反硝化聚磷菌NG4干粉菌劑制備條件優(yōu)化

李 微，劉 寧，朱心雨，孫慧智

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

氮和磷的超標(biāo)排放是造成水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一[1]。因此，對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行控制，探求高效率低能耗的生物脫氮除磷技術(shù)已然是我國(guó)處理水環(huán)境問題的重中之重[2]。反硝化聚磷菌(Denitrifying Poly-phosphorus Accumulating Organism，DPAO)在厭氧條件下利用聚磷菌分解體內(nèi)的多聚磷酸鹽(poly-P)產(chǎn)生能量，吸收可揮發(fā)性脂肪酸(VFA)并合成PHB貯存于體內(nèi);在缺氧條件下可以同時(shí)完成過量攝入磷及反硝化反應(yīng)過程，從而實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷[3-6]。反硝化脫氮除磷工藝具有運(yùn)行周期短、吸磷速率快的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的除磷脫氮技術(shù)相較，耗氧量更少，能量消耗更低，縮短了反應(yīng)時(shí)間[7-8]，并解決了聚磷菌和反硝化菌碳源競(jìng)爭(zhēng)的矛盾以及聚磷菌和硝化菌泥齡差異的矛盾，實(shí)現(xiàn)了“一碳兩用”。鄭喜春[9]采用自制水族箱的方式確定了菌株TGR30、LG1-6、YB1按1∶1∶1比例混合制備的菌劑其脫氮除磷率最佳，總接菌量為1%時(shí)總氮去除率達(dá)到95%，磷去除率為17.70%。張文藝等[10]得出反硝化聚磷菌菌劑種子液適宜的培養(yǎng)條件為：溫度30～32 ℃，溶解氧相當(dāng)于70%～88%飽和溶解氧，培養(yǎng)時(shí)間15～20 h。吳曉娜等[1]通過研究不同接種比對(duì)反硝化聚磷菌菌劑脫氮除磷效應(yīng)的影響，確定菌種初始接種比為2%體系的脫氮除磷效果最好。目前有關(guān)反硝化聚磷菌菌劑的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段[11],大部分局限于液態(tài)菌劑,且液態(tài)菌劑存在不便于運(yùn)輸、保質(zhì)期短和施用工藝復(fù)雜、人工成本較高等不足，同時(shí)考慮其穩(wěn)定性及貯藏時(shí)間的研究較少，鑒于此,筆者以高效反硝化聚磷菌NG4為研究對(duì)象，優(yōu)化干粉菌劑制備條件，同時(shí)對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究，旨在為反硝化聚磷菌在廢水生物處理實(shí)際工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試 驗(yàn)

1.1 菌種來(lái)源

分離用泥采用穩(wěn)定運(yùn)行的SBR反應(yīng)器[12-13]中某缺氧段的活性污泥混合液。采用稀釋涂布法和平板劃線分離法進(jìn)行分離純化，并輔以生理生化及染色試驗(yàn)，最終篩選出具有同步脫氮除磷作用的反硝化聚磷菌6株，選擇其中一株N4進(jìn)行紫外誘變得8株純菌株，經(jīng)吸磷釋磷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NG4反硝化除磷效率最高，16S rDNA測(cè)定其為戈登氏菌屬。試驗(yàn)以NG4作為研究對(duì)象，優(yōu)化反硝化聚磷菌菌劑的制備條件。

1.2 培養(yǎng)基

反硝化培養(yǎng)基：瓊脂為15 g/L，KNO3為1 g/L，KH2PO4為1 g/L，檸檬酸鈉為5 g/L，K2HPO41 g/L，MgSO4·7H2O為0.2 g/L，pH值為7.2～7.4。

PAM培養(yǎng)液：酸氫磷二鈉為3.06 g/L，硫酸銨為2.75 g/L，磷酸二氫鉀為3 g/L，氯化鈣為0.25 g/L,檸檬酸鈉為4.0 g/L，七水硫酸鎂為0.20 g/L，氯化鈉為2.5 g/L，蔗糖為0.01 g/L[14]。

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基：蛋白胨為10 g/L，牛肉膏為3 g/L，氯化鈉為5 g/L，pH值為7.2～7.4[15]。

酵母浸出汁：酵母膏為5 g/L。

滅菌條件：壓強(qiáng)為1.03×105Pa，溫度為121 ℃，時(shí)間為20 min。

1.3 試驗(yàn)用水水質(zhì)

以人工合成的生活污水作為試驗(yàn)用水，以NH4Cl作為氮源，KH2PO4為磷源，無(wú)水乙酸鈉作為外加碳源，并添加無(wú)水氯化鈣，MgSO4·7H2O及微量元素。水溫調(diào)節(jié)為25 ℃，并通過NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水的pH值為7.5～7.8。試驗(yàn)配水水質(zhì)如表1所示。每次試驗(yàn)前配置人工模擬廢水，并對(duì)其進(jìn)行高壓濕熱滅菌，冷卻后備用。

表1 試驗(yàn)配水水質(zhì)Table 1Quality of experimental water mg/L

1.4 NG4干粉菌劑制備方法

以種子液為對(duì)象制備干粉菌劑。在轉(zhuǎn)速為120 r/min、溫度為30 ℃、初始pH為6.5的條件下培養(yǎng)20 h得到Poly-P顆粒的NG4種子液，取適量種子液在4 000 r/min的低速離心機(jī)中離心10 min，去除上清液用無(wú)菌水重懸，洗涂離心，反復(fù)沖洗2～3次。加入PAM培養(yǎng)液和相應(yīng)體積的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)液，使菌體重懸;并將其倒入進(jìn)行滅菌處理、過篩后的載體中，在溫度為35 ℃、轉(zhuǎn)速為120 r/min 條件下發(fā)酵8 h。將其放置于培養(yǎng)皿內(nèi)，在溫度為30 ℃的條件下進(jìn)行干燥制成菌劑成品。

