CN113651416B - 一种悬浮态全程硝化细菌连续流富集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬浮态全程硝化细菌连续流富集装置及方法。属于污水处理微生物领域。该富集装置包括进出水、内置一级沉淀区的连续流反应器、二级沉淀区等主体结构。基于该富集装置，通过向进水中添加氯化钙和碳酸氢钠促进悬浮污泥颗粒化；通过两级沉淀可控制污泥龄SRT为30‑40天，促进低生长速率全程硝化菌的持留；通过控制反应器溶解氧在0.1‑0.3mg/L，保持富集反应器内氨氮浓度低于0.01mM，使氨氧化细菌不易生长而全程硝化菌逐渐成为优势菌种，在恒定氨氮浓度进水条件下逐步降低水力停留时间HRT，进一步促进全程硝化菌的生长。按照本发明富集120天后，全程硝化菌的相对丰度可达到28.3％。因此本发明在低能耗污水深度脱氮领域有工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及微生物技术领域，具体涉及一种连续流、悬浮态全程硝化细菌富集技术和装置。
背景技术
传统硝化理论认为微生物的自养硝化过程包括由氨氧化细菌和氨氧化古菌介导的氨氧化过程以及亚硝酸盐氧化菌介导的亚硝酸盐氧化过程组成。2015年底，来自美国、荷兰、奥地利等的科学家分别通过对不同环境样品的富集培养和宏基因组分析，发现了可以独立完成全程硝化过程的全程硝化菌。目前通过分离培养仅得到一株全程硝化菌纯菌Nitrospira inopinata和一株高富集度的全程硝化菌富集物“Candidatus Nitrospirakreftii”。受限于其较低的生长速率以及与传统硝化微生物的生态位重叠度较高，全程硝化菌难以人工富集，为了更好地揭示其代谢特征、硝化活性以及对全球氮循环的贡献，需要开发全程硝化菌的高效富集/培养技术。
“Candidatus Nitrospira nitrosa”型全程硝化菌作为在水处理系统中广泛检出的全程硝化菌，最先在水产养殖滴滤池缺氧区被发现，获得其富集物对于提升污水脱氮系统效率、碳减排等具有重要意义。考虑到全程硝化菌具有高氨亲和力和低生长速率等特点，控制环境条件在全程硝化菌的适宜生态位区间，并根据代谢特性逐步淘汰传统硝化微生物(氨氧化细菌和古菌)以及异养菌等，是一种可行的全程硝化菌富集策略。传统的氨氧化细菌适宜在高氨环境中快速生长，是一种常见的快生型微生物，在底物不受限环境下以生长速度取胜的环境中具有竞争优势；全程硝化菌适宜在低氨环境中缓慢生长，在底物浓度受限的环境中可成为优势生物，因此选择连续流反应器、控制低氨氮浓度、较长的污泥停留时间和较低的溶解氧浓度，是富集的关键。
目前关于全程硝化菌富集培养的专利已有报道，对于富集培养的步骤、装置和条件也进行了的说明，但对于培养条件、最终富集程度、富集物的特征描述较为笼统。大多数专利所报道的全程硝化菌的富集培养装置和技术，其主要区别是载体，包括专利(CN201710041783.1)的膜组件，专利(CN201910223443.X)的软性填料，专利(CN201910224145.2)的石英砂和活性过滤板以及专利(CN202010646409.6)的0.22μm滤膜等，未见有关悬浮态全程硝化菌快速富集培养装置和技术的发明专利。虽然载体的加入可以促进微生物富集，但最终群落结构会更加复杂、全程硝化菌富集度不高，且存在以下问题：膜材料会因为微生物增殖造成膜污染，能耗较大、易堵塞；软性填料会因为间歇性的生物膜脱落导致富集物的损失；滤膜过滤不仅对膜材料要求高，同时操作过程繁琐耗时，难以实现规模化富集培养。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中全程硝化菌难以规模化快速富集培养的问题，并提供一种。本发明进水基质组分的改进，优化富集反应器的设计以及溶解氧、水力停留时间、污泥停留时间等运行参数，为悬浮态全程硝化菌提供适宜的生长环境，实现其快速富集，具有易操作、周期短、富集度高、可放大等特点。
