CN113651419B - 扩散型信号分子DSF在提升功能菌为CandidatusKuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了扩散型信号分子DSF在提升功能菌为CandidatusKuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，包括：在升流式厌氧污泥床反应器中接种功能菌为CandidatusKuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥，以氨态氮和亚硝态氮为进水基质，同时添加无机盐、微量元素以及扩散型信号分子DSF。本发明可以使厌氧氨氧化工艺脱氮率提升至90%以上，比厌氧氨氧化活性（SAA）提高至原来的4倍以上，为厌氧氨氧化污泥活性的快速提升提供一种有效技术。

Description

扩散型信号分子DSF在提升功能菌为CandidatusKuenenia的 厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用
技术领域
本发明涉及厌氧氨氧化絮状污泥活性提升技术领域，具体涉及扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用。
背景技术
厌氧氨氧化是指在厌氧或者缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以亚硝态氮为电子受体，将氨态氮氧化为氮气的生物过程。与传统的生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺具氮去除率高、运行费用低、占地空间小等优点，被认为最经济的生物脱氮工艺之一。目前，厌氧氨氧化生物脱氮技术已经成功应用于处理多种实际废水，包括高氨态氮、低碳氮比的污泥液、厕所水、垃圾渗滤液等。
然而，厌氧氨氧化细菌对环境变化敏感，易受抗生素、重金属、纳米金属等有毒有害环境因子的干扰，从而影响厌氧氨氧化污泥活性。因此，快速提升厌氧氨氧化污泥活性并维持系统的稳定运行是其进一步推广应用的前提。
群体感应（QS）是指微生物群体在其生长过程中，由于群体密度的增加，导致其生理和生化特性的变化，显示出少量菌体或单个菌体所不具备的特征。微生物具有向环境中分泌能在细胞间自由扩散的小分子的自诱导物的能力，这种自诱导物被称为信号分子。当信号分子的浓度随着细菌密度的增大而升高至一定阈值时，微生物通过激发菌体内相关基因的表达协调菌群生理行为，调控菌群生态关系，并最终决定微生物群落结构，从而表现出单个细菌无法实现的生理功能和调节机制。
目前已发现的QS信号分子主要分为三类：由革兰氏阴性细菌分泌的N-酰基高丝氨酸内酯（AHLs）是种内信号分子、由革兰氏阳性细菌分泌的寡肽类和广泛分泌的autoinducer-2（AI-2）是种间信号分子。此外，在黄单胞菌属中发现的一类扩散型信号分子（DSF）既可以在种内传播，也可以在种间传播。
发明内容
本发明的目的之一是提供扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用。通过在厌氧氨氧化系统中添加DSF，显著提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥的活性。本发明可以有效提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥的活性，从而使厌氧氨氧化工艺应用前景更广泛。
本发明提供扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，包括：在升流式厌氧污泥床（UASB）反应器中接种功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥，以氨态氮和亚硝态氮为进水基质，同时添加无机盐、微量元素以及扩散型信号分子DSF。
优选地，所述的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，接种的厌氧氨氧化絮状污泥体积是反应器容积的1/2。
优选地，所述的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，反应器置于35±1 ℃的恒温培养箱中避光运行。
优选地，所述的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，所述的氨态氮和亚硝态氮的质量浓度比为1:0.9~1。
优选地，所述的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，所述的氨态氮和亚硝态氮的质量浓度均为280 mg·L-1。
优选地，所述的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，所述的厌氧氨氧化絮状污泥中挥发性悬浮物（VSS）的浓度为20~25 mg·L-1。
优选地，所述的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，反应器水力停留时间为3~4 h。
作为优选，所述的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，所述的无机盐包括：KH2PO4、CaCl2·2H2O、MgSO4·2H2O和KHCO3。
优选地，所述的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，所述微量元素通过微量元素溶液I和微量元素溶液II的形式添加。
进一步优选，所述的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，所述微量元素溶液I中含有EDTA和FeSO4·7H2O；
所述微量元素溶液II中含有EDTA、H3BO4、MnCl2·4H2O、CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O、NiCl2·6H2O、NaMoO4·2H2O和CoCl2·6H2O。
优选地，所述的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，扩散型信号分子DSF在进水中的添加量为20~40 μg·L-1。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：本发明可以使厌氧氨氧化工艺脱氮率提升至90%以上，比厌氧氨氧化活性（SAA）提高至原来的4倍以上，为厌氧氨氧化污泥活性的快速提升提供一种有效技术。
