申请日2012.05.29
公开(公告)日2012.10.03
IPC分类号C12N1/20; C02F3/34; C02F101/10; C02F101/16; C12R1/07
摘要
本发明涉及一株高盐兼具异养硝化-好氧反硝化与除磷功能的高地芽孢杆菌(Bacillus alitudinis)及其在废水处理中的应用。该菌株对高盐环境耐受能力强，在高盐条件生长良好，并且可以利用有机碳为唯一碳源，氨氮为唯一氮源进行新陈代谢，通过异养硝化-好氧反硝化作用把氨氮直接转为气体产物，达到脱氮的目的;该菌株也能以硝酸盐氮为唯一氮源，通过好氧反硝化作用将硝酸盐氮转化为气体产物;还能在好氧条件下将无机磷摄入体内转化为自身组分进而实现去除污水中磷元素的目的。将该菌株应用于高盐废水的处理，可实现单一好氧条件下氮磷的同步去除，为高盐条件下生物脱氮除磷难题的解决提供了一条新的途径。
权利要求书
1.一种高地芽孢杆菌Bacillus altitudinis，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微 生物中心，保藏号为CGMCC No.5948。
2.根据权利要求1所述的高地芽孢杆菌Bacillus altitudinis，其特征在于：该高地芽孢杆 菌菌株的16S rRNA基因序列长度为1428bp，如序列表中序列1所示。
3.根据权利要求1或2所述的高地芽孢杆菌Bacillus altitudinis，其特征在于：在30-40℃ 下，营养琼脂培养基上培养16-32h后，菌落表面光滑，无色素;通过革兰氏染色后在 显微镜下呈阳性，菌体呈杆状，有芽孢无荚膜，边缘粗糙，乳白色，大小为(0.6-1.2) μm×(1.5-6.0)μm。
4.根据权利要求1-3之一所述的高地芽孢杆菌Bacillus altitudinis，其特征在于：能够以有 机物为电子受体，NH4+为电子供体，将NH4+氧化为NO2-或NO3-;能够在好氧的条件 下，以有机物为电子供体，NO2-或NO3-为电子受体，将其还原为氮气;还能够在好氧 条件下，将无机磷摄入体内转化为自身组分进而实现去除污水中磷元素的目的。
5.权利要求1所述的高地芽孢杆菌Bacillus altitudinis在废水处理中的应用，其特征是选 用高地芽孢杆菌Bacillus altitudinisi对废水进行处理，实现同步脱氮和除磷的目标。
6.根据权利要求5所述的高地芽孢杆菌Bacillus altitudinis的应用，其特征在于：其所述 的废水的盐度(以NaCl计)范围为1-13%，优选为3-10%。
7.根据权利要求5或6所述的高地芽孢杆菌Bacillus altitudinis的应用，其特征在于：其 所述的高盐废水的碳氮比范围为3.7-9，优选为9。
8.根据权利要求5-7之一所述的高地芽孢杆菌Bacillus altitudinis及其应用，其特征在于： 其所述的高盐废水的pH范围为6.5-8.0，优选为6.5-7.5。
9.根据权利要求5-8之一所述的应用，其特征是利用高地芽孢杆菌Bacillus altitudinis和 或以其为主要成份微生物制剂对废水进行处理，可在高盐好氧环境下完成硝化、反硝 化和除磷过程，进而实现氨氮、总氮及磷的同时去除。
说明书
一株耐盐脱氮除磷高地芽孢杆菌其在废水处理中的应用
技术领域
本发明涉及一株高地芽孢杆菌(Bacillus altitudinis)及其在高盐废水处理中的应用。该 菌株具有异养硝化-好氧反硝化的功能，可以在高盐条件下实现同步硝化反硝化脱氮的过 程，同时完成污水中含磷污染物的去除。
背景技术
我国目前各类水体富营养化污染日益严重，蓝藻赤潮问题频发，对水体安全和人体健 康造成了巨大的损害。氮、磷等营养物质过剩是引发水体富营养化的根本原因，当水体中 N浓度>0.2mg/l，P浓度>0.02mg/l时就存在发生富营养化的可能性。生活污水是氮、磷等 营养物质的最大排放源，因此生活污水脱氮除磷新工艺的开发一直受到关注。
