利用希瓦氏菌去除污水中氮磷方法
申请日期：2016.06.23
公佈（公告）日期：2016.10.12
IPC分类编号C02F3/34;/45
概括
本发明公开了一种利用希瓦氏菌去除污水中氮磷并回收鸟粪石的方法，其特征在于：利用希瓦氏菌（MR-1，ATCC）的代谢提高污水体系的碱度，将污水中的有机氮磷转化为无机氮磷，从而促进鸟粪石结晶，达到去除污水中氮磷并回收鸟粪石的目的，降低污水处理设备鸟粪石结垢的风险。本发明所用的希瓦氏菌可在污水中产生鸟粪石，利用菌体自身的代谢实现pH的提高，避免额外添加碱源，大大降低了鸟粪石的生产成本；利用希瓦氏菌的不同代谢产物可以调控不同形貌鸟粪石的合成，为不同形貌鸟粪石的工业化生产提供了新的途径。
摘要及附图
索赔
1.一种利用希瓦氏菌去除污水中氮、磷及回收鸟粪石的方法，其特征在于利用希瓦氏菌(MR-1，ATCC)的代谢作用，提高污水体系的碱度，同时将污水中的有机氮、磷转化为无机氮、磷，从而促进鸟粪石的结晶，从而实现污水中氮、磷的去除和鸟粪石的回收。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)选用菌株 (MR-1,ATCC)，该菌株为一杆状、革兰氏阴性、兼性厌氧细菌；
用接种环从斜面培养基上保藏的 菌苔上刮取1环，接种于含100mL LB培养基的培养瓶中，在温度30℃、转速100的摇床中需氧培养12小时，得活化菌液；
(2)将活化后的菌液接种于待处理的污水中，用量为待处理污水体积的10％，搅拌培养72小时以上，培养完成后经沉降分离，无水乙醇洗涤，真空干燥，即得鸟粪石。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述待处理污水中Mg与P的摩尔比为1:1；若待处理污水中Mg与P的摩尔比小于1:1，则向待处理污水中添加镁源，使二者的摩尔比达到1:1。
4.一种利用希瓦氏菌及其代谢产物调控鸟粪石形貌的方法，其特征在于：利用奥奈达希瓦氏菌及其代谢产物干预污水中鸟粪石的晶体生长过程，实现对鸟粪石形貌的调控，获得不同形貌的鸟粪石，具体包括以下步骤：
(1)选用菌株 (MR-1,ATCC)，该菌株为一杆状、革兰氏阴性、兼性厌氧细菌；
用接种环从斜面培养基上保藏的 菌苔上刮取一环，接种到含有100mL LB培养基的培养瓶中，置于振荡器上，在温度30℃、速度24小时的条件下进行有氧培养，得到细菌培养液；
（2）将细菌培养物在 4000 g、4°C 下离心 20 分钟，收集细胞；
将离心收集的细胞用0.5wt％氯化钠溶液洗涤三次，除去残留的培养基，然后用与细菌培养基等体积的0.5wt％氯化钠溶液重悬细胞，得到细胞悬液；
将离心后的溶液经孔径为0.22μm的醋酸纤维素膜过滤，除去残留的细胞碎片，得上清液；
(3)利用配备有极限分子量为的超滤膜的超滤装置，将步骤(2)中的上清液进行超滤分离，得到高分子量组分和仅含分子量小于的低分子量组分的溶液；
将高分子量组分在超滤装置中用去离子水进行洗涤，得到溶解的胞外聚合物SEPS；将SEPS溶解于等体积的去离子水中作为上清液，得到SEPS溶液；
(4)将步骤(2)中的细胞悬浮液加入到烧杯中，加入阳离子交换树脂，然后放在磁力搅拌器上，在4℃、速度下搅拌12小时；搅拌完成后，静置除去树脂颗粒；将所得溶液在4℃、速度下离心30分钟，分离成不含EPS的细胞和上层溶液；将上层溶液用孔径为0.22μm的醋酸纤维素膜过滤，得到结合胞外聚合物BEPS溶液；
(5)将步骤(1)得到的细菌培养液或步骤(2)得到的上清液加入到待处理的污水中，加入量为待处理污水体积的10～50％；用0.5M NaOH溶液调节体系pH为9.0，然后搅拌反应3小时；反应结束后，将产物离心，无水乙醇洗涤，真空干燥，得到棺材盖状鸟粪石；
将步骤（3）得到的SEPS溶液加入到待处理废水中，投加量为待处理废水体积的10～50％；用0.5M NaOH溶液调节体系pH为9.0，然后搅拌反应3小时；反应完成后，产物经离心、无水乙醇洗涤、真空干燥，即得棱柱形鸟粪石；
