好氧脱氮菌剂的制备及其强化餐厨废水脱氮研究.pdf
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1、氮素是导致水体污染的重要污染物之一,会引起水质恶化,水体富营养化,进而导致水生动物中毒死亡1。因此,氮素的治理工作日益受到重视,生物脱氮技术受到关注2。目前我国主流的脱氮法有很多,最具有代表性的为 A/O、A2/O 和 SBR 等工艺,SBR 工艺是序批式活性污泥法的简称,是一种按间歇曝气方式来运行的污水处理技术3。该技术的核心是 SBR 反应器,该反应器可将均化、初沉和生物降解等功能综合为一体,且无污泥回流系统。CASCADE 技术是周楚新 等4研发的使用模式算法搜索相关菌株的计算机辅助菌株筛选技术,目前,该技术已成功应用于微生物燃料电池*收稿日期:2023-05-20作者简介:武 俊(19
2、90-),男,云南曲靖人,工程师,主要从事环境保护工作。Feb.2024Vol.53.No.1(Sum 304)2024 年 2 月第 53 卷第 1 期(总第 304 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY好氧脱氮菌剂的制备及其强化餐厨废水脱氮研究*武俊1,文顺冬1,樊哙1,杨虎2*,朱红旭3(1.云南云铝泽鑫铝业有限公司,云南 曲靖 655500;2.云南铝业股份有限公司,云南 昆明 652103;3.昆明冶金研究院有限公司,云南 昆明 650031)摘要:针对餐厨废水高有机物、高氨氮的问题,采用计算机辅助菌种选择技术从餐厨垃圾中分离得到了好氧脱氮菌株。试验结果:在培养温度为 35
3、 益、间歇震荡和培养时间 108 h 的条件下,好氧脱氮菌株在培养液中的活菌数达到 8.83 伊 107cfu/mL。在 SBR 反应器中加入自制的含有菌剂的污泥,反应器出水氨氮去除率达到82.10%耀87.92%,与未加菌剂时的氨氮去除率 62.37%耀68.65%相比脱氮率提升了 19.5%,表明本研究的好氧脱氮菌剂对废水脱氮具有强化效果。关键词:CASCADE 技术;复合菌剂;好氧脱氮;SBR 工艺;餐厨废水中图分类号:X502文献标识码:A文章编号:1006-0308(2024)01-0085-07Preparation of Aerobic Denitrifying Microbia
4、l Inoculum and Research onDenitrogenation from Kitchen WastewaterWU Jun1,WEN Shun-dong1,FAN Kuai1,YANG Hu2,ZHU Hong-xu3(1.Yunnan Aluminum Zexin Aluminum Industry Co.,Ltd.,Qujing,Yunnan 655500,China;2.Yunnan Aluminum Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 652103,China;3.Kunming Metallurgical Research Institute Co.,
5、Ltd.,Kunming,Yunnan 650031,China)ABSTRACT:Kitchen wastewater contains high organic matter,and high ammonia nitrogen,so adoption of computer-aided bacteriaselection technology can separate and obtain good aerobic denitrifying bacterial strain.Test results are:when the strain culturetemperature is 35
6、益,with the conditions of the intermittent oscillation and strain culture time is 108 h,the amount of live aerobicdenitrifying bacterial strain in culture medium reaches 8.83伊107cfu/mL.When the home-made sludge contained with microbial inoculumwas added into the SBR reactor,the ammonia nitrogen remov
7、al rate in the outlet water of the reactor reached 82.10%87.92%,comparedwith the ammonia nitrogen removal rate without microbial inoculum,the removal rate increased by 19.5%,it shows the aerobicdenitrifying microbial inoculum has strengthening effect to denitrogenation from wastewater.KEY WORDS:CASC
8、ADE technology;compound microbial inoculum;aerobic denitrifying;SBR process;kitchen wastewater85Feb.2024Vol.53.No.1(Sum 304)2024 年 2 月第 53 卷第 1 期(总第 304 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY图 1SBR 反应器试验装置Fig.1Test device of SBR reactor和土壤纤维素分解微生物筛选等领域,但在餐厨垃圾降解微生物筛选领域的研究还较少。餐厨垃圾废水是指餐厨垃圾经过固液分离并去除大部分废弃油脂的高浓度有机废水,该废水
