CN110482697A - 一种利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消化延缓钙化的方法 - Google Patents

一种利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消化延缓钙化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消化延缓钙化的方法，该方法的技术方案为：在厌氧颗粒污泥处理的造纸工厂废水中，当厌氧颗粒污泥中微生物含量的比例VSS/TSS小于0.6时，在造纸废水进入厌氧反应器前向造纸废水中加入AHLs类信号分子。通过AHLs类信号分子的加入，可以改变细菌和产甲烷菌的群落结构，从而达到促进厌氧消化延缓钙化的目的。本发明的方法通过添加微量的信号分子来调控颗粒污泥微环境，提高易受钙化影响的细菌数目，使还未钙化的污泥的厌氧消化速率提高，钙化速率被延缓。

Description

一种利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消 化延缓钙化的方法
技术领域
本发明属于轻工技术制浆造纸技术领域，具体涉及一种利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消化延缓钙化的方法。
背景技术
我国每年的造纸原料有60％以上都来自于废纸纸浆，废纸在脱墨、打浆、净化和筛选等过程中会产生大量的高浓度的有机废水。该废水主要通过厌氧颗粒污泥降解来实现减量化、资源化。但是由于废水中钙离子含量高，在长时间处理过程中，钙盐以碳酸钙(CaCO3)及碳磷灰石(Ca5(PO4·CO3)3(OH))等形式沉积到颗粒污泥表面、内部或管道等位置。钙盐的大量累积，会促进厌氧颗粒污泥之间的粘结聚集，降低传质效率，引起沟流和阻塞，减弱了污泥的冲刷效果，反应器空间减小，易发生故障；还会引起颗粒污泥灰分升高，污泥中活性成分被逐步淘汰，无机成分占据反应器的大量空间，VSS/TSS值(污泥中微生物含量的比例)降低，比产甲烷活性降低；导致微生物的活性周期变短、需定期更换污泥，加大了运行成本，并且严重影响处理能力；甚至导致整个处理系统崩溃，颗粒污泥内部或表面完全钙化，系统往往需要3-6个月才能重新恢复，成为高钙废水处理的顽疾。
目前常用的解决办法为通过排污泥方式和预处理脱钙来优化分离钙化污泥，但仍未从根本上解决钙化问题。因此，需要一种方法来从根本上解决颗粒污泥钙化现象，即调控微环境的方法来使污泥钙化被延缓。其中比较有优势的是信号分子。信号分子是微生物合成的一类代谢产物，可以在同种细菌或不同细菌之间起调节基因表达和激活微生物群体的社会行为(如共生)的作用，而且通过添加微量的信号分子就可以达到调节微环境的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消化延缓钙化的方法。利用本发明可以调控厌氧颗粒污泥的微环境，提高易受钙化影响的细菌数目，使还未钙化的污泥的厌氧消化速率提高，钙化速率被延缓。
本发明要解决的技术问题，通过以下技术方案予以实现：
一种利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消化延缓钙化的方法，在厌氧颗粒污泥处理造纸废水过程中，当厌氧反应器中的厌氧颗粒污泥中微生物含量的比例VSS/TSS小于0.6时，在造纸废水进入厌氧反应器前向造纸废水中加入AHLs类信号分子。
优选地，所述AHLs类信号分子的加入量为每立方米造纸废水加入10-100mg的AHLs类信号分子。
优选地，所述AHLs类信号分子为C8-HSL、C6-HSL、3-oxo-C6-HSL或3-oxo-C8-HSL。
优选地，所述AHLs类信号分子为C8-HSL。
上述方法，包括以下步骤：
S1.造纸废水先经过调节池再进入厌氧反应器，当厌氧反应器中的厌氧颗粒污泥中微生物含量的比例VSS/TSS小于0.6时，在调节池末端出口处向造纸废水中加入AHLs类信号分子，所述AHLs类信号分子的加入量为每立方米造纸废水加入10-100mg的AHLs类信号分子；
S2.在调节池中调制好的造纸废水进入厌氧反应器中，按照常规厌氧处理方式进行处理。
所述步骤S1中AHLs类信号分子的加入时间间隔通过时间控制器来控制，调节池配有液位变送器来检测液位以防止厌氧反应器进料泵空转。
