CN108358309A

CN108358309A - 一种提高反硝化厌氧甲烷氧化微生物运行稳定性的方法

Info

Publication number: CN108358309A
Application number: CN201711054864.1A
Authority: CN
Inventors: 张召基; 王劲松; 陈少华; 王晓君; 叶欣
Original assignee: University of Chinese Academy of Sciences; Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: University of Chinese Academy of Sciences; Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-08-03

Abstract

本发明为一种提高反硝化厌氧甲烷氧化微生物运行稳定性的方法，涉及一种提高反硝化型厌氧甲烷氧化工艺运行稳定性的方法。其特征在于包括如下步骤：（1）采用序批式反应器进行反硝化型厌氧甲烷氧化微生物（DAMO）的人工富集。（2）稳定运行步骤（1）的富集反应器稳定运行，得到活性较高的富集产物。（3）对步骤（2）中的富集产物周期性地改变其富集模式，最终得到对环境变化具有高耐受性的富集产物。本发明提供的方法利用变化的富集模式所得到的富集产物，相较于普通富集产物，在实际应用中，对硝酸盐氮污水具有更加高效、稳定的处理与运行效果。

Description

一种提高反硝化厌氧甲烷氧化微生物运行稳定性的方法

技术领域

本发明涉及污水微生物脱氮技术领域，特别涉及一种提高反硝化型厌氧甲烷氧化工艺运行稳定性的方法。

背景技术

污水生物脱氮工艺经历了长期的发展历程，新型生物脱氮技术的涌现正不断突破传统理论的认识，如厌氧氨氧化、异养硝化-好氧反硝化等过程。好氧和厌氧工艺结合的污水处理工艺广泛应用于污水处理厂，而厌氧阶段产生的甲烷往往不能被有效地收集处理与回收利用。这既是一种资源的浪费，也是一种温室气体的污染。反硝化厌氧甲烷氧化（Denitrifying anaerobic methane oxidation，DAMO）是一种比较新的生物反应，DAMO微生物将反硝化过程和厌氧甲烷氧化过程耦合在一起，以氮氧化物为电子受体，以甲烷为电子供体，将二者分别转化为氮气和二氧化碳。利用甲烷作为反硝化微生物的碳源，既是一种资源利用也避免温室气体的污染，因此，DAMO过程是一种潜在的脱氮除碳途径，也是为开发一种新型的脱氮工艺提供了思路。DAMO微生物的代谢途径主要分为两类：5CH₄+8NO₃ ^-+8H⁺→5CO₂+4N₂+14H₂O (1)和3CH₄+8NO₂ ^-+8H⁺→3CO₂+4N₂+10H₂O (2)。由于DAMO微生物为自养型微生物，生长缓慢，而且它对外界环境非常敏感，所以富集时间长、环境耐受性低等问题一直是限制DAMO相关技术发展和应用的主要因素。影响DAMO活性的环境因素主要包括：盐度、pH、DO以及有机物浓度等等。目前的研究主要集中于提高富集产物活性以及缩短富集时间方面，而对富集产物应用于实际污水处理的稳定性鲜有研究。中国专利申请CN 103275868B公开了一种基于间歇式膜生物反应器富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌的装置和方法，属于污水处理技术领域。主要包括SMBR反应器、进水箱、自动控制系统和出水箱、甲烷储气罐、氩气储气罐等；SMBR反应器内有膜组件，自动控制系统能控制SMBR反应器的进水、厌氧反应、排水、排泥步骤。本发明通过优化运行参数，能获得较高纯度的富集培养物。

中国专利申请CN 103172171 A公开了一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物富集的系统及其方法，属于微生物富集技术领域。本发明提供了一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物富集的系统及其方法，该系统包括：中空纤维膜反应器以及一系列功能结构。该发明依次按照序批模式、连续流模式运行，可以提高甲烷利用效率，缩短反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集时间。

目前的研究主要针对通过优化反应器构型，运行模式等方法来缩短DAMO微生物的富集时间，而且对DAMO微生物实际应用中的微生物稳定性和环境耐受性研究甚少。然而对于活性污泥法来说，从整体上看其都具有一定程度的微生物群落功能冗余，即功能微生物在外来条件干扰下，能表现出一定程度的应激性能。如果功能冗余性小，抵抗力和恢复力弱的功能微生物群落占反应器系统的主体，在环境条件过度变化时，往往更容易导致工艺的失稳。现有的大量Anammox启动运行失败的案例说明对微生物工艺的稳定性和耐受性研究还十分不够。从微生物生态学角度看，功能稳定性和微生物群落多样性并不具有确定的直接关系，很多低多样性的微生物群落所主导的处理工艺也可以实现稳定运行。因此，微生物富集反应器应该从单一的群落分析转向主动的资源管理。微生物资源管理（MicrobialResource Management, MRM）技术体系中的生态因子分析方法可较为完善地反应生物反应器内群落生态因子随时间的变化趋势，而非单纯的多样性描述，为反应器性能的预测及主动控制提供了前景。

