CN107585854B - 曝气生物滤池、其构建方法及利用该方法构建的生物滤池处理水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物滤池的构建方法、生物滤池及利用该生物滤池进行水处理的方法，本构建方法在低温条件下收集并浓缩曝气生物滤池的反冲洗水，然后对浓缩液进行第一次低温驯化培养，获得增殖培养液；接着将增殖培养液加入到曝气生物滤池中，进行闷曝处理；然后向曝气生物滤池中通入水源水，进行第二次低温驯化培养，本方法构建的生物滤池中低温硝化细菌在系统中生态位优势突出，有效控制低温期水源水氨氮污染；本发明的生物滤池运行稳定、能耗低，低温期、常温期均适用，且氨氮去除率高；适用于低温条件下以氨氮为污染主体的水源水处理，提高了饮用水水源水处理的安全性。解决了冬季尤其是北方低温条件下饮用水处理工艺去除氨氮难度大的问题。

Description

曝气生物滤池、其构建方法及利用该方法构建的生物滤池处 理水的方法

技术领域

本发明涉及处理水源水的方法，具体涉及一种利用双层曝气生物滤池驯化低温硝化细菌预处理水源水中氨氮的一种方法。

背景技术

曝气生物滤池(BAF－Biological Aerated Filters)也叫淹没式曝气生物滤池(SBAF-Submerged BiologicalAerated Filters)，是在普通生物滤池、高负荷生物滤池、生物滤塔、生物接触氧化法等生物膜法的基础上发展而来的，被称为第三代生物滤池(TheThird Generation Filter)，具有去除SS、COD、BOD、硝化、脱氮、除磷、去除AOX(有害物质)的作用。曝气生物滤池是集生物氧化和截留悬浮固体一体的新工艺。国外在二十世纪二十年代开始进行研究，于八十年代末基本成型，后不断改进，并开发出多种形式。

目前，我国氨氮污染形势严峻，多处水系已不能满足用水标准，同时水源水氨氮污染表现出季节差异性，尤其在冬季低温期氨氮污染往往更为严重。在饮用水生产中，水源水中氨氮会与氯消毒剂或氧化剂反应产生亚硝酸氮、氯胺、氯化氰等副产物，威胁人体健康；自来水厂出水中的氨氮可导致给水管网中自养菌的大量繁殖，造成水质恶化与管网腐蚀。目前，饮用水氨氮处理技术常见有吸附法和生物法。由于吸附法除氨氮受吸附质饱和吸附容量的限制，需周期性再生，且操作复杂、费用较高；而生物法具有经济性、可持续性且操作简单，其在饮用水氨氮控制方面具有广泛的应用前景。

自二十世纪八十年代末，污染水源的给水处理引入曝气生物滤池工艺，并因曝气生物滤池工艺独特的优势而受到人们越来越广泛的重视，逐步成为处理污染原水的有效手段之一。

曝气生物滤池工艺是生物接触氧化工艺的一种，主要采用淹没式填料，因其生物量大，填料表面微生物的氧化作用和填料间絮体的吸附作用使氨氮的处理效果要高于其他生物预处理除氨工艺。在我国，王占生等将污水回用的生物陶粒引用到给水中，首次实现BAF在微污染水预处理中的应用，并且在14-30℃的常温期稳定运行时，去除率可达到90％，在处理氨氮及其复合污染水源水方面具有较大应用空间。但曝气生物滤池处理氨氮的效果受多种因素的影响，主要的影响因素包括有机物负荷、水力停留时间、pH、溶解氧、温度等，其中温度是主要影响因子，微生物活性随温度降低下降，但生物系统对氨氮去除依旧有一定的生物作用，说明系统中存在低温硝化细菌，但数量有限，因此要提高生物作用，可通过提高低温硝化细菌的数量来实现。

饮用水的水源水的水质随着季节的变化而变化，尤其是在冬天，低温季节，氨氮污染加重，因此低温期对饮用水的氨氮生物处理更是饮用水生产中的重点难题，存在低温期氨氮去除效率低的问题。

近年来，研究发现低温硝化细菌在适宜的物理、化学环境条件下有被驯化的可能。有研究表明，温度低于5℃时生物活性受到严重抑制，硝化细菌的种类减少，且生物膜组分和微生物衰减、硝化过程有直接关系，但亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.和CandidatusNitrotoga)在低温环境下仍具有硝化作用，其中Candidatus_Nitrotoga是近年新发现的可功能性地代替硝化螺旋细菌(Nitrosospira)的硝化功能菌，当这两个NOB(NitriteOxidizing Bacteria，亚硝酸盐氧化细菌)集团共存时，Candidatus_Nitrotoga能同Nitrospira竞争与AOB(Ammonia Oxidizing Bacteria，氨氧化细菌)细菌紧密接近的生态位，且该菌属多在低温环境下被发现。而增加氨氮负荷可明显提高硝化细菌在生物膜中的比例、增强其优势地位，从而提高氨氮的硝化去除速率。在低有机物浓度下，硝化细菌是滤池中的主要微生物，而碳源增加，滤池中溶解氧浓度和氨氮去除率下降，硝化细菌活性降低。此外，即使是同一个来源的硝化细菌，氧化特性和习性也有较大差别，如生物膜中不可扩大培养的硝化螺旋菌属(Nitrospira)宗支1和宗支2虽然可以共存，但属于宗支1的硝化螺旋菌属更靠近氨氧化细菌，和宗支2的硝化螺旋菌属出现生态位分离，导致高浓度的亚硝酸盐环境适宜宗支1的硝化螺旋菌属生长，却抑制了宗支2的硝化螺旋菌属生长。

