CN104129845B - 连续流***好氧反硝化型颗粒污泥培养新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于废水生物处理技术领域，涉及一种在连续流***好氧反硝化型颗粒污泥培养新方法。包括以下步骤：1)先组建一合建式连续流反应装置，高径比为(1.5～5)∶1，分为反应区和沉淀区，二者有效体积比为(3～10)∶1；2)接种反应器体积的30～40％(V/V)事先预富集培养的不动杆菌属(Acinetobacter sp.)TN‑14菌泥以及5～10％的普通活性污泥，加入实际生活污水，闷曝2d后改为低负荷连续进水；3)逐渐缩短水力停留时间来增大进水负荷，初始运行负荷需大于0.5kgCOD/m3·d，启动后每隔10～15d增大0.3～0.5kgCOD/m3·d负荷，直至颗粒污泥形成。反应器的运行负荷为0.75～2.0kgCOD/m3·d，运行过程中投加30～80mg/L Ca2+，40天内可形成黄褐色、形状规则、粒径在0.5～2mm之间的成熟颗粒污泥。

Description

连续流***好氧反硝化型颗粒污泥培养新方法
技术领域
本发明涉及一种连续流***好氧反硝化型颗粒污泥培养新方法。
背景技术
目前，随着生活水平的提高和饮食结构的变化，生活污水中含氮量越来越高，导致碳氮比值偏低，特别是南方城市，污水低碳氮比特点突出且排放量日益增加。近年来，国内外在氨氮废水处理方面开展了很多研究，处理技术涵盖了物理法、化学法和生物法。物理法、化学法因其存在运行成本高、对环境易造成二次污染等问题，而生物脱氮技术具有处理效果好、操作管理方便、无二次污染等优点而被广大学者关注。普通的活性污泥法占地面积大，工艺流程长，需要的碱度较大，且难以使污水脱氮达标，通常脱氮去除率只有10～20％，或经工艺改进后能达到较好的TN去除率，但增加了工艺流程，使成本骤增。普通活性污泥***中生长速度慢的自养硝化菌和对氧要求苛刻的厌氧反硝化菌是脱氮效率低的主要影响因素之一。
近年来，国内外已经有文献关于一些好氧反硝化菌同时兼具硝化性能的报道，该菌种可以将NH4 +-N直接转变成气态氮从水体中直接排出，这种菌具有很高的利用价值，有助于解决传统生物脱氮工艺启动时间长，要求条件苛刻以及硝化与反硝化不能同时在一个反应器中进行等缺点。但是，目前关于好氧反硝化菌的研究主要集中在纯培养物脱氮性能上面。而实际污水处理***是一个复杂的微生物种群混合体，所以在污水处理***中保持高浓度好氧反硝化菌群并且使其长期稳定的存在，是新型低能耗生物脱氮技术在污水处理***中高效脱氮的关键。生物膜法和固定微生物法常常被人们用来保证维持污水处理***中的脱氮细菌的浓度的方法，但是价格低廉、性能良好的载体较少。而颗粒污泥作为微生物自固定化的一种形式，相比传统的微生物固定方法比如：包埋法，交联法和载体结合法具有无可比拟的优势，它不需要一些无机或有机的材料作为载体，避免了微生物活性量低的缺点，减少了运行成本。同普通的絮状污泥相比，颗粒污泥具有密度大，强度高，结构稳定，沉淀性能突出等优点。这使得采用颗粒污泥的反应器可以保持较高的生物量，因而能够承受较高浓度的污染物和有毒物质的冲击，同时能够使得水处理构筑物具有紧凑的机构，较小的占地面积。好氧颗粒污泥技术具备良好的沉降性能和较高的生物量，能克服传统活性污泥法一些固有的缺点，成为研究的新热点。
目前，对好氧颗粒污泥的培养大多数是在序批式生物反应器(SBR)运行模式下展开的研究，但是在连续流中颗粒污泥的形成机制研究较少。而中国目前污水处理运行模式以连续流居多，所以研究连续流状态下好氧颗粒污泥的快速培养方法，对推动好氧颗粒污泥技术在实际污水处理中的应用具有更重要的现实意义。而目前绝大多数研究都采用人工模拟废水作为培养好氧颗粒污泥的基质，研究其形成和脱氮除碳性能；而实际废水中有机物质范围广、种类多、成分较复杂，好氧颗粒污泥在模拟废水中表现出的生物降解能力与在实际废水中差异很大。因此以实际废水为基质，培养好氧颗粒污泥，并研究其脱氮除碳性能尤为必要。