本发明具体采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种悬浮态全程硝化细菌连续流富集装置，其包括进水桶、连续流反应器、二级沉淀区和出水桶，其中所述连续流反应器包括反应器罐体、氩气曝气装置、空气曝气装置、搅拌装置、一级沉淀区和内置出水管，所述反应器罐体上设有连通反应器内腔的反应器进水口和反应器回流口，所述氩气曝气装置和空气曝气装置分别用于对反应器内腔中的反应液进行氩气曝气和空气曝气，所述搅拌装置用于对反应器内腔中的反应液进行混合搅拌，所述一级沉淀区通过反应器罐体的侧壁开口与反应器内腔相连，且一级沉淀区中内置斜板沉淀组件，斜板沉淀组件的出口位置设有内置出水管，反应器内腔中的反应液能够经由斜板沉淀组件通过斜板沉淀进行泥水分离，然后经由内置出水管排出；所述进水桶通过进水泵与连续流反应器进水口相连接；所述一级沉淀区通过内置出水管和一级排水泵与二级沉淀区的进水口相连接；二级沉淀区采用竖流沉淀形式，其出水口通过二级排水泵与出水桶相连接，设置于二级沉淀区底部的沉淀池回流口通过出水管和回流泵与反应器回流口相连接。
作为第一方面的优选，所述氩气曝气装置包括设置于氩气管路上的氩气钢瓶和氩气流量阀，氩气管路末端连接位于反应器内腔中液面以下的曝气头。
作为第一方面的优选，所述空气曝气装置包括设置于空气管路上的空气泵和空气流量阀，空气管路末端连接位于反应器内腔中液面以下的曝气头。
作为第一方面的优选，所述搅拌装置包括置顶电机、联轴器和搅拌桨，置顶电机安装于圆筒形式的反应器罐体顶部，并通过联轴器与搅拌桨传动连接，通过搅拌桨驱动反应器内腔中的反应液绕反应器轴线转动。
作为第一方面的优选，所述反应器内腔中还设有溶氧检测探头和温度检测探头，分别用于检测反应液的溶解氧浓度和温度。
进一步的，还设有控制柜，所述进水泵、一级排水泵、二级排水泵、回流泵、氩气曝气装置、空气曝气装置、搅拌装置、溶氧检测探头和温度检测探头均通过控制电线与控制柜相连接，构成反馈控制。
作为第一方面的优选，所述斜板沉淀组件中，斜板倾角为60°。
第二方面，本发明提供了一种利用上述第一方面中任一方案所述富集装置的全程硝化细菌富集方法，该方法具体如下：
首先，在反应器罐体内接种A2O污水处理工艺中含有全程硝化细菌的活性污泥，接种污泥量为反应器内腔体积的20％～40％，然后开启进水泵将含有0.09-0.11g/L CaCl2和0.55-0.65g/L NaHCO3的培养基基质持续泵入反应器罐体底部，培养基基质中的氨氮底物浓度为0.9-1.1mM，pH为8.0-8.5；通过控制一级排水泵和二级排水泵，利用两级沉淀对出水中的颗粒态污泥进行截留，定期启动回流泵将二级沉淀区底部沉积的颗粒态污泥回流至反应器内腔中，使得整个反应器按照连续流模式运行；且反应器按照连续流模式运行期间，在启动阶段和富集阶段分别按照不同的反应条件运行，其中：
在启动阶段，设置搅拌装置的搅拌转速为30-40r/min，反应器水力停留时间HRT控制为22-26h，反应液中的底物浓度＜0.01mM，反应液的溶解氧浓度控制在0.1-0.3mg/L，pH控制在7.8-8.3，温度控制在26-30℃；保持该反应条件，逐步淘汰竞争微生物以提高全程硝化菌在微生物群落中的占比，同时Ca2+和负电性胞外多聚物结合逐渐形成具有颗粒直径＞120μm的悬浮态絮体污泥，最终使一级沉淀区中对悬浮污泥截留率不低于95％后进入富集阶段；
