CN111661977B

CN111661977B - AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法及生物除磷系统

Info

Publication number: CN111661977B
Application number: CN202010452440.6A
Authority: CN
Inventors: 吴永红; 徐滢; 王思楚; 李云驹; 常纪文; 张建红
Original assignee: Institute of Soil Science of CAS
Current assignee: Institute of Soil Science of CAS
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2040-05-26
Also published as: CN111661977A

Abstract

本发明公开了一种AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法及生物除磷系统，属于污水处理技术领域。本发明在周丛生物培养阶段和培养结束后污水净化运行阶段，向周丛生物反应器内添加AHLs类群体感应信号分子，以促进对周丛生物形成至关重要的群体感应，促进微生物种间协作以及激发微生物的活性。向周丛生物反应器中投加一定浓度一定比例的AHLs信号分子混合物，加快了周丛生物固定生长过程，提高了生物量，优化了周丛生物系统的除磷能力。此方法具有工艺运行要求简单、稳定性高、处理效率高、投入成本低的特点，适用于高浓度磷污水磷的去除与捕获。

Description

AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法及生物除磷系统

技术领域

本发明涉及一种AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法及生物除磷系统，属于污水处理技术领域。

背景技术

随着我国经济的发展，工业化、城市化进程加快，对生态环境的破坏日益加剧，水环境磷污染和水体富营养化问题愈加严重，水污染已成为危及地球生态、限制人类经济社会发展的严重问题。根据我国颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，对总磷的排放限值分为三级，其中一级又分为A标准和B标准，现今国家要求所有污水处理厂排放要向一级A标准靠拢，即总磷排放应低于0.5mg/L。因此，如何保证高效率地去除污水中的磷成为水处理领域中亟待解决的焦点。

现有的化学凝聚沉淀技术虽然效率较高且稳定可靠，但药剂费用较高，化学污泥产量大且成分复杂，可能造成二次污染，同时较难实现磷的可持续利用。生物磷回收技术虽然可以避免大量化学污泥产生，运行成本经济，但是磷回收效率有待提高，而且工艺运行控制要求严格，稳定性较差。因此，目前高效生物除磷技术已成为研究热点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有生物除磷技术效率有待提高的问题，提供一种以周丛生物为技术核心，并发展一种通过人为干预群体感应——将一定混合配方的AHLs类群体感应信号分子投加到周丛生物系统中的强化生物除磷工艺的净化污水的方法，本发明可以加快周丛生物生长，提高胞外聚合物产量，促进对有机磷的转化，强化废水处理中的磷去除，实现更好的磷回收。

为解决上述技术问题，本发明提供一种AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法，在周丛生物培养阶段和培养结束后污水净化运行阶段，向周丛生物反应器内添加AHLs类群体感应信号分子，混合物中AHLs类群体感应信号分子浓度为0.1-2μmol/L。

进一步地，在周丛生物培养阶段，AHLs类群体感应信号分子的添加浓度为1-2μmol/L，在污水净化运行阶段，AHLs类群体感应信号分子的添加浓度为0.1-0.5μmol/L。AHLs浓度根据周丛生物生长情况、生长阶段进行调试，合适的AHLs浓度是控制生物膜形成、控制生物量、控制胞外聚合物产量的关键，因此在培养阶段需投加较高浓度的AHLs以促进周丛生物生长，在污水净化阶段应投加适当浓度的AHLs，为防止产生过多的周丛生物碎屑。

进一步地，所述AHLs类群体感应信号分子为N-己酰基高丝氨酸内酯(C6-HSL)、N-辛酰基高丝氨酸内酯(C8-HSL)、N-3-氧-辛酰基高丝氨酸内酯(3OC8-HSL)、N-癸酞基高丝氨酸内酯(C10-HSL)和N-十二烷酞基高丝氨酸内酯(C12-HSL)中的一种或多种等质量混合物。

进一步地，所述周丛生物的培养方法为：

向周丛生物反应器中投放载体，使其均匀地分布在水槽内每层铁丝网上，周丛生物在载体上进行生长固定；

往周丛生物反应器内通入富营养化水，并加入WC培养基；在光照强度4000-5000Lux、温度为30-40℃条件下培养和固定周丛生物；

初期固定采用定期间歇进水和WC培养基，当每层载体上可见点状绿色光合周丛生物即采用连续低速进水和WC培养基进行固定，使固定化时间变短并促进周丛生物富集均匀性。

其中WC培养基配方如下：

※其中WC微量元素溶液母液配方为：Na₂EDTA·2H₂O 4.36g、FeCl₃·6H₂O 3.15g、CuSO₄·5H₂O 2.5g、ZnSO₄·7H₂O 22g、CoCl₂·6H₂O 10g、MnCl₂·4H₂O 180g、Na₃VO₄ 18g、Na₂MoO₄·2H₂O 6.3g、蒸馏水1L；VB₁₂溶液母液、硫胺素溶液母液和生物素溶液母液分别为27mg VB₁₂、67mg硫胺素和2400mg生物素分别溶于200mL HEPES缓冲液(2.4g/200mL dH₂O,pH7.8)中。

