一种利用希瓦氏菌去除污水中氮磷和回收鸟粪石的方法

摘要

本发明公开了一种利用希瓦氏菌去除污水中氮磷和回收鸟粪石的方法，其特征在于：利用奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR‑1，ATCC 700550)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变为无机氮磷，从而促进鸟粪石结晶，实现污水中氮磷的去除和鸟粪石的回收，并且降低污水处理设备中鸟粪石结垢的风险。本发明所用奥奈达希瓦氏菌能够在污水中产生鸟粪石，且pH的提升是利用细菌自身代谢作用，避免了额外添加碱源，从而大大降低了鸟粪石的生产成本；并且利用奥奈达希瓦氏菌的不同代谢产物能够调控合成不同形貌的鸟粪石，为工业生产不同形貌鸟粪石提供了新的途径。

说明书

技术领域

本发明涉及一种希瓦氏菌在污水处理中的应用，具体涉及利用希瓦氏菌去除污水中的氮磷(包括有机氮磷)、同时回收鸟粪石作为肥料的方法，属于废水处理及其资源化利用技术领域。

背景技术

磷是所有生命体必需的营养元素，但由于磷在生物圈中大部分是单向流动，并且磷矿石的储量十分有限，这使得磷成为人类发展的限制因素，我国更是将磷矿石列为2010年后不能满足国民经济发展需求的20个矿种之一。同时，城市和工业污水中往往含有大量的磷和氮，排入天然水体后会造成水体富营养化，也导致氮磷流失严重。随着污水营养物质排放标准的不断提高以及可持续发展战略下资源循环利用的需求日益迫切，污水处理技术已经开始向除磷同时能够回收磷的方向发展。鸟粪石结晶回收工艺正是在此背景下产生的。

鸟粪石，也称磷酸铵镁(MgNH₄PO₄·6H₂O)，是一种难溶于水的白色晶体。鸟粪石含有氮磷两种营养元素，是一种较为理想的缓释肥。鸟粪石结晶回收工艺是在控制条件下，通过将氮磷沉淀为鸟粪石，实现同时去除污水中的氮和磷，并将产物鸟粪石回收用作肥料。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。与之相关的专利申请不断出现，例如中国专利申请201010169236“采用鸟粪石沉淀法从废水中回收磷的工艺方法”、中国专利申请201420458242“一种对废水氮磷进行鸟粪石资源化回收的装置”、中国专利申请201410110867“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”以及中国专利申请201410834330“鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置”等。

但是，污水中往往富氮磷而缺镁，并且鸟粪石结晶沉淀还需要较高的pH，理想的范围是8.5-9.5。因此，鸟粪石结晶工艺需要向含有氮磷的污水中添加镁源，并额外加入碱源调节pH到合适范围，从而促进鸟粪石沉淀。其中，碱源(如NaOH)的添加大大增加了鸟粪石结晶回收的成本。例如，Jaffer et al.(2002)以污水为结晶介质，利用接近工业规模的结晶反应装置开展实验，发现用于升高反应体系pH的NaOH支出占用了化学药剂总支出的97％。可见，如何降低鸟粪石结晶工艺中的碱源成本是该工艺发展的重要课题。已有文献表明，一些细菌能够在特定环境中产生鸟粪石。它们通过代谢蛋白质等含氮有机物，释放铵根并提高周围环境pH，从而促进鸟粪石沉淀。同时，细菌细胞以及细胞碎片可以充当成核位点，降低鸟粪石成核能垒，进一步促进矿化的发生。因此，选择合适的微生物进行鸟粪石矿化，不需要额外添加碱液，大大降低了成本。不过，目前尚无报道利用微生物矿化回收鸟粪石的专利技术，也没有专利报道能够用于鸟粪石结晶回收的理想微生物菌株。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用希瓦氏菌去除污水中氮磷和回收鸟粪石的方法，旨在避免碱源的加入，降低生产成本。

本发明为解决以上技术问题，采用如下技术方案：

本发明利用希瓦氏菌去除污水中氮磷和回收鸟粪石的方法，其特点在于：利用奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1，ATCC 700550)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变为无机氮磷，从而促进鸟粪石结晶，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和回收鸟粪石的方法，具体包括如下步骤：

(1)选用菌株奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1，ATCC 700550)，该菌为杆状革兰氏阴性的兼性厌氧菌，在淡水沉积物、海湾沉积物和其他各种环境中广泛存在，在污水体系中也已发现，可以通过商业渠道购买；