在富集阶段，提高搅拌装置的搅拌转速至50-60r/min，提高进水流量使反应器水力停留时间HRT减半，反应液的溶解氧浓度控制在0.1-0.3mg/L，pH控制在7.8-8.3，温度控制在26-30℃；保持该反应条件，利用相对于启动阶段提高的反应液中底物浓度和搅拌转速实现菌与底物的充分接触和利用，促进悬浮态全程硝化微生物的代谢生长，实现菌的快速富集。
作为第二方面的优选，每升所述培养基基质的配方为：0.054g NH4Cl，0.05gKH2PO4，0.075g KCl，0.05g MgSO4·7H2O，0.584g NaCl，0.1g CaCl2，0.6g NaHCO3，1ml TES，1ml SWS，其余为水；其中每升TES中含有：0.034g MnSO4·H2O，0.05g H3BO3，0.07g ZnCl2，0.073gNa2MoO4·2H2O，0.02g CuCl2·2H2O，0.024g NiCl2·6H2O，0.08g CoCl2·6H2O，其余为水；每升SWS中含有：0.5g NaOH，0.003g Na2SeO3·5H2O，0.004g Na2WO4·2H2O，其余为水。
作为第二方面的优选，在反应器按照连续流模式运行期间，通过两级沉淀控制反应器内污泥龄SRT为30-40天。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明对全程硝化菌的适宜生长条件进行解析，通过进水基质改进、设置两级沉淀，溶解氧、HRT、氨氮底物浓度的精准控制，实现低生长速率全程硝化菌的高效截留和增殖。本发明中反应器通过采用上述培养基基质的改进结合二级沉淀以及污泥回流的方式，能够将悬浮态微生物高效截留在反应器主体中，从而提高污泥停留时间；而且反应器通过运行条件控制，实现运行条件在全程硝化菌的适宜生态位范围内，从而提高了富集效率。
附图说明
图1是连续流式悬浮态全程硝化菌富集装置结构示意图
图2是反应器运行不同天数后全程硝化菌的富集程度变化。图中全程硝化菌丰度占比为单位DNA中全程硝化菌amoA基因占总细菌16s rRNA基因的比例.
图3是基于邻接法构建的反应器富集物中全程硝化菌amoA基因序列系统发育树。图中参考序列为19个全程硝化菌的amoA基因，并以Nitrosomonas amoA基因作为系统发育树的树根。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做详细的说明。
如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种悬浮态全程硝化细菌连续流富集装置，其主体结构包括进水桶1、连续流反应器2、二级沉淀区6和出水桶7几部分，下面对各主体结构的具体组成以及连接形式进行详细描述。
连续流反应器是进行全程硝化菌的主体富集场所，其主要结构包括反应器罐体2、氩气曝气装置、空气曝气装置、搅拌装置、一级沉淀区5和内置出水管21，其中反应器罐体2是一个中空圆柱形的罐体，其内腔能够容纳待富集的污泥和进水基质组成的反应液。反应器罐体2上设有连通反应器内腔的反应器进水口4和反应器回流口22，其中反应器进水口4设置于反应器罐体2的左下侧，反应器回流口22设置于反应器罐体2的右下侧。另外，氩气曝气装置和空气曝气装置也分别连接反应器内腔，用于对反应器内腔中的反应液进行氩气曝气和空气曝气。氩气曝气装置和空气曝气装置的具体形式不限，只要能够实现相应的曝气功能即可。同时设置氩气曝气装置和空气曝气装置的目的是能够通过调节氩气和空气的曝气比例，来改变反应器内腔中反应液的溶解氧浓度，进而改变菌群所处的生长环境。在本实施例中，氩气曝气装置包括设置于氩气管路上的氩气钢瓶11和氩气流量阀12，空气曝气装置包括设置于空气管路上的空气泵13和空气流量阀14，氩气管路和空气管路的末端汇合，然后均连接位于反应器内腔中液面以下的曝气头15。氩气钢瓶11内充有高压的氩气，而空气泵13可以吸取空气鼓入空气管路，氩气和空气的流量可以分别通过氩气流量阀12和空气流量阀14进行调节。曝气头15应当选用能够充分将鼓入的气体分散至反应液中的设备，本实施例中可选用多孔的曝气石。
