申请日2018.05.10
公开(公告)日2018.09.11
IPC分类号C02F3/28
摘要
本发明公开了一种污水脱氮处理系统中高密度厌氧氨氧化细菌富集的方法。该方法包括以下步骤：1)收集含有厌氧氨氧化细菌菌群的硝化污泥，配制活性污泥溶液;接种于富集培养基中，进行硝化驯化，至氨氮的转化率为不低于80%;2)将驯化后的污泥接种到反应器，并投加大孔聚氨酯填料以及基质氨氮和亚硝酸盐氮，进行低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器;3)增加基质的加入量，进行中高基质浓度启动厌氧氨氧化反应器;4)继续增加基质的加入量，进行高密度厌氧氨氧化细菌的富集。本发明采用大孔聚氨酯填料能为厌氧氨氧化菌提供微氧环境，并能适应厌氧氨氧化菌聚团生长特性，有助于淘汰AOB和NOB等细菌，可以得到纯度较高、丰度较高的厌氧氨氧化细菌。
翻译权利要求书
1.一种污水脱氮处理系统中高密度厌氧氨氧化细菌富集的方法，包括以下步骤：
1)收集含有厌氧氨氧化细菌菌群的硝化污泥，配制活性污泥溶液;将所述活性污泥溶液接种于厌氧氨氧化细菌的富集培养基中，进行硝化驯化，至氨氮的转化率不低于80%;
2)将驯化后的污泥接种到反应器，并向所述反应器中投加大孔聚氨酯填料以及氨氮和亚硝酸盐氮，然后对所述反应器进行低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器，同时所述大孔聚氨酯填料进行挂膜生长;
3)增加氨氮和亚硝酸盐氮的加入量，并同时增加所述反应器中大孔聚氨酯填料的投加率;对步骤2)的反应器进行中高基质浓度启动厌氧氨氧化反应器;
4)增加氨氮和亚硝酸盐氮的加入量，对步骤3)的反应器进行高密度厌氧氨氧化细菌的富集。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，含有厌氧氨氧化细菌菌群的硝化污泥取自污水处理厂的曝气池;所述活性污泥溶液中污泥的浓度为5000～5500mg/L。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，富集培养基包括下述终浓度的物质：NaHCO3 2.0-2.5g/L;KH2PO4 0.005-0.008g/L;CaCl2·2H2O 0.4-0.8g/L;MgSO4·7H2O 0.3-0.4g/L;FeSO4·7H2O 0.020-0.025g/L;EDTA·2H2O 0.028-0.032g/L和微量元素0.8-1.2mL/L;
所述微量元素的配方为：MnCl2·4H2O：850-950mg/L;EDTA：1300-1400mg/L;ZnSO4·7H2O：350-450mg/L;CuSO4·5H2O：200-250mg/L;CoCl2·6H2O：200-250mg/L;NaMoO4·2H2O：180-220mg/L;Na2SeO4：80-120mg/L;NiCl2·2H2O：150-200mg/L;H3BO4：10-15mg/L。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，大孔聚氨酯填料为大孔立方体聚氨酯填料，其材料密度1.1～1.15/g·cm-3，比表面积(30～40)×104m2·m-3，孔径2～4mm，孔隙度93～96%。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述反应器为SBR反应器;
所述步骤2)中，所述大孔聚氨酯填料的投加率为所述反应器体积的28%-32%;
所述步骤2)中，所述氨氮和亚硝酸盐氮以氮计的摩尔比为1：1;在所述低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器的过程中，所述氨氮的浓度由13-17mg/L增加至27-33mg/L，所述亚硝酸盐氮的浓度由13-17mg/L增加至27-33mg/L;
所述低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器的运行条件为：pH值：7.5～8.1;转速：60～80rpm/min;温度：35±1℃;水力停留时间为2～3d;氮气曝气去除溶解氧，曝气时间10～20min，避光。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：
所述步骤3)中，所述大孔聚氨酯填料的最终投加率为所述反应器体积的63-67%;
所述步骤3)中，在所述中高低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器的过程中，所述氨氮和亚硝酸盐氮以氮计的摩尔比为1：1.3，其中氨氮的浓度由27-33mg/L逐渐增加至65-75mg/L，所述亚硝酸盐氮的浓度由27-33mg/L逐渐增加至85-95mg/L;
所述步骤3)中，所述中高基质浓度启动厌氧氨氧化反应器的运行条件为：pH值为7.5～8.1，转速为60～80rpm/min，温度为35±1℃，水力停留时间为1～2d;氮气曝气去除溶解氧，曝气时间10～20min，避光。
