CN110950428B - 一种具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法，它包括接种污泥预处理和两个阶段：第一阶段，将预处理后的污泥接种到培养装置中，给培养装置充入初始人工合成营养液，将培养装置置于恒温水浴振荡器中，设置反应周期；第二阶段，增加人工合成营养液中NO₃ ^‑离子、Na₂S₂O₃·5H₂O和CH₃COONa·3H₂O的浓度，维持第一阶段结束时的NO₂ ^‑离子浓度，其余营养物浓度不变，在培养装置连续反应。本发明的技术效果是：实现用污水处理厂的活性污泥作为接种污泥，在单一混合体系中同时富集厌氧氨氧化菌和硫氧化菌，并在较短时间内构建共生体系。

Description

一种具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养 方法

技术领域

本发明属于废水处理领域，更具体地，涉及一种具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法。

背景技术

随着我国石油、医药、化工、造纸等行业地不断发展，伴随其生产过程所产生的含硫含氮废水量也不断增加。该含硫废水若直接排入城市市政污水处理厂，则会带来一系列的反应问题。一方面，硫化物具有腐蚀性，含硫废水的转输途中会造成管道设备的腐蚀；另一方面，硫化物具有生物毒性，较低浓度的硫化物存在就会明显抑制水处理微生物的代谢活性。同时，含硫废水易逸散出难闻的H₂S气体，对水环境与人体的呼吸健康产生较大的危害。因此，对实现同步脱氮脱硫效果的高效处理技术的需求也不断扩大。

传统上，含硫废水的处理包括物化法和生物法。相比之下，由于生物法稳定性好，反应成本较低，无二次污染的风险而得到更为广泛的应用。目前，大多数的含硫废水的生物处理都基于硫氧化细菌在厌氧条件下能够以还原性硫化物为电子供体，以硝酸盐为电子受体，将硫化物氧化为单质硫或硫酸盐并将硝酸盐还原为氮气。在这个生化过程中，具有反硝化功能的硫氧化菌大多为自养菌，所以该过程无需外加碳源，且剩余污泥产量低，是一种绿色节能的含硫含氮废水处理技术。然而，含硫含氮废水中的氮源形式复杂多样，既有硝酸盐中的氮，还包含较高浓度的氨氮。为了实现在缺氧环境下硫化物、硝酸盐、氨氮的同时去除，近年来发展了一种硫自养反硝化与厌氧氨氧化耦合工艺。硫自养反硝化过程中，NO₃ ^—还原为NO₂ ^—反应速率要比NO₂ ^—还原为N₂快得多，因此累积的NO₂ ^—能够与氨氮通过厌氧氨氧化过程反应生产氮气。特别是在厌氧氨氧化菌与硫氧化菌之间存在共生关系后，厌氧氨氧化菌对硫化物的耐受性大大提升，为提高含硫废水脱氮效率提供了重要的突破口。

硫氧化菌与异养反硝化菌相比污泥产率较低，仅有0.59-0.65gVSS/g N，在共生体系中并不会对厌氧氨氧化菌产生强烈的竞争。然而，厌氧氨氧化菌的生长速率十分缓慢，所以厌氧氨氧化菌的富集及共生体系的快速构建是制约硫自养反硝化与厌氧氨氧化耦合工艺推广应用的重要因素。

文献CN 104843863B公开了一种厌氧氨氧化—硫自养反硝化耦合脱氮除硫的废水处理工艺。该工艺中厌氧氨氧化菌—脱氮硫杆菌的共生体系的构建是通过把成熟的脱氮硫杆菌的颗粒污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥混合后再进行培养。文献CN 110117558A公开了一种培养同步脱氮除硫混合菌群的方法，以厌氧氨氧化污泥为单一接种物，通过逐级驯化的方法(126天)培养出了同步脱氮除硫的混合菌群。但是，厌氧氨氧化工艺在国内污水处理厂中尚未大规模应用，多数仍处于实验室阶段，故厌氧氨氧化污泥的快速、稳定获得是该工艺启动首要解决的难题。相比之下，活性污泥来源广，活性高。因此，如何以活性污泥作为接种污泥来培养厌氧氨氧化菌与硫氧化菌共生体系是本发明要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法，它能够以污水处理厂的活性污泥作为接种污泥，在单一混合体系中同时富集厌氧氨氧化菌和硫氧化菌，并在较短时间内构建共生体系。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括如下步骤：

