CN114057284B - 一种基于群体感应作用提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于群体感应作用提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击的装置及方法，属于含盐废水处理领域。装置包括：配水箱、改良UASB‑MBR反应器、竖状MBR中空纤维膜、AHLs信号分子贮存瓶、水域循环水箱、WTW水质分析仪和PLC控制装置。方法步骤：装置的运行、厌氧氨氧化颗粒系统的启动、盐度冲击厌氧氨氧化颗粒系统、投加AHLs信号分子3OC6‑HSL和C12‑HSL提高抗盐冲击和投加3OC6‑HSL促进抗盐冲击后的恢复。本发明通过膜生物反应器高效截留厌氧氨氧化菌，并投加AHLs信号分子利用群体感应机制进行“细胞间的交流”，提高了厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击能力，促进了抗盐度冲击后的恢复。
Description
技术领域
本发明涉及含盐污水生物处理领域，基于群体感应作用以AHLs信号分子作为添加剂提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击的装置及方法。
背景技术
随人们生活质量提高的同时，由于工业生产(如：食品加工行业(包括肉类罐头厂、腌菜厂、乳制品厂、鱼类加工厂等，盐度约15-150g/L)、制革厂(盐度约15-50g/L)和石油行业(开采出水和精炼工艺废水等，盐度约3-120g/L)的生产废水)和沿海地区对海水(如：海水冲厕产生的城市污水(盐度约5g/L))的使用，造成许多废水的含盐量呈现逐年增加的趋势。若含盐废水未经处理排入水体，将增加水体的含盐量破坏淡水生物的生长环境，导致淡水生物大量死亡；排入土地将造成土壤盐碱化破坏植物的生长；渗入地下污染地下水，影响人们的身体健康。因此含盐废水的处理迫在眉睫，但盐份会使细胞的渗透压失调，破坏细胞壁和酶系统，导致微生物活性降低或死亡，因此使用生物法处理含盐废水是一个棘手的问题。
厌氧氨氧化(anammox)作为一种新型脱氮工艺，因无需曝气、无需有机物和减少温室气体排放的高效经济脱氮途径，在污水处理领域受到广泛关注。厌氧氨氧化菌广泛分布于地球生态系统中(包括海洋沉积物)，而且是海洋氮循环的重要组成部分(约4-79％)，证明厌氧氨氧化菌具有在含盐环境中生存的潜力；而且厌氧氨氧化菌具有优异的聚集倾向，聚集形成的颗粒污泥生物量丰富，而且耐环境冲击能力强，因此厌氧氨氧化在含盐废水处理方面具有巨大的潜力。然而，应用厌氧氨氧化颗粒污泥工艺处理含盐废水依然面临着颗粒解体、Anammox菌活性降低等突出问题。颗粒的解体导致功能微生物的流失是造成厌氧氨氧化系统性能衰减的重要原因之一。膜生物反应器(MBR)工艺以其脱氮方面优异表现备受关注，基于MBR的强化生物脱氮工艺得到广泛应用。MBR工艺具有良好的固液分离能力，膜组件可以将絮状功能菌完全截留在反应器内部，避免了絮状功能菌的流失。此外发现，高盐度胁迫导致的厌氧氨氧化颗粒污泥特性(活性、结构、粒径、强度和沉降行为)的变化与胞外聚合物(EPS)的组成和含量显著相关。近年研究发现，调节系统内EPS的含量、组成和蛋白质结构，可以有效缓解盐度的抑制作用。部分研究表明，厌氧氨氧化颗粒污泥的EPS合成行为与群体感应(QS)高度相关。QS是指微生物群体间释放信号分子(如酰基高丝氨酸内酯(AHLs))，通过相关细胞蛋白的传递影响基因的表达，调控微生物群体的生理特征，如污泥颗粒化和生物膜形成等。在复杂的环境中厌氧氨氧化菌利用QS机制进行“细胞对细胞的交流”，以“团队作战能力”使整个种群更好地存活下来。相关报道，环境因素(如底物、pH值和温度)胁迫时会使厌氧氨氧化颗粒释放大量的信号分子(3OC6-HSL和C12-HSL)，分别促进颗粒活性和合成EPS保护微生物活性；而且添加合适类型的外源性AHLs可以显著提高厌氧氨氧化絮状物和颗粒的脱氮性能。
本发明正是经过深入研究发现盐度冲击下厌氧氨氧化颗粒会过量释放信号分子，促进颗粒的活性和大量合成EPS保护颗粒。基于此点，本发明基于改良UASB-MBR膜生物反应器从群体感应视角提供一种基于群体感应作用提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击的装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于群体感应作用提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击的装置及方法，该装置及方法利用膜生物反应器和AHLs信号分子提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击能力，解决颗粒的解体、功能微生物流失和活性抑制问题。该装置构建简单，方法操作灵活，根据厌氧氨氧化颗粒系统处理含盐废水盐度的大小，调节AHLs信号分子3OC6-HSL和C12-HSL的投加含量，从而提高抗盐冲击能力；处理含盐废水结束后，系统恢复性能时调节AHLs信号分子3OC6-HSL的投加含量，促进系统抗盐冲击后快速恢复良好的脱氮性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于群体感应作用提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击的装置，如图1所示。
