一種兼養微生物營養轉化處理高氨氮廢水的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高氨氮廢水的處理方法，具體地指一種兼養微生物營養轉化處理高氨氮廢水的方法。
【背景技術】
[0002]水資源危機是21世紀人類面臨的重大挑戰。隨著全球工業化、現代化的迅猛發展，人類社會對于水資源的需求與日倶增。然而，由于人類的活動導致水環境的嚴重污染，制約甚至阻礙了社會發展與進步的勢頭。
[0003]高氨氮(NH/-N)廢水的處理凈化是全球廢水處理的一大難題，許多工農業生產部門如畜牧業、化肥業、炸藥業、垃圾填埋場等，均有大量高氨氮廢水排放。若不加以有效處理，該類廢水會造成水體富營養化、惡臭、土壤退化、地下水污染等一系列嚴重環境問題。NH4+-N可通過多種物理、化學、生物方法去除，生物法由于成本較低且對環境副作用較小，近幾十年來成為業內熱點。目前為止，通過硝化-反硝化過程脫氮的活性污泥法應用最為廣泛，但該法的建設成本以及曝氣設備的建設和運營都需投入大量成本，此外，該類廢水的C/N比一般遠低于活性污泥法的最適處理范圍，不額外投加有機碳氨氮去除無法達標，投加碳源又會增加廢水的處理成本。
[0004]國內外研究表明，采用兼養微生物如微藻處理廢水可克服上述缺陷。由于NH4+-N是最易被大多數微藻利用的氮源形式，因此以微藻為主體的污水處理系統在氨氮去除上比以細菌為主體的活性污泥法有明顯優勢。菌藻系統或單純微藻系統的引入，近年來成為解決傳統活性污泥處理高高氨氮廢水局限的新思路。以微藻為主體的處理系統對氨氮的去除途徑包括:(I)微藻光合作用產生氧氣促進硝化-反硝化進程；(2)微藻在光合作用過程中引起廢水pH值升高，使NH4+-N以自由氨的形式揮發；(3)系統攪拌、混合導致自由氨進一步揮發(也稱強化吹脫效應)；(4)NH4+-N被微藻細胞吸附、吸收。然而上述系統中，被微藻細胞吸附、吸收的氨氮通常僅占微藻處理系統的一小部分，大量氨逸散到大氣中會造成潛在的大氣污染。為檢測高NH/-N廢水處理時，被微藻細胞實際吸附、吸收的NH/-N量，需采用滅菌且調控PH值的配水，以排除細菌硝化-反硝化作用、pH值升高、攪拌混合引起的自由氨揮發吹脫以及細菌等其他微生物的影響。
【發明內容】
[0005]本發明的目的就是要克服現有技術所存在的不足，提供一種兼養微生物營養轉化用于高氨氮廢水處理的方法。
[0006]為實現上述目的，本發明所設計的兼養微生物營養轉化用于高氨氮廢水處理的方法，按照以下步驟進行:
[0007]I)兼養微生物的轉接與培養:于-70°C冰箱中接種兼養微生物菌株并用接種環刮取少許到固體斜面平板光照自養、混養或異養培養；
[0008]所述自養培養條件如下:溫度為20?45°C，以28°C為最佳;光照培養氮源的初始濃度為I?15g/L，優選4g/L，氮源為甘氨酸或酵母提取物;通入空氣或空氣與C02的混合氣體，通氣量50?300L/h，優選80?120L/h，CO2濃度0.9?3% ；培養過程中采用10?200ymol/m2/s的日光照射，pH值控制在5?9之間，以7.0為佳;總培養時間視細胞生長情況而定，一般介于50?400小時，優選120?200小時；
[0009]所述混養和異養培養條件如下:通入空氣，通氣量100?400L/h，優選150?250L/h ；培養過程中采用5?40ymol/m2/s的日光照射，pH值控制在5?9之間，以7.0為佳;總培養時間視細胞生長情況而定，一般介于72?200小時，優選100?150小時；其中，異養培養在培養基中加入不同有機碳源至初始還原糖濃度為0.1?200g/L，優選為15?20g/L;混養培養在培養基中加入不同有機碳源和無機碳源，有機碳源至初始還原糖濃度為0.1?200g/L，優選為15?20g/L，無機碳源為質量分數0.001 %?100 % CO2，最優2 %，或濃度為0.1?100g/L的NaHCO3或Na2CO3或兩者的混合，最優0.2g/L ；