9、由于具有高有机物和高氨氮的特性,极为适合微生物的生长,近年来成为了生物脱氮领域需解决的重点问题。如能对其进行妥善处理,对于实现餐厨垃圾的无害化和资源化将有重要意义5。微生物的生长繁殖需要吸附在相应的载体上完成,目前研究者常以生物菌剂形式研究生物脱氮过程,主要为利用餐厨垃圾生产液态微生物菌剂,将微生物吸附在相应的载体上,冷冻干燥研磨粉碎制得菌剂,整个过程对环境无污染,制备过程简便,脱氮功能显著,是当下餐厨垃圾废水资源化利用的一条新思路。本研究旨在从餐厨垃圾中筛选出新型复合高效脱氮菌剂强化餐厨垃圾废水脱氮,与传统的筛选方法不同的是在平板划线法上外加 CASCADE 技术,结合生物信息学和人工智能算
10、法技术,筛选分离出好氧脱氮菌株,并将菌株与孔型聚丙烯酸钠混合制备得到好氧脱氮菌剂。之后,为了验证菌剂的脱氮能力,使用外加菌剂的污泥对餐厨垃圾废水进行处理,探究菌剂的脱氮能力,为餐厨废水脱氮领域研究提供了理论基础。1材料与方法1.1试验材料1.1.1CASCADE 技术本研究使用 CASCADE 技术来筛选具有高效脱氮能力的菌株,CASCADE 技术是一种计算机知识模式搜索筛选思路,可以在相应的数据库中针对目标微生物的功能进行微生物筛选6,其技术运用到的基因数据库主要有 NCBI 数据库和 KEGG 数据库,核心的技术为预测靶点技术、人工智能算法技术。1.1.2菌株的来源与培养基的制备本研究筛选
11、微生物的来源取自昆明某大学食堂内的餐厨垃圾,成分包括米饭、蔬菜、肉类、骨头、菜汤等,取样后保存于 4 益冰箱中。培养基的制备:马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)7(g/L):MgSO4 7H2O 1.232 g,K2HPO47 g,KH2PO43 g,葡萄糖 10 g,D-丙氨酸 5 g。PDA 真菌固体培养基需再加入氯霉素 0.1 g 来抑制细菌的生长8,固体培养基需加入 15 g 琼脂粉,配制完成后加蒸馏水定容至 1 L,pH 调整在 7.0依0.5。1.1.3SBR 脱氮试验SBR 反应器示意图见图 1。反应器由有机玻璃制成,内径为 12 cm,高为 40 cm,有效容积为863 L。反应
12、器温度通过恒温加热棒控制在 27耀29 益。反应器曝气方式为间歇式曝气,通过阀门调节空压机曝气量,使用溶解氧仪记录曝气速率,将溶解氧仪探头设置于 SBR 反应器液面以下,以保证SBR反应器表层液面的 DO 始终维持在 1.4耀1.6 mg/L。使用自动进出水控制系统(PLC)控制电磁阀进出水和反应器好氧、缺氧曝气时间。按文献9处理餐厨废水中有机物和氨氮的试验条件来设定 SBR工作流程:进水 1 min寅曝气 3 h寅缺氧搅拌 30min寅沉淀 30 min寅出水 1 min,每 12 h 进水一次,每天进水 2 次。本试验以 UASB 反应器的出水作为 SBR 反应器的试验废水,废水水质见表
13、1。1.2试验方法1.2.1菌株的筛选1)CASCADE 技术筛选菌株。本研究中的CASCADE 技术主要是基于好氧脱氮理论对餐厨垃圾中的菌株进行筛选。主要分析步骤:淤成分分析:针对餐厨垃圾中的有机物质进行成分分析,明确餐厨垃圾中需要降解的有机成分及其相对含量;于CASCADE 筛选:基于理化分析结果,结合好氧脱氮理论,利用 CASCADE 技术中 NCBI 数据库和 KEGG 数据库对可能存在的高效脱氮菌株进行智能分类和筛选;盂构建菌种名单:根据CASCADE 技术人工智能算法分类结果,结合餐厨垃圾中原有的微生物菌群分析对比,去除餐厨垃圾菌群中不具备脱氮能力的菌株,构建出具有降解有机物能力和
14、具有脱氮能力的菌株组合名单;榆好氧脱氮能力论证:以获得的菌种组合名单为参考,智能构建好氧脱氮菌株的人工培养技术,以便于获得菌种组合名单中的高效脱氮菌株,并使用功能菌株搭配组合,研发复合菌剂论证菌株的好氧脱氮能力。2)菌株平板划线筛选。基于 CASCADE 技术培养结论和相关筛选培养技术的试验方法,总结出本研究的好氧脱氮菌株筛选方法:取 10 g 餐厨垃圾于 90 g 无菌水中,在 30 益,160 r/min 条件下培养 2 h,得到餐厨垃圾稀释悬浮液。取 1 mL稀释悬浮液至 PDA 液体培养基中,在 30 益,160r/min 条件下进行多次富集培养,直至观察到培养液表面有气体快速产生后取
15、 100 滋L 菌液接种到PDA 固体培养基上,细菌的培养方式为在 PDA 固体培养基上 30 益倒置孵育 24 h。观察到有明显菌落后,在 PDA 固体培养基上对菌株进行多次平板划线培养。真菌的培养为在 PDA 真菌固体培养基上 30 益倒置孵育 5耀7 d,直至观察到有明显菌落后对菌株进行多次平板划线培养。将上述分离出的单个菌株接种至 PDA 液体培养基中,于 30 益、160 r/min 条件下振荡培养,每 24 h 取样测定培养液中的硝酸盐氮和总氮,以验证菌株的脱氮能力,保留脱氮能力强的菌株,上述分离培养出的好氧脱氮单菌落均接种至 PDA 液体培养基于-20 益储藏(菌液和甘油比例为
16、3颐7)备用。1.2.2菌剂的制备将冷冻储藏的菌株以 5%的比例(体积比)接种在含有 500 mL 的 PDA 液体培养中,放置于恒温摇床在 30 益、160 r/min 的条件下培养,培养过程中分别给予不同的供氧条件、培养时间和培养温度进行微生物菌剂脱氮能力论证单因素试验。其中,试验条件设置见表 2。培养完成后,通过平板计数法对培养液中的菌落数进行计数,保留菌落数最多的菌液进行菌剂制备。完成上述试验后,继续量取 450 mL 培养液吸附于 30 g 预处理过的多孔型聚丙烯酸钠中,将 450 mL 培养液与多孔型聚丙烯酸钠充分混合,静置 30 min。混合培养液放置于真空冷冻干燥机中冷冻干燥
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