CN113461162B - 一种提高anammox工艺处理城市生活污水性能的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种提高ANAMMOX工艺处理城市生活污水性能的方法及装置，属于废水处理领域。取稳定运行的低COD厌氧氨氧化反应器中的颗粒污泥作为接种污泥，采用进水有机物浓度逐渐增高的方式使进水接近生活污水，使厌氧氨氧化菌适应高COD环境；当进水COD浓度达到400mg/L时，适应结束；进水有机物浓度逐渐增高时，每个浓度的记为一个周期，每个周期均运行30天；在每个周期的第一天向反应器中外源添加包埋有群体淬灭剂AHL酰基转移酶的微珠，使得Acylase I的添加浓度为0.05g/L。使ANAMMOX菌占优，并且操作简单，易于实现，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于废水处理领域，尤其涉及废水处理过程中的厌氧氨养化脱氮技术，具体涉及一种提高ANAMMOX工艺处理城市生活污水性能的方法及装置。
背景技术
伴随着中国国民经济的飞速发展与城市化进程的不断推进，城市生活污水也随之增加。传统的好氧硝化－缺氧反硝化脱氮工艺被广泛用于城市生活污水处理，然而，传统的城市污水处理脱氮技术的好氧阶段需要消耗大量能量用于曝气，而这也成为了污水处理厂最主要的能源消耗，增加了污水处理厂运行成本。厌氧氨氧化(ANAMMOX)作为一种新型生物脱氮工艺，具有脱氮效率高，能耗低，无需外加有机碳源及污泥产量低等诸多优点。但是城市生活污水有机物含量高，氨氮含量低，厌氧氨氧化菌活性变弱(AnAOB)，限制了ANAMMOX技术在实际城市生活污水中的应用与发展。部分学者进行过相关研究并提出相应的控制策略，如可以通过短时曝气使COD降至ANAMMOX菌适应范围之内等预处理措施，但曝气会消耗大量能量，成本较高。本研究通过一个新的角度群体淬灭调控ANAMMOX生理行为从而提高处理城市生活污水性能。
发明内容
基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种提高ANAMMOX工艺处理城市生活污水性能的方法及装置，该方法从一个新的角度—微生物群体淬灭，提高处理城市生活污水的性能。该方法相比现有技术，其是从根本上调控微生物的生物行为，使ANAMMOX菌占优，并且操作简单，易于实现，实用性强。
为了达到上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：
一种提高ANAMMOX工艺处理城市生活污水性能的装置，其特征在于，污水进水桶(1)经由蠕动泵(2)与反应器(4)的底部进水口连接，反应器(4)的上部侧面设有出水口(8)，顶部设有排气口(9)，反应器(4)内装有填料(5)，同时填料(5)对应占有的空间中接种有污泥颗粒(7)，在污泥颗粒(7)占有的空间中添加有包埋群体淬灭剂(AHL酰基转移酶)的微珠(6)。
所述的厌氧氨氧化接种污泥颗粒(7)粒径为2mm。
微珠(6)直径为5mm。
一种提高ANAMMOX工艺处理城市生活污水性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在处理城市生活污水初期，向反应器中外源添加包埋有群体淬灭剂(AHL酰基转移酶)的微珠，具体操作步骤和工艺条件如下：
取稳定运行(如运行时间至少1年)的低COD(20-30mg/L)厌氧氨氧化反应器中的颗粒污泥作为接种污泥，采用进水有机物浓度逐渐增高的方式使进水接近生活污水，使厌氧氨氧化菌适应高COD环境；当进水COD浓度达到400mg/L时，适应结束；进水有机物浓度逐渐增高时，每个浓度的记为一个周期，每个周期均运行30天；在每个周期的第一天向反应器中外源添加包埋有群体淬灭剂(AHL酰基转移酶)的微珠，使得Acylase I在整个泥水混合物中添加浓度为0.05g/L。
各个周期反应器运行温度均为32℃左右，进水pH为7.4左右，进水溶解氧均在0.5mg/L以下。
