CN110498506B - 一种pva凝胶珠共培养亚硝化厌氧氨氧化颗粒污泥的方法 - Google Patents

一种pva凝胶珠共培养亚硝化厌氧氨氧化颗粒污泥的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种PVA凝胶珠共培养亚硝化厌氧氨氧化颗粒污泥的方法。在升流式柱状反应器中接种亚硝化和厌氧氨氧化絮状种泥，填充PVA或PVA/Fe凝胶珠作为微生物附着生长的载体，以NH4 +‑N为底物运行反应器，配合反应器内溶解氧调控，使得沿凝胶珠径向形成溶解氧梯度，为亚硝化菌和厌氧氨氧化菌共生创造生境。经过培养，扫描电镜SEM和荧光原位杂交FISH检测证明了两种功能菌在凝胶珠上形成了共生的圈层结构。所构建的同步亚硝化和厌氧氨氧化颗粒污泥在反应器中协同完成NH4 +‑N废水的处理，去除率达到85％以上，总氮去除容积负荷达到0.13kg N/(m3·d)。本发明在低C/N的NH4 +‑N废水处理系统中具有很好的应用前景。

Description

一种PVA凝胶珠共培养亚硝化厌氧氨氧化颗粒污泥的方法
技术领域
本发明属于环境工程领域，具体涉及一种PVA基凝胶珠培养同步亚硝化和厌氧氨氧化颗粒污泥的方法。
背景技术
1994年，荷兰学者发现了一种新的微生物氮转化途径，即厌氧氨氧化(AnaerobicAmmonia Oxidation，ANAMMOX)，该过程中厌氧氨氧化菌(AnAOB)利用NH4 +-N和NO2 --N为电子供体和电子受体，将水中的NH4 +-N和NO2 --N转化为N2。相比于传统的硝化-反硝化步骤，ANAMMOX走了捷径。与硝化作用相比，它以NO2 --N取代O2，改变了末端电子受体，无需供氧；与反硝化作用相比，它以NH4 +-N取代有机物作为电子供体，无需外加碳源。ANAMMOX这一独特代谢途径迅速引起世界范围的广泛关注，以ANAMMOX为核心的脱氮组合工艺应运而生，成为替代传统硝化-反硝化脱氮工艺的研发热点。
同步自养脱氮(Single-stage nitrogen removal using anammox and partialnitritation，SNAP)工艺是一种新兴的与ANAMMOX组合的脱氮工艺，近年来已成为生物脱氮领域的研究热点之一。同步自养脱氮过程包含两个连续的反应:部分硝化(Partialnitrification，PN)和ANAMMOX。该自养脱氮过程是好氧氨氧化菌(AOB)和严格厌氧AnAOB协同完成的。理想的代谢途径为：首先，AOB在有氧区将部分NH4 +-N氧化为NO2 --N，既消耗溶解氧为AnAOB提供缺氧的条件，又生成NO2 --N为其提供生存底物；其次，AnAOB在缺氧区将剩余的NH4 +-N和短程硝化过程产生的NO2 --N同步反应生成N2和少量的NO3 --N，实现同步自养脱氮。该过程中，AOB的反应底物是NH4 +-N和O2，AnAOB的反应底物是NH4 +-N和NO2 --N，在无外加NO2 --N的前提下，AnAOB需要依靠AOB来提供底物。从代谢路径来看，该工艺对于低C/N的NH4 +-N废水的处理显示出巨大的优势，例如减少了曝气成本，不需要进行pH调节，反应可以协同维持酸碱平衡，所需池容小，反应器占地面积小、污泥产量低等。
但是，在实际运用过程中，该工艺往往受到硝化菌(NOB)的影响，这是因为NOB在完成硝化并进行成长代谢过程中需要O2和NO2 --N，NOB既可以和AOB竞争O2，又会和ANAMMOX竞争NO2 --N。在O2和NO2 --N充足的条件下,NOB对O2和NO2 --N的亲和力大于AOB和AnAOB，NOB大量繁殖将破坏AOB和AnAOB的协同共生。然而有研究表明，低的O2(＜1mg/L)或高NH4 +-N浓度适宜AOB代谢和繁殖，在该条件下，NOB代谢活性受阻。因此可以通过调控O2或进水NH4 +-N淘汰NOB。然而，在成功淘汰NOB的同时，如何实现对O2需求完全不同的两类功能微生物(AOB与AnAOB)的协同共生是SNAP工艺顺利进行的关键。
综上，抑制NOB的生长，并为AOB和AnAOB提供适宜协同生长生环境，是保证SNAP工艺顺利运行的前提。
发明内容
本发明为解决以上问题，利用聚乙烯醇(PVA)或PVA/Fe凝胶珠作为生物载体培育颗粒污泥，该凝胶珠适合的尺寸(直径为3mm的球体)能为创造好氧-厌氧生物膜界面提供有利条件，有望配合反应器内溶解氧的调控，促进在PVA凝胶珠上沿径向形成溶解氧浓度梯度，从而为不同氧代谢需求的AOB与AnAOB协同共生创造有利生存条件。
本发明的技术方案是这样实现的：
1.一种PVA凝胶珠共培养亚硝化厌氧氨氧化颗粒污泥的方法，按照如下步骤进行：
(1)在升流式柱状反应器中同时接种亚硝化和厌氧氨氧化絮状种泥。
(2)在反应器中填充PVA基凝胶珠作为功能微生物附着生长的生物载体。
(3)以NH4 +-N为进水底物，控制反应器内溶解氧，进行颗粒污泥的培养。
(4)定期评估培养颗粒污泥的效果和反应器的脱氮性能。
步骤(1)中接种亚硝化与厌氧氨氧化絮状种泥的体积比为2:3～1:1。
步骤(2)中所述PVA基凝胶珠是指PVA凝胶珠和PVA/Fe凝胶珠。
