CN111410303B - 反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥快速形成方法 - Google Patents

Abstract

一种反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥的快速形成方法，以厌氧氨氧化颗粒污泥快速吸附絮状的反硝化厌氧甲烷氧化微生物，并投加3‑oxo‑C6‑HSL和DPD，促进厌氧甲烷氧化微生物在厌氧氨氧化颗粒污泥表面的定植，之后通过连续流培养，保证充足的溶解性CH₄存在，采用高浓度的氨氮和硝酸盐浓度，强化反硝化厌氧甲烷氧化微生物的快速生长和代谢活性，并投加3‑oxo‑C6‑HSL、C6‑HSL、C12‑HSL和DPD强化厌氧甲烷氧化古菌和细菌的快速增长，投加Ca²⁺和Sr²⁺混合离子强化厌氧甲烷氧化古菌的第二信使的作用，促进厌氧甲烷氧化古菌快速生长和成膜，强化耦合颗粒的稳定性和颗粒强度，从而促进耦合颗粒的快速形成。

Description

反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥快速形成 方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥的快速形成方法。

背景技术

随着人们生产生活的发展，产生了大量的含氮废水，如不处理直接排放将会对环境产生严重危害。含氮物质不仅会引起水体富营养化，严重破坏水生生态***；进入地下水后，NO₃ ^-或NO₂ ^-过量摄入后还会引起“蓝婴病”。现有脱氮技术主要有物理法、化学法和生物法三种，生物法与前两种方法相比，生物脱氮技术具有条件温和、处理成本低、脱氮效率高等优点而倍受人们青睐。

在众多的生物脱氮技术中，厌氧氨氧化技术因无需曝气、不用投加有机物、剩余污泥产量少等优点被誉为目前最为经济的脱氮技术之一。该技术能够在厌氧条件下同时将亚硝酸盐和氨氮转化为N₂，具有运行成本低、经济高效、无二次污染物等优点。然而根据厌氧氨氧化的反应机理，厌氧氨氧化反应会将21％的亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮，使得理论上总氮脱除率仅为80％左右；实际应用时，由于进水亚硝酸盐和氨氮的比例不理想，总氮脱除率仅能维持在70％左右。

近年来发现的反硝化厌氧甲烷氧化微生物，包括反硝化厌氧甲烷氧化古菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌两大类；其中，反硝化厌氧甲烷氧化古菌能够以CH₄为电子供体，将硝酸盐转化为亚硝酸盐；而反硝化厌氧甲烷氧化细菌能够以CH₄为电子供体将亚硝酸盐转化为氮气。反硝化厌氧甲烷氧化微生物与厌氧氨氧化菌耦合协同作用，不仅能够有效转化厌氧氨氧化反应生成的硝酸盐氮，提高其总氮脱除率；反硝化厌氧甲烷氧化细菌还能有效去除进水中的亚硝酸盐氮，调节进水氨氮和亚硝酸盐氮的比例，促进厌氧氨氧化作用；与此同时，反硝化厌氧甲烷氧化微生物还能够去除进水中的溶解性CH₄，起到同步脱除温室气体甲烷和含氮污染物的作用。

然而，反硝化厌氧甲烷氧化古菌、反硝化厌氧甲烷氧化细菌和厌氧氨氧化菌均为自养菌，存在生长缓慢、倍增时间长等缺点；现有研究中的反硝化厌氧甲烷氧化微生物和厌氧氨氧化菌的协同作用状态大都以絮状污泥形式存在，沉降效果差、功能微生物易流失。与之相比，颗粒污泥的存在形式具有污泥浓度高、沉降快、稳定性高等优点，该种形式的反硝化厌氧甲烷氧化微生物与厌氧氨氧化菌的协同作用将具有更大的应用潜力。

