CN110499231B - 驯化腐殖酸还原菌的反应器及其扰动负荷驯化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种驯化腐殖酸还原菌的反应器及扰动负荷驯化方法，所述扰动负荷驯化方法包括以下步骤：步骤1，将取自污水处理厂的含有腐殖酸还原菌的活性污泥加入到反应器内；步骤2，将指甲花醌溶于含葡萄糖废水中，将所述含葡萄糖废水连同硝酸盐作为反应液泵入到反应器本体内，作为反应器本体的第一天进水；步骤3，将第一天从反应器本体内排出的反应液按体积比(1‑1.2):(1‑1.2)稀释，作为第二天的反应液通过进水口泵入到反应器本体中；步骤4，依次重复所述步骤2和步骤3均进行九～十一天。本发明以含葡萄的废水驯化腐殖酸还原菌可增加腐殖酸还原菌的广谱性；通过贫/富交替营养的运行可以有效提高腐殖酸还原菌应对恶劣环境的能力。
Description
技术领域
本发明涉及废水或沉积物的生物处理技术领域，特别是涉及扰动负荷驯化腐殖酸还原菌的反应器。
背景技术
腐殖酸还原菌是具有腐殖质呼吸特性的厌氧微生物，广泛存在于沉积物中，且可以环境中有机质作为电子供体，腐殖质作为专性电子受体，偶联能量用于细胞生长，进而加速有机质的矿化。因此腐殖酸还原菌在水体自净，沉积物修复，污水处理等方面具有广阔的应用前景。但在有机质含量低的沉积物中，腐殖酸还原菌活性降低，不利于其在底泥生物修复中的应用，同时，对于如何驯化出抗恶劣环境能力强的腐殖酸还原菌的方法以及用于实现所述方法的装置仍处于空白阶段。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种用于实现扰动负荷驯化腐殖酸还原菌方法的装置。在扰动负荷条件下，以固定化的指甲花醌为电子受体，强化驯化腐殖酸还原菌。使驯化后的腐殖酸还原菌具有更强的广谱性，能够更好的在贫营养的底泥中进行生物修复底泥中的污染物。同时，贫/富营养条件下交替培养腐殖酸还原菌能够有效降低腐殖酸还原菌的驯化成本，操作简单，使得该技术在底泥修复中的应用更加经济有效。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
本发明的驯化腐殖酸还原菌的反应器，包括：
反应器本体：最低端设有进水口，底端侧壁上设有取泥口，最顶端设有出气口，顶端侧壁上设有出水口；
固液分离机构：设置在反应器本体顶端，包括第一挡板、第二挡板和第三挡板；所述第一挡板、第二挡板和第三挡板交叉设置，并且均倾斜向下，与反应器本体内壁的夹角均为40°-70°，所述第一挡板、第二挡板和第三挡板之间的缝隙形成供液体流通的S型通道；
循环机构：包括设置在所述反应器本体的底端侧壁上的第一回流口，设置在所述反应器本体的顶端侧壁上的第二回流口，将所述第一回流口和第二回流口相连接的回流管以及串接在所述回流管上的回流泵。
在上述技术方案中，所述反应器本体包括从下到上依次连接、同轴心设置的下漏斗部、下圆筒部、上漏斗部和上圆筒部，所述上圆筒部的内径大于下圆筒部的内径。
在上述技术方案中，所述进水口设置在下漏斗部的正底端，所述取泥口设置在下圆筒部的侧壁上，所述出水口设置在上圆筒部的侧壁上，所述出气口设置在上圆筒部的正上方。
在上述技术方案中，所述固液分离机构设置在所述上圆筒部内。
在上述技术方案中，所述第一挡板、第三挡板的最高端固定上圆筒部的右侧，最低端为自由端，所述第二挡板的最高端固定上圆筒部的左侧，最低端为自由端。
在上述技术方案中，所述第一挡板、第三挡板的长度为上圆筒部1-4内径的1/2-5/6，优选为2/3。
在上述技术方案中，所述第二挡板的的长度为上圆筒部1-4内径的1/4-3/4，优选为1/2，并且所述第二挡板的长度小于所述第一挡板和第三挡板的长度。
在上述技术方案中，所述第一挡板、第三挡板平行设置，所述第一挡板最高端与第三挡板最高端之间的间距为所述上圆筒部高度的1/3-1/2。
在上述技术方案中，所述第一挡板、第二挡板和第三挡板与反应器本体内壁的夹角为60°。
在上述技术方案中，所述下漏斗部、下圆筒部之间设有布水板。
基于所述驯化腐殖酸还原菌的反应器的扰动负荷驯化方法，包括以下步骤：
步骤1，将取自污水处理厂的含有腐殖酸还原菌的活性污泥加入到反应器内；