本发明的有益效果是：通过添加微量的信号分子，提高易受钙化影响的细菌数目，使还未钙化的污泥的厌氧消化速率提高，钙化速率被延缓。
附图说明
图1为COD去除率随C8-HSL加入量的变化图；
图2为特定的产甲烷活性(SMA)随C8-HSL加入量的变化图；
图3为辅酶F420的含量随C8-HSL加入量的变化图；
图4为VSS/TSS随C8-HSL加入量的变化图。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明的精神和实质情况下，对本发明方法、步骤或条件所做的简单修改或替换，均属于本发明的范围。若无特殊说明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1：
利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消化延缓钙化的方法，本实施例是在实验室条件下进行，具体操作如下：
1)驯养：取50mL颗粒污泥，加入200mL的广西某造纸厂造纸废水，该生物反应器操作涉及24小时的运行循环，其具有反应阶段(23.5小时)和污泥沉降阶段(0.5小时)。除去50mL上清液，并在循环结束时通过长头注射器注入相同体积的新鲜造纸废水，驯养一周左右。
2)加样：驯养过后每天向反应器中加入2μg的C8-HSL标准品。
3)处理：将上述反应器在38℃的恒温磁力搅拌水浴锅中处理。
4)取样：在每个循环的开始和结束时采集水样，并在每个循环结束时采集污泥样品。在总共三个月的操作之后，通过以5000×g离心10分钟收集污泥生物质，然后冷冻用于进一步的测序分析。
本实施例在三个月后测的COD去除率为75％，特定的产甲烷活性(SMA)为25mL/(gVss·h)，辅酶F420(评估潜在产甲烷活性的手段)的含量为0.18μmol/gVss，VSS/TSS为0.65；与未加外源信号分子的反应器相比，COD去除率提高10.8％，特定的产甲烷活性(SMA)提高32.4％，辅酶F420的活性提高33.5％，VSS/TSS提高0.03；微生物中细菌属的优势菌属发生了改变，由原来的Spirochaetaceae_uncultured，Lineage_I_Endomicrobia_norank和PL-11B10_norank变为Spirochaetaceaeae_uncultured，Lactivibrio和Bacteroidetes_vadinHA17_norank，且Spirochaetaceaeae_uncultured在原来的基础上有所增加，而Spirochaetaceaeae_uncultured，Lactivibrio的主要生态功能是降解作为产甲烷菌前体的碳水化合物和有机酸；甲烷菌属Methanobacterium，Methanosaeta和Methanosarcina都得到了增强，其中Methanosaeta显著增强，Methanosaeta harundinacea 6Ac中的AHL介导的QS系统用于调节有利于乙酸转化为甲烷的细胞组装和碳代谢通量。
实施例2：
利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消化抑制钙化的方法，本实施例是在实验室条件下进行，具体操作如下：
1)驯养：取50mL颗粒污泥，加入200mL的广西某造纸厂造纸废水，该生物反应器操作涉及24小时的运行循环，其具有反应阶段(23.5小时)和污泥沉降阶段(0.5小时)。除去50mL上清液，并在循环结束时通过长头注射器注入相同体积的新鲜造纸废水，驯养一周左右。
2)加样：驯养过后每天向反应器中加入20μg的C8-HSL标准品。
3)处理：将上述反应器在38℃的恒温磁力搅拌水浴锅中培养。
4)取样：在每个循环的开始和结束时采集水样，并在每个循环结束时采集污泥样品。在总共三个月的操作之后，通过以5000×g离心10分钟收集污泥生物质，然后冷冻用于进一步的测序分析。