[0010]2)在富含有機碳培養基或富含機碳廢水中高密度培養:將平板培養物接種至生物反應裝置在富含有機碳培養基或富含機碳廢水中高密度異養培養，直到細胞對數生長期細胞密度達到16?101();異養培養條件如下:在培養基中加入不同有機碳源至初始還原糖濃度為0.1?200g/L，通入空氣，通氣量100?400L/h，優選150_250L/h ；培養過程中采用5?40ymol/m2/s的日光照射，pH值控制在5?9之間，以7.0為佳；總培養時間視細胞生長情況而定，一般介于72?200小時，優選100?150小時；
[0011]3)兼養微生物異養細胞的收獲:取對數生長后期或穩定期的異養細胞，在2000?8000r/min的低轉速下離心收獲，收獲的兼養微生物異養細胞用無菌水沖洗兩次，然后再次收獲；
[0012]4)轉接到高氨氮廢水進行自養培養，吸收高濃度氨氮并凈化廢水:將收獲的兼養微生物異養細胞加入高氨氮廢水中進行自養培養，兼養微生物異養細胞與高氨氮廢水的體積比為1:1?1:100，營養轉化過程中需要吸收大量的高氨氮營養物用于合成葉綠體相關組件和各種與光合作用有關的酶，從而達到凈化廢水的目的；
[0013]所述自養培養條件如下:溫度為20?45°C，以28°C為最佳;光照培養氮源為氨氮，通過加入不同量的NH4Cl調節高氨氮廢水中氨氮初始濃度，使氨氮初始濃度在40mg/L?160mg/L之間，其中NH4Cl的濃度為40mg/L、80mg/L和160mg/L;通入空氣或空氣與C02的混合氣體，通氣量50?300L/h，優選80?120L/h ； C02濃度0.1?15% ;培養過程中采用10?200μmol/m2/s的日光照射，pH值控制在5?9，以7.0為佳;總培養時間視細胞生長情況而定，一般介于4?400小時，優選12-48小時；
[0014]所述高氨氮廢水配方如下:NaCl0.007g/L,MgS04.7H20 0.002g/L、CaCl2.2H20
0.004g/L、KH2P04 0.0085g/L、K2HP04 0.0217g/L^Na2HPO4 0.025g/L、微量金屬溶液0.lml/L，其中微量金屬溶液組成= H3BO3 5.7g/L、MnCl2.4H20 2.5g/L、ZnS04.7H20 llg/L,FeSO4.7H20 2.5g/L、Na2Mo04.2H20 0.15g/L、Na2EDTA 25g/L和CoCl2.6H2O 0.8g/L。
[0015]本發明步驟I)中，所述兼養微生物優選為微藻或光合細菌。
[0016]本發明步驟2)中，所述有機碳源優選為葡萄糖、果糖、玉米淀粉水解物、木薯淀粉水解物、糖蜜、核糖、脫氧核糖、核酮糖、乙酸、丙酸、丁酸或甘油。所述有機碳源初始還原糖濃度為I?20g/L。
[0017]本發明步驟2)中，所述富含有機碳廢水優選為生活廢水、造紙廠廢水、糖蜜廢水、啤酒廠廢水，奶制品加工廠廢水、沼氣發酵廢水或動物糞便廢水。
[0018]本發明中，所述微藻優選為小球藻屬、筒柱藻屬、硅藻、菱形藻、裂壺藻、杜氏藻屬、柵藻、微綠球藻、衣藻屬、扁藻或空球藻屬。
[0019]本發明中，所述微藻包括但不限于小球藻屬(Chlorellasp.)、筒柱藻屬(Cylindrotheca sp.)、石圭藻(Diatom)、菱形藻(Nitzschia sp.)、裂壺藻(schizochytriumsp.)、杜氏藻屬(dunaliella)、棚.藻(Scenedesmus sp.)、微綠球藻(Nannochloris sp.)、衣藻屬(chlamydomonas sp.)、扁藻(Tetraselmis sp.)、空球藻屬(Eudorina sp.)。