接种污泥预处理：取污水处理厂的活性污泥，采用间歇曝气的方式对污泥进行预处理，以消耗掉污泥混合物中剩余的有机物；

第一阶段，将预处理后的污泥接种到培养装置中，给培养装置充入初始人工合成营养液，将培养装置置于恒温水浴振荡器中，恒温温度值高于室温温度不超过10℃，设置反应周期2～2.5d，转速120～150r/min下反应；

当培养装置内人工合成营养液硝酸盐的去除率大于75％时，且出水NO₂ ^--N浓度高于20m/L时，逐步减少亚硝酸盐投加量；当培养装置出水中硝酸盐的去除率高于90％并稳定持续3个反应周期以上，且出水NO₂ ^--N浓度低于1.0mg/L，则完成第一阶段；

第二阶段，增加人工合成营养液中NO₃ ^--N、Na₂S₂O₃·5H₂O和CH₃COONa·3H₂O浓度，维持第一阶段结束时的NO₂ ^--N浓度，其余营养物浓度不变，培养装置使用第一阶段的反应条件，连续培养至出水硝酸盐去除率高于95％及氨氮去除率达到65％，且出水NO₂ ^--N浓度低于1.0mg/L，则获得具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥。

所述接种污泥预处理时间为1～2d。

所述人工合成营养液中S₂O₃ ^2-与NO₃ ^-的摩尔比为0.7～0.8.。

所述初始人工合成营养液包含100mg/L的NO₃ ^--N、100mg/L的NH₄ ⁺-N、50mg/L的NO₂ ^--N、1.418g/L的Na₂S₂O₃·5H₂O、153.3mg/L的CH₃COONa·3H₂O、10mg/L的KH₂PO₄-P、1.00g/L的NaHCO₃、30mg/L的MgCl₂·6H₂O、10mg/L的CaCl₂和1mL/L的微量元素储备液，所有营养液所用药物均为市售分析纯级别。

所述反应周期是以周期更换人工合成营养液，更换前污泥静置1h，排水比为1/2～2/3。

所述减少亚硝酸盐投加量的方式为：每步递减进水NO₂ ^--N浓度10mg/L，直至30mg/L，每次递减工况时间10～14天。

所述第二阶段中，NO₃ ^--N浓度增加至150mg/L，Na₂S₂O₃·5H₂O浓度增加至2.127g/L，CH₃COONa·3H₂O的浓度增加至230mg/L。

本发明的原理：在单一混合体系中厌氧氨氧化菌与硫氧化菌共生关系的建立是通过控制人工合成营养液中S₂O₃ ^2-与NO₃ ^-的摩尔比(根据化学计量方程，计算得出所需Na₂S₂O₃/NO₃ ^-的比值)，使得硫自养反硝化的过程不完全，形成亚硝酸盐氮的累积，反应式如下：

同时，该中间产物NO₂ ^-能够为厌氧氨氧化菌提供电子受体，从而实现了同步去除硫化物、氨氮及硝酸盐，反应过程如下：

NH₄ ⁺+1.32NO₂ ^-+0.066HCO₃ ^-+0.13H⁺→0.066CH₂O_0.5N_0.15+1.02N₂+0.26NO₃ ^-+2.03H₂O

由于硫代硫酸钠Na₂S₂O₃·5H₂O无生物毒性，且生物降解性极好，该培养方法中用硫代硫酸钠替代硫化钠作为硫源，这将有利于缓解硫化物对微生物活性的抑制作用，缩短功能污泥的培养周期。另一方面，少量有机物(乙酸钠)的加入能够改变厌氧氨氧化菌的代谢活性，促进厌氧氨氧化菌的生长。兼性营养代谢方式下的厌氧氨氧化菌能够利用乙酸钠，合成更多的细胞能源物质及代谢物质以促进自身的生长。并且，随着氨基酸和核糖核苷酸代谢途径的增强，厌氧氨氧化菌能够分泌更多的胞外聚合物，该物质为厌氧氨氧化菌与硫氧化菌的共生提供了重要的微环境及附着力。另外，进水亚硝酸盐氮浓度的逐步减少，是为了防止过高浓度亚硝酸盐氮的积累会导致亚硝酸对厌氧氨氧化菌的抑制作用，并增强了厌氧氨氧化菌与硫氧化菌之间的共生关系。

