浅析蜡状芽孢杆菌生物强化反硝化脱氮论文.doc

浅析蜡状芽孢杆菌生物强化反硝化脱氮论文 生物强化技术是向传统的生物处理系统中引入具有特定功能的微生物提高有效微生物的浓度增强对难降解污染物的降解能力提高其降解速率并改善原有生物处理体系对目标污染物的去除效能目前生物强化技术应用最为普遍的方式是直接投加对目标污染物具有特效降解能力的微生物当原处理系统中不含高效菌种时如果投入一定量的高效菌种则可有针对性地去除废水中的目标污染物；当原处理系统中只存在少量高效菌种时投加高效菌种后可大大缩短微生物的驯化时间加快系统的启动增强系统的耐负荷冲击能力和稳定性笔者从启动成功并稳定运行的反硝化反应器中富集分离出1株高效反硝化功能菌在鉴定该菌株后进行扩大培养采用直接投加功能菌法进行生物强化研究对比考察了普通工艺与生物强化工艺从启动到稳定运行的反硝化脱氮效果 1试验材料与方法 11试验装置 试验装置采用序批式反应器（有效容积为15L）考察硝酸盐为电子受体的反硝化脱氮运行效果瞬时进水通过搅拌器使泥水混合均匀在运行期间保持反应器较好的厌氧/缺氧状态试验用活性污泥取自某污水处理厂的沉淀池该污泥具有初步的脱氮能力活性污泥不进行培养驯化直接投入反应器以厌氧/缺氧方式启动运行反应器每天运行3个周期每个周期运行8h其中厌氧180min、缺氧260min、排泥排水40minr每周期开始瞬时加入含碳有机合成物5L缺氧期开始用恒流泵加入硝酸钠溶液5L硝态氮浓度从启动时的40mg/L逐渐增大直到稳定运行系统MLSS约为3000mg/LHRT为16hSRT为30dpH值控制在7080原则上当NO3N去除率90%时进水NO3N负荷正常以20mg/L递增同时兼顾出水水质的稳定性反应器运行过程中分析检测运行参数以便判断反应器运行状况并对其参数作相应调整试验对比普通生物脱氮工艺和生物强化脱氮工艺的运行状况每周期监测进出水NO3N、NO2N浓度每天从3组数据中选择效果最好的一组作为当日的代表数据 12试验水质 进水采用人工合成污水水质成分如下：葡萄糖（COD）NaNO3（NO3N）KH2PO4为6mg/LCaCl2为10mg/LMgSO47H2O为90mg/LNH4Cl（NH+4N）为20mg/L微量元素溶液为2mL/L微量元素成分如下：CuSO45H2O为30mg/LKI为180mg/LMnCl24H2O为60mg/LNaMoO42H2O为60mg/LZnSO47H2O为120mg/LCoCl26H2O为150mg/LEDTA为10g/L其中COD、NO3N浓度随工艺运行逐步递增基本原则为CODNO3N=41NaNO3（NO3N）在缺氧期加入厌氧期进水pH值为7802缺氧期进水pH值为7202以NaHCO3或HCl调节pH值普通装置和生物强化装置除进水NO3N、COD浓度不同外其余运行条件全部相同 13分析项目与方法 COD：COD快速测定仪；硝酸盐：紫外分光光度法；亚硝酸盐：N（1萘基）乙二胺分光光度法；pH值：玻璃电极法 14生物强化菌种来源 生物强化反硝化试验菌种分离自前期稳定运行的反硝化脱氮污泥优选得到的高效功能菌斜面保存备用 141菌种分离培养基 20g的KNO350g的葡萄糖1g的K2HPO41g的KH2PO402g的MgSO47H2O1520g的琼脂1000mL的蒸馏水pH值为7275121条件下灭菌20min 142菌种优选 将初选出的菌株扩大培养后无菌高速冷冻离心分离等量接种到装有200mL试验用水的静态试验装置进行摇床培养定时取样测定NO3N、NO2N浓度变化比较其反硝化能力由于所筛菌株为后续生物强化辅助技术提供菌源所以静态试验水质结合反应器实际运行情况进一步提高硝酸盐浓度以筛选出脱氮能力强的功能菌水质如下：葡萄糖（COD）为1000mg/LNaNO3（NO3N）为400mg/L其余成分同12节 143菌株鉴定 对优选出的代表菌株进行其单一菌种的相关特性研究5在进行形态观察及生理生化试验的基础上进行16SrDNA的序列测定从分子生物学的角度进一步鉴定其属种 15生物强化研究 本试验为生物强化技术进行反硝化脱氮是否可行的初步探讨所以采用操作较为简单的活化菌液直接投加每次提高进水NO3N负荷时投加生物强化优势菌投加时先将斜面保存的纯种优选菌株活化后进行扩大培养再将获得的扩大培养菌液无菌高速冷冻离心分离最后用无菌水将离心物洗出变成纯菌液菌的含量为108109CFU/mL每次按处理水量体积的2%投加 2结果与讨论 21功能菌筛选结果 