另外，反应器内腔中的反应液在富集培养过程中，需要能够与新进入的培养基充分混合，因此需要设置搅拌装置对反应器内腔中的反应液进行混合搅拌。搅拌装置的形式不限，在本实施例中搅拌装置包括置顶电机18、联轴器19和搅拌桨20，置顶电机18安装于圆筒形式的反应器罐体2顶部，并通过联轴器19与搅拌桨20传动连接，通过搅拌桨20驱动反应器内腔中的反应液绕反应器轴线转动。搅拌装置的搅拌速度可以通过置顶电机18的控制器来调节。
在本发明中，具有两级沉淀区，其中一级沉淀区5是内置在反应器中的，而二级沉淀区6则是外置的。一级沉淀区5位于反应器罐体2的侧部，通过反应器罐体2的侧壁开口与反应器内腔相连。一级沉淀区5是一个斜板沉淀池，其中内置一系列平行斜板组成的斜板沉淀组件。反应器内腔中的反应液通过侧壁开口进入一级沉淀区5中的斜板沉淀组件底部入口处，然后从下到上沿斜板之间的缝隙流动，污泥颗粒沉降至斜板表面进而被截留回流至反应器内腔中，上清液则穿过斜板沉淀组件从出口排出。为了保证反应器中的液面可调，斜板沉淀组件的出口位置设有内置出水管21，反应器内腔中的反应液经由斜板沉淀组件通过斜板沉淀进行泥水分离后，上清液可经由内置出水管21排出。而通过调节内置出水管21的底部入口所处高度，可以改变反应器内腔中反应液的液面高度。斜板沉淀组件中斜板型号、数量和倾角可以根据实际情况进行优化，以最大化截留能力为准。
另外，除反应器罐体2之外的其余组成结构则布置在反应器罐体2的周侧，进水桶1通过进水泵3与连续流反应器进水口4相连接，通过启动进水泵3可以将进水桶1中的培养基基质泵入反应器内腔中与污泥混合。一级沉淀区5通过内置出水管21和一级排水泵9与二级沉淀区6的进水口相连接，通过启动一级排水泵9可以将一级沉淀区5中泥水分离后的上清液排入二级沉淀区6中。另外，二级沉淀区6是一个竖流沉淀池，其进水口和出水口均设置于顶部，而池体下部为污泥斗，污泥斗底部设置沉淀池回流口23。设置二级沉淀区6的目的是对一级沉淀区5泥水分离后的上清液进行进一步的泥水分离，因为在污泥培养初期悬浮态污泥还没有形成较大颗粒态时，仅仅依靠单级斜板沉淀的截留效率不足，依然存在大量的污泥洗脱，因此为了提高污泥截流量和富集效率，所以设置了二级沉淀区6。二级沉淀区6的出水口通过二级排水泵10、出水管24与出水桶7相连接，通过启动二级排水泵10可以将二级沉淀区6中的上清液外排，而二级沉淀区6中截留的污泥会沉降聚集在底部的污泥斗中，可以通过设置于二级沉淀区6底部的沉淀池回流口23排出。沉淀池回流口23通过回流泵25与反应器回流口22相连接，通过启动回流泵25可以将底部的污泥通过回流管回流至反应器内腔中。回流泵25可以根据沉降的污泥量定期启动，一般回流周期可设置为24h，回流的污泥体积可根据污泥龄进行调节，多余的污泥外排。因此为了便于实现定期回流，回流管上还设置有控制管路通断的回流控制阀26，当需要回流时需要预先打开回流控制阀26。
在本发明的两级沉淀区的污泥截留作用下，反应器中的悬浮态污泥在尚未形成大颗粒态的启动初期依然能够被高效截留，经测试污泥停留时间SRT能够控制在30-40天。
另外，在本发明的悬浮态全程硝化细菌富集过程中，需要定期检测反应液中的溶解氧和温度，以便于保持全程硝化菌处于适宜的生长条件。因此，反应器内腔中还可以内置有溶氧检测探头16和温度检测探头17，分别用于检测反应液的溶解氧浓度和温度。本发明中，反应器内反应液的溶解氧优选控制在0.1-0.3mg/L，搅拌装置18的搅拌转速优选控制在30-60r/min。