进水采用人工模拟配制的城市生活污水，主要营养物质理论量：COD为100-400mg/L，氨氮为50mg/L，亚氮为65mg/L，具体以实测为准，其余按需加入；微量元素Ⅰ、Ⅱ各1mL/L。微量元素Ⅰ组成分(g/L)：EDTA 5g/L、FeSO4·7H2O 5g/L；微量元素Ⅱ组成分：EDTA 15g/L、CuSO4·5H2O 0.2g/L、ZnSO4·7H2O 0.43g/L、CoCl2·6H2O 0.24g/L、MnCl2·4H2O 0.99g/L、Na2MoO4·2H2O 0.22g/L、NiCl2·6H2O 0.19g/L、NaSeO4 0.11g/L、H3BO4 0.014g/L；
周期Ⅰ(第1天-第30天)进水氨氮浓度为50mg/L，亚硝氮浓度为65mg/L，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为100mg/L、HRT为7.5h；
周期Ⅱ(第31天-第60天)进水氨氮浓度为50mg/L，亚硝氮浓度为65mg/L，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为200mg/L、HRT为7.5h；
周期Ⅲ(第61天-90天)进水氨氮浓度为50mg/L，亚硝氮浓度为65mg/L，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为300mg/L、HRT为7.5h。
周期Ⅳ(第91天-第120天)进水氨氮浓度为50mg/L，亚硝氮浓度为65mg/L，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为400mg/L、HRT为7.5h。
所述的AHL酰基转移酶为Acylase I；Acylase I可以降解C4-HSL和C6-HSL等信号分子。
所述的Acylase I的添加浓度为0.05g/L，当Acylase I添加浓度达0.05g/L及以上时可更加有效降低AHL含量，但Acylase I添加浓度高于0.05g/L时对AHL含量的降低作用与0.05g/L时相比变化不大，考虑成本问题，投加浓度采用0.05g/L。
所述的Acylase I的添加方式为酶固定法，可有效的增加酶的使用时间。酶固定方法具体如下：根据AHL酰基转移酶的最佳投加浓度为0.05g/L，将0.06L Acylase I-磷酸钾缓冲溶液(浓度10mg/mL，ph＝7)加入至0.18L 4％海藻酸钠溶液中，轻轻混合30min。将该溶液逐滴滴至氯化钙溶液中(25-40wt％)。20分钟后，形成的QQ微珠(直径约5mm)用蒸馏水冲洗三次，并在4℃下暗处保存。
本发明中采用的是柱状升流式厌氧氨氧化生物膜反应器，采用蠕动泵连续进水，每天进水量为40L，水力停留时间为7.5h。顶部设置三相分离器。反应器在恒温室中进行避光培养，通过室内温控系统，使水温控制在32℃左右，见图5。
所述的厌氧氨氧化接种污泥为低COD负荷反应器内的厌氧氨氧化颗粒污泥。
每个周期的第一天向反应器中外源添加包埋有群体淬灭剂(AHL酰基转移酶)微珠时为一次性加入反应器中。
本发明的作用原理：细菌之间存在群体感应现象(Quorum Sensing,QS),它们通过信号分子进行交流。群体感应是指菌体之间根据附近细菌密度进行的系统交流。这种感应机制主要建立于微生物能够产生并分泌一种信号物质。当信号浓度达到一定阈值后，群体感应信号能够与相关转录调控因子直接作用，改变基因表达特征，以调控细菌的诸多生理功能，如微生物群集运动、活性表达和污泥颗粒化等。但是ANAMMOX过程中群体淬灭(QuorumQuenching,QQ)效应的作用却往往被忽略。QQ是与QS协同而生，对抗QS的过程：QQ效应通过干扰信号受体蛋白或降低受体蛋白浓度来阻止AHLs与受体蛋白结合，或通过相关微生物分泌淬灭酶来降解AHLs(或破坏AHLs的合成)等方式减弱QS效应。
随着实验时间的延长，处理生活污水中的污泥中异养菌大量繁殖，例如Aeromonas、Nitrospira、Nitrosomonas和Pseudomonas菌属等，这些菌属均属于QS相关菌属，它们的生物量达到一定值时，将会引发QS现象，促进自身生长的同时，还会抑制其他菌属的生长，例如ANAMMOX菌，导致工艺脱氮性能变差。因此本发明通过添加QQ酶来刺激微生物的QQ，从而减弱QS，控制QS菌的生长，减轻对ANAMMOX菌的竞争，提高ANAMMOX菌的活性，提高ANAMMOX工艺的脱氮效率。
