CN109095602A - 一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法 - Google Patents

一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法 Download PDF

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Abstract

一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，属于水处理技术领域。采用UASB(反应器，接种三种污泥，温度维持在28～36℃；进水不采取特殊的除氧措施；添加碳酸氢钠以维持pH在7.0～8.3之间，并提供反应所需的碱度；模拟废水氨氮和亚氮浓度比例为1:1.30～1:1.35，优选比例为1：1.32，初始氨氮和亚氮的浓度分别为20mg/L和26.4mg/L，Ni2+的浓度为大于等于0.5mg/L小于等于2mg/L，当Ni2+的浓度为0.5mg/L时效果最显著；初始水力停留时间设定为12h，通过逐步提高基质浓度和减少水力停留时间来提高反应器的负荷。可以快速启动氧氨氧化反应，同时提高反应效率和活性。

Description

一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法
技术领域
本发明涉及一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，属于水处理技术领域。
背景技术
我国水体氮素污染问题日益严重，开发和研究高效低耗的废水脱氮技术已经成为水污染控制领域中一项刻不容缓的任务。厌氧氨氧化突破了传统硝化-反硝化生物脱氮的基本理论，无需有机碳作电子供体，污泥产量小，为废水生物脱氮提供了一个全新的工艺设计思路，因此具广阔的应用前景。
参与厌氧氨氧化过程的自养细菌的特点是生长速率低，细胞产量低，对不利环境条件敏感，导致厌氧氨氧化反应器的启动时间很长，严重限制了其工程化应用。因此，研发一种经济性的快速启动厌氧氨氧化反应器的方法是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)采用UASB(升流式厌氧污泥床)反应器，接种污泥大约占整个反应器有效体积的60％～70％，主要包括三部分：第一部分是厌氧颗粒污泥；第二部分是厌氧氨氧化颗粒污泥；第三部分是二沉池回流污泥。三种污泥的空间分布从底层开始向上依次为厌氧颗粒污泥、厌氧氨氧化颗粒污泥和回流污泥，三种污泥的体积比例(4～4.5):(4～4.5):(1～2)，本发明优选4.5:4.5:1。
(2)温度维持在28～36℃；进水不采取特殊的除氧措施；添加碳酸氢钠以维持pH在7.0～8.3之间，并提供反应所需的碱度；模拟废水氨氮和亚氮浓度比例为1:1.30～1:1.35，优选比例为1：1.32，初始氨氮和亚氮的浓度分别为20mg/L和26.4mg/L，Ni2+的浓度为大于等于0.5mg/L小于等于2mg/L，当Ni2+的浓度为0.5mg/L时效果最显著；初始水力停留时间设定为12h，通过逐步提高基质浓度和减少水力停留时间来提高反应器的负荷。
所述的Ni2+的浓度可通过批次实验确定最优值，从取出接种污泥的厌氧氨氧化反应器中取新鲜的污泥，用磷酸盐缓冲液清洗污泥上的残余基质，加入需处理的污水，并加入Ni2+进行厌氧氨氧化，选择效果最好的。
优选步骤(2)通过逐步提高基质浓度和减少水力停留时间来提高反应器的负荷为：每日取样测定进出水中的氨氮和亚氮和硝氮的浓度，当总氮的去除率达到70％以上并稳定两周后提高基质浓度，氨氮提高的幅度为10mg/L，亚氮按比例提高；当反应器表现出厌氧氨氧化性能时逐步缩短水力停留时间，直至反应器的总氮负荷不低于1.0kg·N/d。
厌氧颗粒污泥：首先装入反应器，沉淀在UASB反应器底部，既具有一定的承托作用，又防止进水口堵塞。
厌氧氨氧化颗粒污泥：优选为红色颗粒和棕色絮体的混合污泥。
回流污泥的预处理：经2h静止沉淀并倒出上清液，加入污泥体积10％的200目粉末活性炭作为污泥快速颗粒化的惰性载体，每日换水，如此循环持续10d。