另外，在本实施例中，为了便于实现自动化控制，还可以进一步设置一个控制柜8，并将进水泵3、一级排水泵9、二级排水泵10、回流泵25、氩气曝气装置、空气曝气装置、搅拌装置、溶氧检测探头16和温度检测探头17均通过控制电线与控制柜8相连接，由此构成反馈控制，整套装置可按照设定的程序自动进行悬浮态全程硝化细菌连续流富集。当然，需要说明的是，控制柜8并非是必要的，也可以通过人工控制来替代。
该富集装置运行过程中，进水桶1中存储的培养基基质由进水泵3以恒定流速泵入反应器罐体2的内腔中与预先接种的污泥混合形成泥水混合物即反应液，然后在反应器右侧一级沉淀区5处沉淀，由一级排水泵9将出水以恒定流速泵入二级沉淀区6，最终出水通过二级排水泵10排入出水桶7。污泥在二级沉淀区6沉淀后通过污泥回流泵25流回反应器罐体2的内腔中继续进行富集培养。反应器罐体2顶部设有伸入反应器培养基中的溶解氧检测探头16，通过空气流量阀14和氩气流量阀12调节混合气体中的氧气比例，并通过控制柜8调节混合气体的比例和流量，实现溶解氧浓度的精确控制。
基于上述连续流富集装置，本实施例还提供了一种全程硝化细菌富集方法，其具体步骤如下：
首先，在反应器罐体2内接种A2O污水处理工艺中含有全程硝化细菌的活性污泥，接种污泥量为反应器内腔体积的20％～40％，然后开启进水泵3将含有0.09-0.11g/LCaCl2和0.55-0.65g/L NaHCO3的培养基基质持续泵入反应器罐体2底部，培养基基质中的氨氮底物浓度为0.9-1.1mM，pH为8.0-8.5；通过控制一级排水泵9和二级排水泵10，利用两级沉淀对出水中的颗粒态污泥进行截留，定期启动回流泵25将二级沉淀区6底部沉积的颗粒态污泥回流至反应器内腔中，使得整个反应器按照连续流模式运行，通过两级沉淀控制反应器内污泥龄SRT为30-40天；且反应器按照连续流模式运行期间，在启动阶段和富集阶段分别按照不同的反应条件运行，其中：
在启动阶段，设置搅拌装置的搅拌转速为30-40r/min，反应器水力停留时间HRT控制为22-26h，反应液中的底物浓度＜0.01mM，反应液的溶解氧浓度控制在0.1-0.3mg/L，pH控制在7.8-8.3，温度控制在26-30℃；保持该反应条件，逐步淘汰竞争微生物以提高全程硝化菌在微生物群落中的占比，同时Ca2+和负电性胞外多聚物结合逐渐形成具有颗粒直径＞120μm的悬浮态絮体污泥，最终使一级沉淀区5中对悬浮污泥截留率不低于95％后进入富集阶段；
在富集阶段，提高搅拌装置的搅拌转速至50-60r/min，提高进水流量使反应器水力停留时间HRT减半，反应液的溶解氧浓度控制在0.1-0.3mg/L，pH控制在7.8-8.3，温度控制在26-30℃；保持该反应条件，利用相对于启动阶段提高的反应液中底物浓度和搅拌转速实现菌与底物的充分接触和利用，促进悬浮态全程硝化微生物的代谢生长，实现菌的快速富集。
在本实施例中，作为反应器进水的每升培养基基质的配方(记为配方A)为：0.054gNH4Cl，0.05g KH2PO4，0.075g KCl，0.05g MgSO4·7H2O，0.584g NaCl，0.1g CaCl2，0.6gNaHCO3，1ml TES，1ml SWS，其余为水；其中每升TES中含有：0.034g MnSO4·H2O，0.05gH3BO3，0.07g ZnCl2，0.073g Na2MoO4·2H2O，0.02g CuCl2·2H2O，0.024g NiCl2·6H2O，0.08g CoCl2·6H2O，其余为水；其中每升SWS中含有：0.5g NaOH，0.003g Na2SeO3·5H2O，0.004g Na2WO4·2H2O，其余为水。