生物脱氮技术是目前应用最广的污水脱氮技术。生物脱氮的基本原理是在微生物的作 用下将污水中的有机氮和氨态氮转化为N2的过程，包括硝化和反硝化两个反应过程。硝化 反应是由一群自养好氧微生物完成，具体分两个阶段分别由亚硝酸菌和硝酸菌两种菌完 成。第一步是由亚硝酸菌将NH4+氧化为NO2-，第二步是由硝酸菌将NO2-进一步氧化为 NO3-。反硝化反应是由一群异养型兼性厌氧微生物完成的，是指在无氧或低氧条件下，反 硝化细菌将NO2-和NO3-还原为氮气的过程。可以看出，生物脱氮过程本身就存在着矛盾： 硝化反应需要较长的污泥龄和好氧条件，大量有机物存在时会造成硝化细菌的流失;而反 硝化细菌则需要较短的污泥龄和缺氧条件，高度依赖有机物为其脱氮过程提供电子供体。 因硝化细菌和反硝化细菌生理机制的差异导致了基于该理论的污水脱氮技术工艺冗长、能 耗大、占地面积大，且对环境变化非常敏感，脱氮效率不佳。
污水除磷的方法有化学除磷、生物除磷以及生化除磷等。化学除磷的基本原理是通过 投加化学药剂形成不溶性磷酸盐沉淀物，最终通过固液分离的方法将磷从污水中去除，有 石灰沉淀法及金属盐沉淀法。化学除磷操作简单、除磷效果好、抗冲击负荷能力强;但是 需要投加大量的化学药剂，处理费用较高，并且会产生二次污染。生物除磷工艺是目前较 为经济的除磷方法，其基本原理是聚磷菌(Poly-phosphate-Accumulatuing Organisms，PAOs) 的吸/释磷过程：在厌氧条件下，PAOs分解细胞聚磷酸盐的同时产生ATP，并利用ATP将 环境中的挥发性脂肪酸等小分子有机物摄入胞内，将其以PHB(聚-β羟基丁酸盐)及糖原 等有机颗粒的形式存在于细胞内，同时将聚磷酸盐水解生成的正磷酸盐(PO43-)排出细胞 外;在好氧条件下，PAOs以氧气为电子受体，利用PHB代谢释放的能量，从污水中吸收 超过其生长所需要的磷并以聚磷酸盐的形式贮存在细胞体内。通过排泥的方式将被细菌过 量摄取的磷随剩余污泥排出系统即可实现除磷的目的。
生物脱氮除磷发生机制的差异导致了这两个过程本身就是一个矛盾统一体，产生矛盾 的根本原因是不同功能的微生物所需要的最佳生长条件不同。硝化需要长泥龄的硝化细菌 和好氧条件，反硝化需要短泥龄的反硝化菌和缺氧条件，释磷需要短泥龄的聚磷菌和厌氧 条件，而吸磷则需要好氧条件。此外，反硝化菌和聚磷菌之间还存在着因生活污水中碳源 不足而产生的竞争关系。生物脱氮除磷工艺的发展也主要是围绕着在同一污水处理系统中 实现脱氮与除磷的矛盾展开的。因这些固有矛盾的存在，造成了我国多数污水处理厂运行 费用高、脱氮除磷效果不稳定、达标率较低，开发节能高效的城镇污水处理工艺已迫在眉 睫。
近年来，生物脱氮除磷在技术与理论方面也有了新的进展和突破。在生物脱氮技术上， 开发出了SHARON、CANON、OLAND和ANNAMOX等新型脱氮工艺，这些工艺在某种 程度上解决了脱氮过程对碳源的依赖，但仍未摆脱好氧厌氧结合的两段式生物脱氮的限 制。在生物除磷理论上，发现了特殊的反硝化聚磷菌(DPB)，其基本原理为在厌氧阶段， DPB充分利用环境中的挥发性脂肪酸等小分子有机物进行大量繁殖，同时水解细胞内的聚 磷酸盐将产生的无机磷酸盐排出细胞外，并利用此过程产生的ATP合成PHB贮存体内; 在缺氧阶段，DPB以硝酸盐氮作为氧化PHB的电子受体，降解PHB所产生的能量一部分 用于维持生命活动，一部分则用于过量摄取水中无机磷酸盐并以聚合磷酸盐的形式储存于 细胞体内，同时将硝酸盐氮还原为氮气。相比传统除磷理论，反硝化除磷过程能够节省一 定的COD与曝气量，进而减少了污泥产量。然而，无论是PAOs理论还是DPB理论，都 需要好氧/缺氧/厌氧交替的环境来提供微生物的生长条件。
随着海水直接利用以及高含盐工业废水的大量排放，高盐废水中的高浓度有机物或营 养物，如COD、N、P等，对水体环境造成巨大压力，加速了江河湖泊的富营养化进程。 除此之外，高盐废水渗入土壤系统中，造成土壤生物、植物因脱水而死亡，进而造成土壤 生态系统的瓦解。
高盐度对常规生物处理系统中微生物的的正常代谢会产生不利的影响，主要包括：渗 透压偏高，微生物细胞质壁分离，使生长受到阻碍甚至死亡;微生物代谢酶活性受阻;水 体密度增加，影响污泥沉降效果等。因此，在高盐度条件下实现废水的同步脱氮除磷成为 这一领域的研究热点和难点。