本发明中外源添加的AHL酰基转移酶即是通过来降低异养菌分泌的信号分子浓度，使其低于激发群体感应的阈值，破坏其群体感应，减轻对ANAMMOX的竞争作用。AHL酰基转移酶主要降解的信号分子为C4-HSL和C6-HSL，其浓度较未添加QQ酶时明显降低。
反硝化菌和与脱氮无关的菌属都可以分泌C4-HSL、C6-HSL等，加入AHL酰基转移酶可以水解信号分子，降低信号分子的浓度，进而破损群体感应现象，从而使其在与ANAMMOX菌种的竞争中处于劣势，提高ANAMMOX工艺脱氮效率。
本发明和现有技术相比，具有如下优点和效果：
(1)从根本上调控异养菌的生理行为，从而在其与ANAMMOX菌的竞争中处于劣势，从而提高ANAMMOX工艺脱氮效率。
(2)酶固定可以减少酶的损耗，增加酶的作用时间。
(3)操作过程简单，易于实现。
附图说明
图1投加不同浓度AHL酰基转移酶的四个反应器中氮的去除效果图；其中A：未投加AHL酰基转移酶(R1)；B：投加0.01g/L AHL酰基转移酶(R2)；C：投加0.05g/L AHL酰基转移酶(R3)；D：投加0.1g/L AHL酰基转移酶(R4)。
图2投加不同浓度AHL酰基转移酶的四个反应器中氮的去除率。
图3不固定AHL酰基转移酶和固定酰基转移酶的两个反应器中氮的去除效果；A：不固定AHL酰基转移酶(R3)；B：固定AHL酰基转移酶(R5)。
图4不固定AHL酰基转移酶和固定酰基转移酶的两个反应器中氮的去除率对比。
图5反应装置结构示意图。
1进水桶、2蠕动泵、3进水取样口、4反应器、5填料、7污泥颗粒、
8进水口、9排气口。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的内容做进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。本发明以微生物群体淬灭角度为出发点，通过添加固定的群体淬灭酶来提高ANAMMOX工艺处理城市生活污水性能。
具体实施方式为采用UASB反应器，接种低COD负荷反应器内的厌氧氨氧化颗粒污泥后，采用进水COD逐渐增高的方式使进水接近生活污水，即：取实验室稳定运行1年的低进水COD的(20-30mg/L)厌氧氨氧化反应器中的颗粒污泥作为接种污泥。采用进水COD浓度逐渐增高的方式使进水逐渐接近生活污水。在每个周期的第一天在反应器中添加QQ酶，同时在相同条件下设置对照组。进水为模拟废水，在各个周期，进水的氨氮和亚硝氮浓度分别约为50mg/L和65mg/L，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，HRT为7.5h，进水COD由100mg/L增加至400mg/L。各周期期间，反应器运行温度为32℃左右，进水pH均为7.4左右，进水溶解氧均在0.5mg/L以下，厌氧氨氧化接种污泥颗粒粒径约为2mm。
材料：
接种污泥：低COD负荷厌氧氨氧化颗粒污泥
群体淬灭酶：AHL酰基转移酶(Acylase I)，购于美国sigma-aldrich公司。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1:
AHL酰基转移酶浓度对厌氧氨氧化处理生活污水的影响
设置四个UASB反应器，分别为未投加AHL酰基转移酶(R1)、投加0.01g/L AHL酰基转移酶(R2)、投加0.05g/L AHL酰基转移酶(R3)和投加0.1g/L AHL酰基转移酶(R4)。
向四个反应器中加入等量接种污泥，采用进水有机物逐渐增高的办法使进水逐渐接近生活污水，使反应适应高有机物环境。在每个周期第一天往反应器添加相应浓度的AHL酰基转移酶。
周期Ⅰ(第1天-第30天)进水氨氮浓度为60mg/L左右，亚硝氮浓度为80mg/L左右，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为100mg/L、HRT为7.5h。
周期Ⅱ(第31天-第60天)进水氨氮浓度为60mg/L左右，亚硝氮浓度为80mg/L左右，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为200mg/L、HRT为7.5h。
