CN113830887A - 外源n-丁酰-l-高丝氨酸内酯促进短程硝化快速启动及改善污泥沉降性能的方法 - Google Patents

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Abstract

外源N‑丁酰‑L‑高丝氨酸内酯促进短程硝化快速启动及改善污泥沉降性能的方法，属于水处理技术领域。采用SBR反应器，MLSS＝2800～3200mg/L，温度维持在30～32℃；采用交替好氧/缺氧的运行方式，好氧时间：缺氧时间＝30min:30min；曝气期DO＝0.5～2.5mg/L；排水比50％，水力停留时间为8h；模拟废水进水氨氮60～70mg/L，C/N＝1.5～3；模拟废水中外源添加C4‑HSL，当C4‑HSL浓度为200nM，可以很大程度上的抑制NOB的活性，从而在污泥驯化中使得AOB保持竞争优势，从而缩短短程硝化的启动时间；外源C4‑HSL促进了EPS中PN的分泌，从而改善了污泥沉降性能，为改善处理低碳氮比生活污水易引起污泥膨胀问题提供了技术参考。

Description

外源N-丁酰-L-高丝氨酸内酯促进短程硝化快速启动及改善 污泥沉降性能的方法
技术领域
本发明涉及的短程硝化快速启动以及改善污泥沉降性能的方法，属于污水生物处理领域，适用于低碳氮比城市生活污水的脱氮。
背景技术
近年来，我国经济高速的发展，工业废水和城镇废水的排放量日益增加带来了严重的水体污染的问题，造成水体富营养化，危害水生态平衡。强化水体中氮去除有利于减小水体中水体富营养化和水生态失衡风险。污水处理厂的主要能耗在生物脱氮过程中的曝气和投加碳源环节。因此，如何保证在生物脱氮高效运行中减少能耗，是污水处理的关键。近年来，短程硝化工艺由于其低能耗、碳源需求量低等优点成为近年来研究热点；生活污水的主要特点是低碳氮比，低基质浓度下易产生污泥膨胀，如何实现短程硝化工艺处理低碳氮比污水时抑制污泥膨胀是非常重要的。
短程硝化工艺规模化应用的阻碍主要来自于其启动时间长以及稳定性差，实现短程硝化的重点就是持续高效的实现对NOB菌属的抑制，使得AOB在竞争中处于有利地位，从而产生亚硝酸盐积累现象。目前实现短程硝化的方法主要有低DO、间歇曝气、游离氨与游离亚硝酸抑制等措施。虽然都可以实现短程硝化，但是也带来低溶解氧下氨氧化率下降，易污泥膨胀等问题。
群体感应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。AOB与NOB都属于革兰氏阴性细菌，其中，AHLs是革兰氏阴性细菌群体感应过程的信号分子。微生物将信号分子释放到环境中，可以在细胞之间自由循环，一旦它们的浓度达到一定的阈值，细胞就会激活特定基因的表达，并触发一系列现象，如增加细菌活性促进胞外EPS分泌等。因此，研发一种利用群体感应来调控短程硝化反应器性能的方法是十分必要的。
本发明通过将信号分子C4-HSL投加进SBR反应器中，投加浓度是前期批次实验筛选的更有利于抑制NOB的浓度，在与间歇曝气运行方式对NOB的联合抑制下，可以实现短程硝化的快速启动；外源信号分子C4-HSL可以促进胞外聚合物(EPS)中蛋白质(PN)的分泌，从而改善污泥沉降性能，为改善处理低碳氮比生活污水引起的污泥膨胀问题提供了一个新的思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短程硝化快速启动以及改善污泥沉降性能的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
采用SBR反应器，接种启动前经过驯化的活性污泥，MLSS＝2800～3200mg/L；采用蠕动泵控制进出水，进水5min，反应4h，沉降时间30min，排水5min；搅拌器在反应周期内全程搅拌，反应时采用间歇曝气的运行方式，好氧时间：缺氧时间＝30min:30min；控制溶解氧，曝气期DO＝0.5～2.5mg/L，使得出水氨氮维持在0.5～5mg/L，以免过曝气；反应器容积5L，排水比50％，水力停留时间HRT＝8h。模拟污水以乙酸钠和甲醇作为碳源，氯化铵和磷酸二氢钾分别提供氮与磷，进水中的NH4 +：60～70mg/L，TP:2mg/L；此外常量元素Fe3+、Mg2+、Ca2+分别由氯化铁、硫酸镁、氯化钙提供。在模拟污水中的浓度分别为：Fe3+：0.6mg/L、Mg2+：1.5mg/、Ca2+：4.0mg/L。采用恒温装置使得反应器温度维持在30～32℃；采用人工配水模拟实际污水，每次进水通配水量供四个周期；C/N＝1.5～3，采用甲醇和乙酸钠两种碳源；添加碳酸氢钠使维持系统pH＝8.0～8.5。
