本發(fā)明屬于環(huán)境微生物、環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)域，具體涉及一種人造光合反硝化菌劑制備方法及在硝酸鹽廢水脫氮的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
近些年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，水體受有機(jī)物污染及富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重；與此同時(shí)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，污水排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)TN指標(biāo)的出水要求更加嚴(yán)格。因此，脫氮一直是污水處理過程中的重點(diǎn)。
脫氮技術(shù)主要分為物理化學(xué)脫氮法和生物脫氮法，由于物理化學(xué)脫氮法具有投資運(yùn)行成本高、管理操作復(fù)雜及去除效果較差等缺點(diǎn)，生物脫氮法已成為目前公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)有效的脫氮方法。
例如，公開號(hào)為CN105347472A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種高氨氮廢水的好氧生物脫氮工藝，是將好氧或厭氧污泥作為接種污泥加入到處理高氨氮廢水的曝氣反應(yīng)器中；投加零價(jià)鐵到曝氣反應(yīng)器中，零價(jià)鐵投加量與氨氮濃度的摩爾比為2～20:1，調(diào)整高氨氮廢水的pH值為6.5～8.0，在20～35℃下，高氨氮廢水在反應(yīng)器中停留0.5～5天，然后達(dá)標(biāo)排放或進(jìn)入下一處理工序。
然而生物脫氮法中反硝化脫氮的效果往往受到外加碳源的影響，在實(shí)際工程應(yīng)用中，投加的碳源一般都是一些有機(jī)物或簡(jiǎn)單糖類物質(zhì)(葡萄、糖蔗糖)，雖然這些碳源質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，處理效果好，但極易導(dǎo)致出水有機(jī)物含量超標(biāo)的問題。目前發(fā)明的新型高效的脫氮工藝可以利用氫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌實(shí)現(xiàn)生物脫氮，其機(jī)理是以氫氣作為電子供體還原廢水中的硝酸鹽，然而實(shí)際工程中由于成本問題不可能通過添加外源氫的方式來實(shí)現(xiàn)廢水脫氮。因此，急需尋找一種新型綠色能源取代傳統(tǒng)的碳源，降低污水處理成本。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種人造光合反硝化脫氮菌劑，利用光能代替?zhèn)鹘y(tǒng)反硝化所需添加的碳源，實(shí)現(xiàn)廢水中硝酸鹽的去除。
一種人造光合反硝化脫氮菌劑的制備方法，包括如下步驟：
將反硝化菌接種至種子培養(yǎng)基中，搖床培養(yǎng)得種子液，將種子液接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中，再加入微量元素溶液進(jìn)行放大培養(yǎng)，直至培養(yǎng)液中細(xì)菌數(shù)目超過2.0*109個(gè)/ml，然后向發(fā)酵培養(yǎng)基中投加半胱氨酸和硝酸鉬，形成人造光合反硝化脫氮菌劑。
本發(fā)明利用二硫化鉬納米顆粒與反硝化細(xì)菌的生物沉積形成人造光合反硝化脫氮菌劑，在光照條件下，向硝酸鹽廢水中投加人造光合反硝化脫氮菌劑，實(shí)現(xiàn)硝酸鹽廢水中氮的去除。本發(fā)明利用人造光合反硝化脫氮菌劑的光催化特性代替?zhèn)鹘y(tǒng)反硝化過程中所需的碳源，在光照條件下進(jìn)行高效率的代謝活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)廢水中硝酸鹽的快速有效脫氮，整個(gè)生物脫氮過程中無(wú)需添加外源性物質(zhì)，無(wú)二次污染產(chǎn)生，運(yùn)行周期長(zhǎng)，成本低，應(yīng)用前景廣泛。
投加順序影響二硫化鉬納米顆粒形成的量，優(yōu)選地，所述半胱氨酸和硝酸鉬的投加順序?yàn)橄韧都影腚装彼嵩傧跛徙f。
優(yōu)選地，所述半胱氨酸投加量為發(fā)酵培養(yǎng)基質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5～10％，硝酸鉬添加后在發(fā)酵培養(yǎng)基中的濃度為15～20mmol/L。進(jìn)一步優(yōu)選，所述半胱氨酸投加量為發(fā)酵培養(yǎng)基質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10％，硝酸鉬添加后在發(fā)酵培養(yǎng)基中的濃度為15～20mmol/L；最優(yōu)選，所述半胱氨酸投加量為發(fā)酵培養(yǎng)基質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10％，硝酸鉬添加后在發(fā)酵培養(yǎng)基中的濃度為20mmol/L。
