CN103936153B

CN103936153B - 聚磷颗粒污泥优势菌种的快速筛选方法

Info

Publication number: CN103936153B
Application number: CN201410150757.9A
Authority: CN
Inventors: 王亚宜; 蒋勗欣; 周东; 秦健; 王鸿; 林喜茂
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2034-04-15
Also published as: CN103936153A

Abstract

本发明属于污水处理技术领域，公开了一种聚磷颗粒污泥优势菌种的快速筛选方法。该方法包括以下步骤：（1）在序批式反应器中采用模拟城市污水驯化反硝化除磷菌，得到反硝化除磷活性污泥；（2）将步骤（1）中形成的反硝化除磷活性污泥在序批式反应器中快速形成反硝化除磷颗粒污泥；（3）将步骤（2）得到的反硝化除磷颗粒污泥进行内源饥饿反应，通过快速沉降法筛选优势菌种聚磷菌。本发明提出的方法能快速富集实验室SBR颗粒污泥技术样品中的聚磷菌，提高聚磷菌比例，控制和淘汰聚糖菌，使聚磷菌和聚糖菌之间的竞争能够得以控制，提高菌种筛选效率，为提高和稳定反硝化除磷效果提供了可靠的保证。

Description

聚磷颗粒污泥优势菌种的快速筛选方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种聚磷颗粒污泥优势菌种的快速筛选方法。

背景技术

近年来研究者们提出了反硝化除磷理论，由于它具有反硝化脱氮时节省碳源、生物吸磷时低耗氧量和低排泥量等优点一直备受关注。反硝化除磷工艺依赖于一类在厌氧/缺氧交替运行条件下驯化而成的微生物——反硝化聚磷菌(Denitrifying phosphorus removing bacteria，DPB)，在厌氧阶段，它能依靠分解细胞内聚磷和降解糖原产生的能量吸收挥发性脂肪酸类（VFAs），同时为合成聚-β-羟基—链烷酸酯（PHAs）提供还原力；在缺氧阶段，它水解氧化厌氧合成的PHAs来获取能量，用于细胞生长、糖原合成和过量吸磷，并通过排放剩余污泥达到除磷目的。这在保证脱氮效果的同时，***对COD的需求可减少50％，氧的消耗和污泥产量可分别下降30％和50％。可见，反硝化除磷技术就是基于这类微生物特殊的生理特性，很好地将生物除磷与反硝化脱氮过程合二为一，最终达到同步脱氮除磷的目的。

但同时也有大量研究表明，污水强化生物除磷（Enhanced Biological Phosphorus Removal，EBPR）即使在良好的运行条件下，处理***也会出现除磷性能变差甚至完全崩溃的现象，其主要原因之一是聚糖菌（GAOs）的富集。GAOs在厌氧阶段吸收水中的VFAs并以PHAs的形式贮存在体内，但不发生磷的释放，该过程所需的能量主要由胞内糖原的水解产生，在后续好氧阶段，GAOs利用分解胞内PHAs所获得的能量来合成更新的糖原颗粒，也不发生磷的过量吸收。由于GAOs在整个代谢过程中，均未发生磷的释放和吸收，且在厌氧条件下与PAOs竞争碳源来合成胞内物质PHAs，这必然导致两种微生物的竞争，从而影响整个***的运行效果。若GAOs大量存在，它们将导致强化生物除磷（EBPR）***的崩溃。因此，优化并确定能够使PAOs在污水处理***中成为优势菌种的环境，才能使体系取得良好的除磷效果。

发明内容

本发明的目在于为克服现有技术的缺陷而提供一种聚磷颗粒污泥优势菌种的快速筛选方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种聚磷颗粒污泥优势菌种的快速筛选方法，该方法包括以下步骤：

（1）在序批式反应器（SBR）中采用模拟城市污水驯化反硝化除磷菌，得到反硝化除磷活性污泥；

（2）将步骤（1）中形成的反硝化除磷活性污泥在反应器中快速形成反硝化除磷颗粒污泥；

（3）将步骤（2）得到的反硝化除磷颗粒污泥进行内源饥饿反应，通过快速沉降法筛选优势菌种聚磷菌。

所述的步骤（1）中模拟城市污水的组分：276.75mg/LCH₃COONa和72mg/LCH₃CH₂COONa（COD为300mg/L），21.97mg/LKH₂PO₄、10mg/LCaCl₂、85mg/LMgSO₄·7H₂O、38.18mg/LNH₄Cl、4mg/LATU和0.5mL/L微量元素液（每升微量元素液中含有1.5g FeCl₃·6H₂O，0.15g H₃BO₃，0.03g CuSO₄·5H₂O，0.18g KI，0.12g MnCl₂·4H₂O，0.06g Na₂MoO₄·2H₂O，0.12g ZnSO₄·7H₂O，0.15g CoCl₂·6H₂O和10g EDTA）。