因此，本发明采用生物强化技术，以异养硝化-好氧反硝化菌泥作为接种污泥，在单级连续流污水处理***内，富集培养好氧反硝化型颗粒物污泥，从而实现污水处理***中同步完成硝化-反硝化的脱氮过程，大大提高其脱氮效率，节约药剂成本，缩减工艺流程；为推进新型低耗好氧反硝化型颗粒物污泥技术在实际废水中的应用提供坚实的理论基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续流***好氧反硝化型颗粒污泥培养新方法。
本发明所接种的好氧反硝化脱氮产絮菌TN-14，为不动杆菌属(Acinetobactersp.)CCTCC NO.M2013247，已于2013年6月5日保藏于中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC)(武汉)，保藏号：CCTCC NO.M2013247。
一种连续流***好氧反硝化型颗粒污泥培养及脱氮新方法，其特征在于在合建式完全混合式连续流污水处理***中，培养好氧反硝化型颗粒污泥的及脱氮的新方法。
所述的在合建式完全混合式连续流污水处理***中，培养好氧反硝化型颗粒污泥的及脱氮的新方法为：采用高径比为(1.5～5)∶1的合建式完全混合反应器，分为反应区和沉淀区，二者有效体积比为(3～10)∶1。空气泵从反应器反应区底部充入空气，从反应区上方进水，沉淀区上方出水，并采用50-300％的污泥回流比。反应器内接种反应器体积的30～40％(V/V)事先预富集培养的不动杆菌属TN-14(Acinetobacter sp.TN-14)菌泥以及5-10％的普通活性污泥，加入实际生活污水，闷曝2d后改为低负荷连续进水，逐渐缩短水力停留时间来增大进水负荷，初始运行负荷需大于0.5kgCOD/m3·d，启动后每隔10～15d增大0.3～0.5kgCOD/m3·d负荷，直至颗粒污泥形成。反应器的运行负荷0.75～2.0kgCOD/m3·d。反应器运行过程中采用投加30～80mg/L Ca2+的方式来提高反应器内污泥的沉降性能。
本发明以不动杆菌属TN-14(Acinetobacter sp.TN-14)为接种污泥，以实际生活污水为基质，40天之内在连续流***内实现好氧污泥颗粒化，并且在废水平均进水COD为279.22mg/L，氨氮浓度为34.98mg/L，TN浓度为45.77mg/L，TP浓度为4.34mg/L。对废水COD、氨氮、总氮、总磷的去除率分别为82.15％、91.86％、54.24％、60.63％。COD出水浓度保持在22.18～60.35mg/L，平均浓度为48.29mg/L，达到城镇污水综合排放一级B标准60mg/L(GB18918-2002)；TN出水浓度在13.94～24.68mg/L，平均浓度为21.26mg/L，有一半的天数达到一级B排放标准。氨氮出水浓度范围为0.18～4.93mg/L，平均浓度为2.65mg/L，全部保持一级A的排放标准；TP的出水在0.55～2.49mg/L范围内，全部达到城镇排放标准中的二级排放标准，且大部分天数为一级B标准。
附图说明
图1-1a为本发明好氧颗粒污泥应用实例1中使用的完全混合式反应器示意图
图1-1b为应用实例2中使用的完全混合式反应器示意图
图1-2a为采用本方法培养的成熟颗粒污泥扫描电镜照片
图1-2b是颗粒污泥微观结构图
图1-2c是颗粒污泥能谱图
具体实施方式
一、菌源
1、异氧硝化菌剂：本专利所使用的好氧反硝化脱氮产絮菌(编号TN-14；为不动杆菌属(Acinetobacter.sp.)；
2、硝化富集培养基(g/L)
(NH4)28O40.5g，柠檬酸三钠4.08g，KH2PO41.0g，FeCl2·6H2O0.5g，CaCl2·7H2O0.2g，MgSO4·7H2O1.0g，pH6.0～7.5。
3、LB液体培养基(g/L)
蛋白胨10g，酵母膏5g，NaCl10g，pH7.0。
4、主要实验仪器和设备
恒温振荡器，
生物培养箱，