氨氮以NH4Cl形式提供，亚氮以NaNO2形式提供，Ni2+以NiCl2·6H2O形式提供，直接添加至进水，通过蠕动泵加到反应器。配水中其他组分及含量：KH2PO427.2mg/L，MgSO4·7H2O 200mg/L，CaCl2 300mg/L；微量元素I、II 1.5ml/L，微量元素I的组成为：EDTA 5g/L，FeSO4·7H2O 5g/L，微量元素II的组成：EDTA15g/L，H3BO4 0.014g/L，MnCl2·4H2O 0.99g/L，CuSO4·5H2O 0.25g/L，ZnSO4·7H2O0.43g/L，NiCl2·6H2O 0.19g/L，NaMoO4·2H2O 0.22g/L，CoCl2·6H2O 0.04g/L。
每改变一个工况测定MLSS和MLVSS。评估整个启动过程中镍促作用对厌氧氨氧化细菌和酶活性的影响。应用FISH分析来分析镍促作用和不镍促作用两个反应器中厌氧氨氧化菌数量的变化；应用16SrRNA功能基因标记来分析两个反应器中参与厌氧氨氧化过程的关键酶(肼氧化酶(HZO)、羟胺氧化还原酶(HAO)等)的变化，通过羟胺氧化酶活性间接反映厌氧氨氧化性能并探讨镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的机理；应用酚硫酸法和弗林特苯酚法测定胞外聚合物多糖(PS)和蛋白质(PRO)的浓度。
(1)镍的添加提高关键酶的活性来加快启动历程
Ni2+的化学性质活泼，具有氧化还原介体性质，可以产生良好的电子转移能力和微生物亲和力。与辅酶Q(CoQ)相比，Ni2+电子转移能力更快，Ni2+作为基本组分参与了从联氨脱氢酶(HDH)到细胞色素c复合物的电子转移。因此，添加Ni2+可增强酶活性，这直接加速了ATP合成和厌氧氨氧化生物质的分解代谢。此外，由于关键酶的催化作用和能量代谢的改善，物质代谢的加速，进一步消耗更多的底物，如氨氮和亚氮。这对于厌氧氨氧化反应器的快速启动起着至关重要的作用。
(2)胞外聚合物(EPS)分泌增加促进污泥颗粒化
镍的添加促进了细菌细胞EPS的分泌，EPS在颗粒污泥形成过程中起到重要作用，主要包括多糖类、蛋白质类、腐植酸类等高分子聚合物。胞外聚合物主要利用自身黏性将细胞互相结合在一起，因此有研究推测EPS在颗粒化的过程中起发挥重要的作用，EPS中的蛋白质和多糖类物质是污泥颗粒化的物质基础蛋白质类物质颗粒污泥的形成过程中承担骨架支撑作用，是维持颗粒结构稳定的重要因素。
本发明的有益效果主要体现在：采用本发明的技术方案可以快速启动氧氨氧化反应，同时提高反应效率和活性。
附图说明
图1为实施例1步骤(1)Ni2+投加浓度的氨氮效果图；
图2为实施例1步骤(1)Ni2+投加浓度的亚氮效果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
(1)批次实验确定Ni2+的投加浓度
从取出接种污泥的厌氧氨氧化反应器中取一定新鲜的污泥，用磷酸盐缓冲液清洗污泥上的残余基质。分别称量清洗过的湿污泥5g分装在相同规格的血清瓶中，并取一些污泥测MLVSS；向120mL血清瓶加入50mL试验合成污水，其中氨氮和亚氮的浓度分别为50mg/L、66mg/L，合成污水中的其他组分和微量元素均按优选步骤(2)中描述的确定；Ni的浓度分别设0，0.5，1，2，5，10，15，25mg/L，塞上橡胶塞，并用铝盖加固；每个血清瓶用97％的氮气吹脱10分钟，置换吹去血清瓶上部的空气后置于35℃，150rpm的恒温水浴摇床中。每隔一段时间用注射器取样进行测定(每隔一个小时取样测定三氮的浓度)，实验进行8h。
根据批次试验结果，与不添加Ni2+的体系相比，体系中添加Ni2+的浓度低于2mg/L时，均能够促进厌氧氨氧化反应，提高反应器的氨氮去除率。当Ni2+的浓度为0.5mg/L时，氨氮的出水浓度最低，具有最大的去除率。然而，随着Ni2+的浓度不断提高，氨氮的出水浓度也随之提高，对厌氧氨氧化反应表现出了不同程度的抑制。这表明镍的添加对厌氧氨氧化反应的“低促高抑”效应。添加镍对厌氧氨氧化亚氮去除的影响与氨氮一致。
因此，可以通过镍对厌氧氨氧化反应的“低促”效应来快速启动厌氧氨氧化反应器。
(2)通过步骤(1)确定添加适量的镍(剂量为≤2mg/L)快速启动厌氧氨氧化反应器；采用UASB(升流式厌氧污泥床)反应器，接种污泥大约占整个反应器有效体积的60％～70％，主要包括三部分：第一部分是厌氧颗粒污泥；第二部分是厌氧氨氧化颗粒污泥；第三部分是二沉池回流污泥。三种污泥的空间分布从底层开始依次为厌氧颗粒污泥、厌氧氨氧化颗粒污泥和回流污泥，三种污泥的体积比例4.5:4.5:1。