附图说明
图1为实施例反应器运行过程中厌氧氨氧化系统脱氮性能的变化图；
图2为实施例反应器运行过程中厌氧氨氧化絮状污泥胞外聚合物含量的变化图；
图3为实施例反应器运行过程中厌氧氨氧化絮状污泥活性的变化图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
本实施例的扩散型信号分子DSF在提升功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，包括步骤：
（1）采用有效容积为1 L的UASB反应器，接种功能菌为Candidatus Kuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥，初始污泥量为0.5 L，将反应器置于35±1 ℃的恒温培养箱中避光运行，设置水力停留时间为3~4 h。厌氧氨氧化絮状污泥的VSS为23.4 mg·L-1。
（2）反应器进水主要成分为硫酸铵和亚硝酸钠，加以适量的无机盐溶液使反应器进水pH在7.5左右，同时提供厌氧氨氧化菌所需的微量元素（通过微量元素溶液I和微量元素溶液II的形式添加，微量元素溶液I和微量元素溶液II的添加量均为1.25 mL·L-1）。
上述硫酸铵和亚硝酸钠分别用于提供模拟废水所需氨态氮和亚硝态氮，维持氨态氮和亚硝态氮的浓度均为280 mg·L-1；
上述无机盐的组分和加入量为：10 mg·L-1 KH2PO4、7.4 mg·L-1 CaCl2·2H2O、58.6 mg·L-1 MgSO4·2H2O、1250 mg·L-1 KHCO3；
上述微量元素溶液I的组成为：5 g·L-1 EDTA和9.14 g·L-1 FeSO4·7H2O；
上述微量元素溶液II的组成为：15 g·L-1 EDTA、0.014 g·L-1 H3BO4、0.99 g·L-1MnCl2·4H2O、0.25 g·L-1 CuSO4·5H2O、0.43 g·L-1 ZnSO4·7H2O、0.21 g·L-1 NiCl2·6H2O、0.22 g·L-1 NaMoO4·2H2O、0.24 g·L-1 CoCl2·6H2O。
（3）进行为期15天的不提供DSF的培养，使反应器的氮去除效率达到86±3%，此时反应器已运行稳定，期间每天采集水样进行氮素的测定。
（4）接下来在反应器进水中添加为期96天的DSF，添加浓度为30 µg·L-1，在添加过程中，期间每天采集水样进行氮素的测定。
（5）DSF添加96天后，停止将DSF添加在反应器中，继续进行39天的厌氧氨氧化污泥培养，期间每天采集水样进行氮素的测定。
（6）分别在反应器运行的第15、54、76、111和150天采集污泥样品，采用批次实验对反应器的胞外聚合物含量进行测定。
（7）分别在反应器运行的第15、54、76、111和150天采集污泥样品，采用批次实验对反应器的比厌氧氨氧化活性进行测定。
所述比厌氧氨氧化活性的测定步骤包括：
（I）取适量的厌氧氨氧化污泥用稀释后的无机盐与纯水各洗三遍，讲污泥转移至120 mL血清瓶，添加氨态氮和亚硝态氮作为基质，保持基质浓度为50 mg·L-1，调节血清瓶内pH至7.5左右。用惰性气体对血清瓶曝气以去除氧气保持血清瓶内的厌氧环境。
（II）将血清瓶于35 ℃摇床内震荡培养，摇床转速为180 rpm。
（III）每30 min从摇瓶中取一次水样，测定时间梯度下基质的消耗速率。
（IV）取样结束后，对血清瓶内污泥进行浓度测定，计算基质的消耗速率与污泥浓度比值即为所述的比厌氧氨氧化活性。
（8）如附图1、附图2和附图3所示，最终实验结果显示：
DSF使厌氧氨氧化工艺脱氮率从86±3%增至93±2%，比厌氧氨氧化活性（SAA）从112.2±5.7 mgN·g-1VSS·d-1增至456.1±5.2 mgN·g-1VSS·d-1。
在DSF的添加下，厌氧氨氧化污泥的脱氮性能、胞外聚合物含量均随着DSF的添加有所提高，胞外聚合物含量的增加说明DSF的添加导致厌氧氨氧化污泥的聚集与颗粒化，比厌氧氨氧化活性的随着DSF的添加不断提高，说明DSF对厌氧氨氧化污泥活性的提升有着显著影响。
总体而言，本发明通过在厌氧氨氧化系统中添加DSF，调控微生物群体感应系统，可以有效提升厌氧氨氧化污泥活性和脱氮性能。本发明为提升实际厌氧氨氧化污泥活性提供了新的视角与理论基础，同时为厌氧氨氧化工艺的性能稳定及推广应用提供了新的思路。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.扩散型信号分子DSF在提升功能菌为CandidatusKuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥活性中的应用，其特征在于，包括：在有效容积为1 L的升流式厌氧污泥床反应器中接种功能菌为CandidatusKuenenia的厌氧氨氧化絮状污泥，初始污泥量为0.5 L，将反应器置于35±1 ℃的恒温培养箱中避光运行，设置水力停留时间为3~4 h，厌氧氨氧化絮状污泥的VSS为23.4 mg·L-1，以氨态氮和亚硝态氮为进水基质，同时添加无机盐、微量元素以及扩散型信号分子DSF；进水主要成分为硫酸铵和亚硝酸钠，加以适量的无机盐溶液使反应器进水pH在7.5，同时提供厌氧氨氧化菌所需的微量元素，通过微量元素溶液I和微量元素溶液II的形式添加，微量元素溶液I和微量元素溶液II的添加量均为1.25 mL·L-1；上述硫酸铵和亚硝酸钠分别用于提供模拟废水所需氨态氮和亚硝态氮，维持氨态氮和亚硝态氮的浓度均为280 mg·L-1；上述无机盐的组分和加入量为：10 mg·L-1 KH2PO4、7.4 mg·L-1 CaCl2·2H2O、58.6 mg·L-1 MgSO4·2H2O、1250 mg·L-1 KHCO3；上述微量元素溶液I的组成为：5 g·L-1 EDTA和9.14 g·L-1 FeSO4·7H2O；上述微量元素溶液II的组成为：15 g·L-1 EDTA、0.014 g·L-1 H3BO4、0.99 g·L-1 MnCl2·4H2O、0.25 g·L-1 CuSO4·5H2O、0.43 g·L-1ZnSO4·7H2O、0.21 g·L-1 NiCl2·6H2O、0.22 g·L-1 NaMoO4·2H2O、0.24 g·L-1 CoCl2·6H2O；扩散型信号分子DSF在进水中的添加量为30 μg·L-1。
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