步骤2，将指甲花醌溶于含葡萄糖废水中，将所述含葡萄糖废水连同硝酸盐作为反应液泵入到反应器本体内，作为反应器本体的第一天进水；部分反应液经由出水口排出，部分反应液在回流泵的作用下，通过回流管进行回流；
步骤3，将第一天从反应器本体内排出的反应液按体积比(1-1.2):(1-1.2)稀释，作为第二天的反应液通过进水口泵入到反应器本体中，一部分反应液经由出水口排出，一部分反应液进行回流；
步骤4，依次重复步骤2和步骤3，所述步骤2和步骤3均进行九～十一次。
在上述技术方案中，所述步骤2中，含葡萄糖废水的COD为1g/L，所述步骤2中含葡萄糖废水中指甲花醌的浓度为0.05mM。
在上述技术方案中，所述步骤2和步骤3中，反应器中的反应液的上升流速为4m/h。
在上述技术方案中，所述扰动负荷驯化方法共进行20天，其中第1天-第5天的HRT(水力停留时间)为24h，第6-第14天的HRT为8h，第15-第20天的HRT为4.8h。
在上述技术方案中，所述步骤1中的活性污泥是指取自传统市政污水处理厂二沉池的活性污泥，所述活性污泥的SS为25-28g/L，VSS为18-20g/L，VSS/SS为0.7-0.8。
在上述技术方案中，所述步骤2中的硝酸盐为硝酸钠或硝酸钾。
在上述技术方案中，所述步骤2中的硝酸盐中的氮元素与指甲花醌的摩尔比为(1-3)：(5-8)，优选为2：7。
在上述技术方案中，步骤3中输入反应器内的反应液的COD为步骤2中输入反应器内的反应液的COD的一半。
另一方面，所述基于指甲花醌的扰动负荷条件下驯化腐殖酸还原菌的方法在驯化腐殖酸还原菌中的应用。
在上述技术方案中，经由扰动负荷驯化的腐殖酸还原菌的微生物量为6-8g/L，即扰动负荷驯化后具有腐殖酸还原能力的活性污泥的VSS为6-8g/L，是非扰动负荷驯化的1.5～2倍。
在上述技术方案中，经由扰动负荷驯化的腐殖酸还原菌的生物活性(VSS/SS)为0.30-0.40，是非扰动负荷驯化的1.2～1.5倍。
在上述技术方案中，经由扰动负荷驯化的腐殖酸还原菌的指甲花醌还原率为90％～99％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、以含葡萄的废水驯化腐殖酸还原菌可增加腐殖酸还原菌的广谱性；
2、通过降低进水的有机物浓度可以有效的减少代谢副产物的生成；
3、通过贫/富交替营养的运行可以减少有机物的用量，进而较少运行费用；
4、通过贫/富交替营养的运行可以有效提高腐殖酸还原菌应对恶劣环境的能力；
5、通过贫/富交替营养的运行可以有效提高腐殖酸还原菌的生物量(活性污泥量)；
6、通过贫/富交替营养的运行可以有效提高腐殖酸还原菌的生物活性；
7、通过贫/富交替营养的运行可以有效提高醌的还原能力；
8、改进的固液分离装置可以有效的使固液分离，工艺简单，价格低廉；
9、本发明结构简单，一次性投资成本较低，易于在实际中应用，固液分离机构的设置，可有效将反应液和污泥进行分离，以便循环利用反应液，性能参数上的优化，可最大限度的提高分离效率。
附图说明
图1是反应器结构示意图；
其中1-反应器本体，2-进水口，3-取泥口，4-出气口，5-出水口，6-第一挡板，7-第二挡板，8-第三挡板，9-第一回流口，10-第二回流口，11-回流管，12-回流泵，13-布水板，14-加料口；
1-1-下漏斗部，1-2-下圆筒部，1-3-上漏斗部，1-4-上圆筒部。
图2是固定化指甲花醌作用机理图。
图3是扰动负荷驯化方法和对比实验的无负荷扰动的驯化方法所得腐殖酸还原菌的醌还原率。
图4是扰动负荷驯化方法和对比实验的无负荷扰动的驯化方法所得腐殖酸还原菌的量。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明的驯化腐殖酸还原菌的发生器，包括反应器本体1：最低端设有进水口2，底端侧壁上设有取泥口3，中部侧壁上设有加料口14，最顶端设有出气口4，顶端侧壁上设有出水口5；
固液分离机构：设置在反应器本体1顶端，包括第一挡板6、第二挡板7和第三挡板8；所述第一挡板6、第二挡板7和第三挡板8交叉设置，并且均倾斜向下，与反应器本体1内壁的夹角均为40°-70°，所述第一挡板6、第二挡板7和第三挡板8之间的缝隙形成供液体流通的S型通道。
循环结构：包括设置在所述反应器本体1的底端侧壁上的第一回流口9、设置在所述反应器本体1的顶端侧壁上的第二回流口10、设置在所述第一回流口9和第二回流口10之间的回流管11和串接在所述回流管11上的回流泵12。
