CN106348440B - 一种测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法 - Google Patents

一种测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法，包括如下步骤：反应器的构建、接种污泥、反应器运行、脱氮贡献率及活性计算方法，通过设置限氧实验与厌氧实验，分别测定实际运行的反应器中自养反硝化和厌氧氨氧化细菌的脱氮贡献率以及其在厌氧条件下的活性。本发明所提供的测量方法简便、快捷，不仅适用于自养脱氮***，也能推广应用到其他污水处理***。

Description

一种测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法
技术领域
本发明涉及污水生物脱技术领域，具体涉及一种测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法。
背景技术
随着水体富营养化的日趋严重，污水排放标准、氮素限值的日趋严格，水中氮素的去除已成为当今水污染防治的热点问题之一。生物脱氮是从废水中去除氮素污染的最为经济有效的方法，可实现真正意义的氮去除。目前，传统生物脱氮工艺仍是主要的废水生物脱氮处理技术，但存在着硝化速率低、工艺复杂、脱氮效率低等缺点。结合短程硝化和厌氧氨氧化的全自养脱氮(CANON)工艺与传统的硝化反硝化工艺相比，理论上可节省62.5％的硝化需氧量和100％的反硝化需COD量，在处理高氨氮、低COD废水方面具有良好的应用前景。全程自养脱氮工艺中主要的菌群包括好氧氨氧化细菌(AOB)、厌氧氨氧化细菌(AAOB)、硝酸盐氧化菌(NOB)以及反硝化细菌(DNF)，其高效的运行依赖于功能菌群稳定的活性以及它们之间良好的基质分配。目前由于该工艺菌群结构复杂、运行不稳定，启动时间较长等问题，阻碍了其进一步的应用。
随着人们对全程自养脱氮工艺微生物分布以及菌群活性认识的加深，将有助于解决这些问题。AAOB利用NH4 +-N和NO2 --N生成氮气，是全程自养脱氮工艺中最主要的脱氮细菌。但在实际运行过程中，由于内源反硝化现象的存在，DNF所起的脱氮作用也不可忽略。因此研究全程自养脱氮***中菌群的脱氮贡献率，对于该工艺的应用及推广具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法，脱氮贡献率的计算方法能够快速有效地分别测定反硝化细菌及厌氧氨氧化细菌的脱氮贡献率，活性的计算方法方法简便、快捷，不仅适用于自养脱氮***，也能推广应用到其他污水处理***。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法，包括如下步骤：
1)反应器的构建：实验采用SBR反应器来运行；
2)接种污泥：以单级自养脱氮***中污泥作为反应器的种泥，污泥浓度为3-4g/L；
3)反应器运行：反应器进水采用人工模拟配水，设置限氧试验和厌氧试验；
4)脱氮贡献率及活性计算方法：反应器内存在的主要脱氮细菌包括厌氧氨氧化细菌(AAOB)和反硝化细菌(DNF)，计算脱氮贡献率时只考虑厌氧氨氧化作用及反硝化作用；
菌群脱氮贡献率通过限氧试验结果来计算，所述限氧试验包括A、B、C、D四组，通过模拟全程自养脱氮工艺，以测量脱氮功能菌真实的贡献率：A组表示功能菌实际总的脱氮量，B组加入甲醇后，能够完全抑制AAOB活性，此时认为只有DNF起脱氮作用，C、D组用于反映甲醇对DNF的影响，DNF脱氮量计算时需减去C、D组脱氮量的差值，AAOB的脱氮量则是总脱氮量与反硝化脱氮量的差值；
自养反硝化及厌氧氨氧化活性通过厌氧试验结果来计算，所述厌氧试验包括E、F、G、H四组，G组表示反应器内自养反硝化的活性，厌氧氨氧化的活性通过总脱氮量与反硝化脱氮量的差值所确定。
根据以上方案，所述SBR反应器内设有溶氧监测探头、微孔曝气装置。
根据以上方案，所述反应器进水的磷酸盐质量浓度为2-4mg/L，pH值为7.8-8.2，运行时间为4-6h。
根据以上方案，所述限氧试验的设置为：A组进水氨氮浓度为100mgN/L，B组进水氨氮浓度为100mgN/L、10mM甲醇，C组进水亚硝氮浓度为65mgN/L，D组进水亚硝氮浓度为65mgN/L，10mM甲醇。
根据以上方案，所述厌氧试验的设置为：E组进水氨氮浓度为50mgN/L，亚硝氮浓度为65mgN/L，F组进水氨氮浓度为50mgN/L、亚硝氮浓度为65mgN/L、10mM甲醇，G组进水亚硝氮浓度为65mgN/L，H组进水亚硝氮浓度为65mgN/L、10mM甲醇。
根据以上方案，所述菌群脱氮贡献率的计算公式为：
式中：TNx表示某组反应开始和结束时总氮的差值(mg)，其中x代表A、B、C、D、E、F、G，