周期Ⅲ(第61天-90天)进水氨氮浓度为60mg/L左右，亚硝氮浓度为80mg/L左右，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为300mg/L、HRT为7.5h。
周期Ⅳ(第91天-第120天)进水氨氮浓度为60mg/L左右，亚硝氮浓度为80mg/L左右，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为400mg/L、HRT为7.5h。
分析各个反应器相应周期的氮去除效果。通过对实施例1的结果进行分析，能够确定提高ANAMMOX工艺处理城市生活污水性能的最佳AHL酰基转移酶浓度。
实施例2:
固定AHL酰基转移酶对厌氧氨氧化处理含高浓度有机物生活污水性能的影响
设置两个UASB反应器，分别为不固定AHL酰基转移酶(R3)和固定AHL酰基转移酶(R5)。
酶固定方法具体如下：根据例1确定的最佳AHL酰基转移酶的最佳投加浓度为0.05g/L，将0.06L Acylase I-磷酸钾缓冲溶液(浓度10mg/mL，ph＝7)加入至0.18L 4％海藻酸钠溶液中，轻轻混合30min。将该溶液逐滴滴至氯化钙溶液中(25-40wt％)。20分钟后，形成的QQ微珠(直径约5mm)用蒸馏水冲洗三次，并在4℃下暗处保存。
向两个反应器中加入等量接种污泥，采用进水有机物逐渐增高的办法使进水逐渐接近生活污水，使反应适应高有机物环境。每个周期第一天往反应器添加0.05g/L游离AHL酰基转移酶或者包埋有AHL酰基转移酶的微珠。
周期Ⅰ(第1天-第30天)进水氨氮浓度为60mg/L左右，亚硝氮浓度为80mg/L左右，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为100mg/L、HRT为7.5h。
周期Ⅱ(第31天-第60天)进水氨氮浓度为60mg/L左右，亚硝氮浓度为80mg/L左右，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为200mg/L、HRT为7.5h。
周期Ⅲ(第61天-90天)进水氨氮浓度为60mg/L左右，亚硝氮浓度为80mg/L左右，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为300mg/L、HRT为7.5h。
周期Ⅳ(第91天-第120天)进水氨氮浓度为60mg/L左右，亚硝氮浓度为80mg/L左右，进水氨氮和亚硝氮浓度之比为1:1.32，COD为400mg/L、HRT为7.5h。
分析各个反应器不同周期的氮去除效果，通过对实施例2的结果进行分析，能够确定固定AHL酰基转移酶是否能够提高提高ANAMMOX工艺处理城市生活污水性能。
测试及分析方法
氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法，亚硝氮测定采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，硝氮测定采用麝香草酚分光光度法，总氮测定使用总氮测定仪。DO采用便携式溶解氧测定仪测定，pH采用便携式pH酸度计测定。
结果与分析
实施例1
如图1所示，在第一个周期内(0-30天)，厌氧氨氧化需要适应环境，故初期氨氮和亚氮出水浓度较高，随后降至正常水平。在第二、三、四每个周期初期，有机物进水浓度突然增高，冲击厌氧氨氧化反应，故出水氨氮和出水亚氮浓度有所波动。在各个周期末期，由于游离酶失效，氨氮浓度增高，但并不影响亚氮去除。在各个反应器中相应的周期，随着AHL酰基转移酶的浓度的增加，氨氮和亚氮的去除效果越好。添加0.1g/L AHL酰基转移酶相比于添加0.05g/L AHL酰基转移酶去除效果提高不明显，但添加0.05g/L AHL酰基转移酶较添加0.01g/L AHL酰基转移酶去除效果提升明显，尤其在进水COD为400mg/L。R3反应器周期Ⅳ(105-110天)的出水氨氮浓度低于5mg/L，氨氮去除率90％，出水亚氮浓度低于1mg/L，亚氮去除率99％(图1中C、图2)。考虑到成本问题，故AHL酰基转移酶浓度确定为0.05g/L。