该培养基基质中的特殊改进有两方面，第一方面是进水基质组分NaHCO3添加量为0.6g/L，由此NaHCO3能够有效提供无机碳源并保持反应器微环境pH稳定；第二方面是进水基质组分中CaCl2投加量为0.1g/L，由此二价阳离子(Ca2+)与EPS上的负电官能团结合，有效促进污泥絮凝。
本发明中，反应器通过采用上述培养基基质的改进结合二级沉淀以及污泥回流的方式，能够将悬浮态微生物高效截留在反应器主体中，从而提高污泥停留时间。而且反应器通过运行条件控制，实现运行条件在全程硝化菌的适宜生态位范围内，从而促进富集。
该富集方法的原理是：在初始的启动阶段，HRT较高，搅拌转速较低，而反应液中的实际底物浓度＜0.01mM，菌群无法充分接触底物，由此形成了一种底物限制环境，能够有效的淘汰低底物亲和力、低氧亲和力的传统硝化微生物，促进高氨亲和力的全程硝化菌富集。而且启动阶段由于污泥尚未形成具有大颗粒态的悬浮态絮体污泥，因此其沉降性能较差，容易被洗脱，所以本发明中反应器采用改进培养基，将原配方中的4g/L CaCO3更改为0.1g/LCaCl2+0.6g/L NaHCO3，一方面碳酸氢根可以水解为氢氧根和碳酸根，能够在一定范围内有效的调节培养微环境的酸碱度，进水pH保持在8.0-8.5；另一方面由于Ca2+会跟负电性胞外多聚物结合，形成直径大于100μm的微生物群体，则有利于提高悬浮污泥的沉降性能，低速搅拌条件下，结合一级沉淀区中内置斜板沉对于悬浮污泥的持留率可以达到95％以上，有效实现反应器中全程硝化微生物长停留时间的自控制(SRT大于30天)，使得微生物得到原位高效富集。当完成启动阶段后，全程硝化菌占据生长优势且形成了大颗粒态的悬浮态絮体污泥，可以继续维持低底物浓度并缩短HRT，提高搅拌速度，提高底物供给速率，加速全程硝化菌的生长，从而实现悬浮态全程硝化菌的富集。
下面将上述实施例中的富集装置和富集方法应用于一个具体的实例中，以展示其所能实现的技术效果。具体的富集装置结构和富集方法操作步骤如前所述，不在一一赘述，下面主要展示其具体的技术参数和富集效果。
在该实例中，富集装置的结构参数如下：圆柱形的反应器罐体2直径为130mm，高度为120mm，反应器底部呈圆弧形能够减少反应器死区，圆弧形底的高度为30mm，反应器内腔有效容积为1.5L。一级沉淀区5中斜板与水平面的倾斜角度为60°，斜板的垂直长度7cm，斜板连通反应器处的反应器罐体2侧壁开口呈矩形，长宽分别为3cm和1cm。二级沉淀区6的有效体积为150ml，回泥间隔为24h。
基于上述富集装置的富集过程如下：
首先在反应器罐体2内接种反应器内腔体积30％的A2O工艺反应器中沉淀池污泥，用于进行富集。以前述实施例中给定的配方A配制培养基基质，存储于进水桶1中，作为进水基质。该培养基基质中氨氮底物浓度折算为1mM，pH维持在8.0-8.5之间，温度为26-30℃。
开启进水泵3将进水桶1中的培养基基质持续泵入反应器罐体2底部；通过控制一级排水泵9和二级排水泵10，利用两级沉淀对出水中的颗粒态污泥进行截留，每隔24h启动回流泵25将二级沉淀区6底部沉积的20ml颗粒态污泥回流至反应器内腔中而其余污泥外排，使得整个反应器按照连续流模式运行，通过两级沉淀控制后反应器内污泥龄SRT维持在30-40天。采用连续进水连续出水方式可以控制底物浓度稳定，且反应器按照连续流模式运行期间，在启动阶段和富集阶段分别按照不同的反应条件运行，其中：