进一步地，用于载体上附着周丛生物的富营养化水的富营养化指数大于50，用于固定和培养周丛生物的富营养化水含有藻类、细菌、真菌、原生动物和后生动物。因此，在富集的周丛生物其“种源”实际上来源于所取的富营养水。

进一步地，初期固定采用的定期间歇进行固定2个周期，每个周期为5天，连续低速进水和WC培养基进行固定的时间为5-10天，总固定时间为15-20天。15-20天后，水槽每层均将被亮绿色粘稠状的周丛生物所覆盖。

进一步地，在污水净化运行阶段，在光照强度为2500-4000Lux、温度为20-30℃条件下运行反应器；当污水有机污染浓度为200-600mgCOD/L时，污水的水力停留时间为6-12h，当污水有机污染物浓度在200mgCOD/L以下时，污水的水力停留时间为3-6h。

本发明还提供一种基于上述方法的生物除磷系统，包括通过管路依次连接的进水装置、周丛生物反应器和沉淀装置；所述进水装置包括进水池，所述进水池一端与AHLs类群体感应信号分子添加装置相连接，另一端通过进水管路和进水恒流泵与周丛生物反应器相连接；所述周丛生物反应器包括水槽，由空心透明材料制成(例如，聚乙烯，有机玻璃)，所述水槽内设有多层间距为10-14cm的铁丝网，所述铁丝网上分布有周丛生物载体，周丛生物在载体上进行生长固定；水槽内每层周丛生物间距为10-14cm时，每层固定周丛生物效果及污水净化条件最好，间距太小，下层光照条件不足周丛生物很难固定完成，且容易造成下层周丛生物死亡；间距太大，处理效果较差，需要更大的水槽和更快的进水速度，每层周丛生物载体上面进行隔网固定，防止周丛生物沿水流方向流出。

所述水槽内还设有曝气装置，所述曝气装置包括曝气盘，所述曝气盘连接水槽外部的曝气泵，以使反应器中污水与周丛生物充分接触，以及提供周丛生物生长所需氧气，并通过转子流量计调节曝气量来控制周丛生物所需的溶解氧(DO)浓度(1.0-1.5mg/L)，利于周丛生物生长。

进一步地，所述沉淀装置包括沉淀池，所述沉淀池一端通过出水管路、出水泵和周丛生物反应器相连接，所述沉淀池另一端通过污泥泵与污泥回收装置相连接。

进一步地，所述水槽的进、出水口设置有聚乙烯丝网，用于防止周丛生物碎屑进出水槽管道。

周丛生物是生长在淹水基质表面且在自然环境条件下形成的微生物聚集体，其有机成分包括藻类、细菌、真菌、浮游动物，是一个半稳定的、开放的动力学系统，具有较强的稳定性和磷富集能力。周丛生物在水体原位生物修复和非原位生物修复上都有相应的应用实例，周丛生物捕获磷具有以下优势：其中丰富的胞外聚合物可在磷回收过程中充当重要的磷储存库；其中的聚磷菌作为生物除磷工艺中主要的功能菌群，可高效回收磷；其中的微藻具有较强的磷储存能力，并且其含有的叶绿体可进行光合作用，制造丰富的有机物，释放氧气，改变磷形态，促进磷被结合或释放；同时多物种的周丛生物中积极的相互作用，可推动磷的回收。周丛生物中不同组分之间相互协作，共同调控周丛生物的结构和功能。群体感应对周丛生物形成是至关重要的，并且周丛生物中胞外聚合物产量和磷酸酶分泌都被发现与群体感应密切相关。

本发明所达到的有益效果：

(1)外源性AHLs类信号分子是周丛生物形成的重要因子，有利于提高生物活性，增加生物量，加速周丛生物在载体(填料)上的生长固定，促进群体感应相关细菌(革兰氏阴性菌)的生长，提高系统的生物多样性。

(2)外源性AHLs类信号分子有利于增强周丛生物除磷能力，包括提高胞外聚合物产量，通过增加吸附沉淀位点来捕获更多的磷，以及提高碱性/酸性磷酸酶的活性来去除污水中的有机磷。