本实施例在三个月后测的COD去除率为80％，特定的产甲烷活性(SMA)为27mL/(gVss·h)，辅酶F420的含量为0.20μmol/gVss，VSS/TSS为0.71。与未加外源信号分子的反应器相比，COD去除率提高18.2％，特定的产甲烷活性(SMA)提高43％，辅酶F420的活性提高48.1％，VSS/TSS提高0.09。微生物中细菌属的优势菌属发生了改变，由原来的Spirochaetaceae_uncultured，Lineage_I_Endomicrobia_norank和PL-11B10_norank变为Spirochaetaceaeae_uncultured，Lactivibrio和Bacteroidetes_vadinHA17_norank，且Spirochaetaceaeae_uncultured在原来的基础上有所增加，而Spirochaetaceaeae_uncultured，Lactivibrio的主要生态功能是降解作为产甲烷菌前体的碳水化合物和有机酸；甲烷菌属中Methanosaeta显著增强，Methanosaeta harundinacea 6Ac中的AHL介导的QS系统用于调节有利于乙酸转化为甲烷的细胞组装和碳代谢通量。
实施例3：
利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消化抑制钙化的方法，本实施例是在造纸厂条件下进行，具体操作如下：
在一个造纸厂的厌氧反应器中，此反应器高8m，工作体积1500m3，高含钙离子造纸废水先进入调节池，调节池的体积为1000m3，当检测到厌氧反应器中的厌氧颗粒污泥中微生物含量的比例VSS/TSS小于0.6时，在调节池末端出口处向造纸废水中加入AHLs类信号分子C8-HSL标准品，C8-HSL标准品的加入量为每立方米造纸废水50mg，信号分子的投入时间间隔是通过时间控制器来控制，调节池配有液位变送器来检测液位以防止反应器进料泵空转。将在调节池中调制好的废水通过废水进料泵打入厌氧反应器中，按照常规厌氧方式进行处理。处理过程中每一个月采集一次水样，处理半年采集一次污泥样品，通过以5000×g离心10分钟收集污泥生物质，然后冷冻用于进一步的测序分析。
本实施例在五年后测的COD去除率为75％，特定的产甲烷活性(SMA)为24mL/(gVss·h)，辅酶F420的含量为0.19μmol/gVss，VSS/TSS为0.67。从测得的数据来看，污泥还未钙化，而之前在没加信号分子C8-HSL时，该工厂的厌氧颗粒污泥最多两年就出现明显的钙化现象，产甲烷菌数目明显降低，信号分子C8-HSL延缓钙化的作用明显。微生物中细菌属的优势菌属也发生了改变，由原来的Spirochaetaceae_uncultured，Lineage_I_Endomicrobia_norank和PL-11B10_norank变为Spirochaetaceaeae_uncultured，Lactivibrio和Bacteroidetes_vadinHA17_norank，且Spirochaetaceaeae_uncultured在原来的基础上有所增加，而Spirochaetaceaeae_uncultured，Lactivibrio的主要生态功能是降解作为产甲烷菌前体的碳水化合物和有机酸；甲烷菌属中Methanosaeta显著增强，Methanosaeta harundinacea 6Ac中的AHL介导的QS系统用于调节有利于乙酸转化为甲烷的细胞组装和碳代谢通量。
对比例1：
与实施例2不同的是，本对比例不添加C8-HSL标准品，具体操作如下：
1)驯养：取50mL颗粒污泥，加入200mL的广西某造纸厂造纸废水，该生物反应器操作涉及24小时的运行循环，其具有反应阶段(23.5小时)和污泥沉降阶段(0.5小时)。除去50mL上清液，并在循环结束时通过长头注射器注入相同体积的新鲜造纸废水，驯养一周左右。
2)加样：驯养过后每天向反应器中加入2μg蒸馏水。
3)处理：将上述反应器在38℃的恒温磁力搅拌水浴锅中处理。
4)取样：在每个循环的开始和结束时采集水样，并在每个循环结束时采集污泥样品。在总共三个月的操作之后，通过以5000×g离心10分钟收集污泥生物质，然后冷冻用于进一步的测序分析。
本对比例在三个月后测的COD去除率为67.69％，特定的产甲烷活性(SMA)为18.88mL/(gVss·h)，辅酶F420(评估潜在产甲烷活性的手段)的含量为0.135μmol/gVss，V/T为0.62；微生物中细菌属的优势菌属为Spirochaetaceae_uncultured，Lineage_I_Endomicrobia_norank和PL-11B10_norank。
对比例2：
与实施例2不同的是，本对比例C8-HSL标准品的加入量为150mg/m3，具体操作如下：
