CN110093275A - 一种耐镉硫酸盐还原活性污泥的驯化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐镉硫酸盐还原活性污泥的驯化方法，所述方法以有机废水厌氧处理颗粒污泥或铅锌矿矿山周边重金属污染的土壤为种泥，采用连续流的培养，经过两个阶段的驯化，驯化出耐镉且具高效硫酸盐还原活性的污泥，污泥中富集获得大量不同种属的耐镉SRB菌种，为利用SRB法钝化修复镉污染土壤提供有效的混合菌种。本发明还公开了一种经优化设计出的上流式圆柱形厌氧反应器，主要包括：封闭式柱形容器，容器底部设置有进水口，容器顶部设置有出气口，靠近顶部的容器壁上设置有出水口；容器内部垂直布置了无纺布污泥床，容器底部还设置了搅拌器。

Description

一种耐镉硫酸盐还原活性污泥的驯化方法
技术领域
本发明属于废水生物处理技术领域，具体涉及一种耐镉的硫酸盐还原活性污泥的驯化方法。
背景技术
重金属污染是一个严重的环境问题，它主要是由采矿、工业生产、农业排水和大气沉积等人为活动造成。重金属不能被降解，在水生、陆地系统和食物链中大量积累，导致植物、动物和人类的疾病和死亡，重金属镉(Cadmium，Cd)污染引发的“镉米事件”尤其令人关注。目前重金属的处理方法有很多，如化学沉淀法、吸附法、离子交换法、电解法、膜技术等，但这些方法对重金属的去除成本高、复杂且效率低下。
通过微生物沉淀、固定重金属则具有处理成本低、效率高及无二次污染的特点，其中最常用的是硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria,SRB)法。SRB可以利用有机碳源将环境中的SO4 2-转化为S2-，S2-与重金属(M2+)生成金属硫化物沉淀，从而实现从废水中去除重金属离子，或将土壤中重金属钝化。目前国内外主要采用纯培养的SRB开展重金属废水处理和重金属污染土壤修复，但在自然界，SRB通常与其他微生物共存于污泥或土壤，相互影响、相互制约，更多表现为协同作用。因此，纯培养的SRB在实际运用中，其生长容易受到抑制，难以满足废水处理和污染土壤修复的需要。
发明内容
本发明提供一种耐镉的硫酸盐还原活性污泥的驯化方法，以有机废水厌氧处理颗粒污泥或铅锌矿矿山周边重金属污染的土壤为种泥，采用连续流的培养，经过两个阶段的驯化，驯化出耐镉且具高效硫酸盐还原活性的污泥，污泥中富集获得大量不同种属的耐镉SRB菌种，为利用SRB法钝化修复镉污染土壤提供有效的混合菌种。
耐镉硫酸盐还原活性污泥驯化的操作步骤包括：
(1)采用上流式圆柱形厌氧反应器(UFCR)。
(2)反应器启动时的接种污泥为有机废水厌氧处理颗粒污泥或铅锌尾矿砂污染土壤(Cd 5.47mg/kg)，接种污泥体积数为厌氧反应器有效容积的1/5。
(3)反应器的进水及运行方式：整个启动、运行过程中，保持温度30±2℃，水力停留时间(HRT)为72h；维持进水COD浓度为4000mg/L、SO4 2-浓度为2000mg/L不变，其中乳酸钠为碳源以COD计，硫酸盐为Na2SO4、FeSO4·7H2O和MgSO4·7H2O的混合物，优选采用3CdSO4·7H2O配制Cd2+，优选采用Na2CO3溶液调节pH值。反应器启动阶段(阶段Ⅰ)的进水中未添加Cd2 +，pH值为7.0±0.3，反应器运行阶段(阶段Ⅱ)进水中Cd2+浓度为50mg/L，pH值为6.5±0.3。
本发明还提供一种经优化设计出的上流式圆柱形厌氧反应器，主要包括：封闭式柱形容器，容器底部设置有进水口，容器顶部设置有出气口，靠近顶部的容器壁上设置有出水口；容器内部垂直布置了无纺布污泥床，容器底部还设置了搅拌器。
附图说明
图1是本发明实施例中的UFCR反应器及运行示意图。
图2a、2b分别反映了本发明对COD和SO4 2-的去除效果。
图3a、3b分别反映了实施例反应器中硫化物的含量及本发明对Cd2+的去除效果。图4描述了反应器中污泥的硫酸盐还原活性。
图5a、5b、5c、5d为实施例反应器中污泥的电镜扫描图。
具体实施方式
下面以两台2台UFCR反应器为例，进一步详细的描述本发明的技术方案及获得的有益效果。
