申请日2017.12.15
公开(公告)日2018.06.29
IPC分类号C02F3/28; C02F101/16
摘要
一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，属于废水处理领域。在高负荷运行状态的前0～20d即早期，每天向反应器进水中外源添加一定浓度的两种AHLs信号分子混合溶液，之后的时间不再添加AHLs信号分子;所述的AHLs信号分子为C8‑HSL和C6‑HSL。本发明能够同时控制高负荷厌氧氨氧化反应器中颗粒污泥上浮流失并提高颗粒污泥的活性，使高负荷反应器保持稳定且较高的脱氮效能。
权利要求书
1.一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，其特征在于，在高负荷厌氧氨氧化反应器启动初期，向进水中外源添加AHLs群体感应信号分子，具体操作步骤和工艺条件如下：
取稳定运行的低负荷厌氧氨氧化反应器中的颗粒污泥作为接种污泥，低负荷指的是总氮负荷NLR低于0.5kg-TN/(m3·d)，采用递增负荷的方式驯化颗粒污泥适应高负荷环境;驯化期内通过不断提高进水氨氮及亚硝氮浓度、缩短水力停留时间HRT的方式提高总氮负荷NLR;当NLR达3.0kg-TN/(m3·d)或/及以上，厌氧氨氧化颗粒污泥的总氮去除率持续高于80%，则驯化结束;驯化结束后继续提高NLR，反应器进入高负荷运行状态;驯化结束后反应器在高负荷状态下运行至少达到150d，其中在高负荷运行状态的前0～20d即早期，每天向反应器进水中外源添加一定浓度的AHLs信号分子，之后的时间不再添加AHLs信号分子;所述的AHLs信号分子为C8-HSL和C6-HSL。
2.按照权利要求1所述的一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥 上浮的方法，其特征在于，驯化期及高负荷运行期间，反应器运行温度均为30±7℃，进水pH均为6.5～7.5，进水溶解氧均在0.5mg/L以下。
3.按照权利要求1所述的一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，其特征在于，驯化期进水氨氮浓度为40～200mg/L，亚硝氮浓度为53～260mg/L，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，HRT为3～6h，NLR为0.3～3.0kg-TN/(m3·d)。
4.按照权利要求1所述的一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，其特征在于，高负荷运行阶段，进水氨氮和亚硝氮浓度分别为136～352mg/L，179～465mg/L，HRT为1.5～5.6h，NLR为3.0～25.0kg-TN/(m3·d)。
5.按照权利要求1所述的一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，其特征在于，所述的AHLs类信号分子中C8-HSL和C6-HSL的添加浓度分别为0.5mg/L～30mg/L。
6.按照权利要求1所述的一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，其特征在于，所述的AHLs类信号分子的投加方式为投加C8-HSL和C6-HSL混合溶液，该溶液添加至进水中，使进水中C8-HSL的浓度为5mg/L，C6-HSL的浓度为15mg/L。
7.按照权利要求1所述的一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，其特征在于，在高负荷运行阶段，该阶段NLR为3.0～25.0kg-TN/(m3·d)，高负荷运行150d。
8.按照权利要求1所述的一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，其特征在于，厌氧氨氧化接种污泥颗粒粒径为1～3mm。
说明书
一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法
技术领域
本发明属于废水处理领域，尤其涉及废水处理过程中的厌氧氨氧化脱氮技术，具体涉及一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法。
背景技术