为保障低温环境下饮用水生物膜预处理系统的除氨氮效果，人们多集中关注在硝化细菌筛选、固定化的研究，以增加低温硝化细菌生物量，实现系统的快速启动。然而，低温硝化细菌的筛选较为困难，且世代时间较长，培养温度越低，生长周期越长，同时伴生的异养细菌生长迅速，低温硝化细菌的分离、培养更加困难，故培养范围多集中于10℃以上。另一方面，在天然水环境中存在的硝化功能菌，多数是在培养基条件下不可培养的，难以通过菌株培养、筛选等方式大量驯化发挥其降解氨氮的功能。因此，通过对低温硝化细菌的菌种进行识别，研究其氧化特性和习性、探究其最适生长环境，利用宏观条件原位培养以低温硝化细菌为生态位优势的生物膜体系将更具实际意义，为实现低温环境下生物系统对饮用水中氨氮的高效去除提供了可能。

虽然，研究人员发现低温硝化细菌在适宜的物理、化学环境条件下可被驯化，但是，现有的驯化培养多基于实验室的单个菌株的驯化培养，考虑到实际生产应用中的可操作性，研究利用宏观条件原位培养以低温硝化细菌为生态位优势的生物膜体系将更具实际意义，为实现低温环境下生物系统对饮用水中氨氮的去除提供了可能。

发明内容

本发明的目的是针对现有低温时期自来水厂水源水氨氮污染加重，饮用水生物处理过程中存在在低温期对氨氮去除效果差，运行不稳定等技术问题，提供一种构建低温驯化曝气生物滤池的方法，构建的曝气生物滤池及利用该方法构建的滤池处理饮用水的水源水的方法。本发明方法构建的曝气生物滤池下层选用悬浮填料，底部呈流化状态，避免了污泥层的形成，延长了反冲洗周期，促使上层选用小粒径1-3mm的沸石填料，有利于构建以硝化功能菌为主体的生物膜；在低温条件下，基于反冲洗水浓缩液中含有较高浓度微生物，通过控制宏观参数诱导培养功能菌液，经过两次驯化达到去除目标污染物的效果，该构建方法操作简单，易于实现，且驯化的功能菌具有较强的稳定性；利用本发明方法构建的生物滤池处理水源水中目标污染物效率高，且稳定，出水水质安全性高，同时具有一定的抗氨氮污染冲击负荷能力，可明显减轻后续工艺的污染负荷。本发明利用悬浮填料-沸石双层曝气生物滤池驯化低温硝化细菌达到控制水源水中氨氮污染的方法。

为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种低温驯化曝气生物滤池的构建方法，包括如下顺序进行的步骤：

1)将收集的双层曝气生物滤池反冲洗水进行浓缩处理，获得反冲洗浓缩液，其中，所述双层曝气生物滤池为曝气生物滤池通过多孔滤板隔层分隔为上下两层，下层从下至上分为配水区和下层滤层，下层滤层装填轻质填料；上层从下至上分为上层滤层和出水区，上层滤池装填沸石填料；

2)在保持温度<10℃的条件下，将反冲洗浓缩液与自来水的水源水混合，制成混合培养液，然后向混合培养液中投加氯化铵和乙酸钠，并进行曝气，在低温条件下进行第一次低温驯化培养，获得增殖培养液；

3)在温度保持<10℃的条件下将增殖培养液通入到双层曝气生物滤池中，使得滤池中的上、下滤层的填料浸泡于增殖培养液中，并曝气，进行低温条件下的闷曝处理；

4)在温度保持<10℃的条件下，向经过闷曝处理的双层曝气生物滤池的底部加入水源水，向上流运行，曝气处理，水流依次流经下层轻质填料滤层、上层沸石填料滤层，进行第二次低温驯化处理；然后流入出水区后排出；

直至滤池出水的硝酸氮含量与进水的硝酸氮含量之差≥1mg/L，同时对氨氮去除率达到60％以上，即得低温驯化曝气生物滤池。

其中，所述双层曝气生物滤池的下层滤层与上层滤层的体积之比为0.7-1.5：1，优选为1:1。

特别是，所述多孔滤板隔层由多孔滤板和固定放置在其上部的粒径为3-6mm的卵石层组成。

其中，所述双层曝气生物滤池的下层的体积与所述生物滤池的体积之比为50-70：100，优选为50:100。

特别是，所述下层滤层的高度为1-2.5m，优选为1-1.5m，更优选为1m；所述上层滤层的高度为1-2.5m，优选为1-1.5m，更优选为1-1.2m，更进一步优选为1m。

其中，所述下层滤层中装填的轻质填料的堆密度100-160kg/m³，优选为130-150kg/m³。

特别是，所述轻质填料选自聚乙烯或聚丙烯，优选为聚乙烯。

尤其是，所述轻质填料采用球形或柱状填料，球体直径或柱体长度在10～25mm。

轻质填料选择球形或柱状填料易于流化，满足水力流态的要求。

特别是，下层轻质填料层的填充率为80～90％，即轻质填料与所述生物滤池的下层的体积之比为80～90：100。运行时1/4部分呈悬浮流化状态，3/4部分呈过滤状态。