[0020]本發明中，所述光合細菌包括但不限于藍細菌(Cyanobacteria)和紫色細菌，所述藍細菌(Cyanobacteria)選自聚球藍細菌屬(Synechococcus)或大顫藍菌屬(Oscillatoria)，所述紫色細菌選自紅螺菌屬(Rhodospirill um )、紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas)或紅微菌屬(Rhodomicrobium)。
[0021]本發明中，高密度培養混養或異養培養基配方為:K2HPO4.3H20 0.04g/L、MgS〇4.7H20 0.075g/L,CaCl2.2H20 0.036g/L、檸檬酸 0.006g/L、檸檬酸鐵銨 0.006g/L、EDTA0.001 g/L、NaNO3 1.5g/L、Na2CO3 0.02g//L 和 A5 微量元素液 1.5ml/L;其中，A5 微量元素液組成:H3BO3 2.86g/L、MnCl2.4H20 I.81g/L、ZnS04.7H20 0.222g/L、NaMoO4.2H20 0.39g/L、CuSO4.5H20 0.079g/L和CoCl2.6H2O 0.05g/L。
[0022]自養、兼養、異養是微藻的三種營養模式。絕大多數微藻只能自養，部分可進行兼養和異養。自養微藻以光能為能源，無機碳為碳源，異養微藻只能以有機物為能源和碳源，兼養微藻則可同時進行自養與異養兩種營養模式，即:既以光能為能源，又以有機物為能源;既以無機碳為碳源，又以有機物為碳源。與傳統自養模式相比，異養、兼養模式通常能在相對較短時間內實現生物量的顯著增加，而光能的利用又使兼養模式的產量近于或高于異養模式。因此，將異養、兼養微藻用于接種處理高氨氮廢水，均有益于提高系統效率。
[0023]本發明涉及的兼養微生物屬于既能在光照條件下進行光合作用又能在黑暗條件下進行化能作用、體積微小的微生物，由于兼養微生物在異養轉自養過程中，需要大量的氨氮合成葉綠素及其他光合作用需要的組件如各種蛋白質和酶等，從而能去除廢水中的高濃度氨氮，達到凈化廢水的目的。
[0024]本發明的有益效果在于:本發明通過兼養微生物營養代謝途徑開發一種簡單高效、成本低廉的生物高濃度氨氮廢水處理方法。該工藝可以用來進一步滿足大規模工業化廢水處理并大大降低成本。
[0025]本發明引入了改變兼養非生物營養代謝途徑的方法，用來處理高氨氮廢水。處理完的廢水又可以回收利用，滿足了微藻工業化處理廢水應用的要求，是一條經濟、高效地制微藻污水處理的新途徑。收獲的微藻細胞可以進一步處理用于生物能源和動物飼料等的制備。
【附圖說明】
[0026]圖1a為小球藻在自養和混養培養基中生長曲線圖。
[0027]圖1b為小球藻在異養培養基中的生長曲線圖。
[0028]圖2為小球藻的顯微形態觀察。
[0029]圖3a、3b、3c、3d為兼養微生物處理高氨氮廢水效果圖。
【具體實施方式】
[0030]為了更好地解釋本發明，以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明，但它們不對本發明構成限定。
[0031]實施例1
[0032]高氨氮耐受藻株一小球藻(Cholorella sorokiniana)本地篩選，該藻株既能在光合作用的自養生長，又能在黑暗條件下異養生長，還能同時在上述條件下混養生長。從圖2可知該小球藻是圓形，細胞大小為2?5μηι的真核兼養微生物。其自養、異養和混養培養下的生長特性如圖la、圖1b所不。
[0033]圖1a代表小球藻在自養和混養培養基中生長曲線圖，P代表自養培養，M代表混養培養，M1-M50代表混養培養時有機碳濃度(S卩，有機碳初始還原糖濃度)。從圖1a可以看出，相同時間內混養細胞生物量遠遠高于自養培養生物量;且有機碳濃度與混養生物量成正比。
[0034]圖1b代表小球藻在異養培養基中的生長曲線圖。其中H代表異養培養，H1-H50代表異養培養時有機碳濃