厌氧氨氧化(ANAMMOX)作为一种新型生物脱氮工艺，具有能耗低，运行成本低，脱氮效率高等诸多优点。但是ANAMMOX菌增值缓慢，难以持留，这限制了ANAMMOX技术在实际废水处理中的应用与发展。ANAMMOX颗粒污泥沉降性能良好，可有效持留生物量，可是在高负荷反应器中，ANAMMOX污泥颗粒易上浮流失，导致反应器运行不稳定。部分学者进行过相关研究并提出相应的控制策略，如打碎上浮的污泥颗粒再投加至反应器中，或控制合适水力剪切速率等。然而这些方法并不能从根本上调控ANAMMOX微生物的生理行为使其自发凝聚成更密实，沉降性能更好的颗粒，所以局限性较大。比如打碎上浮污泥颗粒再投加至反应器中需要不断收集上浮的污泥颗粒，再将其打碎重新投加至反应器中，工程量较大，仅适合规模较小的装置;而控制合适的剪切速率这种方法对于不同类型的反应器需要进行相应实验探索适合该类型反应器的剪切速率，因此上述方法在实际应用中操作复杂，并且容易受到各种限制。
发明内容
基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种控制高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，该方法从一个新的角度—微生物群体感应，进行高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的控制。该方法相比现有技术，其是从根本上调控厌氧氨氧化微生物的生理行为，使其自发凝聚成更密实、沉降性能更好的颗粒，因此可有效控制颗粒污泥上浮，并且操作简单，易于实现，适用性强。本发明相比其他通过信号分子调控微生物生理行为方法的创新之处有二：一是仅在反应器运行前期添加信号分子，后期不再添加，通过前期外源添加的信号分子诱发颗粒污泥持续内源释放相应的信号分子，从而对颗粒污泥特性产生长期影响。二是外源添加的是两种信号分子混合溶液，并不是单一信号分子溶液，两种信号分子分别调控了颗粒污泥的沉降性能及活性。因此可达到既有效控制了高负荷厌氧氨氧化颗粒污泥上浮，防止污泥流失的效果;同时又提高了污泥活性，保证了高负荷厌氧氨氧化反应器稳定且较高的脱氮效能。
为了达到上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：
在高负荷厌氧氨氧化反应器启动初期，向进水中外源添加AHLs (酰基高丝氨酸内酯类)群体感应信号分子，具体操作步骤和工艺条件如下：
取稳定运行(如运行时间至少1年)的低负荷(总氮负荷NLR 低于0.5kg-TN/(m3·d))厌氧氨氧化反应器中的颗粒污泥作为接种污泥，采用递增负荷的方式驯化颗粒污泥适应高负荷环境;驯化期内通过不断提高进水氨氮及亚硝氮浓度、缩短水力停留时间HRT的方式提高总氮负荷NLR;当NLR达3.0kg-TN/(m3·d)或/及以上，厌氧氨氧化颗粒污泥的总氮去除率持续高于80%，则驯化结束;驯化结束后继续提高NLR，反应器进入高负荷运行状态;驯化结束后反应器在高负荷状态下运行至少达到150d，其中在高负荷运行状态的前 0～20d，每天向反应器进水中外源添加一定浓度的AHLs信号分子，之后的时间不再添加AHLs信号分子。
驯化期及高负荷运行期间，反应器运行温度均为30±7℃，进水 pH均为6.5～7.5，进水溶解氧均在0.5mg/L以下。
驯化期进水氨氮浓度为40～200mg/L，亚硝氮浓度为 53～260mg/L，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，HRT为3～6h， NLR为0.3～3.0kg-TN/(m3·d)。
高负荷运行阶段，进水氨氮和亚硝氮浓度分别为136～352mg/L， 179～465mg/L，HRT为1.5～5.6h，NLR为3.0～25.0kg-TN/(m3·d)。
所述的AHLs信号分子为C8-HSL或/和C6-HSL;C8-HSL可有效提高高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥的沉降性能，控制颗粒污泥上浮。添加C8-HSL后，颗粒污泥密度、沉速较未添加信号分子时分别提高了24%、90%，SVI30降低了47%。C6-HSL虽然不能提高污泥颗粒的沉降性能，但可使颗粒污泥比厌氧氨氧化活性提高12%。并不是所有的AHLs信号分子均能实现本发明的目的，信号分子 C12-HSL则对高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥的沉降性能及活性没有影响。
所述的AHLs类信号分子中C8-HSL和C6-HSL的添加浓度分别为0.5mg/L～30mg/L(由于溶解度限制，30mg/L可认为是最高浓度)。进一步当C8-HSL添加浓度达5mg/L及以上时可更加有效提高高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥的沉降性能，当C8-HSL添加浓度高于5mg/L时对厌氧氨氧化颗粒污泥沉降性能的提高作用与5mg/L时相比变化不大，考虑成本问题，投加浓度采用5mg/L。当C6-HSL投加浓度达15mg/L及以上时可更加有效提高高负荷反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥的活性，当C6-HSL投加浓度高于15mg/L时对厌氧氨氧化颗粒污泥沉降性能的提高作用与15mg/L时相比变化不大，考虑成本问题，添加浓度采用15mg/L。