接种活性污泥的驯化方法为：污水厂取来的二沉池回流污泥，为更快的富集AOB，在SBR反应器中进行驯化，进水氨氮浓度为100～150mg/L，保持反应器内DO＝4～6mg/L，不添加有机碳源；添加碳酸氢钠0.5g/L，维持pH＝8.0～8.7；排水比50％，HRT＝10h，恒温装置设置在30±1℃。可以接种的标志为：氨氮去除率大于70％，在曝气初期，停止曝气后，溶解氧迅速下降，2min之内可以变成缺氧状态。
C4-HSL的保存方法为：考虑到信号分子易降解，C4-HSL溶解在甲醇中，并加入0.1％(v/v)的甲酸防止其分解，用棕色瓶存放于-20℃。使用时，直接添加到进水桶中。
C/N＝1.5～3，采用甲醇和乙酸钠两种碳源为：C4-HSL溶解在甲醇溶液里每次随进水进入反应器，添加乙酸钠作为额外碳源。
所述的C4-HSL的浓度通过批次实验确定最优值，选择全程硝化活性污泥，用去离子水洗泥三次去除残余基质，在血清瓶中加入梯度浓度(0、50、200、500、1000nM)的C4-HSL并且每个血清瓶中的污泥浓度相同，充分曝气一个小时后，加入氯化铵以及亚硝酸钠储备液，使得血清瓶中的氨氮和亚氮浓度均为40mg/L,每隔半小时取样一次，共三小时，实验结束后测水样中的氨氮硝氮浓度以及MLVSS。AOB和NOB的活性分别表示为比氨氮氧化速率和比硝酸盐生成速率，即以mg N/(g VSS·h)表示。通过线性回归确定氨氮氧化和硝酸盐生成的速率。选择促进AOB、抑制NOB或者对NOB抑制程度更强的C4-HSL的浓度作为SBR反应器的投加浓度。
同时运行两个SBR反应器，在两个反应器的进水中一个添加C4-HSL信号分子，浓度为批次实验中筛选出来促进AOB抑制NOB或者对NOB抑制程度更强的浓度，一个不添加，其他运行条件相同。每周期测定进出水三氮；每16个周期(4d)测定一次MLSS、MLVSS、SV30、SVI。评估整个反应过程中C4-HSL对短程硝化启动以及污泥沉降性能的影响；应用氨氮去除率以及亚氮积累率评估短程硝化启动效果；应用污泥容积指数SVI来评估污泥沉降性能；应用蒽酮试剂法和改进的Lowry法测定胞外聚合物(EPS)中多糖(PS)和蛋白质(PN)的浓度；应用qPCR技术来分析两个反应器中功能微生物(AOB、Nitrobacter、Nitrospira)丰度变化。
短程硝化启动成功的标志为：氨氮去除率以及亚氮积累率在10周期以上均大于90％并且保持稳定。
短程硝化快速启动后，AOB菌属已经成为了优势菌属，稳定短程硝化现象得以保持，停止投加信号分子C4-HSL，开始处理实际生活污水。城市污水进水NH4 +-N：40～70mg/L，COD：100～250mg/L。运行方式和快速启动时的运行方式相同，采用蠕动泵控制进出水，进水5min，反应4h，沉降时间30min，排水5min；搅拌器在反应周期内全程搅拌，反应时采用间歇曝气的运行方式，好氧时间：缺氧时间＝30min:30min；控制溶解氧，曝气期DO＝0.5～2.5mg/L，使得出水氨氮维持在0.5～5mg/L，以免过曝气；排水比50％，水力停留时间HRT＝8h，在30天的运行中，短程硝化依然稳定，亚氮积累率长期维持在90％以上，这为后期耦合反硝化或者厌氧氨氧化工艺做了基础。
(1)C4-HSL的添加抑制了NOB的活性来加快短程硝化快速启动
选择的在反应器中的C4-HSL投加浓度，对AOB和NOB两个菌群都存在抑制作用，但是相比而言，对NOB的抑制程度更大，这种作用和交替曝气的运行方式联合抑制下，会使得NOB在竞争中处于不利地位，随着运行周期的增多，AOB逐渐成为了优势菌属，短程硝化得以实现。接种全程硝化污泥，空白组交替曝气模式至少需要65周期才得以实现稳定短程硝化，添加200nM的C4-HSL后，46周期后稳定短程硝化现象得以实现。相比传统间歇曝气少了近20周期。
