CN109970216B - Pva基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法，采用三种不同类型的PVA基凝胶珠(PVA、PVA/CS、PVA/CS/Fe)，用于促进AnAOB聚集生长，实现了Anammox污泥颗粒化快速培养。本发明的凝胶珠与AnAOB相容性好，有利于AnAOB快速附着和繁殖，仅在46d即实现了Anammox反应器的成功启动。(2)本发明所提出的促进AnAOB聚集生长的方法可推广应用于废水生物处理领域，具备优良的经济和环境效益。

Description

PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法

技术领域

本发明属于环境工程领域，具体涉及PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化(Anammox)污泥颗粒化的培养方法。

背景技术

1995年Mulder等人发现了厌氧氨氧化菌(AnAOB)，该菌属于浮霉状菌属(Planctomyces)的一个分支单系群。该菌可以利用亚硝酸盐为电子受体，在厌氧条件下将氨氧化为氮气。与传统的硝化-反硝化生物脱氮过程相比，AnAOB主导的脱氮过程具有节省曝气能量，减少污泥产量，无需碳源补充等优势。因此，基于AnAOB开发的厌氧氨氧化(Anammox)工艺迅速成为国内外生物脱氮领域的研究热点。

然而，在推进Anammox工艺工业化应用过程中，却面临着以下不容忽视的问题：(1)AnAOB生长速度缓慢(在30～35℃的条件下培养，倍增时间约为10～14d)，不利于生物量的快速积累，因此反应器启动缓慢(荷兰鹿特丹的世界上第一座Anammox反应器启动时间长达三年之久)；(2)AnAOB对环境的变化高度敏感，一旦受到环境因素抑制，则可能出现污泥坏死流失，不利于反应器的稳定运行。

研究表明，在生物反应器中，AnAOB倾向于聚集生长，可自发形成污泥絮体或污泥颗粒，然而AnAOB自发形成的聚集体强度不高，不能耐受大的水力剪切，容易在水质波动时瓦解破裂，而随出水流失，最终导致反应器运行失稳，而对于生长缓慢且对环境敏感的AnAOB来说，反应器一旦失稳，恢复将异常缓慢。采用适宜的生物载体促进AnAOB聚集生长，以形成性能优良的Anammox颗粒污泥是一种解决上述问题的手段。生物载体促进Anammox污泥颗粒化培养，能够为AnAOB创造合适的生存环境，可促进其快速聚集生长，使其具有良好的沉降性能，大大提高了污泥的耐水力冲击负荷能力。在细胞密度高的颗粒污泥上，AnAOB间的“信息交流和合作”也将得到加强，从而能够提高AnAOB的代谢活性。这对于Anammox工艺的启动和稳定运行是十分有利的。

发明内容

本发明为解决以上问题，采用三种不同类型的PVA基凝胶珠(PVA、PVA/CS、PVA/CS/Fe)，用于促进AnAOB聚集生长，实现了Anammox污泥颗粒化快速培养。

本发明采用如下技术方案实现：

PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法，按照如下步骤进行：

(1)将接种Anammox污泥与聚乙烯醇PVA基凝胶珠均匀混合填充于上流式厌氧污泥床UASB反应器中；

(2)进水以NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N为底物，添加微生物生长所需微量元素营养液，调节pH至6.8～7.2，并曝N₂ 15～20min以形成厌氧环境。启动和运行反应器，进水初始NH₄ ⁺-N浓度设置为40～50mg/L,NO₂ ^--N浓度设置为55～65mg/L，当出水NH₄ ⁺-N浓度低于5mg/L，NO₂ ^--N浓度低于2mg/L时逐渐提高进水氮容积负荷，直到达到最大容积负荷，并持续稳定运行；

(3)在反应器运行阶段进行污泥颗粒化评估。

所述PVA基凝胶珠是指聚乙烯醇PVA、聚乙烯醇/壳聚糖PVA/CS或聚乙烯醇/壳聚糖/铁PVA/CS/Fe凝胶珠。

步骤(1)中所用PVA基凝胶珠与接种Anammox污泥的体积比为2:3～1:1。

步骤(3)中反应器启动时间为30～46d，在反应器运行24～203d期间通过扫描电镜SEM，定量Q-PCR，生物多样性，污泥粒径，污泥沉降性能检测对反应器中AnAOB聚集生长和污泥颗粒化效果进行评估。

本发明的有益效果有：(1)所发明的凝胶珠与AnAOB相容性好，有利于AnAOB快速附着和繁殖，仅在46d即实现了Anammox反应器的成功启动。(2)本发明所提出的促进AnAOB聚集生长的方法可推广应用于废水生物处理领域，具备优良的经济和环境效益。