将斜面培养基上保存的奥奈达希瓦氏菌用接种环刮取1环菌苔，接种于装有100mL LB培养基的培养瓶中，随后在温度为30℃、转速为200rpm的摇床上好氧培养12小时，获得活化菌液；

(2)将活化菌液接种于待处理污水中，投加量为待处理污水体积的10％；搅拌培养72小时以上；培养结束后对产物进行沉降分离、无水乙醇洗涤、真空干燥，即获得鸟粪石，所获得鸟粪石为棺材盖形晶体。

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，则通过向待处理污水中添加镁源(如MgCl₂·6H₂O)，使二者摩尔比达到1:1。

上述方法适用的pH范围在6.0-9.0，而大部分污水的pH都在6.5-7.5，因此，该方法可以普遍适用。若污水pH不在6.0-9.0的范围时，可以通过添加酸碱调节至6.0-9.0的范围。

此外，本发明还公开了利用希瓦氏菌及其代谢物对鸟粪石形貌进行调控的方法，其特点在于：利用奥奈达希瓦氏菌及其代谢物干预污水中鸟粪石的结晶生长过程，实现对鸟粪石形貌的调控，获得不同形貌鸟粪石，具体包括如下步骤：

(1)选用菌株奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1，ATCC 700550)，该菌为杆状革兰氏阴性的兼性厌氧菌；

将斜面培养基上保存的奥奈达希瓦氏菌用接种环刮取1环菌苔，接种于装有100mL LB培养基的培养瓶中，随后在温度为30℃、转速为200rpm的摇床上好氧培养24小时，获得细菌培养液；

(2)将细菌培养液在转速4000g、温度4℃下离心20min，以收集细胞；

将离心所收集到的细胞用0.5wt％的氯化钠溶液洗涤3次，以去除残余培养基，之后用与细菌培养液等体积的0.5wt％的氯化钠溶液将细胞重新悬浮，获得细胞菌悬液；

将离心获得的溶液用0.22微米孔径的醋酸纤维素膜进行过滤，以去除残留的细胞碎片，获得上清液；

(3)利用配有分子量限度为1000Da超滤膜的超滤装置(Millipore，美国)对步骤(2)中的上清液进行超滤，获得高分子量组分和仅含分子量小于1000Da的低分子量组分的溶液；

用去离子水在超滤装置中洗涤上述高分子量组分，即获得溶解态胞外聚合物SEPS；将SEPS溶解在与上清液等体积的去离子水中，获得SEPS溶液；

(4)将步骤(2)中的细胞菌悬液加入烧杯中，并加入阳离子交换树脂(树脂颗粒规格为20-50目，钠型，购自Sigma-Aldrich)，然后置于磁力搅拌器上4℃、转速200rpm下搅拌12小时；搅拌结束后，通过静置除去树脂颗粒；对所获得的溶液在转速10000g、温度4℃下离心30min，将其分离为不含EPS的细胞和上层溶液；用0.22微米孔径的醋酸纤维素膜对上层溶液进行过滤，即获得结合态胞外聚合物BEPS溶液；

(5)将步骤(1)获得的细菌培养液或步骤(2)获得的上清液加入待处理污水中，投加量为待处理污水体积的10-50％；用0.5M的NaOH溶液调节体系pH至9.0，之后搅拌反应3小时；反应结束后对产物进行离心(1400g，3分钟)分离、无水乙醇洗涤、真空干燥，获得棺材盖形鸟粪石；

将步骤(3)获得的SEPS溶液加入待处理污水中，投加量为待处理污水体积的10-50％；用0.5M的NaOH溶液调节体系pH至9.0，之后搅拌反应3小时；反应结束后对产物进行离心(1400g，3分钟)分离、无水乙醇洗涤、真空干燥，获得棱柱状鸟粪石；

将步骤(4)获得的BEPS溶液加入待处理污水中，投加量为待处理污水体积的10-50％；用0.5M的NaOH溶液调节体系pH至9.0，之后搅拌反应3小时；反应结束后对产物进行离心(1400g，3分钟)分离、无水乙醇洗涤、真空干燥，获得切角板状鸟粪石。