压力蒸汽灭菌器，
722S分光光度计，
光学显微镜，
pH计，
超净工作台，
鼓风干燥箱，
PCR仪，
电子显微镜
二、菌株的鉴定
1、DNA提取
将不动杆菌属TN-14(Acinetobacter sp.TN-14)接种于LB液体培养基中过夜培养18～24h，取适量细菌悬液采用TIANamp Bacteria细菌基因组DNA提取试剂盒提取细菌DNA，提取出的DNA即可用于下游的分子生物学实验或冷冻保存于冰箱中备用。扩增引物选用一对通用引物27f和1492r。
27f 5'-AGAGTTTGATCATGGCTCAG-3’
1492r 5'-TACGGTTACCTTGTTACGACTT-3’
反应体系为50μL，加入1μL模板DNA(0.1μg)，1μL P1和P2(终浓度为0.5μM)，1μLdNTP(每种NTP0.2mM)，12.5μL2×Taq PCR Mastermix和34.5μL ddH2O。PCR扩增程序：94℃预变性5min，94℃变性30s，56℃退火30s，72℃延伸2min，经30个循环后72℃延伸10min，4℃终止扩增反应。用1.0％琼脂糖凝胶电泳对PCR扩增产物进行检测。
(3)16S rDNA测序
将TN-14的16S rDNA的扩增产物进行序列测序。采用BLAST，将获得的16S rDNA片段序列。
三、接种污泥的富集
挑取不动杆菌属TN-14(Acinetobacter sp.TN-14)单菌落，于异养硝化培养基中活化培养20～24h，然后取其活化液，按照1～5％(V/V)的比例分别接种到异氧硝化培养基，30℃，160～220rpm下培养12～24h后，加入30～80mg/L Ca2+搅拌5～10min后，放置20～30min后，倒去上清液，继续增添富集培养基培养，反复3～5次。
四、连续流***好氧反硝化颗粒污泥的培养
先组建一合建式连续流反应装置(图1-1a)，高径比为(1.5～5)∶1的合建式完全混合反应器，分为反应区和沉淀区，二者有效体积比为(3～10)∶1。空气泵从反应器反应区底部充入空气，从反应区上方进水，沉淀区上方出水，并采用50～300％的污泥回流比。接种反应器体积的30～40％(V/V)事先预富集培养的不动杆菌属TN-14(Acinetobacter sp.TN-14)以及5～10％的普通活性污泥，加入实际生活污水，闷曝2d，后改为低负荷连续进水，逐渐缩短水力停留时间来增大进水负荷，初始运行负荷需大于0.5kgCOD/m3·d，启动后每隔10～15d增大0.3～0.5kgCOD/m3·d负荷，直至颗粒污泥形成。反应器的运行负荷为0.75～2.0kgCOD/m3·d。(反应器运行过程中采用外加30～80mg/L Ca2+的方式来提高反应器内污泥的沉降性能，40天内可形成黄褐色、形状规则、粒径在0.5～2mm之间的成熟颗粒污泥(图1-2a)；在颗粒外表层含有大量的空隙和通道以及缠绕的胞外聚合物(图1-2b)，Ca元素在颗粒内部沉积(图1-2c)，Ca形成的无机化合物作为初核促使颗粒污泥的形成。
该发明最大的特点在于：(1)本发明中产絮脱氮菌泥TN-14净化污水的过程中，能产生大量的胞外分泌物EPS，和外加的Ca2+形成“吸附架桥”，减少污泥表面的负电荷，能使污泥更容易在短时间吸附凝聚，增加反应器内污泥的沉降性能，有利于污泥快速颗粒化；(2)Ca2+在水体中可直接与污泥凝结，作为颗粒污泥的成核物质，形成微生物聚集体初核，联合菌泥产生的胞外分泌物的缠绕形成的骨架下微生物生长繁殖，使初核慢慢演变成小颗粒。在进水基质较低的生活污水中，丝状菌较为活跃，为颗粒污泥的进一步增大也提供了条件。(3)接种的菌泥为好氧反硝化脱氮菌剂，该技术对污水的脱氮效果优于传统活性污泥。
五、应用实例
应用实例1：