其中，所述双层曝气生物滤池的上层滤池状态的沸石的粒径为1～3mm。

特别是，所述上层沸石填料层的填充率为100％，即轻质填料与所述生物滤池的下层的体积之比为100：100。

所述双层曝气生物滤池参见：中国给水排水，2015年第31卷，第1期，“悬浮填料-沸石BAF处理低温高氨氮污染源水效能”，韩梅等所公开的双层生物滤池；中国给水排水，2016年第32卷，第19期，“低温下BAF处理受氨氮污染源水的菌群特性”，韩梅等所公开的双层生物滤池。

其中，步骤1)中所述双层曝气生物滤池为稳定运行的生物滤池，生物滤池运行过程中水力停留时间为30-60min，气水比为1-4：1；并且出水的硝酸氮含量与进水的硝酸氮含量之差≥1mg/L，同时对氨氮去除率能实现80％以上。

特别是，所述稳定运行的双层曝气生物滤池的出水氨氮浓度小于0.8mg/L。

特别是，所述反冲洗水的收集量与所述滤池的体积之比为1.5-3：1.

尤其是，所述反冲洗水为对所述双层曝气生物滤池先气冲洗，接着气水联合冲洗，然后水冲洗的出水水液。

其中，所述浓缩处理是将收集的反冲洗水静置放置20-30min，然后去除上层清液，下部为反冲洗浓缩液。

特别是，所述得到的反冲洗浓缩液与收集的反冲洗水的体积之比为10-20:100，优选为10:100。

尤其是，静置放置温度为室温，通常大于10℃，优选为15-30℃。

其中，步骤2)中所述反冲洗浓缩液与自来水的水源水的体积之比为3-6:1，优选为5:1。

特别是，投加所述氯化铵和乙酸钠，使得混合培养液的C:N比为为1：1～2：1，优选为1.5:1；氨氮浓度为3～4mg/L，优选为3.5mg/L。

尤其是，第一次低温驯化培养过程中混合培养液的pH值为7.5～8.5，优选为8.0。

其中，所述第一次低温驯化培养过程中曝气处理使得混合培养液的溶解氧浓度保持大于4mg/L，优选为4-6mg/L，更优选为5mg/L。

特别是，每曝气处理10-14h后，停止曝气，静置放置15-25min，接着去除上清液；然后加入与去除的上清液体积相同的自来水的水源水混合，同时投加氯化铵和乙酸钠并继续进行曝气，往复循环，直至驯化培养2-4d。

尤其是，每曝气处理12h后，停止曝气，静置放置20min，接着去除上清液；然后加入与去除的上清液体积相同的自来水的水源水混合，同时投加氯化铵和乙酸钠并继续进行曝气，往复循环，直至驯化培养3d。

特别是，所述去除的上清液的体积与混合培养液的体积之比为30-60:100，优选为50:100。

尤其是，投加所述氯化铵和乙酸钠，使得混合培养液的C:N比为1：1～2：1，优选为1.5:1；氨氮浓度为3～4mg/L，优选为3.5mg/L。

特别是，继续曝气使得混合培养液的溶解氧浓度保持大于4mg/L，优选为4-6mg/L，更优选为5mg/L。

其中，步骤3)中所述闷曝处理是曝气生物滤池中只曝气，既不进水也不出水。

特别是，所述闷曝处理过程中曝气量为0.5-1:1，优选为0.75:1。

尤其是，闷曝处理时间为1-2d(天)，优选为1d。

特别是，步骤2)、3)中温度优选为7-10℃。

其中，步骤4)中所述第二次低温驯化处理过程中曝气处理的气水比为0.5-2:1；水力停留时间为45-150min。

特别是，步骤4)中所述温度优选为1～5℃，更优选为3℃。

尤其是，直至滤池出水的硝酸氮含量与进水的硝酸氮含量之差≥1mg/L，同时对氨氮去除率达到60-70％时，即得低温驯化曝气生物滤池。

特别是，步骤4)中所述第二次低温驯化处理包括如下步骤：

4A)向双层曝气生物滤池底部通入自来水的水源水后，进行曝气，保持气水比为0.5-1:1，水力停留时间为90-150min，运行处理3-5d；

4B)加大曝气量并减少水力停留时间，使得气水比为1:1-2:1，水力停留时间为45-90min，直至滤池出水的硝酸氮含量与进水的硝酸氮含量之差≥1mg/L，同时对氨氮去除率达到60％以上时，即得。

尤其是，步骤4B)中运行处理时间为15-17d；对氨氮去除率为60-70％时，即得低温驯化曝气生物滤池。

本发明另一方面，提供一种按照上述方法构建而成的低温驯化曝气生物滤池。

本发明又一方面，提供一种利用按照上述方法构建而成的低温驯化曝气生物滤池于低温条件下进行水处理的方法，包括将待处理进水从所述曝气生物滤池底部流入，向上流运行，曝气处理后，依次流经下层轻质填料滤层、上层沸石填料滤层，进行生物氧化处理；然后流入出水区后排出。