采用两个相同的反应器R1(对照反应器，不添加Ni)和R2(添加Ni)。反应器有效体积为10L。每个反应器初始MLVSS浓度为4960mg/L。之前研究确定了最佳剂量为5mg/L。，在反应器启动时，进水氨氮和亚氮的剂量分别为20mg/L和30mg/L。水力停留时间(HRT)为12h，初始氨氮和亚氮的浓度分别为20mg/L和30mg/L，氨氮亚氮Ni2+的浓度为5mg/L；初始水力停留时间设定为12h，通过逐步提高基质浓度和减少水力停留时间来提高反应器的负荷。水浴将温度保持在35±1℃。
即温度维持在28～35℃；进水不采取特殊的除氧措施；添加碳酸氢钠以维持pH在7.0～8.3之间，并提供反应所需的碱度；模拟废水氨氮和亚氮浓度比例为1:1.5，所述的Ni2+的浓度始终保持不变。初始氨氮和亚氮的浓度分别为20mg/L和30mg/L，氨氮亚氮Ni2+的浓度为5mg/L；初始水力停留时间设定为12h，通过逐步提高基质浓度和减少水力停留时间来提高反应器的负荷：每日取样测定进出水中的氨氮和亚氮和硝氮的浓度，当总氮的去除率达到60％以上并稳定两周后提高基质浓度，氨氮提高的幅度为20mg/L，亚氮按比例提高；当反应器表现出厌氧氨氧化性能(即氨氮的去除：亚氮的去除：硝氮的生成＝1：1.32：0.26时，逐步缩短水力停留时间，至反应器的总氮负荷达到1.0kg·N/d。
UASB反应器由有机玻璃制成，有效容积约10L。反应器外裹水浴套桶，取样口贯穿水浴区便于取样。最外层裹保温、避光的黑色材料。
厌氧颗粒污泥：大约3.15L,首先装入反应器，沉淀在UASB反应器底部，既具有一定的承托作用，又防止进水口堵塞。厌氧氨氧化颗粒污泥：大约0.7L，为红色颗粒和棕色絮体的混合污泥。回流污泥的预处理：大约3.15L，经2h静止沉淀并倒出上清液，加入约为污泥体积10％的的200目粉末活性炭作为污泥快速颗粒化的惰性载体，每日换水，如此循环持续10d。
氨氮以NH4Cl形式提供，亚氮以NaNO2形式提供，Ni2+以NiCl2·6H2O形式提供，直接添加至进水，通过蠕动泵加到反应器。体配水中其他组分及含量：KH2PO4 27.2mg/L，MgSO4·7H2O 200mg/L，CaCl2 300mg/L；微量元素I、II 1.5ml/L，微量元素I的组成为：EDTA 5g/L，FeSO4·7H2O 5g/L，微量元素II的组成：EDTA15g/L，H3BO4 0.014g/L，MnCl2·4H2O 0.99g/L，CuSO4·5H2O 0.25g/L，ZnSO4·7H2O0.43g/L，NiCl2·6H2O 0.19g/L，NaMoO4·2H2O 0.22g/L，CoCl2·6H2O 0.04g/L。
研究镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器是通过对照试验完成的。分析两个反应器中参与厌氧氨氧化过程的关键酶的变化，探讨镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的机理；用酚硫酸法和弗林特苯酚法测定胞外聚合物(EPS)中各组分的浓度。
实验结果：
(1)酶活性
通过对添加Ni2+和不添加Ni2+两个反应器启动过程中泥样联氨脱氢酶(HDH)活性的测定，两个反应器的酶活性呈现稳定增加的趋势。添加Ni2+的反应器中HDH的活性比对照组高，表现出相对较高的HDH活性，这与脱氮性能密切相关。
(2)EPS
胞外多聚物(EPS)通常是微生物细胞的第一道屏障，与水环境中的物质直接接触并相互作用。两个反应器中微生物分泌的EPS均随着启动过程中氮负荷的提高而增加，EPS的总量与厌氧氨氧化活性(SAA)呈正相关。相比不添加Ni2+的反应器，添加Ni2+的反应器EPS的总量更高，反应器改变工况时的耐冲击负荷能力更强，适应期短。另外，对EPS的各组分分析，多糖(PS)和蛋白质(PN)的变化与EPS的总量变化一致，但是添加Ni2+的反应器PN增加的更多，PN中大量的疏水性氨基酸和PN大量的疏松结构有利于内部疏水性官能团的暴露，促进疏水作用，进而促进Anammox污泥的凝聚。因此，EPS不仅可以形成包裹微生物的保护层，又有利于单独的微生物凝聚形成更稳定的结构，从而进一步促进厌氧氨氧化菌活性提高，加快启动进程。

