上升，这可能是因为填料上的微生物还未适应好氧区2内复杂的群
落环境，并与土著微生物产生了对底物的竞争作用，随着强化时间的增长，强化微生物逐渐表现出优良的好氧反硝化性能，在投入挂膜填料的第8天，出水no
3-‑
n浓度明显下降，极大地提高了tn去除效率，此后，no
3-‑
n去除效率的上升趋势逐渐减缓甚至出现下降，这是由于填料上的部分强化微生物逐渐被系统中的优势土著菌群取代，系统中外源强化微生物的含量逐渐减少，导致好氧反硝化脱氮效率下降，在强化脱氮的第30天左右，tn去除率逐渐趋于稳定，说明系统中已形成了相对稳定的菌群结构，此外，在外源强化菌群的影响和系统长期的运行过程中，反应器内不同比例的自养硝化细菌、异养硝化细菌、缺氧反硝化以及好氧反硝化细菌可能会形成新的同步硝化反硝化脱氮体系，稳定丰富的功能菌群结构保证了系统高效的脱氮性能，经过50天的强化脱氮，出水水质得到了明显的改善，这表明挂膜填料中的微生物通过好氧反硝化作用提高了系统的脱氮效率。
68.最后需要说明的是：以上实施例不以任何形式限制本发明。对本领域技术人员来说，在本发明基础上，可以对其作一些修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，均属于本发明要求保护的范围之内。

技术特征：
1.一种好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用，其特征在于，所述应用的具体步骤如下：(1)将硝化毛球和复合菌剂加入到富集培养液中进行培养挂膜，待填料表面呈现淡黄色且出现明显的絮状物时，表明填料挂膜完成；(2)将挂膜后的填料放入改良a/o工艺的好氧区2中，逐步降低混合液回流比至50％，待反应器稳定运行后，实现好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用；所述复合菌剂由假单胞菌ad-1、不动杆菌ad-5和假单胞菌z1三种菌液复配而成；所述改良a/o工艺包括缺氧区、好氧区1和好氧区2三部分，混合液从好氧区2回流至缺氧区。2.根据权利要求1所述的好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用，其特征在于，步骤(1)中，所述硝化毛球、复合菌剂和富集培养液的体积比为1-2l：5-10ml：2-4l。3.根据权利要求1所述的好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用，其特征在于，所述假单胞菌ad-1、不动杆菌ad-5和假单胞菌z1的菌液体积比为1-2:1-3:1-2，各菌液的菌密度od
600
值均为1.0。4.根据权利要求1所述的好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用，其特征在于，所述复合菌剂的制备方法包括如下步骤：将假单胞菌ad-1菌株、不动杆菌ad-5菌株和假单胞菌z1菌株用接种环分别接种于灭菌后的lb培养基中，然后放入恒温振荡床进行培养，培养完成后离心收集菌体，用无菌水进行稀释定容，分别得到3种菌液，再将3种菌液进行混合，即得到复合菌剂。5.根据权利要求1所述的好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用，其特征在于，好氧区1中加入活性污泥，好氧区2中加入挂膜填料。6.根据权利要求6所述的好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用，其特征在于，好氧区1溶解氧浓度设置为2-4mg/l，好氧区2溶解氧浓度设置为1-2mg/l。7.根据权利要求1所述的好氧反硝化复合菌剂在改良a/o工艺中强化脱氮的应用，其特征在于，缺氧区、好氧区1和好氧区2的体积比为2:1:1。

技术总结
本发明公开了一种好氧反硝化复合菌剂在改良A/O工艺中强化脱氮的应用，本发明提供的假单胞菌AD-1菌株对NO


技术研发人员：胡智泉 李炳堂 景方圆 刘冬啟 肖波 程龙
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2022.10.26
技术公布日：2023/7/13