实施例2
在R3各个周期的后期，氨氮出水浓度增高并增至相应未添加AHL酰基转移酶时的出水浓度，氨氮去除率大幅下降(图3中A、图4)，这是因为酶会随着排水而流失以及酶活性的失效。在R5每个周期的后期，由于酶固定，R5氨氮出水浓度保持稳定，浓度均低于5mg/L，平均去除率均高于90％(图3中B、图4)。固定酶可以避免酶因排水而造成的损耗并降低其酶活性下降的程度。
Claims (4)
1.一种提高ANAMMOX工艺处理城市生活污水性能的方法，其特征在于，采用的装置为：污水进水桶（1）经由蠕动泵（2）与反应器（4）的底部进水口连接，反应器（4）的上部侧面设有出水口（8），顶部设有排气口（9），反应器（4）内装有填料（5），同时填料（5）对应占有的空间中接种有污泥颗粒（7），在污泥颗粒（7）占有的空间中添加有包埋群体淬灭剂的微珠（6）；
所述方法包括以下步骤：
在处理城市生活污水初期，向反应器中外源添加包埋有群体淬灭剂的微珠，具体操作步骤和工艺条件如下：
取稳定运行的低COD厌氧氨氧化反应器中的颗粒污泥作为接种污泥，COD浓度为20-30mg/L，采用进水有机物浓度逐渐增高的方式使进水接近生活污水，使厌氧氨氧化菌适应高COD环境；当进水COD浓度达到400mg/L时，适应结束；进水有机物浓度逐渐增高时，每个浓度的记为一个周期，每个周期均运行30天；在每个周期的第一天向反应器中外源添加包埋有群体淬灭剂的微珠，群体淬灭剂为AHL酰基转移酶，AHL酰基转移酶为Acylase I，AcylaseI可以降解C4-HSL和C6-HSL信号分子，使得Acylase I的添加浓度为0.05 g/L；
各个周期反应器运行温度均为32 ℃，进水pH为7.4，进水溶解氧均在0.5 mg/L以下；
进水采用人工模拟配制的城市生活污水，主要营养物质理论量：COD为100-400mg/L，氨氮为50mg/L，亚氮为65mg/L；微量元素Ⅰ、Ⅱ各1 mL/L；微量元素Ⅰ组成分：EDTA 5g/L、FeSO4·7H2O 5 g/L；微量元素Ⅱ组成分：EDTA 15 g/L、CuSO4 ·5H2O 0.2 g/L、ZnSO4 · 7H2O0.43 g/L、CoCl2 ·6H2O 0.24 g/L、MnCl2 ·4H2O 0.99 g/L、Na2MoO4·2H2O 0.22 g/L、NiCl2 · 6H2O 0.19 g/L、NaSeO4 0.11 g/L、H3BO4 0.014 g/L；
周期Ⅰ即第1天-第30天，进水氨氮浓度为50 mg/L，亚硝氮浓度为65mg/L，COD为100 mg/L、HRT为7.5 h；
周期Ⅱ即第31天-第60天，进水氨氮浓度为50 mg/L，亚硝氮浓度为65mg/L， COD为200mg/L、HRT为7.5 h；
周期Ⅲ即第61天-90天，进水氨氮浓度为50 mg/L，亚硝氮浓度为65mg/L，COD为300 mg/L、HRT为7.5 h；
周期Ⅳ即第91天-第120天，进水氨氮浓度为50 mg/L，亚硝氮浓度为65mg/L，COD为400mg/L、HRT为7.5 h；
所述的Acylase I的添加方式为酶固定法，酶固定方法具体如下：根据AHL酰基转移酶的投加浓度为0.05 g/L，将0.06 L Acylase I-磷酸钾缓冲溶液加入至0.18 L 4%海藻酸钠溶液中，混合30 min；将该溶液逐滴滴至氯化钙溶液中，20分钟后，形成包埋群体淬灭剂的微珠，用蒸馏水冲洗三次，并在4 ℃下暗处保存。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，采用的是柱状升流式厌氧氨氧化生物膜反应器，采用蠕动泵连续进水，每天进水量为40 L，水力停留时间为7.5 h；顶部设置三相分离器；反应器在恒温室中进行避光培养，通过室内温控系统。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，污泥颗粒（7）粒径为2mm。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，微珠（6）直径为5mm。
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