通过筛选有7株菌对目标物具有良好的去除效果该7株菌分别暂命名为F5Y、FC、FZ、FC1、FRB、FH、FH2在电子受体NO3N浓度为400mg/L的条件下培养1d后各菌株对NO3N的去除能力有很大差异效果最突出的是FC1和FH2对硝酸盐的去除率分别为875%和80%同时这两株菌对亚硝酸盐的积累也很少硝酸盐很快被代谢掉第3天硝酸盐就未被检出亚硝酸盐含量也很低第4天亚硝酸盐全部被代谢菌株FC最终对硝酸盐的去除效果也很好期间亚硝酸盐的积累现象不明显但反应周期较前两株菌的要长通过对比菌株FC1、FH2可以将初始浓度为400mg/L的NO3N几乎全部还原从亚硝酸盐的还原情况可知它们对NO3N的去除建立在将其转化为气态产物之上应该具有完整的反硝化酶系从而表现出了较强的脱氮能力综合考虑NO3N的去除率、去除速率以及NO2N的积累情况选取菌株FH2进行后续的研究该菌株对400mg/L的NO3N的去除率可达100%且处理时间短反应过程中基本无NO2N的积累作为生物强化处理高浓度氨氮废水的菌源应具有较好的应用性 22生物强化菌株的鉴定结果 221菌株FH2的形态观察及生理生化试验结果 对优选菌株FH2进行形态观察结果显示菌体形态：杆状；菌落形状：不规则；隆起形状：扁平；边缘形状：毛玻璃状；颜色：淡黄；透明程度：不透明；粘稠度：不粘对其进行生理生化试验结果表明革兰氏染色、芽孢染色、异染颗粒染色、鞭毛染色、硝酸盐还原、葡萄糖发酵试验、触媒试验、VP试验均呈阳性荚膜染色呈阴性兼性厌氧 22216SrDNA的序列测定和分析结果 为了进一步确定菌株FH2的属性对其进行了16SrDNA序列测定将测得的序列用Sequcecher软件进行拼接去掉载体序列以及重复序列得到16SrDNA全序列全序列以BLAST软件在GenBank中进行相似性检索得到与菌株序列最相近的菌株有6种菌的同源性达到99%综合形态观察、生理生化试验和16SrDNA的序列测定结果鉴定菌株FH2为蜡状芽孢杆菌（Bacilluscereus） 23反硝化脱氮工艺的运行效果 为普通反硝化脱氮工艺和生物强化反硝化脱氮工艺的运行效果对比由图3（a）可见在NO3N浓度为40mg/L的条件下启动普通反硝化脱氮反应器由于活性污泥本身有一定的脱氮能力第1天对NO3N就有少量的去除在前6d出水NO3N浓度呈逐渐减少的趋势并且NO2N没有形成大量积累说明活性污泥对进水NO3N已逐步适应；第7天开始出水NO3N浓度明显减少此时NO2N浓度较前一天升高这可能是因为微生物对NO3N的降解较快但还未及时将生成的NO2N转化第7天脱氮率达到7665%反为了稳定微生物的反硝化效果普通脱氮反应器在进水NO3N为40mg/L的条件下继续运行了3d反硝化效果进一步提升接近100%在后续提高进水NO3N负荷的过程中每次在提高进水负荷当天的出水浓度均波动较大表明每次提高负荷均对微生物有一定冲击且微生物的数量可能还暂时不能满足更高负荷的要求在进水NO3N浓度为60160mg/L时系统对进水负荷提高的适应速度较快基本上从第3天开始出水水质就开始好转第45天脱氮率达90%以上出水NO3N浓度较低；在进水NO3N浓度提高到180220mg/L时对总氮的去除率影响较小最终脱氮率均可达到90%以上但由于进水浓度较高使得出水浓度也较高；当进水NO3N浓度提高到240mg/L时对微生物出现了较大的抑制作用从第5天开始出水水质逐渐好转在该负荷下一共运行了10d最终脱氮率为9553%为了探究该反应器的进水NO3N负荷极限将进水NO3N提高到260mg/L后继续运行了9d在此过程中脱氮率一直在70%左右出水NO3N60mg/L、NO2N15mg/L因此为了保证出水效果普通反硝化脱氮工艺的进水NO3N浓度不宜超过240mg/L生物强化工艺在启动阶段 第1天没有明显的效果与普通工艺差别不大但从第2天开始便有了较好效果第4天处理效果很明显脱氮率达到8434%出水NO3N为545mg/L、NO2N为0814mg/L反应器启动成功启动时间较普通工艺有明显的缩短当进水NO3N在60120mg/L时每次20mg/L的进水NO3N提高量对工艺运行影响极小微生物很快就能适应达到理想去除率的时间比普通工艺减少1d以上所以在后续提高负荷时每次提高40mg/L在生物强化条件下能达到理想脱氮效果的进水NO3N浓度最高为340mg/L进一步提高到380mg/L时出现了与普通工艺相似的情况即使进一步投加生物强化菌也未得到改善在两个反应器中出水NO2N浓度一直较低没有出现积累说明系统对NO3N的去除是建立在将其转化为气态产物之上的对知生物强化工艺明显缩短了系统启动周期在提高进水负荷时适应时间短、适应性强所能承受的最高进水NO3N浓度比普通工艺提高了100mg/L反硝化脱氮能力得到明显增强表明采用该菌（蜡状芽孢杆菌）进行生物强化反硝化脱氮能缩短微生物培养驯化时间迅速提高生物处理系统中微生物的浓度提高处理效率 3结论 从稳定运行的反硝化装置中优选出代号为FH2的高效反硝化功能菌株经鉴定该菌株为蜡状芽孢杆菌在静态试验中该菌在NO3N浓度为400mg/L条件下的脱氮率高达100%并且代谢速率快基本没有亚硝酸盐的积累表现出了很强的脱氮能力