所述的步骤（1）中反硝化除磷菌的驯化条件：驯化时间为80-100天；驯化温度为室温（18℃-22℃）。

所述的步骤（1）中，驯化工艺为厌氧-缺氧-好氧。

上述的厌氧-缺氧-好氧周期为8h：进水10-20min，厌氧期120min，缺氧期210min，好氧期30min，静置20-30min，出水20-30min和闲置期，（其中闲置期的时间为周期8h与前述各阶段时间总和的差值）。

所述的缺氧期时，将KNO₃溶液加入反应器，控制反应器中NO₃-N的初始浓度为20-40mg/L。

所述的好氧期：空气流速为40L/h，控制溶解氧浓度为2-4mg/L。

所述的步骤（1）中，厌氧-缺氧-好氧反应阶段转速均为130-170rpm。

所述的步骤（1）中，反应器的固体停留时间（SRT）为19-21天。

所述的步骤（2）中，将反应器的转速和有氧气流速度分别增至300rpm和100L/h，以促进颗粒污泥的形成；

所述的步骤（2）中，首先，反硝化除磷活性污泥在反应器中经历颗粒污泥形成初期30-40天，之后继续运行60-90天达到颗粒污泥稳定期，使反应器中颗粒的平均直径趋于稳定，并实现SBR中稳定、高效的反硝化除磷。前述的颗粒污泥形成初期（30-40天）是指小颗粒初步形成且有不断增大的趋势，但其周围仍旧存在较多絮体的时期；颗粒污泥稳定期（继续运行60-90天）是指相比颗粒污泥形成初期，污泥颗粒明显增大、规则致密，且颗粒的大小、形态和处理性能相对稳定的时期。

所述的步骤（3）的内源饥饿反应时间为2-4天，反应温度为26-30℃，转速为300rpm，反硝化除磷颗粒污泥每8小时曝气30分钟；曝气时，空气流速为40L/h，曝气完毕时溶解氧浓度为2-4mg/L。

所述的步骤（3）中的快速沉降筛选优势菌种的方法是：

（31）将混合器的转速降至80rpm，使颗粒污泥反应器中混合固相分离；

（32）然后从颗粒污泥反应器中依次分别取出底部、中部和上部污泥；控制这三部分污泥的体积以保证后续操作的三个反应器中MLSS浓度基本一致；

（33）将步骤（32）取出的底部、中部、上部污泥分别转移到三个相同的密闭反应器G-R_bot.（底部）、G-R_mid.（中部）和G-R_upp.（上部）中，控制转速为300rpm时，同时从三个反应器中取出混合污泥样品，测得G-R_upp.（上部）、G-R_mid.（中部）和G-R_bot.（底部）的MLSS浓度基本一致（MLSS是指混合液悬浮固体浓度Mixed Liquid Suspended Solids的简写，又称为混合液污泥浓度）。

最后还可以进行批次实验获得不同污泥层的反硝化脱氮除磷动力学，来说明快速沉降所分离的底部污泥层的脱氮除磷效能，验证聚磷颗粒污泥优势菌种在底层污泥层确实得以富集。其中，用于确定不同污泥层反硝化脱氮除磷动力学的批次实验是每周进行周期测试，测量PO₄ ^3--P、NO₃ ^--N和挥发性脂肪酸（VFAs）的浓度变化。不同污泥层是指G-R_upp.（上部）、G-R_mid.（中部）和G-R_bot.（底部）三个部分的污泥层。通过颗粒污泥内源饥饿反应，使颗粒表层脱落，且聚磷菌在厌氧/缺（好氧）吸收磷反应后，会积累大量的聚磷酸盐，因而以聚磷菌为主的颗粒沉降速度会高于以聚糖菌为主的颗粒。因此以聚磷菌为主的颗粒在上部、中部和底部三个污泥层的分布比例不同，从而导致三个污泥层的反硝化脱氮除磷效率不同。通过检测PO₄ ^3--P、NO₃ ^--N和挥发性脂肪酸（VFAs）的浓度变化，来反映聚磷颗粒污泥的脱氮除磷效能，更好地对比验证底层污泥层富集了聚磷颗粒污泥优势菌种。

本发明同现有技术相比，具有的优点和有益效果：

本发明充分利用了聚磷菌PAOs在好氧/缺氧吸收磷反应后，会积累大量的聚磷酸盐，因而以聚磷菌PAOs为主的颗粒沉降速度会高于以聚糖菌GAOs为主的颗粒的特性，完成聚磷颗粒污泥优势菌种的快速筛选，克服了采用分离纯化培养基筛选优势菌种方法中培养条件复杂、操作困难、培养时间长、筛选工作量大且效率低下的缺点，大大缩短了筛选周期，提高了工作效率。