其中，所述低温条件为水处理过程中温度≤5℃，优选为1～5℃。

特别是，曝气处理过程中气水比为1:1～4:1，优选为1-3:1；水处理过程中水力停留时间为30-120min。

尤其是，当进水氨氮浓度小于等于2mg/L(即≤2mg/L)时，曝气处理过程中气水比为1:1～2:1。

特别是，水处理过程中水力停留时间为30～60min，优选为45-60min。

尤其是，当进水氨氮浓度大于2mg/L时，曝气处理过程中气水比为2:1～4:1，优选为2-3:1。

特别是，水处理过程中水力停留时间为60～120min。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明采用轻质填料‐沸石组合的双层曝气生物滤池驯化低温硝化细菌，实现控制低温期水源水中的氨氮污染，该系统耦合了沸石的物理吸附(物化作用)和硝化细菌的生物氧化(生化作用)，沸石由于其自身晶体结构的特殊性通过离子交换作用对氨氮进行吸附，可减弱水溶液氨氮污染负荷，而当水溶液中氨氮浓度小于沸石内部浓度时，基于浓度梯度差沸石吸附的氨氮发生解析，氨氮从沸石内部转移出来成为硝化细菌的氮源，在贫营养水环境中强化了除氨氮功能菌硝化细菌生态位上的优势，因而该系统有利于低温硝化细菌的生长。

2、本发明采用向上流方式运行的轻质填料-沸石曝气生物滤池，通过曝气和水力的提升作用使得下层轻质填料1/4部分呈悬浮流化状态，避免了底部形成污泥层，可延长反洗周期，更为重要的是能够使上层选用小粒径的沸石，增大了生物相的负载面积；3/4部分轻质填料呈挤压过滤状态，增大了生物相的稳定性。另一方面填料间较大的孔隙也有利于水流将生物相带到上层沸石段，实现了功能菌种在系统空间分布上的平衡，达到提高反应器污染物单位体积去除率的目的。

3、利用本发明方法构建的低温驯化曝气生物滤池在低温期(1‐5℃)处理水源水氨氮污染的方法，可实现硝化细菌在生物膜系统中生态位优势突出，低温硝化功能菌生物量获得增殖。提高了低温期处理水源水时对氨氮的去除效率。

借助实时荧光定量PCR发现，采用本方法构建的生物滤池中低温驯化后氨氧化细菌(AOB)低温沸石段/轻质填料段的相对定量值之比是16.2/7.1；亚硝酸盐氧化细菌(NOB)低温沸石段/轻质填料段的相对定量值之比是45.2/3.2，直接证明沸石段更有利于硝化细菌的附着，解决传统普通曝气生物滤池生物量多集中于进水端的问题。

进一步利用高通量测序技术研究发现，采用本发明方法主要的硝化功能菌硝化螺旋菌属(Nitrospira)在沸石段或轻质填料段的生物膜中所占丰度比例均大于1％，同时在悬浮填料‐沸石双层曝气生物滤池中发现多种在低温水环境下的优势菌种。

4、本发明的低温诱导驯化方法，简单快捷，显著缩短低温诱导时间，提高了驯化效率，显著缩短了低温驯化曝气生物滤池的构建时间，而且利用本发明方法构建的双层曝气生物滤池的低温驯化硝化细菌处理污染水源水，处理氨氮效率高，具有一定的抗氨氮污染冲击负荷能力,可明显减轻后续工艺的污染负荷。利用本发明方法构建的在低温条件下高效除氨氮曝气生物滤池是基于反冲洗水浓缩液中含有较高浓度微生物，通过控制宏观参数诱导培养功能菌液，经过两次驯化达到去除目标污染物的效果，该构建方法操作简单，易于实现，且驯化的功能菌具有较强的稳定性。

5、本发明方法构建的低温曝气生物滤池在低温条件下和常温条件下对水源水中的氨氮去除效率显著，在1～5.5℃低温环境下，轻质填料‐沸石曝气生物滤池对氨氮平均去除率为80％(监测期2个月左右)，常温期对氨氮的去除率在90％以上，出水氨氮浓度均低于国家饮用水卫生标准0.5mg/L。本发明方法构建的低温曝气生物滤池在低温和常温条件下均可以使用，既适用于冬天也适用于夏季，既适用于北方地区使用也适用于南方地区使用。

6、本发明方法构建的生物滤池中低温硝化细菌在生物滤池系统中生态位优势突出，有效控制低温期水源水氨氮污染；而且，本发明的生物滤池运行稳定、能耗低，即适用于低温期也适用于常温期的氨氮去除；利用本发明构建的生物滤池处理水源水，其氨氮去除效率高，适用于低温条件下以氨氮为污染主体的水源水处理，提高了自来水水源水处理的安全性。解决了冬季或北方低温条件下饮用水处理工艺去除氨氮难度大的问题。

附图说明

图1为本发明中轻质填料-沸石双层曝气生物滤池的装置图。

附图标记说明

1、双层曝气生物滤池；2、下层轻质填料滤层；21、配水区；3、滤板隔层；4、上层沸石滤层；41、出水区。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步描述本发明的有益效果，这些实施方式仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的结构思路、使用范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

如图1，本发明的曝气生物滤池为轻质填料-沸石双层曝气生物滤池1，通过多孔滤板隔层3将曝气生物滤池分隔成上下两层，下层从下至上分为配水区21和下层滤层(即下层轻质填料滤层)2；上层从下至上分为上层沸石填料层(即上层沸石滤层)4和出水区41。下层滤层与上层滤层的体积之比为0.7-1.5：1(优选为1:1)。