与传统的污水生物除磷技术相比，本发明利用了新颖的周丛生物技术，通过投加一定浓度一定比例的AHLs类群体感应信号分子，以促进对周丛生物形成至关重要的群体感应，利用群体感应机制进行细胞对细胞的交流，从而促进周丛生物群落的生物活性，加速了周丛生物反应器的固定过程，提高了生物量，优化了周丛生物系统的除磷能力。此方法具有工艺运行要求简单、稳定性高、处理效率高的特点，适用于中小水量的高浓度磷的污水的净化。

附图说明

图1为本发明的反应装置示意图；

图中：1.进水管路；2.第一出水管路；3.第二出水管路；4.AHLs信号分子投加泵；5.进水恒流泵；6.曝气泵；7.出水泵；8.污泥泵；9.周丛生物载体；10.铁丝网；11.曝气盘；12.进水池；13.周丛生物反应器；14.沉淀池。

图2为投加AHLs信号分子的周丛生物反应器相比于普通周丛生物反应器对PO₄ ^3--P的去除效果；

图3为投加AHLs信号分子的周丛生物反应器相比于普通周丛生物反应器对TP的去除效果。

图4为投加AHLs信号分子和普通反应器中周丛生物的碱性/酸性磷酸酶活性。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种生物除磷系统，包括通过管路依次连接的进水装置、周丛生物反应器13和沉淀装置。所述进水装置包括进水池12，所述进水池12一端与AHLs类群体感应信号分子投加泵4相连接，另一端通过进水管路1和进水恒流泵5与周丛生物反应器13相连接；所述周丛生物反应器13包括水槽，由空心透明材料制成(例如，聚乙烯，有机玻璃)，所述水槽内设有多层间距为10-14cm的铁丝网10，所述铁丝网10上分布有周丛生物载体9，周丛生物在周丛生物载体9上进行生长固定；水槽内每层周丛生物间距为10-14cm时，每层固定周丛生物效果及污水净化条件最好，间距太小，下层光照条件不足周丛生物很难固定完成，且容易造成下层周丛生物死亡；间距太大，处理效果较差，需要更大的水槽和更快的进水速度，每层周丛生物载体上面进行隔网固定，防止周丛生物沿水流方向流出。

所述水槽内还设有曝气装置，所述曝气装置包括曝气盘11，所述曝气盘11连接水槽外部的曝气泵6，以使反应器中污水与周丛生物充分接触，以及提供周丛生物生长所需氧气，并通过转子流量计调节曝气量来控制周丛生物所需的溶解氧(DO)浓度(1.0-1.5mg/L)，利于周丛生物生长。

所述沉淀装置包括沉淀池14，所述沉淀池14一端通过第一出水管路2、出水泵7和周丛生物反应器13相连接，所述沉淀池14另一端通过污泥泵8与污泥回收装置相连接。

所述水槽的进、出水口设置有聚乙烯丝网，用于防止周丛生物碎屑进出水槽管道。并定期清理水槽底部的周丛生物碎屑。

一种AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法，包括如下步骤：

(1)向反应器中投放载体(弹性填料)，使其均匀地分布在水槽内每层铁丝网上，每层间隔10cm，周丛生物在载体上进行生长固定；

(2)往反应器内通入富营养化水，并加入WC培养基；在光照强度4000Lux、温度为30℃条件下培养和固定周丛生物。初期5天换一次富营养化水和WC培养基，间歇培养两个周期，再用恒流泵进行连续低速进水7天，这样基本完成每层周丛生物的固定，总时间大约为15-20天。期间向进水添加1μmol/L的等质量混合的AHLs类群体感应信号分子，混合物为N-己酰基高丝氨酸内酯、N-辛酰基高丝氨酸内酯、N-3-氧-辛酰基高丝氨酸内酯、N-癸酞基高丝氨酸内酯和N-十二烷酞基高丝氨酸内酯。培养期结束后，水槽内周丛生物浓度为5-6g/L(湿重，含水率为88-92％)

其中富营养水来自江苏省南京市玄武湖，其水质富营养化指数大于50，并含有藻类、细菌、真菌、原生动物、后生动物等微生物。

(3)在光照强度3000Lux、温度为25℃条件下运行反应器，反应器采用连续流式进水方式，控制进水流量以调节水力停留时间；当进水水质为250mgCOD/L时，污水在处理阶段的水力停留时间设置为6h；曝气装置通过转子流量计调节曝气量进而控制所需的溶解氧(DO)浓度(1.0mg/L左右)；运行期间向进水添加0.5μmol/L的混合AHLs类群体感应信号分子，混合物为N-己酰基高丝氨酸内酯、N-辛酰基高丝氨酸内酯、N-3-氧-辛酰基高丝氨酸内酯、N-癸酞基高丝氨酸内酯和N-十二烷酞基高丝氨酸内酯。