所述装置包括：配水箱(1)、改良UASB-MBR反应器(4)、竖状MBR中空纤维膜(5)、AHLs信号分子贮存瓶(15)、水域循环水箱(19)、WTW水质分析仪(24)和PLC控制装置(25)；
所述配水箱(1)通过设有进水泵(2)的管路与改良UASB-MBR反应器(4)底部的进水口(3)相连；所述改良UASB-MBR反应器(4)内部设置竖状MBR中空纤维膜(5)，竖状MBR中空纤维膜(5)与设有产水泵(6)的管路相连，改良UASB-MBR反应器(4)上部和底部分别设有回流口A(7)和回流口B(9)，回流口A(7)和回流口B(9)之间通过设有回流泵(8)的管路相连；所述AHLs信号分子贮存瓶(15)通过设有加药泵(16)的管路与改良UASB-MBR反应器(4)顶部设的加药口(17)相连；
改良UASB-MBR反应器(4)外设有水域循环结构；水域循环结构上部侧面设有水域循环口A(18)，下部侧面设有水域循环口B(21)，水域循环口A(18)和水域循环口B(21)之间经由水域循环水箱(19)、水域循环泵(20)采用管路连接形成循环路径；
所述WTW水质分析仪(24)与DO探头(22)和pH探头(23)电连接，DO探头(22)和pH探头(23)置于改良UASB-MBR反应器(4)内；
所述PLC控制装置(25)与进水泵(2)、产水泵(6)、回流泵(8)、加药泵(16)和水域循环泵(20)电连接。
所述改良UASB-MBR反应器(4)由去除三相分离的UASB反应器与置于其内的竖状MBR中空纤维膜(5)构成。
改良UASB-MBR反应器(4)底部还设有排泥口(10)；改良UASB-MBR反应器(4)侧面还设有取样口。
所述AHLs信号分子贮存瓶(15)内储存N-酰基高丝氨酸内酯类群体感应信号分子溶液。
需要说明的是AHLs信号分子指的是N-酰基高丝氨酸内酯类群体感应信号分子：N-3-oxohexanoyl-L-homoserine lactone(中文名称：N-羰基己酰基高丝氨酸内酯，简称3OC6-HSL)和N-dodecanoyl-DL-homoserinelactone(中文名称：十二烷酰基高丝氨酸内酯，简称：C12-HSL)，均购自美国sigma-aldrich公司。
本发明的一种基于群体感应作用提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击的方法，该方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、装置运行：改良UASB-MBR反应器(4)中接种厌氧氨氧化颗粒污泥；然后配水箱(1)中配置人工合成废水，通过进水泵(2)将合成废水输入改良UASB-MBR反应器(4)底端，经厌氧氨氧化颗粒污泥层，升至改良UASB-MBR反应器(4)上端，经竖状MBR中空纤维膜(5)连接产水泵(6)进行产水；改良UASB-MBR反应器(4)上端一部分水通过回流泵(8)回流至改良UASB-MBR反应器(4)的底端调节上升流速，同时利用水域循环水箱(19)和水域循环泵(20)调节改良UASB-MBR反应器(4)的温度；通过AHLs信号分子贮存瓶(15)和加药泵(16)调节AHLs信号分子种类和含量；利用DO探头(22)和pH探头(23)监测反应器(4)的DO和pH值，其中控制DO为0-0.2mg/L，pH值为7.4-7.9；同时利用PLC控制进水泵(2)、产水泵(6)、回流泵(8)、加药泵(16)和水域循环泵(20)的自动化运行；
步骤二、改良UASB-MBR反应器(4)启动厌氧氨氧化颗粒系统：控制合成废水的总氮浓度在启动初期阶段、中期阶段和末期阶段分别为140、210和280mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度按照厌氧氨氧化的化学计量比1:1.32设置，水力停留时间维持7-11h；每当阶段总氮去除率达80％，且NH4 +-N去除量、NO2 --N去除量和NO3 --N生成量的比值近似1:1.32:0.26时，调整进入下一阶段即相应的调整合成废水的总氮浓度；末期阶段满足要求后，实现厌氧氨氧化颗粒系统的启动；其有益效果是，强化接种的厌氧氨氧化颗粒污泥的性能。