所述的AHLs类信号分子的投加方式为投加C8-HSL和C6-HSL 混合溶液，该混合溶液添加至进水中，使进水中C8-HSL的浓度为 5mg/L，C6-HSL的浓度为15mg/L。
本发明中采用的是UASB反应器，首先采用递增负荷的方式对接种污泥进行驯化，在驯化阶段NLR由0.3kg-TN/(m3·d)提高至 3.0kg-TN/(m3·d)。之后进入在高负荷运行阶段，该阶段NLR为 3.0～25.0kg-TN/(m3·d)，高负荷运行150d。
仅在高负荷运行阶段的前0～20d向进水中添加信号分子，之后时间将不再向进水中添加信号分子。
所述的厌氧氨氧化接种污泥为低负荷反应器内的厌氧氨氧化颗粒污泥。
所述的厌氧氨氧化接种污泥颗粒粒径为1～3mm。
本发明的作用原理：细菌之间存在群体感应现象(Quorum Sensing,QS)，它们通过信号分子进行交流。群体感应是指菌体之间根据附近细菌密度进行的系统交流。这种感应机制主要建立于微生物能够产生并分泌一种信号物质。当信号浓度达到一定阈值后，群体感应信号能够与相关转录调控因子直接作用或通过激酶间接作用，改变基因表达特征，以调控细菌的诸多生理功能，如胞外多聚物(extracellular polymeric substances，EPS)的合成和分泌、细菌的聚集以及生物膜的形成等。
本发明即是通过外源添加信号分子的方式使厌氧氨氧化微生物周围的信号达到阈值来调控其生理行为。低负荷条件下外源添加合适类型的AHLs能够促进厌氧氨氧化污泥释放更多的EPS以增强污泥的附着性能。但是EPS过量释放则会导致颗粒污泥稳定性及沉降性能变差。在高负荷条件下，高氮负荷会刺激污泥释放过量的EPS导致污泥结构松散，沉降性能变差，从而引起颗粒污泥上浮现象。AHLs 对厌氧氨氧化污泥释放EPS的调控作用与氮负荷相关，氮负荷较低时添加合适类型的AHLs能够促进厌氧氨氧化污泥释放更多的EPS;而在高负荷条件下，外源添加合适类型的AHLs可以控制 ANAMMOX颗粒污泥过量释放EPS，因此高负荷污泥颗粒的稳定性及沉降性能得以提高。
本发明中，外源添加的C8-HSL即是通过ANAMMOX颗粒污泥的群体感应系统使高负荷颗粒污泥释放的结合型EPS(B-EPS)含量较未添加信号分子时明显降低，其中主要控制了B-EPS中蛋白质(PN) 的过量释放(PN较未添加信号分子时降低29%)，多糖(PS)含量较未添加信号分子时有所提高，因此PN/PS值明显降低。而B-EPS 含量是影响污泥颗粒沉降性能的重要因素，高氮负荷会导致过量 B-EPS产生进而引起污泥颗粒密度的降低，致使污泥颗粒沉降性能下降。而适量的B-EPS则能促进污泥颗粒化和凝聚过程，使颗粒保持良好的沉降性能。
PN/PS在ANAMMOX颗粒沉降性能、剪切强度等方面起着重要作用，较高的PN/PS导致污泥颗粒剪切强度较低，流体粘度较高，因此颗粒沉降性能下降，较低PN/PS的颗粒更稳定，结构更紧密，沉降性能更优良。同时，C8-HSL还能够提高高负荷厌氧氨氧化颗粒污泥的表面疏水性，因此C8-HSL能够提高颗粒污泥的沉降性能。 C6-HSL能够提高颗粒污泥的活性，因此投加C8-HSL和C6-HSL的混合溶液可以使高负荷反应器中颗粒污泥保持良好的沉降性能，防止污泥上浮流失，同时提高了颗粒污泥活性，使高负荷反应器保持稳定且较高的脱氮效能。
仅在高负荷运行状态的0～20d向反应器进水中添加C8-HSL和 C6-HSL的混合溶液即可以促使高负荷厌氧氨氧化颗粒污泥持续内源释放相应的AHLs，因此可对高负荷厌氧氨氧化颗粒的沉降性能及活性产生长期影响。在高负荷反应器运行至150d时，进水中添加C8-HSL和C6-HSL混合溶液的反应器中的颗粒污泥密度、沉速较未添加信号分子时分别提高了24%、90%，SVI30降低了47%，沉降性能优良，并且比厌氧氨氧化活性提高了12%，系统脱氮效率提高了 45%。
本发明和现有技术相比，具有如下优点和效果：
(1)能够同时控制高负荷厌氧氨氧化反应器中颗粒污泥上浮流失并提高颗粒污泥的活性，使高负荷反应器保持稳定且较高的脱氮效能。
(2)外源添加C8-HSL和C6-HSL信号分子诱发了污泥颗粒持续内源释放相应的AHLs类信号分子，从而对污泥特性产生了长期影响。因此仅在高负荷阶段初期添加C8-HSL和C6-HSL即可保持污泥颗粒良好沉降性能及高活性，不必长期添加信号分子，可极大地节约成本。
(3)因为是根本上调控ANAMMOX微生物的生理行为使其自发凝聚成更密实，沉降性能更好的颗粒。所以该种控制高负荷颗粒污泥上浮的方法适用于各种类型的反应器及水力条件等，适用性强。
(4)该方法不会对微生物造成损伤及其他负面影响。
(5)操作过程简单，易于实现。