谢国俊等人在专利201711472212.X中提出一种新型膜曝气厌氧颗粒污泥反应器及其高效脱氮与温室气体减排方法，解决了气体物质在水溶液中的溶解度很低，气液传质阻力大且传质速率低的问题。该方法以经过富集培养的含有反硝化厌氧甲烷氧化细菌、反硝化厌氧甲烷氧化古细菌以及厌氧氨氧化功能微生物的絮状污泥和厌氧颗粒污泥为接种污泥，通过新型膜曝气厌氧颗粒污泥反应器运行100天后形成富含反硝化厌氧甲烷氧化菌和厌氧氨氧化菌的颗粒污泥，颗粒污泥为圆形或椭球形，粒径在500-1000um。

CN101058463A公开了一种实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法，在膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器中接种具有甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性的颗粒污泥，在曝气生物滤池(BAF)或SHARON工艺或SBR反应器中接种好氧氨氧化菌，将膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器与曝气生物滤池(BAF)或SHARON工艺或SBR反应器相连接，通过合理控制pH值、温度、溶解氧、外回流比、负荷速率、氧化还原电位以及有机物COD浓度、氨氮浓度，成功实现了厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理。该技术可在高容积负荷速率下同步去除有机物COD和无机物氨组分，同时节约相当部分的能源和有机碳源消耗，可以应用于一般城市污水以及工业废水的生物处理。

发明内容

基于此，本发明提出一种反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥的快速形成方法，该方法不仅能够大大缩短反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥培养时间，还能有效解决现有反硝化厌氧甲烷氧化微生物与厌氧氨氧化菌耦合技术中还存在的污泥沉降效果差、功能微生物易流失等问题。

基于本发明的一个方面，公开了一种反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥的快速形成方法，包括以下步骤：(1)采用升流式厌氧污泥床反应器，以经过富集培养的含有反硝化厌氧甲烷氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化古菌的絮状污泥、以及厌氧氨氧化颗粒污泥所构成的混合污泥为接种物，控制温度25-35℃，反应器上升流速在3-5m/h，间歇投加硝酸盐浓缩液、亚硝酸盐浓缩液和氨氮浓缩液培养，并保证体系内的亚硝酸盐浓度维持在20mgN/L以下，氨氮和硝酸盐浓度均在100mgN/L以下；间歇曝CH₄气体，保证体系内溶解性甲烷浓度在10mg/L以上；同时投加1-5μmol/L的3-oxo-C6-HSL(N-3-氧-己酰高丝氨酸内酯)和10-50ng/L的DPD(4,5-二羟基-2,3-戊二酮)，以促进反硝化厌氧甲烷氧化微生物在厌氧氨氧化颗粒污泥表面的定植；间歇培养3-14天后进入步骤(2)；(2)连续流进水，进水中包含溶解性CH₄、硝酸盐和氨氮，所述CH₄的浓度为15～20mg/L,硝酸盐浓度保持在100-800mgN/L,氨氮浓度为100-800mgN/L，水利停留时间保持在4h-24h，投加浓度分别为2-5μmol/L的3-oxo-C6-HSL(N-3-氧-己酰高丝氨酸内酯)、C6-HSL(N-己酰基-L-高丝氨酸内酯)和C12-HSL(N-十二烷酰基-L-高丝氨酸内酯)，以及20-100ng/L的DPD，同时投加Ca²⁺和Sr²⁺的混合离子，二者摩尔比为1:1-2:1，浓度为2-5μmol/L，以提高反硝化厌氧甲烷古菌活性，促进其快速增长和成膜，促进耦合颗粒污泥快速形成，继续培养30-90天完成耦合颗粒污泥培养。

步骤(1)中所述间歇投加硝酸盐浓缩液、亚硝酸盐浓缩液和氨氮浓缩液培养是按照以下步骤进行：当体系内亚硝酸盐浓度在5mg/L以下，硝酸盐和氨氮浓度低于10mg/L时，分别采用注射器脉冲注入亚硝酸盐浓缩液、硝酸盐浓缩液和氨氮浓缩液。

步骤(1)中所述的，经过富集培养的含有反硝化厌氧甲烷氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化古菌的絮状污泥、以及厌氧氨氧化颗粒污泥的质量比为1:1-5:1-3；