以合建式CSTR装置处理实际生活污水([COD]＝250～400mg/L；[NH4 +-N]＝25～55mg/L，[TN]＝30-60mg/L，[TP]＝3.0～8.0mg/L，pH＝6.5-7.0)，反应器高0.45m，边长0.12m，总有效容积为4.3L。设置了曝气区和沉淀区，中间用隔板隔开，并设置了污泥回流缝，反应区与沉淀区的体积比为3.9。空气压缩机从反应器底部通过砂芯曝气头鼓风曝气，提供曝气和剪切力，并用空气流量计控制气体流量；反应器为连续进水操作方式，由蠕动泵控制进水流量调节水力停留时间，并从反应器曝气区上方进水，出水由沉淀区上部溢流出水口排出。反应区运行温度为25-30℃，曝气量控制在500mL/min，初始接种污泥浓度为3700mg/L左右，污泥沉降性能为80mL/g，容积负荷为0.9～1.05kgCOD/m3·d，水力停留时间HRT12h。第40d内形成好氧颗粒污泥，粒径在600um的颗粒污泥占总污泥浓度的50％以上。反应器的COD出水浓度基本保持在50mg/L以下，对COD平均去除率达到82.68％；出水氨氮浓度平均为3.09mg/L，对氨氮的平均去除率为90.34％；反应器的TN平均浓度为40.94mg/L，对其平均去除率为49.86％；当进水TP平均浓度为5.38mg/L时，反应器平均出水浓度为2.62mg/L，平均去除率分比为57.16％。
应用实例2：
合建式CSTR反应器，反应器高0.2m，边长0.1m，反应器有效体积为1.8L，沉淀区0.3L。反应器运行温度为20～30℃，曝气量为400～600mL/min，反应器内污泥浓度为3500-4000mg/L。采用实际生活污水连续进水运行，[COD]＝250～400mg/L；[NH4 +-N]＝25～55mg/L，[TN]＝30～60mg/L，[TP]＝3.0-8.0mg/L。初始运行HRT＝14h，5d后缩短为12h，10d后继续缩短为9.2h，持续运行。在第35d形成了颗粒污泥，反应器内粒径500um以上的颗粒污泥占总污泥的55％以上。且反应器出水COD、氨氮、TN、TP分别为20～50mg/L、0.55～3mg/L、15～22mg/L、0.6～2mg/L；COD以及氨氮可满足城市污水排放一级A标准，TN、TP大部分天数水质满足城市一级排放标准。

Claims (2)

1.连续流***培养好氧反硝化型颗粒污泥的方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立合建式完全混合反应器，包括有效体积比为3-10∶1的反应区和沉淀区，空气泵从反应区底部冲入流量为300-600ml/min的空气，从反应区上方进水，沉淀区下方出水，采用50-300％的污泥回流比；
在所述合建式完全混合反应器中接种异氧硝化菌剂以及普通活性污泥后，加入实际生活污水，经曝气和低负荷连续进水后，得到好氧颗粒污泥；
其中，所述异氧硝化菌剂为不动杆菌属TN-14(Acinetobacter sp.TN-14)菌泥，保藏号是CCTCC NO.M2013247，于2013年6月5日保藏于中国典型培养物保藏中心；
其中，所述合建式完全混合反应器的高径比为1.5-5∶1；
其中，所述在合建式完全混合反应器中接种异氧硝化菌剂以及普通活性污泥包括：接种反应器体积的30～40％(V/V)事先预富集培养的不动杆菌属TN-14(Acinetobactersp.TN-14)菌泥以及5～10％的普通活性污泥；加入实际生活污水，闷曝2d，后改为低负荷连续进水，逐渐缩短水力停留时间来增大进水负荷，初始运行负荷需大于0.5kgCOD/m3·d，启动后每隔10～15d增大0.3～0.5kgCOD/m3·d负荷，直至颗粒污泥形成；反应器的运行负荷为0.75～2.0kgCOD/m3·d；反应器启动和运行过程中采用投加30～80mg/L Ca2+的方式来提高反应器内污泥的沉降性能。
2.一种如权利要求1所述的方法，在40d内可培养出好氧颗粒污泥，其特征在于：好氧颗粒污泥呈黄褐色球形或椭圆形、粒径在0.5～2mm、内部有空隙、缠绕大量胞外聚合物、Ca元素在颗粒内部沉积，作为初核促使颗粒污泥的形成。
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