分别表示反应开始时NH4 +、NO2 -、NO3 -的质量(mg)，
分别表示反应结束时NH4 +、NO2 -、NO3 -的质量(mg)；
QDNF、QAAOB分别表示DNF及AAOB的脱氮贡献率(％)，
TNA、TNB、TNC、TND分别表示A、B、C、D组总氮的差值(mg)；
所述自养反硝化及厌氧氨氧化活性的计算公式为：
式中：QA-DNF、QAAOB分别表示自养反硝化及厌氧氨氧化活性(kgN·m-3·d-1)，TNE、TNF、TNG、TNH分别表示E、F、G、H组总氮的差值(mg)，T、V分别表示反应时间和反应器体积。
本发明的有益效果是：
1)本发明所提供的脱氮贡献率的计算方法能够快速有效地测定反硝化细菌及厌氧氨氧化细菌的脱氮贡献率，有助于分析污水处理***内各功能菌的作用；
2)本发明所提出的自养反硝化及厌氧氨氧化活性的计算方法简便、快捷，不仅适用于自养脱氮***，也能推广应用到其他污水处理***；
3)本发明所采用的SBR反应器运行简单，具有良好的密闭性，能够构建良好的厌氧环境；
4)本发明中所使用的药剂价格便宜，实验成本低。
附图说明
图1是本发明功能菌脱氮贡献率及活性数据图；
图2是本发明采用的SBR反应器的结构示意图；
图3是本发明实施例1中氮素变化速率图；
图4是本发明实施例2中氮素变化速率图。
图中：DNF1、AAOB1、DNF2、AAOB2分别表示实施例1、2中的DNF及AAOB；
1、电机；2、水浴层出水口；3、水浴层；4、溶解氧在线监测探头；5、曝气盘；6、搅拌桨；7、水浴层出水口；8、空气泵。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
实施例1，见图1至图3：
本发明提供测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法，包括如下步骤：
1)反应器的构建：采用SBR反应器，每个反应器有效体积为0.5L，且内置溶氧监测探头和微孔曝气装置，进气量由转子流量计进行控制包括电机1、水浴层出水口2、水浴层3、溶解氧在线监测探头4、曝气盘5、搅拌桨6、水浴层出水口7、空气泵8(附图2)；
2)接种污泥：反应器接种污泥来自高温、高氨氮条件培养的全程自养脱氮絮状污泥，絮状污泥浓度为2.1g/L；
3)反应器运行：反应器进水采用人工模拟配水，控制进水磷酸盐质量浓度为3mg/L，pH为7.8-8.2，运行4h，同时添加1mL微量元素；
4)脱氮贡献率及活性计算方法：
设置限氧实验和厌氧实验，限氧试验控制溶解氧浓度为0.45-0.50mg/L，根据进水成分及浓度不同分为4组，分别为：A组进水氨氮浓度为100mgN/L，B组进水氨氮浓度为100mgN/L、10mM甲醇，C组进水亚硝氮浓度为65mgN/L，D组进水亚硝氮浓度为65mgN/L，10mM甲醇；
厌氧试验进水先曝氮气，共设置4组，分别为：E组进水氨氮浓度为50mgN/L，亚硝氮浓度为65mgN/L，F组进水氨氮浓度为50mgN/L、亚硝氮浓度为65mgN/L、10mM甲醇，G组进水亚硝氮浓度为65mgN/L，H组进水亚硝氮浓度为65mgN/L、10mM甲醇。
絮状污泥在限氧条件下(实验A)的氨氮变化率为23.94mgN·L-1·d-1，总氮变化率为23.88mgN·L-1·d-1，反应过程中亚硝态氮出现先积累随后快速消耗的趋势，总氮去除率为89.70％；为实验A总氮去除率的28.1％；添加10mM的甲醇抑制时(实验B)，总氮去除速率为2.22mgN·L-1·d-1，亚硝态氮积累速率为18.87mgN·L-1·d-1，总氮去除率为9.34％，仅为实验A总氮去除率的10.4％。限氧实验中，仅含亚硝态氮的试验中(实验C、D)，曝气条件下有5％-6％的总氮去除率，加入甲醇的实验D组脱氮速率大于C组。此时污泥中DNF和AAOB的脱氮贡献率分别为8.79％和91.21％；
厌氧实验中，不添加甲醇抑制剂时(实验E)，启动过程中絮状污泥的总氮变化速率为22.03mgN·L-1·d-1，总脱氮率为79.59％；添加甲醇抑制剂后(实验F)，总氮去除率为15.29％。在仅含亚硝态氮的厌氧实验中(实验G、H)，其总脱氮率分别为10.10％和12.14％，因为进水中有少量的氨氮，去除厌氧氨氧化作用所需的氨氮和亚硝态量，不添加甲醇的实验中(实验G)有6.48％的反硝化脱氮量，添加甲醇的试验中(实验H)，反硝化脱氮量大约为7.59％；与实验G结果比较，可知厌氧条件下有约1.11％的异养反硝化脱氮的存在。通过计算得到自养反硝化及厌氧氨氧化的活性分别为0.19kgN·m-3·d-1、0.88kgN·m-3·d-1。
本实施例的功能菌脱氮贡献率及活性数据、氮素变化速率分别见图1与图3。
实施例2，见图1、图2、图4：