本专利提供了一种主动改变富集过程中培养模式，得到高稳定性、高环境耐受性的DAMO微生物，从而在处理实际硝酸盐氮污水过程中，表现出更加高效与稳定的脱氮能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高反硝化型厌氧甲烷氧化工艺运行稳定性的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：通过规律性地改变人工配制的培养液更换周期，改变甲烷通气周期以及人工配水中氮源的浓度富集出高稳定性、高环境耐受性的DAMO微生物的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1) 采用序批搅拌式反应器，以多种厌氧湿地污泥作为接种物进行人工富集。

(2) 稳定运行步骤（1）中的富集反应器，得到具有稳定生物活性的富集产物。

(3) 对步骤（2）中得到的富集产物进行进水模式脉冲式调控，在富集过程中周期性的改变人工配水以及甲烷的补充频率。最终快速富集得到高环境耐受性的DAMO微生物。

进一步的方案是：步骤(1)中所述的多种厌氧湿地污泥包括海水底泥、水库底泥、淡水湖泊底泥、厌氧沼气池底泥、水稻田沉积泥以及工业甲烷发酵沉积物。所述的反应器为气升式序批式反应器或类似反应器。

进一步的方案是：步骤(2)中所述的人工富集反应器的运行方式为间歇进水曝气方式周期运行，水力停留时间为3-15天。

进一步的方案是：其特征在于，步骤(2)中所述的富集产物需要有稳定的生物活性，即具有长期稳定的脱氮效率。

进一步的方案是：步骤(2)中所述的富集过程中，以亚硝氮NO₂-N和硝氮NO₃-N其中一种作为氮源，在整个液相中的浓度为30～100 mg/L，以甲烷CH₄作为碳源，并通过间歇曝气的方式加入。

进一步的方案是：步骤(2)中所述的人工配水为液体矿物质盐培养液，不添加任何有机碳源。

进一步的方案是：所述的液体矿物盐培养液配方为：每升培养液中含KHCO₃0.5g，KH₂PO₄0.05g，MgSO₄·7H₂O 0.2g，CaCl₂ 0.2265g，酸性微量元素0.5 mL，碱性微量元素0.2mL。

进一步的方案是：步骤（3）中的脉冲式运行条件控制如下：温度30 °C～38 °C，搅拌速度200～400 r/min，pH=7～8，顶空气相压强为90～130 kPa。规律性地改变人工配水培养液更换周期，改变甲烷通气周期以及培养液中氮源的浓度。

进一步的方案是：培养基更换周期，甲烷通气周期以及培养液中的氮源浓度均按10 %的梯度分别变化3次。

进一步的方案是：每次培养条件下，反应器要稳定运行30天以上，在脱氮效率稳定后方可进行下一次培养条件的改变。

进一步的方案是：步骤（3）中的高环境耐受性的DAMO微生物接种到不同的实际污水处理工艺中，在工艺运行过程中，DAMO工艺具有更加稳定的脱氮效果。

有益效果： (1) 本发明通过周期性改变富集条件，从而提高富集产物中DAMO微生物的稳定性和环境耐受性；(2) 本发明中所采用的刺激方式主要是改变进水和进气周期以及进水中的氮源浓度，易于操作。(3) 本发明所富集的DAMO微生物在实际污水处理工艺中，对外界环境带来的干扰，具有更强的抵抗力和恢复力。

综上所述，本发明提供了一种提高反硝化型厌氧甲烷氧化工艺运行稳定性的方法，能够得到高环境耐受性的DAMO微生物，有益于DAMO工艺的实际应用，具有较大的社会效益、经济效益、环境效益。

具体实施方式

下面通过实例对本发明提供的方法进行进一步的说明。

实例1 利用脉冲进水方式快速恢复反硝化型厌氧甲烷氧化 (DAMO)工艺的处理效果

利用气升式序批式生物反应器作为富集DAMO微生物的反应器主体，将海水底泥、水库底泥、淡水湖泊底泥、厌氧沼气池底泥、水稻田沉积泥以及工业甲烷发酵沉积物混合接种至反应器中。序批式生物反应器温度维持在30 °C -38 °C 之间，pH控制在7-8，反应器采用人工进水的方式，进水体积与总体积的比控制在40 %-50 %之间。按以下4个阶段运行工艺。