步骤(1)中反应器上升流速优选为2.5-3.0，更优选为2.8；

步骤(2)中C3-oxo-C6-HSL、C6-HSL、C12-HSL和DPD浓度优选为3-4μmol/L,2-3μmol/L，3-4μmol/L和40-60ng/L，更优选为3.5μmol/L，2.5μmol/L，3.5μmol/L和50ng/L；

步骤(2)中Ca²⁺和Sr²⁺的混合离子的优选的投加方式为连续流启动初期按照Ca²⁺和Sr²⁺摩尔比为1:1.5-3，待EPS增加量达到40％，更改为Ca²⁺和Sr²⁺摩尔比为1:0.5-1.5。

本发明的另一个方面，公开了一种利用所述反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥的快速形成方法培养的颗粒污泥，所述颗粒污泥的粒径为0.4～2.0mm；颗粒为圆形或椭球形，颗粒表面分布有胞外聚合物；反硝化厌氧甲烷古菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌位于颗粒污泥外部，厌氧氨氧化菌位于颗粒污泥内部。

主要的反硝化厌氧甲烷氧化古菌为Candidatus Methanoperedens；主要的反硝化厌氧甲烷氧化细菌为Candidatus Methylomirabilis；主要的厌氧氨氧化菌为CandidatusBrocadia；

颗粒污泥最终硝酸盐消耗速率为50-150mgN/L/d；氨氮的消耗速率为200-1000mgN/L/d；脱氮负荷达500-2000mgN/L/d；所述颗粒污泥在反应器中的浓度为5-50gVSS/L。

本发明采用将反硝化厌氧甲烷氧化微生物所构成的活性污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥的混合污泥为接种物，同时间歇培养，利用厌氧氨氧化菌对反硝化厌氧甲烷氧化微生物的生态兼容性，快速吸附反硝化厌氧甲烷氧化微生物，避免功能性微生物的流失；投加反硝化厌氧甲烷氧化古菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌的信号分子3-oxo-C6-HSL和DPD，促进厌氧甲烷氧化微生物在厌氧氨氧化颗粒污泥表面的定植，以此形成初步的耦合颗粒污泥雏形；连续流运行时，在保证充足的溶解性CH₄时，采用高的氨氮和硝酸盐浓度，强化反硝化厌氧甲烷氧化古细菌的快速生长和代谢活性；投加信号分子3-oxo-C6-HSL、C6-HSL、C12-HSL和DPD，强化厌氧甲烷氧化古菌快速增长；同时投加Ca²⁺和Sr²⁺混合离子，强化厌氧甲烷氧化古菌的第二信使的作用，促进厌氧甲烷氧化古菌快速生长和成膜；Ca²⁺和Sr²⁺的投加还能促进EPS的产生，强化耦合颗粒的稳定性和颗粒强度，从而促进耦合颗粒的快速形成。

本发明的有益技术效果：本发明能够快速形成耦合颗粒污泥，耦合颗粒污泥雏形形成时间仅需7天左右，成熟耦合颗粒污泥形成时间仅需50天左右；所得耦合颗粒污泥稳定性强，污泥浓度高，耦合颗粒污泥处理效果好，最终硝酸盐和氨氮的消耗速率都达到了较高的水平，脱氮负荷最高可达1250mgN/L/d；颗粒粒径适中且分布均匀；耦合颗粒污泥还可以充分利用污水处理厂中产生的甲烷气体，可以同步脱除温室气体甲烷和含氮污染物。

附图说明

图1为实施例八所培养的耦合颗粒污泥光学摄影图；

图2为实施例八所培养的耦合颗粒污泥光学显微摄影图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括具体实施方式间的任意组合。