作为优选方案，所述反应器本体1包括从下到上依次连接、同轴心设置的下漏斗部1-1、下圆筒部1-2、上漏斗部1-3和上圆筒部1-4，所述上圆筒部1-4的内径大于下圆筒部1-2的内径。
作为优选方案，所述进水口2设置在下漏斗部1-1的正底端，所述取泥口3设置在下圆筒部1-2的侧壁上，所述出水口5设置在上圆筒部1-4的侧壁上，所述出气口4设置在上圆筒部1-4的正上方。
作为优选方案，所述下漏斗部1-1、下圆筒部1-2之间设有布水板13。
作为优选方案，所述第一挡板6、第三挡板8的最高端固定上圆筒部1-4的右侧，最低端为自由端，所述第二挡板7的最高端固定上圆筒部1-4的左侧，最低端为自由端。
作为优选方案，所述第一挡板6、第三挡板8的长度为上圆筒部1-4内径的1/2-5/6，优选为2/3，所述第二挡板7的的长度为上圆筒部1-4内径的1/4-3/4，优选为1/2，并且所述第二挡板的长度小于所述第一挡板和第三挡板的长度。
作为优选方案，所述第一挡板6、第三挡板8平行设置，所述第一挡板6最高端与第三挡板8最高端之间的间距为所述上圆筒部高度的1/3-1/2。
作为优选方案，所述第一挡板6、第二挡板7和第三挡板8与反应器本体1内壁的夹角为60°。
固液分离机构的设置，可有效将反应液和污泥进行分离，以便循环利用反应液，性能参数上的优化，可最大限度的提高分离效率。
实施例2
本实施例的完整的驯化周期为20天，在不同有机物浓度的含葡萄糖废水条件下交叉驯化各10天。
一种扰动负荷驯化腐殖酸还原菌的方法，包括以下步骤：
步骤1，将1L取自污水处理厂的含有腐殖酸还原菌的活性污泥加料口14加入到反应器本体1的底端，其中所述活性污泥取自传统市政污水处理厂二沉池的活性污泥(SS:26.9g/L；VSS19.2g/L；VSS/SS,0.71)，
步骤2，通过进水口2以将COD为1g/L的含葡萄糖废水连同硝酸盐作为反应液泵入到反应器本体1内，作为反应器本体1的第一天进水，其中，所述含葡萄糖废水中溶解有指甲花醌，所述指甲花醌的浓度为0.05Mm，部分反应液经由出水口5排出，部分反应液在回流泵的作用下，通过回流管11进行回流。如此，可对充分利用随废水一同被排出的指甲花醌，即减少环境污染，又可充分利用指甲花醌。
步骤3，将第一天从反应器本体1内排出的反应液按体积比1:1稀释，作为第二天的反应液通过进水口2泵入到反应器本体1中，反应液的COD控制在0.5g/L，同样的，反应液在反应器本体1与污泥和指甲花醌分离后，一部分排出，一部分进行回流；
步骤4：依次重复步骤2和步骤3，所述步骤2和步骤3各进行10天。
其中，所述扰动负荷驯化腐殖酸还原菌的方法运行工况，如下表所示：
| 运行阶段 | I | II | III |
| 天数/d | 1-5 | 6-14 | 15-20 |
| HRT(h)水力停留时间 | 24 | 8 | 4.8 |
| 进水流量/h | 0.20L | 0.59L | 0.99L |
| 上升流速v(m/h) | 4 | 4 | 4 |
如图2所示，固定化指甲花醌作用机理如下：
在反应器内COD用于腐殖酸还原菌的作电子供体，指甲花醌作为电子受体。氮源作为电子受体，还原态指甲花醌用作电子供体并被最终还原为指甲花醌进一步被利用。
步骤1中NO3–N的投加，可以有效的使指甲花醌能够循环利用，在扰动负荷条件下，以指甲花醌为电子受体，强化驯化腐殖酸还原菌。使驯化后的腐殖酸还原菌具有更强的广谱性，能够更好的在贫营养的底泥中进行生物修复底泥中的污染物。同时，贫/富营养条件下交替培养腐殖酸还原菌能够有效降低腐殖酸还原菌的驯化成本，操作简单，使得该技术在底泥修复中的应用更加经济有效。
实施例3
以无扰动负荷驯化实验作为对照实验和实施例2进行对比，所述对照实验是指，通过进水口2将反应液泵入到反应器本体1中，反应液的COD始终控制在1g/L左右，如此驯化20天，对照试验的运行工况如下表所示，
| 运行阶段 | I | II | III |
| 天数/d | 1-5 | 6-14 | 15-20 |
| HRT(h)水力停留时间 | 24 | 8 | 4.8 |
| 进水流量/h | 0.20L | 0.59L | 0.99L |
| 上升流速v(m/h) | 4 | 4 | 4 |