近些年来，有研究者通过选择培养驯化出耐高盐的菌种，以及从自然界高盐环境中分 离出耐盐菌和嗜盐菌，将其应用于高盐废水处理，取得了一定的处理效果。然而，国内外 对高盐废水的报导大多数关注点在于有机物去除的研究，目前还没有对高盐条件下同时具 有脱氮除磷能力菌种的报道。
本发明分离出一株高地芽孢杆菌(Bacillus altitudinis)，发现其具有耐高盐兼具异养硝 化-好氧反硝化的能力;进一步发现这种细菌在单一好氧条件下兼有同步除磷的能力。利用 这类具有特殊性质的细菌的生理特性和代谢机理，基于硝化过程可以是异养细菌的生理行 为，而反硝化和除磷过程可以在好氧条件下进行，使得可以在高盐条件的同一好氧环境下 完成脱氮除磷，能够较好的克服上述提到的传统生物处理中存在的矛盾问题，由此完成了 本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种高盐兼具异养硝化-好氧反硝化和好氧摄磷能力的菌株 及其在废水处理中的应用。
本发明提供的高地芽孢杆菌(Bacillus altitudinis)菌株已于2012年3月29日保藏于 中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC)，保藏号为CGMCC No.5948。
本发明所提供的菌株，具有以下表型特征：在25-35℃下，营养琼脂培养基上培养 16-32h后，通过革兰氏染色后在显微镜下呈阳性，菌体呈杆状，有芽孢无荚膜，边缘粗糙， 乳白色，大小为(0.6-1.2)μm×(1.5-6.0)μm。
该菌株的16S rRNA基因序列特征：其16S rRNA具有如序列表中序列1所示的核苷 酸序列，序列长度为1428bp。
根据其形态特征和生理生化特征及其16S rRNA基因序列在Genbank中的检索结果， 鉴定该菌株为高地芽孢杆菌(Bacillus altitudinis)。根据该菌株耐盐性能实验结果，高地芽 孢杆菌(Bacillus altitudinis)耐盐范围(以NaCl计)为1-13%。
本发明所提供的高地芽孢杆菌(Bacillus altitudinis)能够在高盐条件下，以有机物为电 子受体，NH4+为电子供体，将NH4+氧化为NO2-或NO3-;能够在好氧的条件下，以有机物 为电子供体，NO2-或NO3-为电子受体，将其还原为氮气;还能够在好氧条件下，将无机磷 摄入体内转化为自身组分进而实现去除污水中磷元素的目的。
本发明所提供的高地芽孢杆菌(Bacillus altitudinis)可用于同步脱氮除磷，在实际应用 中，可将菌株置于高盐废水中实现氮磷同步去除的目的。
其所述废水的盐度(以NaCl计)范围为1%-13%，优选为3%-10%
所述废水的碳氮比可为3.7-9，优选为9。
所述废水的温度可为20-40℃，优选为20-30℃，更优选为30℃。
所述废水的pH可为6.5-8.0，优选为6.5-7.5，更优选为6.5-7.0。
本发明的高地芽孢杆菌(Bacillus altitudinis)及其应用与现有技术相比较有如下有益效 果：
(1)本发明的高地芽孢杆菌(Bacillus altitudinis)菌株对高盐的耐受力强，能够在 高盐、好氧条件下实现好氧条件下氮磷的同步去除，解决了高盐对传统生物处理过程的限 制以及传统废水处理中生物脱氮除磷需要采取厌氧释磷、缺氧反硝化、好氧硝化吸磷分段 处理的瓶颈问题;
(2)硝化和反硝化偶联进行，反硝化过程中产生的碱度可以很好的弥补硝化过程中 产生的酸度，整个过程无需加碱调节pH;相比自养硝化细菌，异养硝化细菌的生长速率快、 细胞产率高，可以有效解决自养硝化细菌增值缓慢、系统水力停留时间长的问题;
(3)脱氮和除磷同步进行，解决了反硝化菌和聚磷菌对碳源的竞争问题;
(4)采用本发明，在传统活性污泥法的二级生化处理系统，可以完成碳氮磷的同步 去除，无须构建新的反应器，最大限度的简化了工艺流程，节省了设备和投资的成本，因 此，具有较好的经济效益和环保效益;
(5)本发明适用于高含盐废水的脱氮除磷处理，应用前景广阔，具有很好的社会效 益。
以下结合具体实施方式对本发明进行详细描述。实施例仅为举例说明，本发明的范围 并不以具体实施方法为限，而是由权利要求的范围加以限定。