将步骤（4）得到的BEPS溶液加入到待处理废水中，投加量为待处理废水体积的10～50％；用0.5M NaOH溶液调节体系pH为9.0，搅拌反应3小时；反应结束后，产物经离心、无水乙醇洗涤、真空干燥，即得切角片状鸟粪石。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述待处理污水中Mg与P的摩尔比为1:1；若待处理污水中Mg与P的摩尔比小于1:1，则向待处理污水中添加镁源，使二者的摩尔比达到1:1。
手动的
利用希瓦氏菌去除污水中氮磷并回收鸟粪石的方法
技术领域
本发明涉及希瓦氏菌在污水处理中的应用，具体涉及一种利用希瓦氏菌去除污水中氮、磷(包括有机氮和磷)并回收鸟粪石作为肥料的方法，属于废水处理及资源化利用技术领域。
背景技术
磷是一切生物的必需营养元素，但由于生物圈中磷大部分是单向流动的，而磷矿的储量又十分有限，磷已成为人类发展的限制因素，我国甚至将磷矿列为2010年以后不能满足国民经济发展需要的20种矿产之一。同时，城镇及工业污水往往含有大量的磷和氮，排入自然水体后会造成水体的富营养化，氮、磷流失严重。随着污水营养物排放标准的不断提高，以及可持续发展战略下资源回收利用的需求越来越迫切，污水处理技术开始向磷的去除与回收方向发展，鸟粪石结晶回收工艺正是在这样的背景下诞生的。
鸟粪石又称磷酸铵镁（·6H2O），是一种难溶于水的白色晶体。鸟粪石含有氮和磷两种营养元素，是一种理想的缓释肥料。鸟粪石结晶回收工艺是通过在受控条件下将氮和磷沉淀到鸟粪石中，同时去除污水中的氮和磷，并将产品鸟粪石回收作为肥料。因此，该工艺具有潜在的环境效益和经济效益，成为当前水处理研究的热点。相关专利申请不断出现，如中国专利申请2“利用鸟粪石沉淀法回收废水中磷的工艺方法”、中国专利申请2“一种鸟粪石资源回收利用废水中氮磷的装置”、中国专利申请2“一种将污水中高浓度氨氮回收为高纯度大颗粒鸟粪石的方法”和中国专利申请2“一种利用鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置”。
但污水往往富含氮、磷而缺少镁，而鸟粪石结晶沉淀也需要较高的pH值，理想范围为8.5～9.5。因此，鸟粪石结晶工艺需要在含氮、磷的污水中添加镁源，并加入碱源调节pH值到合适范围，从而促进鸟粪石的沉淀。其中，碱源(如NaOH)的加入大大增加了鸟粪石结晶回收的成本。例如，等(2002)以污水为结晶介质，采用接近工业规模的结晶反应装置进行实验，发现用于提高反应体系pH值的NaOH支出占化学药剂总支出的97%。可见，如何降低鸟粪石结晶工艺中碱源的成本是该工艺发展中的重要课题。现有文献显示，某些细菌在特定环境下能够产生鸟粪石。它们代谢蛋白质等含氮有机物，释放铵离子并提高周围环境pH值，从而促进鸟粪石的沉淀。同时，细菌细胞及细胞碎片可作为成核位点，降低鸟粪石的成核屏障，进一步促进矿化的发生。因此，通过选择合适的微生物进行鸟粪石矿化，无需额外添加碱溶液，大大降低了成本。但目前尚无微生物矿化回收鸟粪石的专利技术，也未见可用于回收鸟粪石晶体的理想微生物菌株的专利报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用希瓦氏菌去除污水中氮磷并回收鸟粪石的方法，避免添加碱源，降低生产成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的方法利用希瓦氏菌去除污水中的氮、磷并回收鸟粪石，其特点是：利用希瓦氏菌(MR-1，ATCC)的代谢，提高污水体系的碱度，同时将污水中的有机氮、磷转化为无机氮、磷，从而促使鸟粪石结晶，实现污水中氮、磷的去除和鸟粪石的回收。
本发明利用希瓦氏菌去除污水中氮磷并回收鸟粪石的方法，具体包括以下步骤：
（1）所选菌株为 (MR-1, ATCC)，该菌株为杆状、革兰氏阴性、兼性厌氧菌，广泛存在于淡水沉积物、海湾沉积物及各类其他环境中，在污水系统中也有发现，可通过商业渠道购买；
用接种环从斜面培养基上保藏的 菌苔上刮取1环，接种于含100mL LB培养基的培养瓶中，在温度30℃、转速100的摇床中需氧培养12小时，得活化菌液；
(2)将活化后的菌液按待处理污水体积的10％接种到待处理的污水中，搅拌培养72小时以上，培养结束后经沉降分离、无水乙醇洗涤、真空干燥，得到鸟粪石，为棺盖状晶体。
待处理污水中Mg与P的摩尔比为1:1；若待处理污水中Mg与P的摩尔比小于1:1，则需在待处理污水中添加镁源(如MgCl2·6H2O)，使二者的摩尔比达到1:1。