在监测降解效果时，出水口5可作为水质监测取样口，取泥口3可作为污泥取样口。
如图3所示，将扰动负荷驯化方法和无负荷扰动的驯化方法进行对比，可知，扰动负荷驯化后微生物醌的还原能力明显大于无扰动的驯化方法，其中微生物醌的还原能力通过吸光值测定，具体的，先通过不同醌浓度下溶液的吸光值拟合标准曲线，然后通过线性回归方程，计算相应吸光值下的溶液中醌的浓度，从而计算还原率。
经测定，扰动负荷驯化后微生物醌的还原率为90％～98％，非扰动负荷驯化后微生物醌的还原率70％～98％，驯化前微生物醌的还原率5％～10％。
如图4所示，扰动负荷驯化后微生物量为6.92g/L，非扰动负荷驯化后微生物量为4.32g/L，扰动负荷驯化后的微生物量为无扰动负荷驯化的1.5～2倍。
扰动负荷驯化后微生物活性((VSS(可挥发性悬浮物)/SS(总固体悬浮物))0.30，其中VSS和SS测定的标准号为GB/T11901-1989，非扰动负荷驯化后微生物活性为0.24，扰动负荷驯化后微生物活性为无扰动负荷驯化的1.2～1.5倍。
综上所述，本案能够驯化出高密度抗恶劣环境强的腐殖酸还原菌。驯化可以增加细菌生物活性，提高微生物产量，增加其还原醌的能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.驯化腐殖酸还原菌的反应器扰动负荷驯化腐殖酸还原菌的方法，其特征在于，包括：
反应器本体：最低端设有进水口，底端侧壁上设有取泥口，最顶端设有出气口，顶端侧壁上设有出水口；
固液分离机构：设置在反应器本体顶端，包括第一挡板、第二挡板和第三挡板；所述第一挡板、第二挡板和第三挡板交叉设置，并且均倾斜向下，与反应器本体内壁的夹角均为40°-70°，所述第一挡板、第二挡板和第三挡板之间的缝隙形成供液体流通的S型通道；
循环机构：包括设置在所述反应器本体的底端侧壁上的第一回流口，设置在所述反应器本体的顶端侧壁上的第二回流口，将所述第一回流口和第二回流口相连接的回流管以及串接在所述回流管上的回流泵；
所述反应器扰动负荷驯化腐殖酸还原菌的方法，包括以下步骤：
步骤1，将取自污水处理厂的含有腐殖酸还原菌的活性污泥加入到反应器内；
步骤2，将指甲花醌溶于含葡萄糖废水中，将所述含葡萄糖废水连同硝酸盐作为反应液泵入到反应器本体内，作为反应器本体的第一天进水；部分反应液经由出水口排出，部分反应液在回流泵的作用下，通过回流管进行回流；
步骤3，将第一天从反应器本体内排出的反应液按体积比(1-1 .2):(1-1 .2)稀释，作为第二天的反应液通过进水口泵入到反应器本体中，一部分反应液经由出水口排出，一部分反应液进行回流；
步骤4，依次重复步骤2和步骤3，所述步骤2和步骤3均进行九～十一天；
所述扰动负荷驯化方法共进行20天，其中第1天-第5天的HRT为24h，第6-第14天的HRT为8h，第15-第20天的HRT为4 .8h。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，含葡萄糖废水的COD为1g/L，所述步骤2中含葡萄糖废水中指甲花醌的浓度为0 .05mM。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3中，反应器中的反应液的上升流速为4m/h；反应液的上升流速为回流的上升流速。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的硝酸盐为硝酸钠或硝酸钾，所述步骤2中的硝酸盐中的氮元素与指甲花醌的摩尔比为(1-3)：(5-8)。
5.如权利要求1所述的方法在驯化腐殖酸还原菌中的应用。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，经由扰动负荷驯化的腐殖酸还原菌的微生物量为6-8g/L，是非扰动负荷驯化的1 .5～2倍。
7.如权利要求5所述的应用，其特征在于，经由扰动负荷驯化的腐殖酸还原菌的生物活性为0 .30-0 .40，是非扰动负荷驯化的1 .2～1 .5倍。
8.如权利要求5所述的应用，其特征在于，经由扰动负荷驯化的腐殖酸还原菌的指甲花醌还原率为90％～99％。
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