7.根据权利要求6中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述中高基质浓度启动厌氧氨氧化反应器分为两个阶段，即厌氧氨氧化菌的活性迟滞期和厌氧氨氧化菌的活性提高期;
其中，在厌氧氨氧化菌的活性迟滞期，水力停留时间为2d;大孔聚氨酯填料的投加率增加至43%-47%;氨氮的浓度由27-33mg/L增加至45-55mg/L，亚硝酸盐氮的浓度由27-33mg/L增加至60-70mg/L;
在厌氧氨氧化菌的活性提高期，水力停留时间为1d;大孔聚氨酯填料的投加率增加至63-67%;氨氮的浓度进一步增加至65-75mg/L，亚硝酸盐氮的浓度进一步增加至85-95mg/L。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于：
所述步骤4)中，在所述中高低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器的过程中，所述氨氮的浓度增加至95-105mg/L，所述亚硝酸盐氮的浓度增加至125-135mg/L;
所述步骤4)中，高密度厌氧氨氧化细菌的富集的运行条件为：pH值：7.5～8.1;转速：60～80rpm/min;温度：35±1℃;水力停留时间为0.5～1d;氮气曝气去除溶解氧，曝气时间10～20min，避光。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：
所述步骤2)中，反应器中总氮的去除率基本稳定，维持在25%-30%，即进入所述步骤3);
所述步骤3)中，反应器中总氮的去除率稳定在68-72%，即进入所述步骤4)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于：所述厌氧氨氧化系统中最终的厌氧氨氨氧化细菌的优势菌为Candidatus Brocadia。
说明书
一种污水脱氮处理系统中高密度厌氧氨氧化细菌富集的方法
技术领域
本发明属于环境工程微生物技术领域，具体涉及一种污水脱氮处理系统中高密度厌氧氨氧化细菌富集的方法。
背景技术
大量氨氮排入水体会引起水体富营养化。目前，氨氮已经成为污染物总量控制的约束性指标，因此污水处理过程中氮素的去除越来越受到人们的重视。然而传统脱氮技术存在能耗物耗高、工艺流程较长，外加大量有机碳源等缺点，所以开发低能耗物耗的脱氮技术成为水污染治理领域研究的热点。
ANAMMOX现象的发现是近年来环境科学领域的重大发现，使人们重新认识和完善了全球的氮循环过程。厌氧氨氧化菌是一种化能自养细菌，能在无需曝气、无需外加碳源的条件下发挥脱氮作用，若将其应用到污水生物脱氮技术之中，不仅可以节省电耗和能耗，而且该技术能够减少温室气体排放量，不产生剩余污泥，与其他厌氧技术耦合后还能产生电能，为污水处理可持续发展做出贡献。
ANAMMOX菌(厌氧氨氧化菌)在自然界中分布十分广泛，目前在人工废水处理系统、湿地、稻田等自然生态系统以及海洋生态系统等都发现了ANAMMOX菌。另外，很多研究也表明ANAMMOX过程在全球氮循环生态系统中发挥着重要作用(对于海洋生态系统的氮损失超过50%的贡献)。
厌氧氨氧化菌的富集存在很多难点，比如厌氧氨氧化菌的世代周期长达11d，ANAMMOX菌的细胞产率为0.066mol C/mol NH4+，对外界环境条件非常严苛，人们至今只能通过分析ANAMMOX菌的混培物来分析ANAMMOX菌，不能通过纯培养而得到ANAMMOX菌株，厌氧氨氧化菌具有群感效应，必须富集到一定丰度才能发挥作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用大孔聚氨酯填料在污水脱氮处理系统中高密度厌氧氨氧化细菌富集的方法。
本发明所提供的污水脱氮处理系统中高密度厌氧氨氧化细菌富集的方法，包括以下步骤：
1)收集含有厌氧氨氧化细菌菌群的硝化污泥，配制活性污泥溶液;将所述活性污泥溶液接种于厌氧氨氧化细菌的富集培养基中，进行硝化驯化，至氨氮的转化率不低于80%;
2)将驯化后的污泥接种到反应器，并向所述反应器中投加大孔聚氨酯填料以及氨氮和亚硝酸盐氮，然后对所述反应器进行低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器，同时所述大孔聚氨酯填料进行挂膜生长;
3)增加氨氮和亚硝酸盐氮的加入量，对步骤2)的反应器进行中高基质浓度启动厌氧氨氧化反应器;同时增加所述反应器中大孔聚氨酯填料的投加率;
4)继续增加氨氮和亚硝酸盐氮的加入量，对步骤3)的反应器进行高密度厌氧氨氧化细菌的富集。
上述方法所述步骤1)中，含有厌氧氨氧化细菌菌群的硝化污泥取自北京市某污水处理厂的曝气池，厌氧氨氧化细菌的基因丰度具体为(7.76±0.25)×106copies·g-1干泥。所述活性污泥溶液中污泥的浓度为5000～5500mg/L。