实施例1

反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥的快速形成方法，按照以下方法进行：(1)采用升流式厌氧污泥床反应器，以经过富集培养的含有反硝化厌氧甲烷氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化古菌絮状污泥，以及厌氧氨氧化颗粒污泥所构成的混合污泥为接种物，控制温度30℃左右，反应器上升流速在3-5m/h，间歇投加硝酸盐浓缩液、亚硝酸盐浓缩液和氨氮浓缩液培养，并保证体系内的亚硝酸盐浓度维持在20mgN/L以下，氨氮和硝酸盐浓度均在100mgN/L以下；采用曝气头间歇曝CH₄气体，保证体系内溶解性甲烷浓度在10mg/L以上；同时投加2μmol/L的3-oxo-C6-HSL和20ng/L的DPD，以促进厌氧甲烷氧化微生物在厌氧氨氧化颗粒污泥表面的定植；间歇培养7天后结束；(2)连续流进水，进水溶解性CH₄浓度为15-20mg/L,硝酸盐浓度保持在530mgN/L，氨氮浓度为500mgN/L，水利停留时间保持在4h-24h，投加浓度分别为2-5μmol/L的3-oxo-C6-HSL、C6-HSL和C12-HSL，以及20-100ng/L的DPD，同时投加Ca²⁺和Sr²⁺的混合离子，二者摩尔比为1:1-2:1，浓度为2-5μmol/L，以提高反硝化厌氧甲烷古菌活性，促进其快速增长和成膜，促进耦合颗粒污泥快速形成，继续培养50天完成耦合颗粒污泥培养。

实施例2

本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中反应器上升流速为3.5m/h，步骤二中C3-oxo-C6-HSL、C6-HSL、C12-HSL和DPD浓度为3.5μmol/L,2.5μmol/L，3.5μmol/L和40ng/L。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施例3

本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中Ca²⁺和Sr²⁺的混合离子的投加方式为连续流启动初期按照Ca²⁺和Sr²⁺摩尔比为1:2，待EPS增加量达到40％，更改为Ca²⁺和Sr²⁺摩尔比为1:1。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施例4

本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中体系内的亚硝酸盐浓度维持在10mgN/L，氨氮和硝酸盐浓度均在100mgN/L；步骤二中体系内溶解性CH₄浓度为18mg/L，氨氮和硝酸盐浓度均为700mgN/L。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施例5

步骤一中反应器上升流速为3.8m/h，步骤二中C3-oxo-C6-HSL、C6-HSL、C12-HSL和DPD浓度为3.8μmol/L,2.8μmol/L，3.5μmol/L和60ng/L。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施例6

步骤一中体系内的亚硝酸盐浓度维持在15mgN/L，氨氮和硝酸盐浓度均在80mgN/L；步骤二中体系内溶解性CH₄浓度为19mg/L。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施例7

步骤一中体系内的亚硝酸盐浓度维持在14mgN/L；步骤二中体系内氨氮和硝酸盐浓度均为800mgN/L。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施例8

反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥的快速形成方法包括以下步骤：(1)采用升流式厌氧污泥床反应器，以经过富集培养的含有反硝化厌氧甲烷氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化古菌絮状污泥，以及厌氧氨氧化颗粒污泥所构成的混合污泥为接种物，控制温度30℃左右，反应器上升流速在4m/h，间歇投加硝酸盐浓缩液、亚硝酸盐浓缩液和氨氮浓缩液培养，并保证体系内的亚硝酸盐浓度维持在18mgN/L，氨氮和硝酸盐浓度均在90mgN/L；间歇曝CH₄气体，保证体系内溶解性甲烷浓度在10mg/L；同时投加2μmol/L的3-oxo-C6-HSL和20ng/L的DPD，以促进反硝化厌氧甲烷氧化微生物在厌氧氨氧化颗粒污泥表面的定植，间歇培养7天后结束；(2)连续流进水，进水溶解性CH₄浓度为17mg/L,硝酸盐浓度保持在530mgN/L,氨氮浓度为500mgN/L，水利停留时间保持在12h，投加浓度分别为3.5μmol/L的3-oxo-C6-HSL、C6-HSL和C12-HSL，以及40ng/L的DPD，同时投加Ca²⁺和Sr²⁺的混合离子，二者摩尔比为2:1，浓度分别为4μmol/L和2μmol/L，以提高反硝化厌氧甲烷古菌活性，促进其快速增长和成膜，促进耦合颗粒污泥快速形成，继续培养50天完成耦合颗粒污泥培养。