本实施例的方法与实施例1所采用方法相同，不同之处在于：接种污泥来自高温、高氨氮条件培养的全程自养脱氮颗粒污泥，颗粒污泥浓度为3.8g/L；溶解氧浓度控制在0.40-0.45mg/L之间。
通过批式实验，颗粒污泥在限氧条件下(实验A)，氨氮变化率为20.30mgN·L-1·d-1，总氮变化率为20.28mgN·L-1·d-1，反应过程中亚硝态氮出现先少量积累随后快速消耗的趋势，总氮去除率为83.20％；添加10mM的甲醇抑制时(实验B)，出现更多的亚硝态氮积累，总氮去除速率为42.66mgN·L-1·d-1，总氮去除率为9.74％，仅A组实验A中11.7％。进水只含亚硝态氮的实验中(实验D、E)，限氧条件下仅有3％左右的脱氮量，添加甲醇后去除率并未出现明显改变，推测限氧条件下颗粒污泥中不存在异养反硝化反应，3％的脱氮率完全是由自养反硝化菌完成的。因此，在限氧条件反硝化及厌氧氨氧化脱氮贡献率分别为10.20％和89.80％。
厌氧实验中，实验E条件下，颗粒污泥的总氮变化速率为24.51mgN·L-1·d-1，总氮去除率为87.62％；添加甲醇抑制剂后(实验F)，颗粒污泥的总氮变化速率降为4.3mgN·L-1·d-1，总氮去除率为16.69％，为实验F总氮去除率的19.05％。仅含亚硝态氮的缺氧实验中(实验G、H)，添加甲醇后的G组和H组总氮去除率并未发生变化，几乎没有异养反硝化作用，所得到自养反硝化的活性为0.20kgN·m-3·d-1和0.98kgN·m-3·d-1。
本实施例的功能菌脱氮贡献率及活性数据、氮素变化速率分别见图1与图4。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (3)

1.一种测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）反应器的构建：实验采用SBR反应器来运行；
2）接种污泥：以单级自养脱氮***中污泥作为反应器的种泥，污泥浓度为3-4g/L；
3）反应器运行：反应器进水采用人工模拟配水，设置限氧试验和厌氧试验；
4）脱氮贡献率及活性计算方法：反应器内存在的主要脱氮细菌包括AAOB和DNF，计算脱氮贡献率时只考虑厌氧氨氧化作用及反硝化作用；
菌群脱氮贡献率通过限氧试验结果来计算，所述限氧试验包括A、B、C、D四组，通过模拟全程自养脱氮工艺，以测量脱氮功能菌真实的贡献率：A组表示功能菌实际总的脱氮量，B组加入甲醇后，能够完全抑制AAOB活性，此时认为只有DNF起脱氮作用，C、D组用于反映甲醇对DNF的影响，DNF脱氮量计算时需减去C、D组脱氮量的差值，AAOB的脱氮量则是总脱氮量与反硝化脱氮量的差值；
自养反硝化及厌氧氨氧化活性通过厌氧试验结果来计算，所述厌氧试验包括E、F、G、H四组，G组表示反应器内自养反硝化的活性，厌氧氨氧化的活性通过总脱氮量与反硝化脱氮量的差值所确定；
所述限氧试验的设置为：A组进水氨氮浓度为100mgN/L，B组进水氨氮浓度为100mgN/L、10mM甲醇，C组进水亚硝氮浓度为65mgN/L，D组进水亚硝氮浓度为65mgN/L，10mM甲醇；
所述厌氧试验的设置为：E组进水氨氮浓度为50mgN/L，亚硝氮浓度为65mgN/L，F组进水氨氮浓度为50mgN/L、亚硝氮浓度为65mgN/L、10mM甲醇，G组进水亚硝氮浓度为65mgN/L，H组进水亚硝氮浓度为65mgN/L、10mM甲醇；
所述菌群脱氮贡献率的计算公式为：
式中：TN x 表示某组反应开始和结束时总氮的差值，单位为mg，其中x代表A、B、C、D、E、F、G；、、分别表示反应开始时NH4 +、NO2 -、NO3 -的质量，单位为mg；、、分别表示反应结束时NH4 +、NO2 -、NO3 -的质量，单位为mg；
QDNF、QAAOB分别表示DNF及AAOB的脱氮贡献率，单位为%；TNA、TNB、TNC、TND分别表示A、B、C、D组总氮的差值，单位为mg；
所述自养反硝化及厌氧氨氧化活性的计算公式为：
式中：QA-DNF表示自养反硝化活性，单位为kgN·m-3·d-1，厌氧氨氧化活性的单位为kgN·m-3·d-1；TNE、TNF、TNG、TNH分别表示E、F、G、H组总氮的差值，单位为mg；T、V分别表示反应时间和反应器体积。
2.根据权利要求1所述的测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法，其特征在于，所述SBR反应器内产设有溶氧监测探头、微孔曝气装置。
3.根据权利要求1所述的测定全程自养脱氮工艺菌群脱氮贡献率及活性的方法，其特征在于，所述反应器进水的磷酸盐质量浓度为2-4mg/L，pH值为7.8-8.2，运行时间为4-6h。
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