(2)胞外聚合物中蛋白质(PN)的分泌增多提高了污泥沉降性能
胞外聚合物(EPS)中的多糖(PS)是亲水性的，而蛋白质(PN)是疏水性的，蛋白质增多，即PN/PS值增高，有利于提高泥水分离能力，从而改善污泥的沉降性能，外源信号分子C4-HSL，提高了胞外聚合物中蛋白质的含量。没有投加C4-HSL的反应器在第64个周期已经开始产生了污泥微膨胀，SVI＝127.8mg/L，而投加了C4-HSL的反应器没有发生污泥微膨胀现象，第64个周期SVI＝90.3mg/L。
本发明提供一种外源N-丁酰-L-高丝氨酸内酯促进短程硝化快速启动以及改善污泥沉降性能的方法，与传统短程硝化工艺相比，具有以下优点：
1)在间歇曝气和外源信号分子C4-HSL对NOB的联合抑制下，短程硝化启动时间短，节约了能耗。
2)污泥沉降性能好，处理低碳氮比的生活污水不易发生污泥膨胀。
附图说明
图1是不同浓度的C4-HSL处理下氨氮浓度随时间变化曲线。
图2是不同浓度的C4-HSL处理下硝氮浓度随时间变化曲线。
图3是不同浓度的C4-HSL处理下AOB、NOB活性变化。
图4是反应器运行过程中污泥容积指数SVI变化。
具体实施方式
结合附图及实施实例详细说明本发明方案，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
批次实验确定C4-HSL的投加浓度
取全程硝化活性污泥，活性污泥用去离子水在离心机中洗泥三次，转速为4000转，时间为两分钟。在血清瓶中用去离子水定容至500mL。MLSS＝3000mg/L。C4-HSL的梯度浓度设置为0，50，200，500，1000nM，C4-HSL溶解在了0.1％(v/v)甲酸酸化的甲醇中，空白组加入和实验组相同体积的甲酸酸化的甲醇。先加入信号分子C4-HSL,充分曝气一小时后再加入氯化铵和亚硝酸钠储备液，使得泥水混合液中NH4 +-N和NO2 --N的初始浓度均为40mg/L。反应时，使DO>7.0mg/L，pH的控制方法为加入碳酸氢钠0.4g/L，温度维持在在30.0±1.0℃。每0.5h取10mL水样，实验共进行3h，实验结束时，分析NH4 +和NO3 -浓度变化，测量MLVSS。AOB和NOB的活性分别表示为比氨氮氧化速率和比硝酸盐生成速率，即以mg N/(g VSS·h)表示。通过线性回归确定氨氮氧化和硝酸盐生成的速率。
根据批次实验的结果，C4-HSL对AOB和NOB存在“低促高抑”现象，即50nM的C4-HSL可以同时促进AOB和NOB的活性，随着信号分子浓度的升高，其对两种菌群开始产生了抑制作用。但是其对NOB的抑制程度要大于对AOB的抑制程度。在200nM的浓度下，对两种菌群活性的抑制程度分别为4.19％和52.45％。
因此，可以通过200nM的C4-HSL对AOB和NOB菌群的抑制程度不同(对NOB更抑制)来快速启动短程硝化反应器。
实施例2
短程硝化的快速启动以及污泥性能
通过步骤(1)确定的C4-HSL的添加浓度快速启动短程硝化反应器，并监测启动过程中污泥性能变化。同时启动两个相同的SBR反应器R1和R2，有效容积为5L。接种经过驯化的活性污泥，MLSS＝2800～3200mg/L。采用蠕动泵控制进出水，进水5min，反应4h，沉降时间30min，排水5min；搅拌器在反应周期内全程搅拌，反应时采用间歇曝气的运行方式，好氧时间：缺氧时间＝30min:30min；控制溶解氧，使得曝气期DO＝0.5～2.5mg/L；出水氨氮维持在0.5～5mg/L；排水比50％，水力停留时间HRT＝8h。上述运行条件两个反应器保持一致，不同的是，R2反应器中加入了200nM的C4-HSL。C4-HSL溶解在0.1％(v/v)甲酸酸化的甲醇中加入反应器，R1中加入相同体积的甲酸酸化的甲醇溶液。每周期取进出水测氨氮、亚氮、硝氮浓度。监测出水氨氮浓度变化，当出水氨氮小于0.5mg/L时，采取降低曝气量的措施提高出水氨氮浓度，这样做的目的是：如果出水氨氮为零，那么可能在周期末的某个时间段内，AOB没有氨氮可以分解，而NOB可以继续利用生成的亚氮，久而久之，NOB就成了优势菌属。每16周期(4d)对反应器MLSS、MLVSS、SVI、EPS值进行测定，监测污泥性能变化。