1.污泥驯化的反应器装置：实施例使用的是一个经优化并重新设计的上流式圆柱形厌氧反应器(UFCR)，下述简称反应器，见图1。反应器直径和高分别为90mm和320mm，总容积2L，有效容积为1.5L。反应器底端上方的230mm处有一个取样口，顶部设置有集气口，反应器旁放置有一个进水桶，反应器由蠕动泵控制，可以方便控制从进水桶进入反应器顶部的反应器的进料速率，通过电磁搅拌器搅拌，使得入口的基质均匀地分散在反应器当中，控制温度稳定在30±2℃，以保证SRB可以生活在最适宜的环境中。反应器内部垂直布置了无纺布污泥床，无纺布污泥床可以通过支架支撑于反应器底部，也可以吊挂于反应器中，耐镉硫酸盐还原活性污泥位于反应器底部及无纺布上。
2.反应器的种泥及接种：反应器启动时，分别将有机废水厌氧处理颗粒污泥和铅锌尾矿砂污染土壤(Cd 5.47mg/kg)接种入两台反应器(编号为：1#和2#)，接种体积数为厌氧反应器有效容积的1/5。
3.反应器的进水：进水配方见表1，是以乳酸钠为碳源，氮源为NH4HCO3，磷源为KH2PO4，COD：N：P＝200：5：1，硫酸盐为Na2SO4、FeSO4·7H2O和MgSO4·7H2O的混合物，并且添加一定量的Fe、Cu、Co、Ni、Mn等微量元素，用Na2CO3调节进水的pH值为6.5-7.0。
4.反应器的启动、运行方式：整个启动、运行过程中，保持温度30±1℃，水力停留时间(HRT)为72h；维持进水COD浓度为4000mg/L、SO4 2-浓度为2000mg/L不变，其中乳酸钠为碳源以COD计，硫酸盐为Na2SO4、FeSO4·7H2O和MgSO4·7H2O的混合物，用3CdSO4·7H2O配制Cd2+，以Na2CO3溶液调节pH值。反应器启动阶段(阶段Ⅰ)的进水中未添加Cd2+，pH值为7.0±0.3，反应器运行阶段(阶段Ⅱ)进水中Cd2+浓度为50mg/L，pH值为6.5±0.3。具体操作参数见表2。
5.反应器的处理效率：反应器对COD和SO4 2-的去除情况见图2a、2b，由图2a、2b可见，COD和SO4 2-的去除率均随反应器的运行而逐渐趋于稳定。在阶段Ⅰ结束(50d)时，1#和2#反应器对COD的去除率分别为79.4％和56.0％，对SO4 2-的去除率分别为30.8％和18.9％。阶段Ⅱ在进水中添加了50mg/L的Cd2+，当阶段Ⅱ结束(108d)时，1#和2#反应器对COD的去除率分别为72.4％和71.3％，对SO4 2-的去除率分别为70.6％和57.3％。相应地，反应器中硫化物的含量及对Cd2+的去除情况见图3a、3b，由图3a、3b可见，反应器出水中的硫化物含量波动较大，在0.75-90.20之间。阶段Ⅰ结束(50d)时，1#和2#反应器出水硫化物浓度分别为71.63mg/L和54.67mg/L，而阶段Ⅱ结束(108d)时，1#和2#反应器出水硫化物浓度分别降为15.97mg/L和28.59mg/L，此时反应器对Cd2+的去除明显，其去除率分别达到95.5％和96.2％，说明反应器中发生了明显的生物硫酸盐还原过程，SO4 2-+CH3COO-→2HCO3 -+HS-，并生成硫化物(包括S2-、HS-和H2S，以下以S2-统称)，产生的S2-与Cd2+结合形成硫化镉沉淀(CdS↓)，Cd2++S2-→CdS↓，因此反应器中驯化出了耐镉的硫酸盐还原活性污泥。
6.反应器内污泥硫酸盐还原活性及硫酸盐还原菌的表征：反应器中污泥的硫酸盐还原活性见图4。由图4可见，与阶段Ⅰ相比，阶段Ⅱ结束(108d)时，1#和2#反应器中污泥的硫酸盐还原活性均明显增加，分别为0.20g SO4 2-gVSS-1d-1和0.15g SO4 2-gVSS-1d-1。反应器中污泥的电镜扫描结果见图5a、5b、5c、5d，从图中可以看出，阶段Ⅰ结束(50d)时，污泥表面有少量微生物个体，但在阶段Ⅱ结束(108d)时，1#和2#反应器中污泥表面均呈现大量细菌形态的微生物，以短杆菌、杆菌、球菌和弧菌为主，菌体较粗壮。