Claims (9)

1.一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用UASB反应器，接种污泥大约占整个反应器有效体积的60％～70％，主要包括三部分：第一部分是厌氧颗粒污泥；第二部分是厌氧氨氧化颗粒污泥；第三部分是二沉池回流污泥；三种污泥的空间分布从底层开始向上依次为厌氧颗粒污泥、厌氧氨氧化颗粒污泥和回流污泥，三种污泥的体积比例(4～4.5):(4～4.5):(1～2)；
(2)温度维持在28～36℃；进水不采取特殊的除氧措施；添加碳酸氢钠以维持pH在7.0～8.3之间，并提供反应所需的碱度；废水氨氮和亚氮浓度比例为1:1.30～1:1.35，初始氨氮和亚氮的浓度分别为20mg/L和26.4mg/L，Ni2+的浓度为大于等于0.5mg/L小于等于2mg/L，初始水力停留时间设定为12h，通过逐步提高基质浓度和减少水力停留时间来提高反应器的负荷。
2.按照权利要求1所述的一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，其特征在于，所述的Ni2+的浓度通过批次实验确定最优值，从取出接种污泥的厌氧氨氧化反应器中取新鲜的污泥，用磷酸盐缓冲液清洗污泥上的残余基质，加入需处理的污水，并加入Ni2+进行厌氧氨氧化，选择效果最好的。
3.按照权利要求1所述的一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，其特征在于，步骤(2)通过逐步提高基质浓度和减少水力停留时间来提高反应器的负荷为：每日取样测定进出水中的氨氮和亚氮和硝氮的浓度，当总氮的去除率达到70％以上并稳定两周后提高基质浓度，氨氮提高的幅度为10mg/L，亚氮按比例提高；当反应器表现出厌氧氨氧化性能时逐步缩短水力停留时间，直至反应器的总氮负荷不低于1.0kg·N/d。
4.按照权利要求1所述的一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，其特征在于，厌氧颗粒污泥：首先装入反应器，沉淀在UASB反应器底部，既具有一定的承托作用，又防止进水口堵塞；厌氧氨氧化颗粒污泥：优选为红色颗粒和棕色絮体的混合污泥；回流污泥的预处理：经2h静止沉淀并倒出上清液，加入污泥体积10％的200目粉末活性炭作为污泥快速颗粒化的惰性载体，每日换水，如此循环持续10d。
5.按照权利要求1所述的一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，其特征在于，Ni2+以NiCl2·6H2O形式提供，直接添加至进水，通过蠕动泵加到反应器。
6.按照权利要求1所述的一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，其特征在于，配水中其他组分及含量：KH2PO4 27.2mg/L，MgSO4·7H2O 200mg/L，CaCl2 300mg/L；微量元素I、II 1.5ml/L，微量元素I的组成为：EDTA 5g/L，FeSO4·7H2O 5g/L，微量元素II的组成：EDTA 15g/L，H3BO4 0.014g/L，MnCl2·4H2O 0.99g/L，CuSO4·5H2O 0.25g/L，ZnSO4·7H2O0.43g/L，NiCl2·6H2O 0.19g/L，NaMoO4·2H2O 0.22g/L，CoCl2·6H2O 0.04g/L。
7.按照权利要求1所述的一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，其特征在于，三种污泥的体积比例为4.5:4.5:1。
8.按照权利要求1所述的一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，其特征在于，废水氨氮和亚氮浓度比例为1：1.32。
9.按照权利要求1所述的一种镍促作用快速启动厌氧氨氧化反应器的方法，其特征在于，Ni2+的浓度为0.5mg/L。
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