1.5 制備菌劑條件優(yōu)化

1.5.1 載體配比

制備NG4種子液且離心獲得菌種,滅菌后麥麩與玉米粉的質(zhì)量比分別為75∶25、80∶20、85∶15、90∶10、95∶5、100∶0,投菌量為20 mL,加入2 mL PAM培養(yǎng)液,20 mL牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)液，調(diào)節(jié)pH為6.5,并按制備方法制成菌劑成品。

1.5.2 投菌量

制備NG4種子液且離心獲得菌種,試驗(yàn)設(shè)置0、10、20、30、40、50 mL共6種不同梯度的投菌量,加2 mL的PAM培養(yǎng)液,20 mL牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)液，滅菌后的載體配比m(麥麩)∶m(玉米粉)=85∶15,調(diào)節(jié)pH為6.5,并按制備方法制成菌劑成品。

1.5.3 發(fā)酵液用量

制備NG4種子液且離心獲得菌種,發(fā)酵液用量分別為5、10、15、20、25、30 mL,投菌量為20 mL,PAM培養(yǎng)液為2 mL,滅菌后的載體配比m(麥麩)∶m(玉米粉)=85∶15,調(diào)節(jié)pH為6.5,按制備方法制成菌劑成品。

1.5.4 發(fā)酵液pH值

制備NG4種子液且離心獲得菌種,投菌量為20 mL,PAM培養(yǎng)液為2 mL,發(fā)酵液用量為20 mL，滅菌后的載體配比m(麥麩)∶m(玉米粉)=85∶15,調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的pH分別為5.5、6.5、7.0、7.5、8.0，按制備方法制成菌劑成品。

1.6 分析測(cè)定方法

2 結(jié)果與分析

2.1 NG4干粉菌劑制備條件及優(yōu)化效果

2.1.1 載體質(zhì)量比對(duì)菌劑脫氮除磷效率的影響

圖1 載體質(zhì)量比對(duì)菌劑脫氮除磷效率的影響Fig.1Effects of carrier mass ratio on nitrogen and phosphorus removal efficiency

2.1.2 投菌量對(duì)菌劑脫氮除磷效率的影響

圖2 投菌量對(duì)菌劑脫氮除磷效率的影響Fig.2Effects of bacterial dosage on nitrogen and phosphorus removal efficiency

2.1.3 發(fā)酵液用量對(duì)菌劑脫氮除磷效率的影響

圖3 發(fā)酵液用量對(duì)菌劑脫氮除磷率的影響Fig.3Effects of fermentation broth dosage on nitrogen and phosphorus removal rate

2.1.4 發(fā)酵液pH值對(duì)菌劑脫氮除磷效率的影響

圖4 發(fā)酵液pH值對(duì)菌劑脫氮除磷率的影響Fig.4Effects of pH value of fermentation broth on nitrogen and phosphorus removal rate

2.2 NG4干粉菌劑穩(wěn)定性分析

2.2.1 NG4干粉菌劑基本特性

NG4干粉菌劑具有良好的沉降性能和抗沖擊負(fù)荷的能力。相比于常見絮狀污泥，有一定強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)緊湊，微生物相多樣，可縮短運(yùn)行時(shí)間，降低處理成本，剩余污泥的產(chǎn)量也大大降低,為生活污水的生物脫氮除磷提供了新的路徑和方法。采用平板計(jì)數(shù)法對(duì)NG4干粉菌劑的活菌數(shù)進(jìn)行測(cè)定，有效活菌數(shù)為108 CFU/g左右。菌劑宜在常溫避光條件下保存。NG4干粉菌劑如圖5所示。

圖5 NG4干粉菌劑Fig.5Bacterial powder of NG4

2.2.2 NG4干粉菌劑穩(wěn)定性試驗(yàn)

相比于常見絮狀污泥，NG4干粉菌劑的優(yōu)勢(shì)之一是保存時(shí)間較長(zhǎng)。在溫度為(25±5)℃條件下，探究制備成功的干粉菌劑的保存時(shí)長(zhǎng)，并進(jìn)行菌劑穩(wěn)定性試驗(yàn)。圖6為NG4干粉菌劑在不同貯存時(shí)間下的除磷脫氮效率。

圖6 貯存時(shí)間對(duì)菌劑脫氮除磷率的影響Fig.6Effect of storage days of microbial agentst on nitrogen and phosphorus removal rate

3 結(jié) 論

(1)NG4干粉菌劑的最佳工藝制備條件為：PAM培養(yǎng)液為2 mL，載體配比為m(麥麩)∶m(玉米粉)=85∶15，投菌量、發(fā)酵液投加量為20 mL，pH值為6.5。按照最佳工藝制備的NG4干粉菌劑除磷率為87.92%，脫氮率為90.29%。

(2)制備完成的NG4干粉菌劑有效活菌數(shù)為108 CFU/g左右。在溫度為(25±5)℃條件下可保存40d左右。

(3)在最佳配比下制得NG4干粉菌劑，污染物去除率高且穩(wěn)定性強(qiáng)。