使用土壤试剂盒(Power Soil,MoBio)提取污泥中的DNA；采用细菌高变区V3-V4区16S RNA通用引物：正向341F(5'-CCTAYGGGRBGCASCAG-3')，反向806R(5'-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3')进行PCR扩增；PCR产物回收后，由北京诺禾致源生物信息科技有限公司使用lon S5XL进行16S rRNA高通量测序，在序列聚类分析的基础上，在界(kingdom)、门(phylum)、纲(class)、目(order)、科(family)和属(genus)分类水平上对污泥的细菌和古菌进行分类，统计它们的相对丰度。由表3可知，到阶段Ⅰ结束时(50d)，1#和2#反应器污泥中主要存在脱硫弧菌属(Desulfovibrio)，其相对丰度很低，分别为0.63％和0.09％。到阶段Ⅱ结束时(108d)，1#和2#反应器污泥中主要由5个属的SRB组成，包括硫还原菌属(Desulfurella)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、杆状脱硫均属(Desulforhabdus)、脱硫单胞菌属(Desulfuromonas)和脱硫叶菌属(Desulfobulbus)；它们在1#反应器污泥中的相对丰度分别为11.30％、3.20％、6.39％、0.37％和0.14％，它们在2#反应器污泥中的相对丰度分别为0.74％、4.60％、0.10％、2.51％和1.43％。由此可见，阶段Ⅱ结束时(108d)，1#和2#反应器污泥中SRB菌属的相对丰度之和分别达21.40％和9.32％以上，其中Desulfovibrio的相对丰度与阶段Ⅰ比均明显增加。
综上，采用2台上流式圆柱形厌氧反应器(UFCR)，分别接种有机废水厌氧处理颗粒污泥和铅锌尾矿砂污染土壤，以硫酸盐有机废水为进水，并在进水中添加50mg/LCd2+、调节进水pH值为6.5±0.3，HRT为72h，温度30±2℃，经过108天，驯化培养出耐镉的硫酸盐还原活性污泥。在Cd2+浓度为50mg/L时，污泥中含有：Desulfurella、Desulfovibrio、Desulforhabdus、Desulfuromonas和Desulfobulbus 5个属的硫酸盐还原菌(SRB)，1#和2#反应器污泥中SRB菌属的相对丰度之和分别达21.40％和9.32％以上。
表1反应器进水配方
表2反应器运行操作参数
表3反应器污泥中主要SRB属的丰度变化值

Claims (4)

1.一种耐镉硫酸盐还原活性污泥的驯化方法，包括UFCR反应器，其特征在于：
(1)所述UFCR反应器采用上流式圆柱形厌氧反应器；
(2)UFCR反应器启动时的接种污泥采用有机废水厌氧处理颗粒污泥或者含镉的铅锌尾矿砂污染土壤；
(3)UFCR反应器的进水配方：乳酸钠为碳源，以COD计，以NH4HCO3为氮源，以KH2PO4为磷源，碳氮磷之比为200：5：1；硫酸盐为Na2SO4、FeSO4·7H2O和MgSO4·7H2O的混合物，所述硫酸盐中含有以微量元素形式存在的Fe、Cu、Co、Ni和Mn，进水的pH值为6.5-7.0；
(4)UFCR反应器的启动、运行方式：整个启动、运行过程中，保持温度30±1℃，水力停留时间为72h；维持进水COD浓度4000mg/L和SO4 2-浓度2000mg/L不变；UFCR反应器启动阶段的进水中未添加Cd2+，进水pH值为7.0±0.3，UFCR反应器运行阶段的进水中添加Cd2+，其浓度为50mg/L，进水pH值为6.5±0.3。
2.根据权利要求1所述的方法，其中的进水pH值采用Na2CO3溶液调节。
3.根据权利要求1所述的方法，其中的Cd2+采用3CdSO4·7H2O配制。
4.根据权利要求1所述的方法，其中的上流式圆柱形厌氧反应器，包括：封闭式柱形容器，容器底部设置有进水口，容器顶部设置有出气口，靠近顶部的容器壁上设置有出水口；容器内部垂直布置了无纺布污泥床，容器底部还设置了搅拌器。
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