Claims (3)

1.一种外源N-丁酰-L-高丝氨酸内酯促进短程硝化快速启动以及改善污泥沉降性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用SBR反应器，接种经过驯化的活性污泥，MLSS＝2800～3200mg/L；采用蠕动泵控制进出水，进水5min，反应4h，沉降时间30min，排水5min；搅拌器在反应周期内全程搅拌，反应时，采用交替缺氧/好氧的运行方式，好氧时间：缺氧时间＝30min:30min；曝气期DO＝0.5～2.5mg/L；出水氨氮维持在0.5～5mg/L；排水比50％，水力停留时间为HRT＝8h，每天运行四个周期；温度维持在30～32℃；采用人工配水模拟实际污水，每次进水通配水量供四个周期；模拟污水以乙酸钠和甲醇作为碳源，C/N＝1.5～3，氯化铵和磷酸二氢钾分别提供氮与磷，氮与磷在模拟污水中的浓度为：NH4 +：60～70mg/L，TP：2mg/L，此外常量元素Fe3+、Mg2+、Ca2+分别由氯化铁、硫酸镁、氯化钙提供；在模拟污水中的浓度分别为：Fe3+：0.6mg/L，Mg2+：1.5mg/L，Ca2+：4.0mg/L；添加碳酸氢钠使系统pH维持8.0～8.5；模拟污水中C4-HSL浓度为200nM。
2.按照权利要求1所述的一种外源N-丁酰-L-高丝氨酸内酯促进短程硝化快速启动以及改善污泥沉降性能的方法，其特征在于，接种活性污泥的驯化方法为为：污水厂取来的二沉池回流污泥，采用SBR反应器运行，进水氨氮浓度为100～150mg/L，保持反应器内DO＝4～6mg/L，不添加有机碳源；添加碳酸氢钠0.5g/L，维持pH＝8.0～8.7；排水比50％，HRT＝10h，恒温装置设置在30±1℃；可以接种的标志为：氨氮去除率大于70％，在曝气初期，停止曝气后，溶解氧迅速下降，2min之内变成缺氧状态。
3.按照权利要求1所述的一种外源N-丁酰-L-高丝氨酸内酯促进短程硝化快速启动以及改善污泥沉降性能的方法，其特征在于，C4-HSL的保存方法为：考虑到信号分子易降解，C4-HSL溶解在甲醇中，并加入体积含量为0.1％的甲酸防止其分解，用棕色瓶存放于-20℃；使用时，直接添加到进水桶中。
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张婷等: "CSTR和 MBR反应器的短程硝化快速启动", 《环境科学》 *
张婷等: "CSTR和 MBR反应器的短程硝化快速启动", 《环境科学》, vol. 38, no. 8, 31 August 2017 (2017-08-31), pages 3399 - 3405 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114988558A (zh) * 2022-06-27 2022-09-02 华南农业大学 一种高溶解氧条件下基于群体感应的短程硝化工艺调控方法

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