1)驯养：取50mL颗粒污泥，加入200mL的广西某造纸厂造纸废水，该生物反应器操作涉及24小时的运行循环，其具有反应阶段(23.5小时)和污泥沉降阶段(0.5小时)。除去50mL上清液，并在循环结束时通过长头注射器注入相同体积的新鲜造纸废水，驯养一周左右。
2)加样：驯养过后每天向反应器中加入30μg的C8-HSL标准品。
3)处理：将上述反应器在38℃的恒温磁力搅拌水浴锅中培养。
4)取样：在每个循环的开始和结束时采集水样，并在每个循环结束时采集污泥样品。在总共三个月的操作之后，通过以5000×g离心10分钟收集污泥生物质，然后冷冻用于进一步的测序分析。
本对比例在三个月后测的COD去除率为80.3％，特定的产甲烷活性(SMA)为27.5mL/(gVss·h)，辅酶F420的含量为0.203μmol/gVss，VSS/TSS为0.72。与未加外源信号分子的反应器相比，COD去除率提高18.63％，特定的产甲烷活性(SMA)提高45.66％，辅酶F420的活性提高50.38％，VSS/TSS提高0.1。与每立方米造纸废水添加100mg信号分子的反应器相比，COD去除率增加0.375％，特定的产甲烷活性(SMA)增加1.85％，辅酶F420的活性增加1.5％，VSS/TSS提高0.01，增长趋势均已经较为延缓。微生物中细菌属的优势菌属发生了改变，由原来的Spirochaetaceae_uncultured，Lineage_I_Endomicrobia_norank和PL-11B10_norank变为Spirochaetaceaeae_uncultured，Lactivibrio和Bacteroidetes_vadinHA17_norank，且Spirochaetaceaeae_uncultured在原来的基础上有所增加，而Spirochaetaceaeae_uncultured，Lactivibrio的主要生态功能是降解作为产甲烷菌前体的碳水化合物和有机酸；甲烷菌属中Methanosaeta增强，Methanosaeta harundinacea 6Ac中的AHL介导的QS系统用于调节有利于乙酸转化为甲烷的细胞组装和碳代谢通量。
综合附图1-4、实施例1-3和对比例1-2可以得出，添加外源信号分子可以大大提高厌氧颗粒污泥厌氧消化的速率，但是添加不同量的外源信号分子，促进程度有所不同，最优的添加范围为10-100mg/m3；同时添加AHLs类外源信号分子可以有效延缓钙化。

Claims (6)

1.一种利用信号分子调控厌氧颗粒污泥微环境从而促进厌氧消化延缓钙化的方法，其特征在于，在厌氧颗粒污泥处理造纸废水过程中，当厌氧反应器中的厌氧颗粒污泥中微生物含量的比例VSS/TSS小于0.6时，在造纸废水进入厌氧反应器前向造纸废水中加入AHLs类信号分子。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述AHLs类信号分子的加入量为每立方米造纸废水加入10-100mg的AHLs类信号分子。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述AHLs类信号分子为C8-HSL、C6-HSL、3-oxo-C6-HSL或3-oxo-C8-HSL。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述AHLs类信号分子为C8-HSL。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.造纸废水先经过调节池再进入厌氧反应器，当厌氧反应器中的厌氧颗粒污泥中微生物含量的比例VSS/TSS小于0.6时，在调节池末端出口处向造纸废水中加入AHLs类信号分子，所述AHLs类信号分子的加入量为每立方米造纸废水加入10-100mg的AHLs类信号分子；
S2.在调节池中调制好的造纸废水进入厌氧反应器中，按照常规厌氧处理方式进行处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中AHLs类信号分子的加入时间间隔通过时间控制器来控制，调节池配有液位变送器来检测液位以防止厌氧反应器进料泵空转。
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