本发明的技术效果是：

本发明利用污水处理厂的活性污泥作为接种对象，通过对微生物代谢方式的调控，实现了厌氧氨氧化菌与硫氧化菌共生关系的快速构建。该培养方法操作方便，驯化时间短，并能在单一混合体系中同时富集厌氧氨氧化菌及硫氧化菌。所获的功能污泥能够同时去除硫化物、氨氮、硝酸盐，有机物等多种污染物，剩余污泥产量少，且无N₂O等中间代谢产物释放。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为实施例的培养期间进出水NOx^-浓度变化图

图2为实施例的培养期间进出水NH₄ ⁺浓度变化图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述。

本发明以污水处理厂的好氧反应池的活性污泥作为接种污泥，以人工合成营养液作为进水，在缺氧培养装置中，温度恒温在30℃左右条件下培养厌氧氨氧化菌和硫氧化菌。

实施例

本实施例采用当地市政污水处理厂A/A/0工艺中O段的活性污泥作为接种污泥。

预处理阶段：对该污泥进行间歇曝气处理，曝气间隔为：曝气4小时，缺氧8小时，持续时间2天。

第一阶段：采用容积为500ml的血清瓶作为培养装置，控制污泥浓度MLSS在1.0g/L左右。以人工合成的废水作为营养液进行培养，具体见表1：

表1人工合成营养液成分

注：NO₃ ^--N表示硝酸盐的浓度以N的质量计，即mg N/L，表示每升水中有多少毫克的氮。同样地，NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、KH₂PO₄-P。

培养装置置于恒温水浴振荡器中，选恒温温度30℃，转速140r/min下避光反应。设置反应周期：每隔2.5d更换一次培养液，更换前污泥静置1h，排水比为1/2。当反应至第10天时，硝酸钾的去除率达到了79.8％，且出水NO₂ ^--N浓度达到22.03mg/L，开始进行第一次进水亚硝酸盐投加量的减少，此时进水NO₂ ^--N的浓度为40mg/L。继续反应至第20天，硝酸盐的去除率达到96.1％，并进一步降低进水NO₂ ^--N的浓度至30mg/L。又经过一周的培养，硝酸盐在3个反应周期去除率均高于90％，平均去除率达到了96.3％，且出水NO₂ ^--N的浓度降到1mg/L以下，则认为第一阶段培养结束。

第二阶段：提高人工合成营养液NO₃ ^--N浓度至150mg/L，Na₂S₂O₃·5H₂O浓度至2.127g/L，CH₃COONa·3H₂O浓度至230mg/L，维持人工合成营养液NO₂ ^--N浓度30mg/L，其余营养物浓度和反应条件不变。连续反应30天后，出水硝酸盐的去除率达到99.0％，氨氮的去除率达到65.8％，出水亚硝酸盐氮浓度低于0.1mg/L，且稳定3个反应周期以上，则获得所需功能污泥。整个培养驯化周期持续60天，在较短的时间内，高效地实现了同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养。

进水有机物(以COD计)与总氮的比值为0.28～0.40。人工合成营养液pH值控制在7.0-8.0之间，为保证较长的污泥龄，整个培养过程中没有排泥过程。

图1记录了培养过程中每个反应周期进出水中NO₃ ^-及出水NO₂ ^-的变化情况：第一阶段，随着培养时间的增加，硫氧化菌丰度不断增加，所以硝酸盐的去除率逐级增加。由于S₂O₃ ^2-与NO₃ ^-的摩尔比值较低，所以出现出水亚硝酸盐氮的积累，且积累浓度不断增加。此时认为通过硫自养反硝化能为厌氧氨氧化菌提供一定量的亚硝酸盐氮，故逐步减少亚硝酸盐氮的投加量，以防过高浓度的亚硝酸会对厌氧氨氧化菌产生抑制。