下层的轻质填料选择柱状、且柱体长度为10-25mm的堆积密度100-160kg/cm³(优选为130-150kg/cm³)的聚乙烯或聚丙烯；下层轻质填料的填充率为80-90％，即轻质填料与生物滤池的下层滤层的体积之比为80～90：100；在运行过程中使得1/4的轻质填料呈悬浮流化状态，其他3/4部分呈过滤状态。上层沸石填料选择粒径为1～3mm的沸石，沸石填料的填充率为100％，即沸石填料与生物滤池的上层滤层的体积之比为100：100。

水源水从双层曝气生物滤池的底部流入，向上流运行，进入配水区，并进行曝气，气水混合后依次流经下层轻质填料层、多孔滤板、上层沸石层，进入出水区后，经出水管流出。

本发明中的双层曝气生物滤池参见：中国给水排水，2015年第31卷，第1期，“悬浮填料-沸石BAF处理低温高氨氮污染源水效能”，韩梅等所公开的双层生物滤池；中国给水排水，2016年第32卷，第19期，“低温下BAF处理受氨氮污染源水的菌群特性”，韩梅等所公开的双层生物滤池。

实施例1常温运行稳定轻质填料-沸石双层曝气生物滤池

双层曝气生物滤池内径100mm，其中：滤池下层的缓冲配水区高度0.2m；下层滤层为轻质填料(聚乙烯)层，高度1m(通常为1-2.5m，优选为1-1.5m，本发明实施例中以1m为例进行说明)，轻质填料的填充率为80％(通常为80-90％)，堆密度150kg/m³；多孔滤板隔层由多孔滤板和固定放置在其上部的粒径为3-6mm的卵石层组成，高度为0.2m，由下至上按粒径由大到小的顺序铺设；上层滤层为沸石滤层，沸石粒径1～3mm，沸石装填高度1m(通常为1～1.5m，优选为1-1.2m，本发明实施例中以1m为例进行说明)，全部装填沸石，沸石的填充率为100％，堆密度1.35g/cm³。

本发明实施例中以上述双层曝气生物滤池为例进行说明，其他尺寸、技术参数的双层曝气生物滤池也适用于本发明，例如下层滤层中的轻质填料选用聚丙烯，轻质填料的填充率为80-90％；上层滤层的沸石填料选用的粒径为1-3mm，均适用于本发明。

双层曝气生物滤池以自然挂膜法启动，在温度(20-30℃)的条件下启动和运行，启动成功后，稳定运行，处理水质如下的饮用水水源水，处理水源水的过程中水力停留时间为60min(通常为30-60min)，曝气过程中气水比为2:1(通常为1-4：1)，同时监测出水水质，出水的硝酸氮含量与进水的硝酸氮含量之差≥1mg/L，同时对氨氮去除率达到80％(通常为60％以上，优选为60-70％以上)以上，出水氨氮浓度小于0.5mg/L(通常小于0.8mg/L)，且对氨氮的去除部分80％以上转换为硝酸氮。

水源水(即进水)的水质：

稳定运行的双层曝气生物滤池5-15d进行反冲洗，反冲洗后继续处理水源水。

反冲洗采用气水联合的方式进行反冲洗，进水浊度小于20NTU时，反冲洗周期为7-15d；进水浊度20-60NTU时，反冲洗周期为5-7d；进水浊度大于60NTU时，宜采用局部小反洗与整体反洗结合的方式，其中局部小反洗方式为下层悬浮填料单独反洗，反洗水从中部排水系统排出。

分别取稳定运行的双层曝气生物滤池的下层轻质填料滤层的中段和上层沸石填料滤层的中段的生物膜样品于美国Roche 454GS-FLX Titanium测序平台进行基于454高通量测序分析，即使用OMEGA公司E.Z.N.A Soil DNA试剂盒抽提下层滤层和上层滤层中段的生物膜中样品的基因组DNA，然后用1％琼脂糖凝胶电泳检测抽提；采用引物27F和533R进行16S rRNA基因聚合酶链式反应(PCR)扩增，PCR反应混合液采用20μL体系。扩增产物的高通量测序分析在美国Roche 454 GS-FLX Titanium测序平台上完成。

测序结果显示：在常温下运行稳定的双层曝气生物滤池的上层的沸石填料层中的优势菌属是Exiguobacterium、Acinetobacter、Massilia相对丰度分别为31％、25％、8.1％，在下层的轻质填料层中优势菌属是Exiguobacterium、Acinetobacter、Massilia，相对丰度分别为38％、18％、10.3％；而在双层曝气生物滤池的上下两层滤料滤层的生物膜中功能菌属氨氧化细菌(亚硝化单胞菌属Nitrosomonas)，在上层沸石段和下层轻质填料段含量分别为0.1％和0.1％；亚硝酸盐氧化细菌中的亚硝化螺旋菌属(Nitrospiraceae_Nitrospira)在上层沸石段和下层轻质填料段总含量分别为1.4％和0.1％。

实施例1A低温硝化细菌的原位驯化

待处理水源水水质：

本实施例中待处理水源水的氨氮浓度以1.7mg/L为例进行说明，其他≤4mg/L的水源水均适用于本发明。

向实施例1中运行稳定的双层曝气生物滤池(轻质填料-沸石双层曝气生物滤池)中，于温度保持为3℃(通常在1～5℃)的条件下，将待处理的水源水经进水管从双层曝气生物滤池的底部流入配水区，向上流运行；曝气，气水比为2.5:1(通常为2：1～3：1)，水力停留时间60min(通常为30-60min)，气、水混合流先后经过下层轻质填料滤层、中间多孔滤板隔层和上层沸石滤层；