在启动阶段(0-60天)，设置搅拌装置的搅拌转速为30-40r/min，进水流量为1.5L/d，反应器水力停留时间HRT控制为24h，反应液中的底物浓度＜0.01mM，从而反应液的溶解氧浓度控制在0.1-0.3mg/L，pH控制在7.8-8.3，温度控制在26-30℃；保持该反应条件60天，逐步淘汰竞争微生物以提高全程硝化菌在微生物群落中的占比，同时Ca2+和负电性胞外多聚物结合逐渐形成具有颗粒直径125.8-331.2μm的悬浮态絮体污泥，静置后上清液内絮体直径为13.09-85.2μm，SVI值在60-80ml/g MLSS之间，沉降性能良好，避免了全程硝化菌的洗脱。启动阶段运行60天后，最终使一级沉淀区5中对悬浮污泥截留率从50％提高到95％，实现了反应器内污泥长停留时间的自控制(SRT＞30天)，可以进入富集阶段。
在富集阶段(61-120天)，提高搅拌装置的搅拌转速至50-60r/min，提高进水流量到3L/d，使反应器水力停留时间HRT减半至12h，从而反应液的溶解氧浓度控制在0.1-0.3mg/L，pH控制在7.8-8.3，温度控制在26-30℃；保持该反应条件60天，由于进水流量的提高，富集阶段相对于启动阶段而言，反应液中底物浓度和搅拌转速均得到了提高，进一步调整到了全程硝化菌的最适生长条件以及加快底物和氧气的传质，由此实现菌与底物的充分接触和利用，促进悬浮态全程硝化微生物的代谢生长，实现菌的快速富集。
上述120天的富集培养过程中，定期监测氨氮、亚硝氮、硝氮浓度，并取出部分悬浮污泥提取DNA，进行荧光定量PCR分析，确定全程硝化菌的富集情况。通过克隆建库结合一代测序，确认反应器内全程硝化菌的类型。荧光定量PCR的对象包括总细菌16S rRNA基因，全程硝化菌、氨氧化菌amoA基因。总共运行120天后效果如图2所示，反应器中全程硝化菌的相对丰度为28.3±2.5％，每毫升污泥中amoA拷贝数为(4.6±0.4)×109，占比增加了241倍。如图3所示，富集120天后基于全程硝化菌功能基因的克隆文库构建及测序结果表明，富集的全程硝化菌amoA基因与富集物“Candidatus Nitrospira nitrosa”系统发育距离最近。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。需要注意的是，上述实施例中富集的全程硝化菌amoA仅仅是全程硝化菌的一种，对于不同来源的污泥通过本发明的上述富集方法可能富集到不同的全程硝化菌菌种，只要初始接种的污泥中存在全程硝化菌即可利用本方法进行富集。因此，本发明并不限定要富集何种全程硝化菌。凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于悬浮态全程硝化细菌连续流富集装置的全程硝化细菌富集方法，其特征在于，所述悬浮态全程硝化细菌连续流富集装置包括进水桶（1）、连续流反应器、二级沉淀区（6）和出水桶（7），其中所述连续流反应器包括反应器罐体（2）、氩气曝气装置、空气曝气装置、搅拌装置、一级沉淀区（5）和内置出水管（21），所述反应器罐体（2）上设有连通反应器内腔的反应器进水口（4）和反应器回流口（22），所述氩气曝气装置和空气曝气装置分别用于对反应器内腔中的反应液进行氩气曝气和空气曝气，所述搅拌装置用于对反应器内腔中的反应液进行混合搅拌，所述一级沉淀区（5）通过反应器罐体（2）的侧壁开口与反应器内腔相连，且一级沉淀区（5）中内置斜板沉淀组件，斜板沉淀组件的出口位置设有内置出水管（21），反应器内腔中的反应液能够经由斜板沉淀组件通过斜板沉淀进行泥水分离，然后经由内置出水管（21）排出；
所述进水桶（1）通过进水泵（3）与连续流反应器进水口（4）相连接；所述一级沉淀区（5）通过内置出水管（21）和一级排水泵（9）与二级沉淀区（6）的进水口相连接；二级沉淀区（6）采用竖流沉淀形式，其出水口通过二级排水泵（10）与出水桶（7）相连接，设置于二级沉淀区（6）底部的沉淀池回流口（23）通过回流泵（25）与反应器回流口（22）相连接；