上述所用的不同溶液是通过对细菌培养液进行逐步处理后获得的，含有不同细菌组分，具体见表1。

表1不同溶液中所含的细菌组分

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明所用奥奈达希瓦氏菌能够在氮磷浓度接近污水的合成介质中产生鸟粪石，其中pH的提升是利用细菌自身代谢作用，避免了额外添加碱源，从而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，该菌株能够将添加的70％镁离子转化为鸟粪石，镁离子利用率很高，由于镁源添加也是鸟粪石结晶的重要开支，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，该菌株还能够将有机磷和有机氮直接转变为鸟粪石，而传统的鸟粪石结晶工艺只能处理无机氮磷，这将有助于推动污水氮磷去除工艺与鸟粪石结晶工艺的联合，实现更加有效的氮磷去除和鸟粪石回收，并有望大幅减少污水处理过程中产生的污泥量。此外，鸟粪石在控制条件下合成，削减了污水中的氮磷浓度，从而降低污水处理系统中鸟粪石结垢的风险，避免污水处理设备和管道的堵塞，有助于减少污水处理厂运营维护的成本。总之，奥奈达希瓦氏菌不仅是通过细菌矿化法从污水中回收鸟粪石的理想微生物，同时有望用于处理富营养水体。另外，奥奈达希瓦氏菌的不同代谢产物能够调控合成不同形貌的鸟粪石，为工业生产不同形貌鸟粪石提供了新的途径。

附图说明

图1为本发明实施例1所获得的鸟粪石产物的XRD谱图(a)和SEM照片(b)；

图2为本发明实施例4中所获得的不同形貌鸟粪石的SEM照片：(a)细菌培养液，(b)上清液，(c)SEPS溶液，(d)BEPS溶液。

具体实施方式

实施例1

本实施例所用模拟污水按如下方式配制：在250mL培养瓶中加入90mL LB培养基(10g/L胰蛋白胨，5g/L酵母浸膏，5g/L氯化钠)，121℃高压灭菌20分钟，之后通过滤膜除菌的方式加入10mL无机盐溶液，使得培养液中氮、磷、镁的最终浓度与实际污水一致，获得模拟污水。无机盐溶液由0.0895g MgCl₂·6H₂O、0.0506g>4H₂PO₄和0.0471g>4Cl在去离子水中配制而成。

将斜面培养基上保存的奥奈达希瓦氏菌用接种环刮取1环菌苔，接种于装有100mL LB培养基的培养瓶中，随后在温度为30℃、转速为200rpm的摇床上好氧培养12小时，获得活化菌液。

之后将10mL活化菌液接种于装有100mL模拟污水的培养瓶中，在转速为200rpm的摇床上好氧培养，温度为30℃。培养3天后，测定培养液的pH，对产物进行沉降分离，然后 用无水乙醇对产物洗涤三次，置于真空干燥葙室温干燥48小时，即获得大量目标产物。

如图1所示，扫描电镜和X-射线衍射结果表明，本实施例所获得产物为棺材盖形鸟粪石。

对三次平行实验的结果进行表征分析，确定本实施例获得鸟粪石的平均产量为76.1mg，镁的利用率为70.5％，如表2。

实施例2

本实施例所用模拟污水按如下方式配制：在250mL培养瓶中加入90mL LB培养基(10g/L胰蛋白胨，5g/L酵母浸膏，5g/L氯化钠)，121℃高压灭菌20分钟，之后通过滤膜除菌的方式加入10mL无机盐溶液，使得培养液中磷、镁的最终浓度与实际污水一致，获得模拟污水。无机盐溶液由0.0895g MgCl₂·6H₂O和0.0686g>2PO₄·2H₂O在去离子水中配制而成。

将斜面培养基上保存的奥奈达希瓦氏菌用接种环刮取1环菌苔，接种于装有100mL LB培养基的培养瓶中，随后在温度为30℃、转速为200rpm的摇床上好氧培养12小时，获得活化菌液。

之后将10mL活化菌液接种于装有100mL模拟污水培养瓶中，在转速为200rpm的摇床上好氧培养，温度为30℃。培养3天后，测定培养液的pH，对产物进行沉降分离，然后用无水乙醇对产物洗涤三次，置于真空干燥箱中室温干燥48小时，即获得大量目标产物。

扫描电镜和X-射线衍射结果表明，本实施例所获得产物为棺材盖形鸟粪石。

对三次平行实验的结果进行表征分析，确定本实施例获得鸟粪石的平均产量为73.4mg，镁的利用率为68.0％，如表2。

由于本实施例未额外添加无机氮，证明了奥奈达希瓦氏菌能够将有机氮转变为鸟粪石。

实施例3

本实施例所用模拟污水按如下方式配制：在250mL培养瓶中加入90mL LB培养基(10g/L胰蛋白胨，5g/L酵母浸膏，5g/L氯化钠)，121℃高压灭菌20分钟，之后通过滤膜除菌的方式加入10mL无机盐溶液，使得培养液中镁的最终浓度与实际污水一致，获得模拟污水。无机盐溶液由0.0895g MgCl₂·6H₂O在去离子水中配制而成。