步骤(2)中所用PVA基凝胶珠在反应器中的填充比为20％～55％。
步骤(3)中反应器采用微孔曝气，控制溶解氧为0.1～0.5mg/L。
步骤(3)中进水NH4 +-N浓度为50～150mg/L。
步骤(4)在反应器运行期间通过扫描电镜SEM，荧光原位杂交FISH等综合分析，评估亚硝化和厌氧氨氧化菌协同共生的颗粒污泥的培养效果。
步骤(4)在反应器运行期间通过测试反应器去除效率，综合评价同步亚硝化和厌氧氨氧化反应对NH4 +-N废水的处理能力。
本发明提出的方法使亚硝化和厌氧氨氧化两种功能菌在凝胶珠上形成了共生的圈层结构。所构建的同步亚硝化和厌氧氨氧化颗粒污泥在反应器中协同完成NH4 +-N废水的处理，去除率达到85％以上，总氮去除容积负荷达到0.13kg N/(m3·d)。本发明在低C/N的NH4 +-N废水处理系统中具有很好的应用前景。
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1一种PVA凝胶珠共培养亚硝化厌氧氨氧化颗粒污泥的方法，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。
(2)将制备得到的PVA凝胶珠用于同步亚硝化，厌氧氨氧化颗粒污泥的培养：在1.7L上流式柱状反应器中接种初始污泥(0.4L亚硝化絮状污泥+0.4L厌氧氨氧化絮状污泥)。向升流式柱状生物反应器中添加0.3L PVA凝胶珠。反应器内采用微孔曝气，控制反应器中溶解氧为0.3mg/L，温度33±2℃，进水NH4 +-N为50mg/L，运行反应器。
(3)在反应器运行第34d，取出培养后的PVA凝胶珠，进行扫描电镜SEM分析。结果表明，AOB(短杆状或裂叶状)和AnAOB(椭球状)在PVA凝胶珠上共同繁殖。
(4)在反应器运行第122d，取出培养后的PVA凝胶珠，进行荧光原位(FISH)分析，对生长在PVA凝胶珠上的AOB与AnAOB的DNA进行染色在荧光显微镜下观察分布位置。结果表明，AOB(红色)分布在PVA凝胶珠的外部，而AnAOB倾向于生长在整个PVA凝胶珠的球体上。反应器中NH4 +-N去除率达到86％，总氮去除容积负荷达到0.13kg N/(m3·d)。
实施案例2一种PVA凝胶珠共培养亚硝化厌氧氨氧化颗粒污泥的方法，依次包含以下步骤：
(1)制备PVA/Fe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。将1g零价铁粉加入上述PVA溶液，机械搅拌2h形成均质溶胶后待用。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与铁的混合溶液中，得到稀释后9.8％PVA与铁的混合溶液。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9.8％PVA与铁的混合溶液均匀滴入化学交联剂中，不停搅拌，形成凝胶珠。将该凝胶珠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。得到直径为～3mm，弹性好的PVA/Fe凝胶珠。
(2)将制备得到的PVA/Fe凝胶珠用于同步亚硝化，厌氧氨氧化颗粒污泥的培养：在1.7L上流式柱状反应器中接种初始污泥(0.4L亚硝化絮状污泥+0.4L厌氧氨氧化絮状污泥)。向升流式柱状生物反应器中添加0.3L PVA/Fe凝胶珠。反应器内采用微孔曝气，控制反应器中溶解氧为0.3mg/L，温度33±2℃，进水NH4 +-N为150mg/L，运行反应器。
(3)在反应器运行第34d，取出培养后的PVA/Fe凝胶珠，进行扫描电镜SEM分析。结果表明，AOB(短杆状或裂叶状)和AnAOB(椭球状)在PVA/Fe凝胶珠上共同繁殖。
(4)在反应器运行第122d，取出培养后的PVA/Fe凝胶珠，进行荧光原位(FISH)分析，对生长在PVA凝胶珠上的AOB与AnAOB的DNA进行染色在荧光显微镜下观察分布位置。结果表明，AOB(红色)分布在PVA/Fe凝胶珠的外部，而AnAOB倾向于生长在整个PVA/Fe凝胶珠的球体上。反应器中NH4 +-N去除率达到87％，总氮去除容积负荷达到0.13kg N/(m3·d)以上。
本发明提出的配合反应器内溶解氧调控，并辅以PVA基凝胶珠作为生物载体的方法能够成功培养出同步亚硝化厌氧氨氧化的颗粒污泥。首先，PVA基凝胶珠良好的生物相容性为AOB和AnAOB提供了附着生长的位点；其次，配合反应器内部限氧的供给使凝胶珠上形成了径向的溶解氧分布，保证了AOB和AnAOB在各自所需生存条件下完成代谢活动；最后，AOB和AnAOB在凝胶珠上形成生物圈层结构，互利共生的关系使得该同步亚硝化厌氧氨氧化的颗粒污泥协同完成NH4 +-N废水的处理。此外，PVA基凝胶珠为两种功能菌的聚集生长提供了强有力的骨架结构，反应器内部形成了强度好、活性高的具有同步亚硝化和厌氧氨氧化功能的颗粒污泥床层。因此，本发明提出的一种高效的同步亚硝化和厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法在低C/N的NH4 +-N废水处理系统中具有很好的应用前景。