培养50天后，颗粒污泥浓度为15gVSS/L，耦合颗粒污泥的粒径在0.4-2.0mm范围；颗粒为圆形或椭球形，颗粒表面分布有胞外聚合物；反硝化厌氧甲烷古菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌位于颗粒污泥外部，厌氧氨氧化菌位于颗粒污泥内部；主要的反硝化厌氧甲烷古菌为Candidatus Methanoperedens；主要的反硝化厌氧甲烷细菌为CandidatusMethylomirabilis；主要的厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia；耦合颗粒最终硝酸盐消耗速率为95.2mgN/L/d；氨氮的消耗速率为650mgN/L/d；脱氮负荷达1250mgN/L/d。

以上实施例是本发明的举例性说明，而不是对本发明保护范围的限定。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他技术方案，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥的快速形成方法，包括以下步骤：(1)采用升流式厌氧污泥床反应器，以经过富集培养的含有反硝化厌氧甲烷氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化古菌的絮状污泥、厌氧氨氧化颗粒污泥所构成的混合污泥为接种物，控制温度25-35℃，反应器上升流速在3-5m/h，间歇投加硝酸盐浓缩液、亚硝酸盐浓缩液和氨氮浓缩液培养，并保证体系内的亚硝酸盐浓度维持在20mgN/L以下，氨氮和硝酸盐浓度均在100mgN/L以下；间歇曝CH₄气体，保证体系内溶解性甲烷浓度在10mg/L以上；同时投加1-5μmol/L的3-oxo-C6-HSL(N-3-氧-己酰高丝氨酸内酯)和10-50ng/L的DPD(4,5-二羟基-2,3-戊二酮)，以促进反硝化厌氧甲烷氧化微生物在厌氧氨氧化颗粒污泥表面的定植；间歇培养3-14天后进入步骤(2)；(2)连续流进水，进水中包含溶解性CH₄、硝酸盐和氨氮，所述CH₄的浓度为15-20mg/L,硝酸盐浓度保持在100-800mgN/L,氨氮浓度为100-800mgN/L，水力停留时间保持在4h-24h，投加浓度分别为2-5μmol/L的3-oxo-C6-HSL(N-3-氧-己酰高丝氨酸内酯)、C6-HSL(N-己酰基-L-高丝氨酸内酯)和C12-HSL(N-十二烷酰基-L-高丝氨酸内酯)，以及20-100ng/L的DPD(4,5-二羟基-2,3-戊二酮)，同时投加Ca²⁺和Sr²⁺的混合离子，二者摩尔比为1:1-2:1，浓度为2-5μmol/L，以提高反硝化厌氧甲烷氧化古菌活性，促进其快速增长和成膜，促进耦合颗粒污泥快速形成，继续培养30-90天完成耦合颗粒污泥培养；

所述耦合颗粒污泥的粒径为0.4～2.0mm；耦合颗粒污泥为圆形或椭球形，耦合颗粒污泥表面分布有胞外聚合物；反硝化厌氧甲烷氧化古菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌位于耦合颗粒污泥外部，厌氧氨氧化菌位于耦合颗粒污泥内部；

耦合颗粒污泥最终硝酸盐消耗速率为50-150mgN/L/d；氨氮的消耗速率为200-1000mgN/L/d；脱氮负荷达500-2000mgN/L/d。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述间歇投加硝酸盐浓缩液、亚硝酸盐浓缩液和氨氮浓缩液培养是按照以下步骤进行：当体系内亚硝酸盐浓度在5mg/L以下，硝酸盐和氨氮浓度低于10mg/L时，分别采用注射器脉冲注入亚硝酸盐浓缩液、硝酸盐浓缩液和氨氮浓缩液。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中3-oxo-C6-HSL、C6-HSL、C12-HSL和DPD浓度为3-4μmol/L,2-3μmol/L，3-4μmol/L和40-60ng/L。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于主要的反硝化厌氧甲烷氧化古菌为Candidatus Methanoperedens；主要的反硝化厌氧甲烷氧化细菌为CandidatusMethylomirabilis；主要的厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述耦合颗粒污泥在反应器中的浓度为5-50gVSS/L。

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