(4)当进水水质COD浓度为250mg/L，PO₄ ^3--P浓度为3-3.5mg/L，TP浓度为4-4.5mg/L时，反应器需要3-4天的启动周期，实验结果表明3-4天后才开始正常的运行。

对比例1

在周丛生物培养阶段和培养结束后污水净化运行阶段，不向周丛生物反应器内添加AHLs类群体感应信号分子，其余与实施例1相同。

结果表明，如图2和图3所示，投加AHLs类信号分子混合物的反应器出水PO₄ ^3--P浓度低于为0.24mg/L，PO₄ ^3--P去除率高于92％，相比于对比例1普通周丛生物的反应器提高了6％；TP浓度低于0.26mg/L，TP去除率高于94％，出水达到总磷排放标准，相比于仅周丛生物的反应器分别提高了7％。

如图4所示，投加AHLs信号分子的反应器中，周丛生物的碱性/酸性磷酸酶活性分别高达69和60μmol/d/g，相比于对比例1普通周丛生物的反应器分别提高了122.58％和106.9％。

AHLs类群体感应信号分子的投加，加速了周丛生物的固定生长过程，提高了生物量，提高了碱性/酸性磷酸酶活性，优化了周丛生物系统的除磷能力，使其快速实现磷的去除。综上所述，向周丛生物反应器中投加AHLs信号分子的强化生物除磷工艺对高磷污水具有很好的净化效能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1. AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法，其特征是，在周丛生物培养阶段和培养结束后污水净化运行阶段，向周丛生物反应器内添加AHLs类群体感应信号分子，混合物中AHLs类群体感应信号分子浓度为0.1-2µmol/L，在周丛生物培养阶段，AHLs类群体感应信号分子的添加浓度为1-2µmol/L，在污水净化运行阶段，AHLs类群体感应信号分子的添加浓度为0.1-0.5µmol/L；

所述周丛生物的培养方法为：

初期固定采用定期间歇进水和WC培养基，当每层载体上可见点状绿色光合周丛生物即采用连续低速进水和WC培养基进行固定；

所述周丛生物反应器包括水槽，所述水槽内设有多层间距为10-14cm的铁丝网，所述水槽内还设有曝气装置。

2.根据权利要求1所述的AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法，其特征是，所述AHLs类群体感应信号分子为N-己酰基高丝氨酸内酯、N-辛酰基高丝氨酸内酯、N-3-氧-辛酰基高丝氨酸内酯、N-癸酞基高丝氨酸内酯、N-十二烷酞基高丝氨酸内酯中的一种或多种等质量混合物。

3.根据权利要求1所述的AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法，其特征是，用于载体上附着周丛生物的富营养化水的富营养化指数大于50，用于固定和培养周丛生物的富营养化水含有藻类、细菌、真菌、原生动物和后生动物。

4.根据权利要求1所述的AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法，其特征是，初期固定采用的定期间歇进行固定2个周期，每个周期为5天，连续低速进水和WC培养基进行固定的时间为5-10天，总固定时间为15-20天。

5.根据权利要求1所述的AHLs类群体感应信号分子刺激周丛生物提升磷去除的方法，其特征是，在污水净化运行阶段，在光照强度为2500-4000Lux、温度为20-30℃条件下运行反应器；当污水有机污染浓度为200-600 mgCOD/L时，污水的水力停留时间为6-12h，当污水有机污染物浓度在200 mgCOD/L 以下时，污水的水力停留时间为3-6h。

6.基于权利要求1-5中任意一项所述方法的生物除磷系统，其特征是，包括通过管路依次连接的进水装置、周丛生物反应器和沉淀装置；所述进水装置包括进水池，所述进水池一端与AHLs类群体感应信号分子添加装置相连接，另一端通过进水管路和进水恒流泵与周丛生物反应器相连接。

7.根据权利要求6所述的生物除磷系统，其特征是，所述沉淀装置包括沉淀池，所述沉淀池一端通过出水管路、出水泵和周丛生物反应器相连接，所述沉淀池另一端通过污泥泵与污泥回收装置相连接。

8.根据权利要求6所述的生物除磷系统，其特征是，所述水槽的进、出水口设置有聚乙烯丝网。