具体实施方式

下面以具体实施案例对本发明做进一步说明。

实施案例1PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法，依次包含以下步骤：

1)制备PVA/CS凝胶珠：用电子天平称取12g PVA溶于120mL 2.5％醋酸溶液中，机械搅拌8h至完全溶解；称取4g CS溶于120mL 2.5％醋酸溶液中，搅拌4h至完全溶解；将上述两种溶液混合后机械搅拌2h形成均质溶胶后作为原料溶液待用。每100mL溶液添加5g NaOH和20mL无水乙醇，搅拌均匀作为交联剂溶液待用。使用注射器将上述配置好的均质溶胶均匀滴入交联剂溶液中，不停搅拌。滴入过程完成后，形成白色，透亮，直径为～3mm的球形凝胶珠，将该凝胶珠继续置于交联剂溶液中固化24h。制备完成后，用去离子水洗涤数次，直到洗涤液pH为7左右。制备得到PVA/CS凝胶珠，直径约3mm。

2)将制备得到的PVA/CS凝胶珠用于辅助AnAOB聚集生长：取0.4L PVA/CS凝胶珠，0.6L冻存的AnAOB污泥作为种泥，同时加入到有效容积为1.3L的UASB反应器中。以NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N为底物(初始进水NH₄ ⁺-N浓度为50mg/L,NO₂ ^--N浓度为65mg/L，当出水NH₄ ⁺-N浓度低于5mg/L，NO₂ ^--N浓度低于2mg/L时提升氮容积负荷)，添加2mL微生物生长所需微量元素营养液，调节pH至6.8-7.2，进水曝N₂ 20min，进行AnAOB污泥反应器内培养。

3)在培养30d时(此时进水NH₄ ⁺-N浓度为140mg/L，NO₂ ^--N浓度为154mg/L，氮容积负荷为1.68kg m^-3d^-1)分别取出泥相和PVA/CS凝胶珠进行SEM检测。结果表明，在反应器中培养30d后，PVA/CS凝胶珠上AnAOB聚集生长状态较泥相中好，说明PVA/CS凝胶珠对于AnAOB的聚集生长具有促进作用。粒径测试结果表明该反应器中污泥的中值粒径为1310μm(未添加凝胶珠的对照反应器此时的中值粒径为1210μm)。污泥沉降性能测试结果表明此时反应器的污泥沉降速度为153m/h(未添加凝胶珠的对照反应器此时的沉降速度为91m/h)。

实施案例2PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法，依次包含以下步骤：

1)制备PVA/CS/Fe凝胶珠：用电子天平称取10g PVA溶于120mL 2.5％醋酸溶液中，机械搅拌8h至完全溶解；称取4g CS溶于120mL 2.5％醋酸溶液中，搅拌4h至完全溶解；将上述两种溶液混合后加入1g零价铁粉机械搅拌2h形成均质溶胶后待用。每100mL溶液添加5gNaOH和20mL无水乙醇，搅拌均匀作为交联剂溶液。使用蠕动泵和注射器将上述配置好的均质溶胶均匀滴入交联剂溶液中，不停搅拌。滴入过程完成后，形成灰白色，直径为～3mm的球形凝胶珠，将该凝胶珠继续置于交联剂溶液中固化24h。制备完成后，用去离子水洗涤数次，直到洗涤液pH为7左右。

2)将制备得到的PVA/CS/Fe凝胶珠用于辅助AnAOB聚集生长：取0.4L PVA/CS/Fe凝胶珠，0.6L冻存的AnAOB污泥作为种泥，同时加入到有效容积为1.3L的UASB反应器中，以NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N为底物(初始进水NH₄ ⁺-N浓度为50mg/L,NO₂ ^--N浓度为65mg/L，当出水NH₄ ⁺-N浓度低于5mg/L，NO₂ ^--N浓度低于2mg/L时提升氮容积负荷)，添加2mL微生物生长所需微量元素营养液，调节pH至6.8-7.2，进水曝N₂ 20min，进行AnAOB污泥反应器内培养。

3)在反应器继续运行培养至203d时(此时进水NH₄ ⁺-N浓度为150mg/L，NO₂ ^--N浓度为165mg/L，氮容积负荷为14.76kg m^-3d^-1)分别取出泥相和凝胶珠通过Q-PCR检测对AnAOB定量。结果表明，在反应器中培养203d后，凝胶珠上生长AnAOB的量远远高于泥相，表明反应器在长时间的运行后，PVA/CS/Fe凝胶珠仍然保持反应器内AnAOB高密度聚集生长。

实施案例3PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法，依次包含以下步骤：

1)制备PVA/CS凝胶珠:用电子天平称取10g PVA溶于100mL蒸馏水中，85℃水浴下机械搅拌30min至完全溶解；称取4g CS溶于100mL 2.5％(v/v)醋酸溶液中，磁力搅拌4h至完全溶解；将上述两种溶液混合后机械搅拌形成均质溶胶，超声8min后待用。每100mL溶液添加5gNaOH，搅拌均匀作为物理交联剂。100mL饱和硼酸中加2gCaCl₂，搅拌均匀作为化学交联剂。使用蠕动泵和注射器将上述配置好的均质溶胶均匀滴入物理交联剂中，不停搅拌。蠕动泵流量为3mL/min，滴头内径为1mm。滴入过程完成后，形成白色，透亮，直径为～3mm的凝胶珠，将该凝胶继续置于物理交联剂中固化5min至发生沉降，取出，用蒸馏水洗涤数次至pH呈中性。随后转入化学交联剂中继续交联5min，取出，用蒸馏水洗涤数次，得到乳白色，直径为～3mm，弹性好的PVA/CS凝胶珠。制备得到的PVA/CS凝胶珠在水中沉降性能好，直径～3mm，连续机械搅拌不溶出、不破裂，弹性好，机械性能稳定。