具体实施方式

以下结合实施实例对本发明作进一步的说明。

实施例1中，模拟城市污水的组分为：276.75mg/LCH₃COONa和72mg/LCH₃CH₂COONa（COD为300mg/L），21.97mg/LKH₂PO₄、10mg/LCaCl₂、85mg/LMgSO₄·7H₂O、38.18mg/LNH₄Cl、4mg/LATU和0.5mL/L微量元素液（每L微量元素液中含有1.5g FeCl₃·6H₂O，0.15g H₃BO₃，0.03g CuSO₄·5H₂O，0.18g KI，0.12g MnCl₂·4H₂O，0.06g Na₂MoO₄·2H₂O，0.12g ZnSO₄·7H₂O，0.15g CoCl₂·6H₂O和10g EDTA）。

实施例1

一种聚磷颗粒污泥优势菌种的快速筛选方法，根据聚磷菌PAOs在好氧/缺氧吸收磷反应后，会积累大量的聚磷酸盐，因而以聚磷菌PAOs为主的颗粒沉降速度会高于以聚糖菌GAOs为主的颗粒的原理，完成聚磷颗粒污泥优势菌种的快速筛选。该方法包括以下步骤：

（1）在SBR中采用模拟城市污水驯化反硝化除磷菌

反硝化除磷菌的驯化是在SBR中驯化反硝化除磷菌，反应器的工作体积为7.5L（内直径为16cm，高度为50cm）。SBR采用模拟城市污水，并在厌氧—缺氧—好氧交替的条件下进行操作。培养温度为室温(20±1℃)，周期为8h，其中进水15min，厌氧120min，缺氧210min，好氧30min，静置20min，出水15min，闲置70min；

最初15min进水时，向反应器中泵入5.5L含磷废水，厌氧期结束时将KNO₃溶液以脉冲式加入反应器，保持起始NO₃ ^--N浓度为30±6mg/L。反应阶段的转速控制在150±10rpm，采用气体流量控制器控制空气流速在40L/h，将好氧阶段末端的溶解氧浓度保持在约2-4mg/L。污水从底部以上30cm的出水口排出，在反应器中剩余2.0L混合液。反应器的固体停留时间（SRT）为20天。每个好氧期结束时排出125mL混合液，混合液悬浮固体（MLSS）维持在4.0±0.2g/L。每3天在每个周期不同阶段结束时收集液体样品进行测试；

运行90天后，SBR能稳定地去除磷酸盐和硝酸盐。

（2）步骤（1）运行90天后，将反应器的转速和有氧气流速度分别增至300rpm和100L/h，以促进颗粒污泥的形成，且将该反应器定义为G-SBR；随后运行30天反硝化除磷活性污泥在反应器中达到颗粒污泥形成初期，继续运行60天后，反应器中颗粒的平均直径趋于稳定至1.9±0.2mm，达到颗粒污泥稳定期，并实现了SBR中稳定、高效的反硝化除磷；

（3）将步骤（2）得到的颗粒污泥进行内源饥饿反应，温度为28±1℃，转速为300rpm的条件下运行3天，颗粒污泥每8小时曝气30分钟以维持微生物的活性。快速沉降筛选优势菌种的方法是将混合器的转速降至80rpm，使G-SBR中混合固相分离，而后从G-SBR底部取出2、2.5和3.5L混合污泥转移到三个相同的密闭反应器（2.6L）中，每个反应器的有效工作容积为2.5L。定义这三个反应器为G-R_bot.（底部）、G-R_mid.（中部）and G-R_upp.（上部）。控制转速为300rpm时，同时从三个反应器中取出混合污泥样品，测得G-R_upp.（上部）、G-R_mid.（中部）和G-R_bot.（底部）的MLSS浓度均为3.9g/L。

（4）研究不同污泥层反硝化脱氮除磷动力学的批次实验是每周进行周期测试，测量PO₄ ^3--P、NO₃ ^--N和挥发性脂肪酸（VFAs）的浓度变化。

测试结果显示，G-R_bot.保持着较高的释磷/VFA吸收率为0.36mmolP/mmolC，同时在G-R_upp.中释磷/VFA吸收率为0.30mmolP/mmolC，G-R_mid.中为0.32mmol P/mmol C。这说明了G-R_bot.中含有更多有活性的聚磷菌。

观察表1可知，相比G-SBR中最大释磷和吸磷速率分别为51.46和10.54mg/（gVSS·h），三个破碎污泥反应器中的释磷速率更高，这很大程度上是因为颗粒破碎后，基质和营养物质更易于扩散。G-R_bot.中最大缺氧吸磷/脱氮比值最高，证明了三个反应器中G-R_bot.的DPAOs/DGAOs比值最高，这与G-R_bot.中释磷/VFA吸收率最高的结果相吻合。