将斜面培养基上保存的奥奈达希瓦氏菌用接种环刮取1环菌苔，接种于装有100mL LB培养基的培养瓶中，随后在温度为30℃、转速为200rpm的摇床上好氧培养12小时，获得活化菌液。

之后将10mL活化菌液接种于装有100mL模拟污水的培养瓶中，在转速为200rpm的摇床上好氧培养，温度为30℃。培养3天后，测定培养液的pH，对产物进行沉降分离，然后用无水乙醇对产物洗涤三次，置于真空干燥箱中室温干燥48小时，即获得大量目标产物。

扫描电镜和X-射线衍射结果表明，本实施例所获得产物为棺材盖形鸟粪石。

对三次平行实验的结果进行表征分析，确定本实施例获得鸟粪石的平均产量为74.6mg，镁的利用率为69.1％，如表2。

由于本实施例未额外添加无机氮和无机磷，证明了奥奈达希瓦氏菌能够将有机氮和有机磷转变为鸟粪石。

表2不同实施例的物料组成和产量

实施例4

本实施例首先按如下步骤获得不同细菌组分的溶液：

(1)选用菌株奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1，ATCC 700550)；

将斜面培养基上保存的奥奈达希瓦氏菌用接种环刮取1环菌苔，接种于装有100mL LB培养基的培养瓶中，随后在温度为30℃、转速为200rpm的摇床上好氧培养24小时，获得细菌培养液；

(2)将细菌培养液在转速4000g、温度4℃下离心20min，以收集细胞；

将离心所收集到的细胞用0.5wt％的氯化钠溶液洗涤3次，以去除残余培养基，之后用与细菌培养液等体积的0.5wt％的氯化钠溶液将细胞重新悬浮，获得细胞菌悬液；

将离心获得的溶液用0.22微米孔径的醋酸纤维素膜进行过滤，以去除残留的细胞碎片，获得上清液；

(3)利用配有分子量限度为1000Da聚醚砜超滤膜的超滤装置(Millipore，美国)对步骤(2)中的上清液进行超滤，获得高分子量组分和仅含分子量小于1000Da的低分子量组分的溶液；

用去离子水在超滤装置中洗涤高分子量组分，即获得溶解态胞外聚合物SEPS；将SEPS溶解在与上清液等体积的去离子水中，获得SEPS溶液；

(4)将步骤(2)中的细胞菌悬液加入烧杯中，并加入阳离子交换树脂(树脂颗粒规格为20-50目，钠型，购自Sigma-Aldrich)，然后置于磁力搅拌器上4℃、转速200rpm下搅拌12小时；搅拌结束后，通过静置除去树脂颗粒；对所获得的溶液在转速10000g、温度4℃下离心30min，将其分离为不含EPS的细胞和上层溶液；用0.22微米孔径的醋酸纤维素膜对上层溶液进行过滤，即获得结合态胞外聚合物BEPS溶液。

本实施例以上述获得的不同细菌组分的溶液干预污水中鸟粪石的结晶生长过程，以获得不同形貌鸟粪石，具体如下：

将0.0407g(0.2mmol)MgCl₂·6H₂O在搅拌条件下溶解于15mL去离子水中，形成溶液A。将0.0214g(0.4mmol)NH₄Cl和0.0230g(0.2mmol)NH₄H₂PO₄溶解在15mL去离子水中，形成溶液B。

分别以20mL上述步骤(1)获得的细菌培养液、步骤(2)获得的上清液、步骤(3)获得的SEPS溶液及步骤(4)获得的BEPS溶液作为溶液C。

用0.5M的HCl溶液将溶液C的pH调节至6.0。之后将溶液A和溶液B在连续搅拌下加入溶液C中，获得均一的反应液，再用0.5M的NaOH溶液将溶液pH调节至9.0。最后将盛放反应液的烧杯用Parafilm膜封口，置于磁力搅拌器上360rpm搅拌反应3小时。反应结束后，沉淀产物通过离心(1400g，3分钟)进行收集，随后对产物进行无水乙醇洗涤、真空干燥。

经SEM和XRD分析显示，各组产物都是鸟粪石，其中细菌培养液和上清液中得到的是棺材盖形鸟粪石，SEPS溶液中得到的是棱柱状鸟粪石，BEPS溶液中得到的是切角板状鸟粪石，如图2所示。