優(yōu)選地，所述種子培養(yǎng)基配方為1000ml水中含有蛋白胨4～6g，氯化鈉4～6g，牛肉膏2～4g，瓊脂12～18g，pH7.0～7.2，121℃滅菌30min。
優(yōu)選地，所述發(fā)酵培養(yǎng)液配方為1000ml水中含有：15～20g碳酸氫鈉15～20g，3～5g硝酸鈉，磷酸二氫鉀0.9～1.2g，pH7.0～7.2，121℃滅菌30min。
優(yōu)選地，所述的微量元素溶液配方為1000ml水中含有：氯化鋅50～55g、190～195g氯化鈷，95～100g硫酸錳，24～26g氯化鎳，26～29g氯化銅，33～36g鉬酸鈉和30～35g硼酸，pH7.0～7.2，121℃滅菌30min。
為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，所述微生物的種子培養(yǎng)基原料配方優(yōu)選為：1000ml水中含有蛋白胨5g，氯化鈉5g，牛肉膏3g，瓊脂15g，pH7.0，121℃滅菌30min，121℃滅菌30min；
所述微生物的發(fā)酵培養(yǎng)基原料配方優(yōu)選為1000ml水中含有；15g碳酸氫鈉，4g硝酸鈉，1.0g磷酸二氫鉀，pH7.0，121℃滅菌30min；
所述的微量元素溶液配方優(yōu)選為1000ml水中含有：52g氯化鋅，190g氯化鈷，100g硫酸錳，24g氯化鎳，29g氯化銅，36g鉬酸鈉和30g硼酸，pH7.0～7.2，121℃滅菌30min；
優(yōu)選地，搖床培養(yǎng)時(shí)搖床轉(zhuǎn)速為150～250r/min，搖床培養(yǎng)時(shí)間為1～1.5d。
優(yōu)選地，微量元素溶液加入量為發(fā)酵培養(yǎng)基體積百分比的1～2％。
反硝化菌以10％～15％的體積百分比接種至種子培養(yǎng)基；種子液以5％～10％的體積百分比接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中。
所述的反硝化細(xì)菌為Rhodobacter capsulatus，菌種編號(hào)為ATCC11166，屬于紅細(xì)菌屬，可通過市購(gòu)?fù)緩将@得。
本發(fā)明還提供一種所述制備方法制備得到的人造光合反硝化脫氮菌劑。
本發(fā)明還提供一種利用人造光合反硝化脫氮菌劑進(jìn)行廢水脫氮的方法，包括如下步驟：
(1)將反硝化菌接種至種子培養(yǎng)基中，搖床培養(yǎng)得種子液，將種子液接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中，再加入微量元素溶液進(jìn)行放大培養(yǎng)，直至培養(yǎng)液中細(xì)菌數(shù)目超過2.0*109個(gè)/ml，然后向發(fā)酵培養(yǎng)基中投加半胱氨酸和硝酸鉬，形成人造光合反硝化脫氮菌劑；
(2)將所述人造光合反硝化脫氮菌劑按配比投加至硝酸鹽廢水中。
優(yōu)選地，所述人造光合反硝化脫氮菌劑投加的體積百分比為0.5％～1％。
進(jìn)一步優(yōu)選，所述投放人造光合反硝化脫氮菌劑優(yōu)選按體積百分比1％的用量投加至硝酸鹽廢水中。
本發(fā)明的微生物菌即反硝化菌會(huì)快速的消耗半胱氨酸生成的硫離子，硫離子與鉬離子立即形成二硫化鎘納米顆粒并且迅速沉積在反硝化菌表面；納米顆粒二硫化鉬吸收可見光后形成光催化電子-空穴對(duì)，生成的電子與生物體中氫離子結(jié)合，形成元素氫；反硝化菌利用元素氫和硝酸鹽進(jìn)行硝酸鹽還原反應(yīng)，將硝酸鹽中的氮還原成氮?dú)?，達(dá)到脫氮的效果。
反應(yīng)機(jī)理如下：
(1)人造光合反硝化脫氮菌劑形成機(jī)理
反硝化菌在鉬離子存在的條件下，消耗半胱氨酸，生成氨氣，丙酮酸，氫離子和二硫化鉬納米顆粒，以上反應(yīng)在反硝化菌細(xì)胞表面發(fā)生，生成的二硫化鉬納米顆粒直接附著在反硝化細(xì)菌細(xì)胞表面，形成光催化半導(dǎo)體材料。具體反應(yīng)式如下。
MoS2納米顆粒的形成：
光催化電子-空穴對(duì)的生成：二硫化鉬納米顆粒在吸收可見光之后，生成電子—空穴對(duì)，反應(yīng)式如下：
單質(zhì)氫的形成：在硝酸鹽還原菌—二硫化鉬復(fù)合體中，氫離子與光催化產(chǎn)生的電子結(jié)合，生成還原氫，反應(yīng)式如下：
(2)廢水中硝酸鹽去除機(jī)理
氫自養(yǎng)反硝化脫氮菌利用還原氫對(duì)水體中的硝酸鹽進(jìn)行還原，生成氮?dú)?，反?yīng)式如下：
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
