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一种高效的反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化混合微生物体系的共培养方法
本发明提供了一种高效的反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化混合微生物体系的共培养方法,其包括(1)富集含有DAMO和ANAMMOX微生物菌群,得到预共培养体系;(2)将培养步骤(1)得到的预共培养体系微生物,接种到添加了液体石蜡的培养基的反应器中,并在培养过程中添加硝氮NO3--N、甲烷CH4和氨氮NH4+-N,最终得到高活性的DAMO和ANAMMOX的混合微生物。本发明提供的共培养方法,不需要额外曝气,也不需要外加有机碳源,既节约了成本又避免了二次污染。用本发明方法培养得到的体系能够将CH4氧化成CO2,同时将NO3-和NH4+转化成N2排出,在含有氨氮、溶解甲烷的废水处理系统中有很好的应用前景。
【专利说明】一种高效的反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化混合微生物体系的共培养方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微生物共培养【技术领域】,特别是涉及一种高效的反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化混合微生物体系的共培养方法。
【背景技术】
[0002]甲烷(CH4)作为一种能源物质的同时,还是一种很强的温室气体,单位质量的CH4吸热量大约是CO2的25倍。如果深海中的CH4全部释放到大气中,地球的温度将远远高于现在的水平,导致全球气候变暖、冰山融化、海平面上升等严重后果。之所以没有发生这样的灾难,主要是因为90%以上的CH4在从海底逃逸的过程中被微生物消耗了,其中厌氧甲烷氧化过程发挥了巨大的作用。
[0003]反硝化厌氧甲烧氧化(denitrifyinganaerobicmethaneoxidation,DAM0)是一种新型的厌氧甲烷氧化过程,在厌氧条件下将甲烷氧化与反硝化结合起来,其中CH4作为电子供体,NOJt为电子受体。主要分为两类:5CH4+8N(V+8H+—5C02+4N2+HH2O(I)和3CH4+8N02_+8矿一3C02+4N2+10H20(2)。由于DAMO微生物为自养型微生物,生长缓慢,倍增时间为数周,甚至数月,所以富集时间长、活性低等问题一直是限制DAMO微生物研究及相关技术发展和应用的主要因素。富集培养过程一般是通过顶空注入,或底部连续曝气的方式提供所需甲烷。由于甲烷在水相的溶解度低,传质系数小,甲烷从气相到液相、再到微生物的传质过程受到极大限制,从而导致微生物富集时间的延长,并且连续曝气造成CH4的泄漏和浪费还存在安全隐患。所以现有DAMO微生物的培养方法不利于工业化应用。
[0004]厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation,ΑΝΑΜΜ0Χ)
也是一种比较新的脱氮工艺,反应方程式如下NCV+1/+—+'ΑΝΑΜΜ0Χ反应具有很多优点,不需外加有机碳源、避免了二次污染、节省供氧动力消耗、几乎不产生温室气体N2O等,但需要前置短程硝化工艺,条件`控制复杂,并且ΑΝΑΜΜ0Χ微生物富集培养时间长、条件苛刻,并且N02_浓度过高会对微生物活性产生不可逆的抑制。
[0005]由于NOf是N03_反硝化过程的中间产物,同时也是厌氧氨氧化反应的底物,而且DAMO和ΑΝΑΜΜ0Χ两种微生物的培养条件类似,都要求厌氧、培养基中不需外加有机碳源,因此DAMO与ΑΝΑΜΜ0Χ混合微生物共培养体系是可行的,是一种潜在的新型脱氮除碳途径,即通过DAMO反应生成N02_,作为ΑΝΑΜΜ0Χ的底物,避免N02_浓度过高产生抑制作用,ΑΝΑΜΜ0Χ反应生成的少量N03_又被DAMO利用,同时实现CH4、N03_和NH4+的高效去除。
[0006]需要指出的是,由于N02_同时作为n-damo与ΑΝΑΜΜ0Χ两种菌的底物,所以这两种菌之间主要为竞争关系,而另一种以N03_为底物的DAMO古菌与ΑΝΑΜΜ0Χ菌之间不是竞争关系而是协同关系,即只要DAMO古菌与ΑΝΑΜΜ0Χ菌中有一种菌活性提高,就可通过协同作用促进另外一种菌活性的提高,这也是该体系与n-damo与ΑΝΑΜΜ0Χ共培养体系相比的优势。
[0007]有研究者对以N40%时,用CH4曝气,置换顶空气体;当pH升高超过8,加入lmol/L的HCl进行调节。所述培养系统按照上述方法运行100天以后,,N2的产生速率可达到
,N(V-N的消耗速率可`,NH4+,结果如图3所示。菌群分析表明,%和35%。
[0055]实施例3、利用液体石蜡培养DAMO与ANAMMOX混合体系并与不含液体石蜡培养的进行比较
[0056]首先用120mL血清瓶进行试验,对液体石蜡加入比例进行优化。向血清瓶中通氮气除氧后,将液体培养基和部分母反应器微生物加入血清瓶,总量为血清瓶体积的2/3,加NCV-N50~100mg/L、NH/-N40~80mg/L,添加液体石蜡,加入量分别为液相总体积的0%,1%,%,5%,%,10%,15%,再用CH4曝气10~25min。