以上方法适用的pH范围为6.0～9.0，大部分污水的pH为6.5～7.5，因此此方法可普遍应用。若污水pH不在6.0～9.0范围内，可通过加酸或加碱将其调节至6.0～9.0范围内。
此外，本发明还公开了一种利用希瓦氏菌及其代谢产物调控鸟粪石形貌的方法，其特征在于：利用希瓦氏菌及其代谢产物干预污水中鸟粪石的晶体生长过程，实现对鸟粪石形貌的调控，获得不同形貌的鸟粪石，具体包括以下步骤：
(1)选用菌株 (MR-1,ATCC)，该菌株为一杆状、革兰氏阴性、兼性厌氧细菌；
用接种环从斜面培养基上保藏的 菌苔上刮取一环，接种到含有100mL LB培养基的培养瓶中，置于振荡器上，在温度30℃、速度24小时的条件下进行有氧培养，得到细菌培养液；
（2）将细菌培养物在 4000 g、4°C 下离心 20 分钟，收集细胞；
将离心收集的细胞用0.5wt％氯化钠溶液洗涤三次，除去残留的培养基，然后用与细菌培养基等体积的0.5wt％氯化钠溶液重悬细胞，得到细胞悬液；
将离心后的溶液经孔径为0.22μm的醋酸纤维素膜过滤，除去残留的细胞碎片，得上清液；
(3)将步骤(2)中的上清液采用配备有极限分子量为100Å的超滤膜的超滤装置(美国)进行超滤，得到含有高分子量组分和仅含有分子量小于100Å的低分子量组分的溶液；
将高分子量组分在超滤装置中用去离子水洗涤，得到溶解的胞外聚合物SEPS；将SEPS溶解于与上清液等体积的去离子水中，得到SEPS溶液；
(4)将步骤(2)中的细胞悬浮液加入到烧杯中，加入阳离子交换树脂(树脂粒径为20-50目，钠型，购自Sigma-)，然后放在磁力搅拌器上，在4℃的速度下搅拌12小时；搅拌完成后，静置除去树脂颗粒；将所得溶液在4℃的速度和温度下离心30分钟，分离成不含EPS的细胞和上层溶液；将上层溶液用孔径为0.22μm的醋酸纤维素膜过滤，得到结合胞外聚合物BEPS溶液；
(5)将步骤(1)得到的细菌培养液或步骤(2)得到的上清液加入到待处理的污水中，加入量为待处理污水体积的10～50％；用0.5M NaOH溶液调节体系pH为9.0，然后搅拌反应3小时；反应结束后，将产物离心(1400g，3分钟)，无水乙醇洗涤，真空干燥，得到棺材盖状鸟粪石；
将步骤（3）得到的SEPS溶液加入到待处理废水中，投加量为待处理废水体积的10～50％；用0.5M NaOH溶液调节体系pH为9.0，然后搅拌反应3小时；反应完成后，产物经离心（1400g，3分钟）分离，用无水乙醇洗涤，真空干燥后，得到棱柱形鸟粪石；
将步骤（4）得到的BEPS溶液加入到待处理废水中，投加量为待处理废水体积的10～50％；用0.5M NaOH溶液调节体系pH为9.0，然后搅拌反应3小时；反应结束后，离心分离产物（1400g，3分钟），无水乙醇洗涤，真空干燥后得到切角片状鸟粪石。
以上所用的不同溶液是由细菌培养液逐步处理而得，含有不同的细菌成分，如表1所示。
表1 不同溶液中所含细菌成分
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所采用的奥奈达希瓦氏菌可以在氮磷浓度接近污水的合成培养基中生产鸟粪石，其中pH的提高利用了菌体自身的代谢，避免了额外添加碱源，大大降低了鸟粪石的生产成本。由于奥奈达希瓦氏菌已经在污水中发现，因此利用该菌株从污水中回收鸟粪石是可行的。同时，该菌株可以将添加的镁离子的70%转化为鸟粪石，镁离子利用率很高。由于镁源的添加对于鸟粪石的结晶来说也是一笔重要的开支，因此镁离子的高效利用将有助于进一步降低鸟粪石的生产成本。不仅如此，该菌株还能将有机磷和有机氮直接转化为鸟粪石，而传统的鸟粪石结晶工艺只能处理无机氮和磷，这将有助于推动污水脱氮除磷工艺与鸟粪石结晶工艺的结合，实现更有效的脱氮除磷和鸟粪石回收，有望大幅减少污水处理过程中的污泥产生量。此外，鸟粪石在受控条件下合成，降低了污水中的氮和磷浓度，从而降低了污水处理系统中鸟粪石结垢的风险，避免了污水处理设备和管道的堵塞，有助于降低污水处理厂的运行和维护成本。综上所述， 不仅是通过细菌矿化回收污水中鸟粪石的理想微生物，而且有望用于处理富营养化水体。此外，希瓦氏菌的不同代谢产物能够调控不同形貌鸟粪石的合成，为不同形貌鸟粪石的工业化生产提供了新的途径。