在曝气和水流的向上提升力、轻质填料自身的浮力和重力及其水平方向的挤压力作用下，使得轻质填料约1/4部分呈悬浮流化状态，3/4部分呈过滤状态。

在温度保持为3℃的条件下，通入待处理水源水，并检测出水水质，其中出水的氨氮含量较进水有明显降低，对氨氮去除率达到大于60％(通常为60-70％)以上，出水的硝酸氮浓度与进水的硝酸氮浓度之差在1mg/L以上，即可用于后续正常的水处理；本发明实施例中通入水源水原位诱导驯化40d(通常为30-60d)后，然后分别取滤池的下层轻质填料滤层的中段和上层沸石填料滤层的中段的生物膜样品于美国Roche 454 GS-FLX Titanium测序平台进行基于454高通量测序分析，即使用OMEGA公司E.Z.N.A Soil DNA试剂盒抽提下层滤层和上层滤层中段的生物膜中样品的基因组DNA，然后用1％琼脂糖凝胶电泳检测抽提；采用引物27F和533R进行16S rRNA基因聚合酶链式反应(PCR)扩增，PCR反应混合液采用20μL体系。扩增产物高通量测序分析在美国Roche 454GS-FLX Titanium测序平台上完成。

测序结果显示：经过本发明方法的低温环境的诱导培养，在双层曝气生物滤池的上下两层滤料滤层的生物膜中功能菌属氨氧化细菌(亚硝化单胞菌属Nitrosomonas)从属上分，在上层沸石段和下层轻质填料段含量分别为2.3％和1.5％；主要的亚硝酸盐氧化细菌主要为亚硝化螺旋菌属(Nitrospiraceae_Nitrospira)和新型的候选菌属(Candidatus_Nitrotoga)，亚硝化螺旋菌属(Nitrospiraceae_Nitrospira)在上层沸石段和下层轻质填料段总含量分别为10.49％和8.2％；Candidatus_Nitrotoga在上层沸石段和下层轻质填料段总含量分别为1.46％和0.95％。

实施例2低温硝化细菌的快速驯化

1、制备反冲洗浓缩液

在实施例1中对运行稳定的轻质填料-沸石双层曝气生物滤池进行反冲洗的过程中，收集反冲洗水，反冲洗水的量与滤池的体积之比为2.5:1(通常为1.5-3：1)；接着对收集的反冲洗水于室温(20-30℃)下静置放置20-30min，去除上清液，得下部反冲洗浓缩液，其中反冲洗浓缩液与收集的反冲洗水的体积之比为10:100(通常为10-20:100)。

本发明生物滤池的反冲洗以先气冲洗，接着气水联合冲洗，然后水冲洗的方式为例进行说明，其他方式的反冲洗也适用于本发明。

2、第一次低温诱导驯化处理

将反冲洗浓缩液置于具有曝气装置的玻璃容器中，然后置于低温恒温槽中，控制并保持恒温槽内温度为8℃(通常为7～10℃)，接着向玻璃容器内通入水源水(8℃，通常为7～10℃)，制得混合培养液，水源水与反冲洗浓缩液的体积之比为5:1(通常为3-6:1)，水源水的水质如下：

待处理水源水水质：

本实施例中待处理水源水的氨氮浓度以1.7mg/L为例进行说明，其他≤4mg/L的水源水均适用于本发明。

向反冲洗浓缩液中投加氯化铵和乙酸钠，补充氮源或碳源，维持培养液的C:N比为1.5:1(通常为1～2：1)；氨氮浓度为3.5mg/L(通常为3～4mg/L)；pH值为8.0(通常调节在7.5～8.5范围)，在温度保持为8℃(通常在7～10℃)的条件下，开启气泵进行曝气，保持溶解氧浓度5mg/L(通常为4-6mg/L)，进行第一次低温诱导驯化培养，其中：

每曝气培养12h(通常为10-14h)后，停止曝气，静置放置20min(通常为15-25min)，接着去除上清液，去除的上清液的体积与培养液的体积之比为50:100(通常为30-60:100)；然后再加入水源水，加入的水源水的量与去除是上清液的体积相同，再开启气泵进行曝气，保持溶解氧浓度4-6mg/L，进行曝气培养12h后，再停止曝气，静置放置20min(通常为15-25min)，去除上清液，然后加入与去除上清液相同体积的水源水，并投加氯化铵和乙酸钠，补充氮源或碳源，维持培养液的C:N比为1.5:1(通常为1～2：1)；氨氮浓度为3.5mg/L(通常为3～4mg/L)；再次进行曝气，保持溶解氧浓度5mg/L(通常为4-6mg/L)，循环重复，直至驯化培养3d(通常为2-4d)，制得低温诱导增殖培养液。

在驯化过程中，保持混合培养液的C:N比为1.5：1～3：1，pH在7.5～8.5范围，有利于使硝化细菌快速形成生物膜系统中的优势菌群。在实际应用中可通过向水中投加氮源或适当回流的方式调整C:N比以满足驯化要求。曝气既有提供溶解氧的作用，也有使溶液混合均匀、保证微生物充分利用底物的作用。