步骤三、厌氧氨氧化颗粒系统处理含盐废水：将已经成功启动的厌氧氨氧化颗粒系统处理含盐废水，进水总氮浓度维持280mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度摩尔比维持1:1.32，系统的MLVSS维持大于40gVSS/L，通过投加一定量的外源AHLs信号分子增强系统内的AHLs信号分子含量，水力停留时间维持7-11h，至含盐废水处理结束；
步骤四、含盐废水处理后厌氧氨氧化颗粒系统的恢复：步骤三含盐废水处理结束后，采用不含盐的水和外源AHLs信号分子进行恢复，进水总氮浓度维持280mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度摩尔比维持1:1.32，系统的MLVSS维持大于40gVSS/L，通过投加一定量的外源AHLs信号分子增强系统内的AHLs信号分子含量，水力停留时间维持7-11h，至系统性能得到恢复结束。
所述的步骤一中DO：0-0.2mg/L的控制，通过向配水箱(1)和反应器(4)中通入N2实现。其有益效果是，维持厌氧氨氧化菌需要的厌氧生长环境。
所述的步骤一中pH值：7.4-7.9调控，通过投加NaHCO3调节反应器的pH值。其有益效果是，维持厌氧氨氧化菌需要的生长环境。
所述的步骤三合成废水的盐度范围为不高于20g/L。
所述的步骤三投加AHLs信号分子为N-羰基己酰基高丝氨酸内酯(3OC6-HSL)和十二烷酰基高丝氨酸内酯(C12-HSL)，每一种的投加量不高于35mg/L，两者质量比为0.5-2，在对应的盐度为不高于20g/L的范围内随着盐浓度的提高对应的AHLs信号分子浓度也相应的增加；步骤四恢复时期投加AHLs信号分子为3OC6-HSL，投加量不高于35mg/L。其有益效果是，3OC6-HSL促进厌氧氨氧化菌的活性，C12-HSL促进合成EPS保护厌氧氨氧化菌的活性。
上述的含盐废水处理和处理后恢复的时间没有具体的限定，是根据实际情况而定。
本发明的一种基于群体感应作用提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击的装置及方法与现有技术相比，具有下列有点：
一、本发明采用的改良UASB-MBR膜生物反应器，基于MBR膜组件产水有效的控制了由于盐度冲击造成颗粒解体和沉降性能衰减而流失的功能微生物；
二、相比于对进水进行稀释的方法，该装置及方法只需简单改造UASB反应器即可，节约了处理构筑物的建设费用，简化了处理流程，同时还避免了水资源的巨大浪费；
三、通过群体感应作用的方法应对盐度冲击，不仅能够有效的保持厌氧氨氧化颗粒污泥的完整和沉降性，而且促进厌氧氨氧化颗粒污泥的活性，从而有效的提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击能力和促进系统抗盐冲击后的快速恢复。
四、相比于应用生物强化技术，即通过投加耐盐和嗜盐微生物来提高常规微生物群含量应对盐度的冲击。该方法不需引进其他微生物破坏系统内厌氧氨氧化菌的主导，而且应对盐度的波动更适调控，根据盐度调控AHLs信号分子投加种类和含量即可。
附图说明
图1为一种基于群体感应作用提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击的装置示意图；
图中：1、配水箱；2、进水泵；3、进水口；4、改良UASB-MBR反应器；5、竖状MBR中空纤维膜；6、产水泵；7、回流口A；8、回流泵；9、回流口B；10、排泥口；11-14、取样口；15、AHLs信号分子贮存瓶；16、加药泵；17、加药口；18、水域循环口A；19、水域循环水箱；20、水域循环泵；21、水域循环口B；22、DO探头；23、pH探头；24、WTW水质分析仪；25、PLC控制装置。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。
如图1所示，该装置包括：配水箱1、改良UASB-MBR反应器4、竖状MBR中空纤维膜5、AHLs信号分子贮存瓶15、水域循环水箱19、WTW水质分析仪24和PLC控制装置25。
其中配水箱通过设有进水泵2的管路与改良UASB-MBR反应器4的进水口相连；改良UASB-MBR反应器4内部设置竖状MBR中空纤维膜5，竖状MBR中空纤维膜5与设有产水泵6的管路相连，其上部和底部分别设有回流口A7和回流口B9，回流口A7和回流口B9通过设有回流泵8的管路相连；AHLs信号分子贮存瓶15通过设有加药泵16的管路与改良UASB-MBR反应器4顶部设的加药口17相连；水域循环水箱19上部与改良UASB-MBR反应器4外设的水域循环口A18通过管路相连，其底部通过设有水域循环泵20的管路与水域循环口B21相连；WTW水质分析仪24信号输入端与DO探头22和pH探头23信号输出端电连接，DO探头22和pH探头23置于改良UASB-MBR反应器4内；PLC控制装置25信号输出端与进水泵2、产水泵6、回流泵8、加药泵16和水域循环泵20信号输入端电连接。