(1)本發(fā)明利用人造光合反硝化脫氮菌劑的光催化特性代替?zhèn)鹘y(tǒng)反硝化所需的碳源，只需在光照條件下進(jìn)行高效率的脫氮。
(2)本發(fā)明中的納米顆粒二硫化鉬在催化脫氮過程中只是起到催化作用，不會(huì)被消耗，因此整個(gè)硝酸鹽去除過程中只需要提供光照，無(wú)需添加外源性物質(zhì)，無(wú)二次污染產(chǎn)生。
(3)氫自養(yǎng)菌生長(zhǎng)緩慢，延長(zhǎng)了運(yùn)行周期，成本低，應(yīng)用前景廣泛。
(4)本發(fā)明只需將準(zhǔn)備好的脫氮菌劑投加到廢水中，操作簡(jiǎn)單，節(jié)省人力物力，節(jié)約處理成本。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1：
對(duì)某含氮廢水的去除作用，該廢水硝酸鹽起始濃度為50mg/l
(1)人造光合反硝化脫氮菌劑的制備：將反硝化菌以5％的體積百分比接種至種子培養(yǎng)基，在溫度為35℃，搖床轉(zhuǎn)速為150r/min條件下培養(yǎng)活化1.5d；取種子液，將種子液以10％的體積百分比接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中，再加入1％的體積百分比的微量元素溶液，在溫度35℃的條件下進(jìn)行放大培養(yǎng)1天，向發(fā)酵培養(yǎng)基中投加一定量的半胱氨酸和硝酸鉬，形成二硫化鉬納米顆粒物，沉積在細(xì)菌表面，形成人造光合反硝化脫氮菌劑。
半胱氨酸投加量為發(fā)酵培養(yǎng)基質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10％，硝酸鉬添加后在發(fā)酵培養(yǎng)基中的濃度為15mmol/L。
種子培養(yǎng)基原料配方優(yōu)選為：1000ml水中含有蛋白胨5g，氯化鈉5g，牛肉膏3g，瓊脂15g，pH7.0，121℃滅菌30min，121℃滅菌30min；
微生物的發(fā)酵培養(yǎng)基原料配方優(yōu)選為1000ml水中含有；15g碳酸氫鈉，4g硝酸鈉，1.0g磷酸二氫鉀，pH7.0，121℃滅菌30min；
微量元素配方為1000ml水中含有：52g氯化鋅，190g氯化鈷，100g硫酸錳，24g氯化鎳，29g氯化銅，36g鉬酸鈉和30g硼酸，pH7.0～7.2，121℃滅菌30min。
(2)投放人造光合反硝化脫氮菌劑以去除廢水中的硝酸鹽：在太陽(yáng)光下，將步驟(1)制得的人造光合反硝化脫氮菌劑按體積百分比的0.5％投加至廢水中。
(3)每間隔12小時(shí)取出水樣，檢測(cè)硝酸鹽的含量。24小時(shí)后硝酸鹽含量為2.5mg/L，去除率高達(dá)95％。
實(shí)施例2：
對(duì)某含氮廢水的去除作用，該廢水硝酸鹽起始濃度為100mg/l。
(1)人造光合反硝化脫氮菌劑的制備：將反硝化菌以10％的體積百分比接種至種子培養(yǎng)基，在溫度為35℃，搖床轉(zhuǎn)速為150r/min條件下培養(yǎng)活化1d；取種子液，將種子液以5％的體積百分比接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中，再加入2％的體積百分比的微量元素溶液，在溫度35℃的條件下進(jìn)行放大培養(yǎng)1天，向發(fā)酵培養(yǎng)基中投加一定量的半胱氨酸和硝酸鉬，形成二硫化鉬納米顆粒物，沉積在細(xì)菌表面，形成人造光合反硝化脫氮菌劑。
半胱氨酸投加量為發(fā)酵培養(yǎng)基質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5％，硝酸鉬添加后在發(fā)酵培養(yǎng)基中的濃度為20mmol/L。
種子培養(yǎng)基原料配方優(yōu)選為：1000ml水中含有蛋白胨5g，氯化鈉5g，牛肉膏3g，瓊脂15g，pH7.0，121℃滅菌30min，121℃滅菌30min；
微生物的發(fā)酵培養(yǎng)基原料配方優(yōu)選為1000ml水中含有；15g碳酸氫鈉，4g硝酸鈉，1.0g磷酸二氫鉀，pH7.0，121℃滅菌30min；
微量元素配方為1000ml水中含有：52g氯化鋅，190g氯化鈷，100g硫酸錳，24g氯化鎳，29g氯化銅，36g鉬酸鈉和30g硼酸，pH7.0～7.2，121℃滅菌30min。
(2)投放人造光合反硝化脫氮菌劑以去除廢水中的硝酸鹽：在太陽(yáng)光下，將步驟(1)制得的人造光合反硝化脫氮菌劑按體積百分比的1％投加至廢水中。
(3)每間隔12小時(shí)取出水樣，檢測(cè)硝酸鹽的含量。24小時(shí)后硝酸鹽含量為7mg/L，去除率高達(dá)93％。
以上所述僅為本發(fā)明專利的具體實(shí)施案例，但本發(fā)明專利的技術(shù)特征并不局限于此，任何相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的領(lǐng)域內(nèi)，所作的變化或修飾皆涵蓋在本發(fā)明的專利范圍之中。