2)将制备得到的PVA/CS凝胶珠用于辅助AnAOB聚集生长：取一个200ml的血清瓶，分别加入5mL制备的PVA/CS凝胶珠，接种10mL实施案例2中在UASB中培养203d的污泥，添加50mL蒸馏水(该水中含有50mg/L NH₄ ⁺-N,66mg/L NO₂ ^--N,2mL微生物生长所需微量元素营养液)，调节PH至6.8-7.2，曝N₂15min，每隔1天取水补给新鲜水，取出量等于补给量。培养15d后，PVA/CS凝胶珠由乳白色转化为红褐色，PVA/CS凝胶珠球形结构完整，未破裂。SEM结果表明该凝胶珠上AnAOB呈现聚集态生长。

实施案例4PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法，依次包含以下步骤：

1)制备PVA凝胶珠用电子天平称取12g PVA溶于100mL蒸馏水中，90℃水浴下机械搅拌60min至完全溶解，得到质量分数为12％的PVA溶液。每100mL溶液添加6gNaOH，搅拌均匀作为催化剂。取15mL催化剂溶液，加入到50ml的12％PVA溶液中，得到稀释后质量分数为9.8％的PVA溶液。120mL饱和硼酸中加2gCaCl₂，搅拌均匀作为化学交联剂。使用注射器将上述稀释后的PVA凝胶溶液均匀滴入化学交联剂中，不停搅拌。将该凝胶继续置于化学交联剂中固化4min至发生沉降，取出，用蒸馏水洗涤数次至pH呈中性。得到乳白色，直径为～3mm，弹性好的PVA凝胶珠，切开肉眼观察该凝胶珠为均匀的凝胶结构。

5)将制备PVA凝胶珠用于辅助AnAOB聚集生长：在实验室正在运行的厌氧氨氧化USAB反应器中(进水为150mg/L NH₄ ⁺-N和165mg/L NO₂ ^--N，氮容积负荷为6.52kg/m³/d)投入所制备的PVA凝胶珠，随着反应器的运行，不改变进水条件，培养24d后，该PVA凝胶珠结构完整，颜色由乳白色转化为红褐色，未破裂。生物多样性检测结果表明该PVA凝胶珠上AnAOB附着量比泥相中高。因此证明了AnAOB在凝胶珠上聚集生长。

本发明提出的以PVA基凝胶小球辅助AnAOB聚集生长的方法能够有效促进AnAOB繁殖。PVA基凝胶小球良好的生物相容性为AnAOB提供了繁殖的场所，并且PVA基凝胶小球为AnAOB的聚集生长提供了强有力的骨架结构。因此高度聚集的AnAOB形成了强度好、活性高的Anammox颗粒污泥，这使得反应器抗水力冲刷性能增强。

综上所述，PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法能够实现AnAOB聚集生长，从而保证升流式反应器内部形成沉降性能好的Anammox活性颗粒污泥床层。

Claims (3)

1.PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

(1)将接种Anammox污泥与聚乙烯醇PVA基凝胶珠均匀混合填充于上流式厌氧污泥床UASB反应器中；

(2)进水以NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N为底物，添加微生物生长所需微量元素营养液，调节pH至6.8～7.2，并曝N₂ 15～20min以形成厌氧环境，启动和运行反应器，进水初始NH₄ ⁺-N浓度设置为40～50mg/L,NO₂ ^--N浓度设置为55～65mg/L，当出水NH₄ ⁺-N浓度低于5mg/L，NO₂ ^--N浓度低于2mg/L时逐渐提高进水氮容积负荷，直到达到最大容积负荷，并持续稳定运行；

(3)在反应器运行阶段进行污泥颗粒化评估；

(4)在反应器中培养203d后，PVA基凝胶珠上生长厌氧氨氧化菌的量远远高于泥相；

(5)PVA基凝胶珠培养后的颗粒污泥沉降速度高于自然聚集的颗粒污泥。

2.根据权利要求1所述PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法，其特征在于，所述PVA基凝胶珠是指聚乙烯醇PVA、聚乙烯醇/壳聚糖PVA/CS或聚乙烯醇/壳聚糖/铁PVA/CS/Fe凝胶珠。

3.根据权利要求1所述PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法，其特征在于，步骤(1)中所用PVA基凝胶珠与接种Anammox污泥的体积比为2:3～1:1。