第一阶段，启动阶段。将混合处理好的污泥接种至1.5 L的气升式SBR反应器中，加入600 mL的液体培养液，所述培养基配方为：每升培养液中含NaNO₂ 0.2g , KHCO₃ 0.5g，KH₂PO₄ 0.05g，MgSO₄·7H₂O 0.2g，CaCl₂ 0.2265g，酸性微量元素0.5 mL，碱性微量元素0.2mL。其中，酸性微量元素每升含FeSO₄·7H₂O 2.085g，ZnSO₄·7H₂O 0.068g，CoCl₂·6H₂O0.12g，MnCl₂·4H₂O 0.5g，CuSO₄ 0.32g，NiCl₂·6H₂O 0.095g，H₃BO₃ 0.014g，HCl 100mmol。碱性微量元素每升含SeO₂0.067g，Na₂WO₄·2H₂O 0.05g，Na₂MoO₄0.242g，NaOH 0.4g。底部用CH₄曝气10～25min，控制温度30 °C～38 °C左右，搅拌速度200～400 r/min，pH=7～8。

第二阶段，稳定阶段。液体培养液和甲烷10～15天更换一次，液体培养基中亚硝酸盐浓度为15～20 mg/L，在此条件下稳定运行30 d。

第三阶段，扰动阶段。停止更换液体培养液和甲烷。10～15天后，反硝化速率下降50%以上。

第四阶段，恢复阶段。重新加入液体培养液和甲烷，更换周期缩短至3～5天，同时液体培养液中的亚硝氮浓度降为5～10mg/L。稳定运行30 d后，出水中亚硝氮去除率达90 %以上。之后，逐步恢复培养液中的亚硝酸盐至稳定阶段的浓度。脱氮效率恢复正常，这标志着DAMO工艺成功被恢复。

实例2 利用脉冲进水方式保持反硝化型厌氧甲烷氧化 (DAMO)工艺在水质波动过程中的运行稳定性。

按照实施例1 的实验步骤，运行前两个阶段，即：“启动阶段”和“稳定阶段”。

第三阶段，过渡阶段。延长水力停留时间至20d以上。每个周期，以10%的梯度逐步提高液体培养液中的亚硝酸盐浓度。当亚硝酸盐浓度达到预设值后，缩短水力停留时间至10d。

第四阶段，冲击阶段。在较高的氮负荷条件下，运行DAMO工艺。由于经过了过渡阶段，工艺的脱氮性能稳定，且没有出现较明显的波动。

Claims

1.本发明涉及一种提高反硝化型厌氧甲烷氧化工艺运行稳定性的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1) 采用序批搅拌式反应器，以多种厌氧湿地污泥作为接种物进行人工富集；

(2) 稳定运行步骤（1）中的富集反应器，得到具有稳定生物活性的富集产物；

(3) 对步骤（2）中得到的富集产物进行不同的富集模式的运行，在富集过程中周期性的改变进水方式以及甲烷的补充频率，最终富集得到高环境耐受性的DAMO富集微生物。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的多种厌氧湿地污泥包括海水底泥、水库底泥、淡水湖泊底泥、厌氧沼气池底泥、水稻田沉积泥以及工业甲烷发酵沉积物，所述的反应器为气升式序批式反应器或类似反应器。

3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的人工富集反应器的运行方式为间歇进水曝气方式周期运行，水力停留时间为3-15天。

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的富集产物需要有稳定的生物活性，即具有长期稳定的脱氮效率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的富集过程中，以亚硝氮NO₂-N和硝氮NO₃-N其中一种作为氮源，在整个液相中的浓度为30～100 mg/L，以甲烷CH₄作为碳源，并通过间歇曝气的方式加入。

6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的液体培养基为液体矿物质盐培养基，不添加任何有机碳源。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的液体矿物盐培养基配方为：每升培养基中含KHCO₃0.5g，KH₂PO₄0.05g，MgSO₄·7H₂O 0.2g，CaCl₂ 0.2265g，酸性微量元素0.5mL，碱性微量元素0.2 mL。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中的脉冲式运行条件控制如下：温度30～38℃，搅拌速度200～400 r/min，pH=7～8，顶空气相压强为90～130 kPa，规律性地改变培养基更换周期，改变甲烷通气周期以及培养基中氮源的浓度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，培养基更换周期，甲烷通气周期以及培养基中的氮源浓度均按10 %的梯度分别变化3次。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，每次培养条件下，反应器要稳定运行30天以上，在脱氮效率稳定后方可进行下一次培养条件的改变。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中的高耐受性的DAMO微生物接种到实际污水处理工艺中，在工艺运行过程中水质以及其他外界环境的变化下，依旧具有更加稳定的脱氮效果。