[0057]10天后NOf-,,,,,,
。当液体石蜡加入量从0%增加到5%,NO3^N的消耗速率逐渐增加,说明在此范围内随着液体石蜡含量的提高,其对DAMO活性的促进作用也随之增加;当液体石蜡由5%继续增加至10%,Ν03_-Ν的消耗速率不再增加;当超过10%
后,Ν03_-Ν的消耗速率与不添加液体石蜡基本没有区别,说明液体石蜡的加入量不是越多越好,当浓度过高时,虽然液相中CH4含量较高,但过多的液体石蜡会阻碍微生物与水相中的N03_接触,从而失去促进DAMO活性的作用。根据以上结果可知,液体石蜡含量在I~10%的范围内,对DAMO微生物都有明显的促进作用,其中液体石蜡含量为5%最合适。
[0058]构建混合微生物共培养装置,结构如图1所示,包括温度、pH、搅拌、曝气等装置。
[0059]取含有DAMO和ANAMMOX的微生物菌群的污泥,如河道底泥微生物与污水处理厂的活性污泥作为母反应器的接种物,进行预富集。
[0060]从母反应器取出一部分微生物接种到共培养装置中,装置在加入微生物之前通氮气除氧,加微生物的过程中保证厌氧操作。
[0061]加入液体培养基至反应器总体积的2/3,添加液体石蜡,加入量为液相总体积的5%,加NCV-N50~100mg/L、NH4+-N40~80mg/L。底部用CH4曝气10~25min,最终顶空N2的含量〈5%,顶空气相压强优选为90~130kPa。
[0062]构建好上述共培养体系后,在温度30~38°C,搅拌速度200~400r/min,pH7~8的优选条件下按照序批次模式运行。每天检测气相CH4和N2的含量,取液相样品检测NO3'NO2^和NH4+的浓度。当Ν03_-Ν或NH4+-N的浓度低于10mg/L
时,加入浓缩液进行补充,使其浓度恢复到80mg/L左右;当CH4的含量〈60%或队>40%时,用CH4曝气,置换顶空气体^pH升高超过8,加入lmol/L的HCl进行调节。所述培养系统按照上述方法运行100天以后,,,NO3^-,NH4+-,结果如图3所示。%,%,Ν03__Ν和NH4+_N的消耗速率分别是原来的2倍和20倍。菌群分析表明,%%,与未加液体石蜡相比,%%,%,%。
[0063]由以上实施例可知,采用本发明的培养方法可以成功获得高效的反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化混合微生物体系,主要是在DAMO微生物的富集过程中,提供一定浓度的NH;-N,并且在矿物盐培养基中加入一定比例的液体石蜡。
[0064]本发明主要是通过添加液体石蜡提高CH4在液相中的溶解度,促进气液传质过程,从而提高DAMO活性,以N03_反硝化过程的中间产物N02_为纽带,利用DAMO微生物与ANAMMOX之间的协同作用,从而间接提高ANAMMOX活性,实现
了高效的反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化混合微生物体系的共培养。
[0065]尽管本发明是针对以N03_为底物的DAMO微生物进行尝试的,在理论上添加石蜡油对于以N02_为底物的n-damo微生物同样具有促进作用,所以将本发明应用于n-damo与ANAMMOX的共培养体系中也是具有积极作用的。由于ANAMMOX生长速率比n-damo快很多,通常需要限制NH4+的浓度适当降低ANAMMOX活性,否则生长速率很慢的n-damo竞争不过ANAMMOX最终将被淘汰。本发明同样可以利用添加液体石蜡提高n-damo对N02_的竞争力,不必将ANAMMOX活性限制在较低水平,从而提高n-damo与ANAMMOX共培养体系整体的效率。
[0066]以上所述仅是本发明的优选实施方式,需要指出的是,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,而且,在阅读了本发明的内容之后,本领域相关技术人员可以对本发明做出各种改动或修改,这些等价形式同样落入本申请所附权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
,其包括如下步骤:(1)富集含有DAMO和ΑΝΑΜΜ0Χ微生物菌群,得到预共培养体系;(2)将培养步骤(1)得到的预共培养体系微生物,接种到添加了液体石蜡的培养基的反应器中,并在培养过程中添加硝氮
NCV-N、甲烷CH4和氨氮NH4+-N,最终得到高活性的DAMO和ΑΝΑΜΜ0Χ的混合微生物。
,其特征在于,所述硝氮NO3--N在整个液相中的浓度为50~100mg/L,所述氨氮NH/-N在整个液相中的浓度为40~80mg/L,所述甲烷CH4是通过曝气的方式加入。
,其特征在于,所述液体石蜡在整个液相中的体积含量为I~10%O
,其特征在于,所用培养基为液体矿物盐培养基,不添加任何其他有机碳源。
,其特征在于,所述矿物盐培养基配方为:,,,,,。
,其特征在于,所述共培养方法是在CSTR或类似反应器中进行。
,其特征在于,步骤(2)中的反应体系的运行条件控制如下:温度30~38°C,搅拌速度200~400r/min,pH7~8,顶空气相压强为90~130kPa。
,其特征在于,步骤(2)中的反应体系按照序批次模式运行,所述体系运行时间为3~5个月。
,其含有权利要求1~8任意一项所述方法制备得到的高活性的DAMO和ΑΝΑΜΜ0Χ的混合微生物体系。
,其特征在于,该方法利用了权利要求9所述的污水处理剂处理污水。