3、闷曝处理

于8℃(通常在7～10℃)下将培养3d(通常为2-4d)后的低温诱导增殖培养液通入运行稳定的悬浮填料-沸石双层曝气生物滤池中，使得滤池中的上、下滤层的填料浸泡于增殖培养液中，进行闷曝处理，在此过程只曝气，既不进水也不出水，曝气量(即气水比)为0.75:1(通常为0.5-1:1)，闷曝过程主要作用是使培养液中的低温硝化功能菌充分与填料表面接触，使细菌负载到填料上，闷曝处理时间为1d(通常为1-2d)。

4、第二次低温诱导驯化处理

在闷曝处理1d(通常为1-2d)后，在温度保持为3℃(通常在1～5℃)的条件下，将待处理的水源水从双层曝气生物滤池(轻质填料-沸石双层曝气生物滤池)的底部流入，经配水区后向上流运行；同时曝气，气、水混合流先后经过下层轻质填料滤层、中间多孔滤板隔层和上层沸石滤层，保持气水比为0.75:1(通常为0.5:1-1:1)，水力停留时间为2h(通常为1.5-2.5h)，运行3d(通常为3-5d)后，增大曝气量并减少水力停留时间，气水比为1.5:1(通常为1:1-2:1)，水力停留时间为60min(通常为45-70min)，在运行过程中监测出水水质，监测出水中硝酸氮的浓度，氨氮浓度，直至出水的硝酸氮浓度与进水的硝酸氮浓度之差≥1mg/L，且氨氮去除率达到60％以上(通常为60-70％以上)，构建得到低温驯化的双层曝气生物滤池；本发明实施例中通入水源水第二次低温诱导驯化处理17天后，分别取构建的低温驯化的双层曝气生物滤池的下层轻质填料滤层的中段和上层沸石填料滤层的中段的生物膜样品进行基于454nm高通量测序分析。

测序结果显示：经过本发明方法的低温环境的诱导驯化培养，在双层曝气生物滤池的上下两层滤料滤层的生物膜中功能菌属和实施例1中的相同，只是含量略有差别，在双层曝气生物滤池的上下两层滤料滤层的生物膜中功能菌属氨氧化细菌(亚硝化单胞菌属Nitrosomonas)从属上分，在上层沸石段和下层轻质填料段16sRNA含量分别为2.1％和1.42％；主要的亚硝酸盐氧化细菌为亚硝化螺旋菌属(Nitrospiraceae_Nitrospira)和新型的候选菌属(Candidatus_Nitrotoga),亚硝化螺旋菌属在上层沸石段和下层轻质填料段含量分别为10.20％和3.13％；Candidatus_Nitrotoga在上层沸石段和下层轻质填料段总含量分别为1.3％和0.89％。

从实验结果可以看出双层曝气生物滤池中的沸石段更有利于硝化细菌的附着，解决传统普通曝气生物滤池生物量多集中于进水端的问题，而且本发明方法中沸石段中硝化细菌较实施例1中的生物膜系统中的含量更高，表明本发明方法诱导驯化低温硝化细菌具有选择性，利于低温硝化细菌的定向培养。可见，通过不超过20d的低温快速驯化即达到了和实施例1原位培养40-60d的效果。

在驯化过程中，进入悬浮填料-沸石双层曝气生物滤池中的水源水的C:N比为1.5：1～3：1，pH在7.5～8.5范围，有利于使硝化细菌快速形成生物膜系统中的优势菌群。在实际应用中可通过向水中投加氮源或适当回流的方式调整C:N比以满足驯化要求。

实施例3

待处理水源水(进水)水质：

向实施例2中经过低温驯化培养且运行稳定后的双层曝气生物滤池中通入待处理水源水，水源水水体温度为1～5℃，待处理的水源水经进水管从双层曝气生物滤池(轻质填料-沸石双层曝气生物滤池)的底部流入配水区，向上流运行，曝气，气水比为1.5:1(通常为1：1～2：1)，水力停留时间60min(通常为30-60，优选为45-60min)，气、水混合流先后经过下层轻质填料滤层、中间多孔滤板隔层和上层沸石滤层；在曝气和水流的向上提升力、轻质填料自身的浮力和重力及其水平方向的挤压力作用下，使得轻质填料约1/4部分呈悬浮流化状态，3/4部分呈过滤状态。

测定出水区水质：

pH：7.5(7.0-8.0左右)；水体温度：1～5℃；氨氮浓度：0.25-0.5mg/L(小于0.5mg/L)

氨氮去除率为70-85％，出水符合国家饮用水卫生标准。

在曝气生物滤池运行期间，15天反冲洗一次，采用气水联合的方式进行反冲洗，先气冲3min，再水冲，直到出水清澈为止。

实施例4

待处理水源水水质：

向实施例2中经过低温驯化培养且运行稳定后的双层曝气生物滤池中通入待处理水源水，水源水水体温度为1～5℃，待处理的水源水经进水管从双层曝气生物滤池(轻质填料-沸石双层曝气生物滤池)的底部流入配水区，向上流运行；曝气，气水比为2.5:1(通常为2：1～3：1)，水力停留时间60min(通常为60-120min)，气、水混合流先后经过下层轻质填料滤层、中间多孔滤板隔层和上层沸石滤层；在曝气和水流的向上提升力、轻质填料自身的浮力和重力及其水平方向的挤压力作用下，使得轻质填料约1/4部分呈悬浮流化状态，3/4部分呈过滤状态。