Claims (2)

1.一种PVA基凝胶珠培养同步亚硝化和厌氧氨氧化颗粒污泥的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
(1)在升流式柱状反应器中同时接种亚硝化和厌氧氨氧化絮状种泥，亚硝化与厌氧氨氧化絮状种泥的体积比为2:3～1:1；
(2)在反应器中填充聚乙烯醇PVA基凝胶珠作为功能微生物附着生长的生物载体，PVA基凝胶珠在反应器中的填充比为20％～55％，PVA基凝胶珠是指直径～3mm且弹性好的PVA凝胶珠和PVA/Fe凝胶珠；
(3)以NH4 +-N为进水底物，控制反应器内DO，进行颗粒污泥的培养，反应器采用微孔曝气，控制溶解氧为0.1～0.5mg/L，进水NH4 +-N浓度为50～150mg/L；
(4)定期评估培养颗粒污泥的效果和反应器的脱氮性能，在反应器启动运行34天，通过扫描电镜SEM观察到氨氧化菌短杆状或裂叶状和厌氧氨氧化菌椭球状在PVA凝胶珠上共同繁殖。
2.根据权利要求1一种PVA基凝胶珠培养同步亚硝化和厌氧氨氧化颗粒污泥的方法，其特征在于，步骤(4)在反应器启动运行122天，通过荧光原位光谱FISH分析，证实氨氧化菌红色分布在PVA凝胶珠的外部，而厌氧氨氧化菌遍布PVA凝胶珠，反应器NH4 +-N去除率达到85％以上，总氮去除容积负荷达到0.13kg N/(m3·d)。
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