所述搅拌装置包括置顶电机（18）、联轴器（19）和搅拌桨（20），置顶电机（18）安装于圆筒形式的反应器罐体（2）顶部，并通过联轴器（19）与搅拌桨（20）传动连接，通过搅拌桨（20）驱动反应器内腔中的反应液绕反应器轴线转动；
所述全程硝化细菌富集方法具体如下：
首先，在反应器罐体（2）内接种A2O污水处理工艺中含有全程硝化细菌的活性污泥，接种污泥量为反应器内腔体积的20%~40%，然后开启进水泵（3）将培养基基质持续泵入反应器罐体（2）底部；通过控制一级排水泵（9）和二级排水泵（10），利用两级沉淀对出水中的颗粒态污泥进行截留，定期启动回流泵（25）将二级沉淀区（6）底部沉积的颗粒态污泥回流至反应器内腔中，使得整个反应器按照连续流模式运行；且反应器按照连续流模式运行期间，在启动阶段和富集阶段分别按照不同的反应条件运行，其中：
在启动阶段，设置搅拌装置的搅拌转速为30-40 r/min，反应器水力停留时间HRT控制为22-26 h，反应液中的底物浓度＜0.01 mM，反应液的溶解氧浓度控制在0.1-0.3mg/L，pH控制在7.8-8.3，温度控制在26-30℃；保持该反应条件，逐步淘汰竞争微生物以提高全程硝化菌在微生物群落中的占比，同时Ca2+和负电性胞外多聚物结合逐渐形成具有颗粒直径＞120 μm的悬浮态絮体污泥，最终使一级沉淀区（5）中对悬浮污泥截留率不低于95%后进入富集阶段；
在富集阶段，提高搅拌装置的搅拌转速至50-60 r/min，提高进水流量使反应器水力停留时间HRT减半，反应液的溶解氧浓度控制在0.1-0.3 mg/L，pH控制在7.8-8.3，温度控制在26-30℃；保持该反应条件，利用相对于启动阶段更高的反应液中底物浓度和搅拌转速实现菌与底物的充分接触和利用，促进悬浮态全程硝化微生物的代谢生长，实现菌的快速富集；
每升所述培养基基质的配方为：0.054g NH4Cl，0.05g KH2PO4，0.075g KCl，0.05gMgSO4·7H2O，0.584g NaCl，0.1g CaCl2，0.6g NaHCO3，1ml TES，1ml SWS，其余为水；其中每升TES中含有：0.034g MnSO4·H2O，0.05g H3BO3，0.07g ZnCl2，0.073g Na2MoO4·2H2O，0.02gCuCl2·2H2O，0.024g NiCl2·6H2O，0.08g CoCl2·6H2O，其余为水；每升SWS中含有：0.5 gNaOH，0.003g Na2SeO3·5H2O，0.004g Na2WO4·2H2O，其余为水；
在反应器按照连续流模式运行期间，通过两级沉淀控制反应器内污泥龄SRT为30-40天。
2.如权利要求1所述的全程硝化细菌富集方法，其特征在于，所述氩气曝气装置包括设置于氩气管路上的氩气钢瓶（11）和氩气流量阀（12），氩气管路末端连接位于反应器内腔中液面以下的曝气头（15）。
3.如权利要求1所述的全程硝化细菌富集方法，其特征在于，所述空气曝气装置包括设置于空气管路上的空气泵（13）和空气流量阀（14），空气管路末端连接位于反应器内腔中液面以下的曝气头（15）。
4.如权利要求1所述的全程硝化细菌富集方法，其特征在于，所述反应器内腔中还设有溶氧检测探头（16）和温度检测探头（17），分别用于检测反应液的溶解氧浓度和温度。
5.如权利要求4所述的全程硝化细菌富集方法，其特征在于，还设有控制柜（8），所述进水泵（3）、一级排水泵（9）、二级排水泵（10）、回流泵（25）、氩气曝气装置、空气曝气装置、搅拌装置、溶氧检测探头（16）和温度检测探头（17）均通过控制电线与控制柜（8）相连接，构成反馈控制。
6.如权利要求1所述的全程硝化细菌富集方法，其特征在于，所述斜板沉淀组件中，斜板倾角为60°。
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