测定出水区水质：

pH：7.5(7.0-8.0左右)；水体温度：1～5℃；氨氮浓度：0.4-0.9mg/L(小于0.5mg/L)

出水中氨氮浓度显著降低，仅为0.4-0.9mg/L，氨氮去除率在70-87％％，减轻了后续处理工艺的污染负荷。

实施例5

除了处理过程中水体温度为20-30℃之外，其余与实施例4相同。

测定出水区水质：

pH：7.5(7.0-8.0左右)；水体温度：1～5℃；氨氮浓度：0.2-0.5mg/L(小于0.5mg/L)

出水中氨氮浓度为0.2-0.5mg/l，氨氮去除率83％以上，达到83.3-93.3％，可明显减轻后续处理工艺的污染负荷。

对照例1低温处理水源水

除了直接采用原始运行稳定的双层曝气生物滤池进行处理水源水之外，其余与实施例3相同。

处理后出水区水质测定结果如下：

pH：7.5(7.0-8.0左右)；水体温度：1～5℃；氨氮浓度：0.8-1.2mg/L(大于0.5mg/L)

出水中氨氮浓度为0.8-1.2mg/L，氨氮去除率为29-53％。

对照例2低温处理水源水

除了直接采用原始运行稳定的双层曝气生物滤池(即实施例1)进行处理水源水之外，其余与实施例4相同。

处理后出水区水质测定结果如下：

pH：7.5(7.0-8.0左右)；水体温度：1～5℃；氨氮浓度：1.2-2.3mg/L(大于0.5mg/L)

出水中氨氮浓度为1.2-2.3mg/L，去除率为23-60％。

本发明方法采用对双层曝气生物滤池的反冲洗水进行低温诱导培养，驯化低温硝化细菌，低温条件下处理水源水，去除氨氮。曝气生物滤池反冲洗水中不仅包含老化的生物膜，在实际冲洗过程中，部分活性较高的生物膜也会脱落，同时滤料间的生物絮体也会随水流带出，这些生物絮体不仅具有一定的生物活性，而且具有很好的粘附特性、凝聚特性。因此将反冲洗浓缩液在适宜的环境下扩大培养，不仅可以培养出硝化功能菌属，浓缩液中生物絮体的粘附、聚集特性也有利于菌液更快、更稳定地附载到填料表面。从实施例中可以发现，经过反冲洗浓缩液扩大培养后再回流到曝气生物滤池系统的方式，可以快速形成以低温硝化细菌为优势的生物膜结构，由原位培养40d缩短到20d，出水水质得到了保证，对氨氮的去除效率较常规运行方式有明显的提升。综上，本发明对保证低温期饮用水的安全性具有重要的现实意义。

本发明在现有运行的双层曝气生物滤池中进行诱导驯化，既提高了低温期水处理过程中氨氮的去除率，又提高了常温期氨氮的去除率。

Claims (10)

1.一种低温驯化曝气生物滤池的构建方法，包括如下顺序进行的步骤：

1)将收集的双层曝气生物滤池反冲洗水进行浓缩处理，获得反冲洗浓缩液，其中，所述双层曝气生物滤池为曝气生物滤池通过多孔滤板分隔为上下两层，下层从下至上分为配水区和下层滤层，下层滤层装填轻质填料；上层从下至上分为上层滤层和出水区，上层滤池装填沸石填料；

2)在保持温度<10℃的条件下，将反冲洗浓缩液与自来水的水源水混合，制成混合培养液，然后向混合培养液中投加氯化铵和乙酸钠，并进行曝气，在低温条件下进行第一次低温驯化培养，获得增殖培养液；

3)在温度保持<10℃的条件下将增殖培养液通入到双层曝气生物滤池中，使得滤池中的上、下滤层的填料浸泡于增殖培养液中，并曝气，进行低温条件下的闷曝处理；

4)在温度保持<10℃的条件下，向经过闷曝处理的双层曝气生物滤池的底部加入水源水，向上流运行，曝气处理，水流依次流经下层轻质填料滤层、上层沸石填料滤层，进行第二次低温驯化处理；然后流入出水区后排出；

直至滤池出水的硝酸氮含量与进水的硝酸氮含量之差≥1mg/L，同时对氨氮去除率达到60％以上时，即得低温驯化曝气生物滤池。

2.如权利要求1所述的构建方法，其特征是，步骤1)中所述下层滤层与上层滤层的体积之比为0.7-1.5：1。

3.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤2)中所述曝气处理过程中保持溶解氧浓度大于4mg/L。

4.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤3)中所述闷曝处理过程中，曝气量气水比为0.5-1:1。

5.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤4)中所述第二次低温驯化处理过程中曝气处理的气水比为0.5-2:1。

6.一种低温驯化曝气生物滤池，其特征是按照如权利要求1-5任一所述方法构建而成。

7.一种利用如权利要求6所述的曝气生物滤池低温条件下进行水处理的方法，其特征是，待处理进水从所述曝气生物滤池底部流入，向上流运行，曝气处理后，依次流经下层轻质填料滤层、上层沸石填料滤层，进行生物氧化处理；然后流入出水区后排出。

8.如权利要求7所述的方法，其特征是，所述曝气处理过程中气水比为1:1～4:1。

9.如权利要求7所述的方法，其特征是，在进行所述的生物氧化处理过程中水力停留时间30～120min。

10.如权利要求7所述的方法，其特征是，在进行所述的生物氧化处理过程中处理温度≤5℃。

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