上述方法所述步骤1)中，富集培养基包括下述中浓度的物质：NaHCO3 2.0-2.5g/L;KH2PO4 0.005-0.008g/L;CaCl2·2H2O 0.4-0.8g/L;MgSO4·7H2O 0.3-0.4g/L;FeSO4·7H2O 0.020-0.025g/L;EDTA·2H2O 0.028-0.032g/L和微量元素0.8-1.2mL/L。
上述方法所述步骤1)中，微量元素包括下述终浓度的物质：MnCl2·4H2O：850-950mg/L;EDTA：1300-1400mg/L;ZnSO4·7H2O：350-450mg/L;CuSO4·5H2O：200-250mg/L;CoCl2·6H2O：200-250mg/L;NaMoO4·2H2O：180-220mg/L;Na2SeO4：80-120mg/L;NiCl2·2H2O：150-200mg/L;H3BO4：10-15mg/L。
上述方法所述步骤2)中，大孔聚氨酯填料为大孔立方体聚氨酯填料，其材料密度1.1～1.15/g·cm-3，比表面积(30～40)×104m2·m-3，孔径2～4mm，孔隙度93～96%。上述方法所述步骤2)中，所述反应器具体可为SBR反应器。
上述方法所述步骤2)中，低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器的运行条件为：pH：7.5～8.1;转速：60～80rpm/min;温度：35±1℃;水力停留时间(HRT)为2～3d;氮气曝气去除溶解氧(DO)，曝气时间：10～20min，避光。
上述方法所述步骤2)中，所述大孔聚氨酯填料的投加率为所述反应器体积的28%-32%。
上述方法所述步骤2)中，对反应器进行低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器，为启动阶段的不稳定期。所述氨氮和亚硝酸盐氮以氮计的摩尔比为1：1;在所述低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器的过程中，所述氨氮的浓度由13-17mg/L增加至27-33mg/L，所述亚硝酸盐氮的浓度由13-17mg/L增加至27-33mg/L。
上述方法所述步骤2)中，当所述反应器中总氮的去除率基本稳定，维持在25%-30%时即可进入下一阶段即步骤3)。
上述方法所述步骤3)中，中高基质浓度启动厌氧氨氧化反应器的运行条件为：pH值为7.5-8.1，转速为60-80rpm/min，温度为35±1℃，水力停留时间(HRT)为1～2d;氮气曝气去除溶解氧(DO)，曝气时间：10～20min，避光。
上述方法所述步骤3)中，在所述中高低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器的过程中，所述氨氮和亚硝酸盐氮以氮计的摩尔比为1：1.3，其中氨氮的浓度由27-33mg/L逐渐增加至65-75mg/L，所述亚硝酸盐氮的浓度由27-33mg/L逐渐增加至85-95mg/L。
上述方法所述步骤3)中，所述中高基质浓度启动厌氧氨氧化反应器可分为两个阶段，即厌氧氨氧化菌的活性迟滞期和厌氧氨氧化菌的活性提高期;
其中，厌氧氨氧化菌的活性迟滞期的水力停留时间(HRT)可为2d;厌氧氨氧化菌的活性迟滞期阶段填料填充率为43%-47%;氨氮的浓度由27-33mg/L增加至45-55mg/L，亚硝酸盐氮的浓度由27-33mg/L增加至60-70mg/L;
厌氧氨氧化菌的活性提高期水力停留时间(HRT)可为1d;厌氧氨氧化菌的活性提高期阶段填料填充率为63-67%;氨氮的浓度进一步增加至65-75mg/L，亚硝酸盐氮的浓度进一步增加至85-95mg/L。
在上述厌氧氨氧化菌的活性迟滞期，TN去除率维持在30%左右;当TN去除率明显增加时，表明进入了厌氧氨氧化菌的活性提高期;当TN去除率稳定在70%左右时，可通过继续增加氨氮和亚硝酸盐的浓度，实现对ANAMMOX菌的进一步富集。
上述方法所述步骤4)中，在所述中高低基质浓度启动厌氧氨氧化反应器的过程中，所述氨氮的浓度增加至95-105mg/L，所述亚硝酸盐氮的浓度增加至125-135mg/L。
上述方法所述步骤4)中，高密度厌氧氨氧化细菌的富集的运行条件为：pH值：7.5～8.1;转速：60～80rpm/min;温度：35±1℃;水力停留时间(HRT)为0.5～1d;氮气曝气去除溶解氧(DO)，曝气时间：10～20min，避光。
上述方法中向反应器中投加大孔聚氨酯填料，进行挂膜生长，填料初始投加率为反应器体积的28%-32%(具体可为30%)，根据每次的基质浓度的提高，逐步增加填料的填充率，最终反应器内填料的填充比为63-67%(具体可为65%)。
采用本发明的富集方法，得到的厌氧氨氧化菌的丰度可达1.54×1011copies·g-1。在上述对高密度厌氧氨氧化细菌的富集过程中厌氧氨氧化反应器中的总氮去除率为70%以上。富集得到的厌氧氨氧化细菌的优势菌为Candidatus Brocadia。
本发明采用以上技术方案，其优点在于，大孔聚氨酯填料能为厌氧氨氧化菌提供微氧环境，并能适应厌氧氨氧化菌聚团生长的特性，有助于淘汰AOB(氨氧化菌)和NOB(亚硝酸盐氧化菌)等细菌，可以得到纯度较高、丰度较高的厌氧氨氧化细菌。