图2记录了培养过程中每个反应周期进出水中NH₄ ⁺的变化情况。结合图1，可以看出第一阶段结束时，出水中NH₄ ⁺浓度仍处于较高的水平(大于50mg/L)，但此时出水亚硝酸盐氮浓度低于1mg/L，说明此时厌氧氨氧化菌缺少足够的NO₂ ^-进行反应。所以在第二阶段，提高NO₃ ^-浓度，并相应提高Na₂S₂O₃·5H₂O和CH₃COONa·3H₂O浓度，以期通过硫自养反硝化为厌氧氨氧化菌提共更多的NO₂ ^-。同时也强化了硫氧化菌和厌氧氨氧化菌之间的共生关系。

Claims (7)

1.一种具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法，其特征是：

接种污泥预处理：取污水处理厂的活性污泥，采用间歇曝气的方式对污泥进行预处理，以消耗掉污泥混合物中剩余的有机物；

第一阶段，将预处理后的污泥接种到培养装置中，给培养装置充入初始人工合成营养液，将培养装置置于恒温水浴振荡器中，恒温温度值高于室温温度不超过10℃，设置反应周期2~2.5d，转速120 ～150r/min下反应；

当培养装置内人工合成营养液的硝酸盐的去除率大于75%时，且出水NO₂ ^--N浓度高于20mg/L时，逐步减少亚硝酸盐投加量；当培养装置出水中硝酸盐的去除率高于90%并稳定持续3个反应周期以上，且出水NO₂ ^--N浓度低于1.0mg/L，则完成第一阶段；

第二阶段，增加人工合成营养液中NO₃ ^--N、Na₂S₂O₃·5H₂O和CH₃COONa·3H₂O的浓度，维持第一阶段结束时的NO₂ ^--N浓度，其余营养物浓度不变，培养装置使用第一阶段的反应条件，连续培养至出水硝酸盐去除率高于95%及氨氮去除率达到65%，且出水NO₂ ^--N浓度低于1.0mg/L，则获得具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥；

在第一阶段和第二阶段的人工合成营养液中S₂O₃ ^2-与NO₃ ^-的摩尔比为0.7~0.8。

2.根据权利要求1所述的具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法，其特征是：所述接种污泥预处理时间为1~2d。

3.根据权利要求2所述的具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法，其特征是：所述初始人工合成营养液包含100mg/L 的NO₃ ^--N、100mg/L 的NH₄ ⁺-N、50mg/L 的NO₂ ^--N、1.418 g/L 的Na₂S₂O₃·5H₂O、153.3 mg/L 的CH₃COONa·3H₂O 、10mg/L的KH₂PO₄-P、1.00g/L 的NaHCO₃、30mg/L 的MgCl₂·6H₂O 、10mg/L 的CaCl₂和1mL/L的微量元素储备液。

4.根据权利要求3所述的具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法，其特征是：所述微量元素储备液包含0.5g/L 的FeSO₄·7H₂O、0.08 g/L 的ZnSO₄·7H₂O、0.04g/L的 CoCl₂·6H₂O、0.04g/L 的MnCl₂·4H₂O、0.056g/L 的CuSO₄·5H₂O、 0.06g/L的NaMoO₄·2H₂O、 0.02g/L的 H₃BO₄和2.0 g/L的EDTA。

5.根据权利要求4所述的具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法，其特征是：所述反应周期是以周期更换人工合成营养液，更换前污泥静置1h，排水比1/2~2/3。

6.根据权利要求5所述的具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法，其特征是，所述减少亚硝酸盐投加量的方式为：每步递减进水 NO₂ ^--N浓度10mg/L，直至30mg/L，每次递减工况时间10~14天。

7.根据权利要求6所述的具有同步硫自养反硝化和厌氧氨氧化功能污泥的培养方法，其特征是，所述第二阶段中，NO₃ ^--N浓度增加至150mg/L，Na₂S₂O₃·5H₂O浓度增加至2.127g/L，CH₃COONa·3H₂O的浓度增加至230mg/L。

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