表1.缺氧阶段F-SBR、G-SBR和序批式实验中典型周期的脱氮除磷

最后，采用FISH技术来鉴别不同污泥层中细菌的种属。

观察表2可知，三个反应器中Accumulibacter聚磷菌为优势菌种，在G-R_upp.、G-R_mid.和G-R_bot.中分别占了总生物量的56±1.5%、68±1.7%和77±1.3%；Competibacter聚糖菌分别占了近28±0.5%、17±0.7%和12±0.5%；Defluvicoccus聚糖菌则占了三个反应器总生物量不到2.5±0.4%。

表2将丙酸盐作为碳源，不同污泥层的生物组成对比

取自破碎污泥的不同污泥层中PAOs/GAOs的百分比与由颗粒切片得到的FISH结果相吻合。例如，聚糖菌更多地分布在颗粒表面，因此颗粒污泥破碎时聚糖菌易从表层脱落，而聚磷菌同时分布于颗粒污泥的表面和内部，含GAOs表层生物的脱落，提高了颗粒中PAOs的比例。

由FISH鉴定得到的聚磷菌分布与测得PO₄ ^3--P、NO₃ ^--N和挥发性脂肪酸（VFAs）的化学转化保持一致，例如，G-R_bot.中释磷/VFA吸收率最高与表1中PAOs/GAOs比值最高是相互符合的。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种聚磷颗粒污泥优势菌种的快速筛选方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)在序批式反应器中采用模拟城市污水驯化反硝化除磷菌，得到反硝化除磷活性污泥；

(2)将步骤(1)中形成的反硝化除磷活性污泥在序批式反应器中快速形成反硝化除磷颗粒污泥；

(3)将步骤(2)得到的反硝化除磷颗粒污泥进行内源饥饿反应，通过快速沉降法筛选优势菌种聚磷菌；

所述的步骤(2)中，将反应器的转速和氧气流速度分别增至300rpm和100L/h，以促进颗粒污泥的形成；

所述的步骤(2)中，首先，反硝化除磷活性污泥在反应器中经历颗粒污泥形成初期30-40天，之后继续运行60-90天达到颗粒污泥稳定期，使反应器中颗粒的平均直径趋于稳定；

所述的步骤(3)的内源饥饿反应时间为2-4天，反应温度为26-30℃，转速为300rpm，反硝化除磷颗粒污泥每8小时曝气30分钟；曝气时，空气流速为40L/h，曝气完毕时溶解氧浓度为2-4mg/L；

所述的步骤(3)中的快速沉降筛选优势菌种的方法是：

(31)将混合器的转速降至80rpm，使颗粒污泥反应器中混合固相分离；

(32)然后从颗粒污泥反应器中依次分别取出底部、中部和上部污泥；控制这三部分污泥的体积以保证后续操作的三个反应器中MLSS浓度基本一致；

(33)将步骤(32)取出的底部、中部、上部污泥分别转移到三个相同的密闭反应器G-R_bot.底部、G-R_mid.中部和G-R_upp.上部，控制转速为300rpm，同时从三个反应器中取出混合污泥样品，测得G-R_upp.上部、G-R_mid.中部和G-R_bot.底部的MLSS浓度一致。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中模拟城市污水的组分为：276.75mg/LCH₃COONa和72mg/LCH₃CH₂COONa，21.97mg/LKH₂PO₄、10mg/LCaCl₂、85mg/LMgSO₄·7H₂O、38.18mg/LNH₄Cl、4mg/LATU和0.5mL/L微量元素液；

其中，每升微量元素液中含有1.5g FeCl₃·6H₂O，0.15g H₃BO₃，0.03g CuSO₄·5H₂O，0.18gKI，0.12g MnCl₂·4H₂O，0.06g Na₂MoO₄·2H₂O，0.12g ZnSO₄·7H₂O，0.15g CoCl₂·6H₂O和10gEDTA。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中反硝化除磷菌的驯化条件：驯化时间为80-100天；驯化温度为室温；

或所述的步骤(1)中，反应器的固体停留时间为19-21天。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，驯化工艺为厌氧-缺氧-好氧。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的厌氧-缺氧-好氧周期为8h，包括：进水10-20min，厌氧期120min，缺氧期210min，好氧期30min，静置20-30min，出水20-30min和闲置期，其中闲置期的时间为周期8h与前述各阶段时间总和的差值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的缺氧期将硝酸盐溶液加入反应器，控制反应器中硝氮NO₃-N的初始浓度为20-40mg/L；

或所述的好氧期中的空气流速为40L/h，控制溶解氧浓度为2-4mg/L。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，厌氧-缺氧-好氧反应阶段转速均为130-170rpm。