合成废水由配水箱1通过进水泵2从进水口3进入改良UASB-MBR反应器4；出水通过竖状MBR中空纤维膜5实现产水；其中配水箱为10L，改良UASB-MBR反应器内径为8cm，高100cm，有效容积为3L；通过内回流实现搅拌，并保证颗粒污泥所需的上升流速；反应过程中通过水域循环控制反应器温度稳定在32-35℃，通过投加NaHCO3调节反应器的pH值(7.4-7.9)；污泥接种前和运行时，配水箱和改良UASB-MBR反应器中通入N2维持厌氧条件(0-0.2mg/L)；采取连续运行方式，水力停留时间维持7-11h；实时检测反应器中DO浓度和pH值。
S1厌氧氨氧化颗粒系统的启动：
在改良UASB-MBR反应器中接种厌氧氨氧化颗粒污泥，其颗粒污泥取自一个稳定运行3年的UASB反应器(有效体积为50L)；反应器进水为合成废水，其废水中通过投加NH4Cl和NaNO2控制NH4 +-N和NO2 --N浓度；合成废水的总氮浓度在启动初期、中期和末期阶段分别为137.8、212.4和278.8mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度按照厌氧氨氧化的化学计量比1:1.32设置，水力停留时间分别为7.8、8.2和8.1h；每当阶段总氮去除率达80％，且NH4 +-N去除量、NO2 --N去除量和NO3 --N生成量的比值近似1:1.32:0.26时，调整总氮浓度进入下一阶段；经过30天的运行，实现厌氧氨氧化颗粒系统的启动。系统内颗粒污泥的特性：总氮去除率为82％、MLVSS为41.5gVSS/L和活性为0.56kg NH4 +-N/(kg VSS·d)。S2厌氧氨氧化颗粒系统处理含盐废水：
基于成功启动的厌氧氨氧化颗粒系统，改良UASB-MBR反应器采用连续运行方式共运行五个周期(一个周期8h)。第一至三周期，系统通入含盐废水。水力停留时间分别为7.7、8.0和7.9h，总氮浓度维持分别278.4mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度按照厌氧氨氧化的化学计量比1:1.32，盐度为20g/L，AHLs信号分子(3OC6-HSL和C12-HSL)的投加量为0mg/L。第四个周期，系统通入含盐废水，并投加AHLs信号分子。水力停留时间分别为8.1h，总氮浓度维持281.2mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度按照厌氧氨氧化的化学计量比1:1.32，盐度为20g/L，AHLs信号分子(3OC6-HSL和C12-HSL)的投加量分别为31.2和29.9mg/L。
S3处理含盐废水后厌氧氨氧化颗粒系统的恢复：
厌氧氨氧化颗粒系统处理含盐废水的第四个周期运行结束后。第五个周期，系统通入不含盐废水。进水总氮浓度维持282.1mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度按照厌氧氨氧化的化学计量比1:1.32，盐度为0g/L。第六个周期，系统通入不含盐废水，并投加AHLs信号分子。进水总氮浓度维持279.7mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度按照厌氧氨氧化的化学计量比1:1.32，盐度为0g/L，AHLs信号分子3OC6-HSL为30.7mg/L。
每个周期取出水水样测定NH4 +-N、NO2 --N和NO3 --N的浓度，计算总氮去除率。自受到20g/L的盐度冲击开始，厌氧氨氧化颗粒系统性能不断下降，系统的总氮去除率由82％降至第三周期的72％，三个周期的平均下降为3％左右。
第四周期，添加AHLs信号分子，总氮去除率为71％，厌氧氨氧化颗粒系统性能下降趋势减缓，仅下降了1％，表明AHLs信号分子的投加，厌氧氨氧化颗粒系统的性能下降趋势受到显著缓解，厌氧氨氧化颗粒系统的抗盐冲击能力得到提升。
第五和第六周期的总氮去除率分别为71％和73％，表明AHLs信号分子的投加，促进了盐冲击后厌氧氨氧化颗粒系统的性能的恢复。
Claims (4)
1.一种基于群体感应作用提高厌氧氨氧化颗粒系统抗盐冲击的方法，其特征在于，所采用的装置包括：配水箱(1)、改良UASB-MBR反应器(4)、竖状MBR中空纤维膜(5)、AHLs信号分子贮存瓶(15)、水域循环水箱(19)、WTW水质分析仪(24)和PLC控制装置(25)；
所述配水箱(1)通过设有进水泵(2)的管路与改良UASB-MBR反应器(4)底部的进水口(3)相连；所述改良UASB-MBR反应器(4)内部设置竖状MBR中空纤维膜(5)，竖状MBR中空纤维膜(5)与设有产水泵(6)的管路相连，改良UASB-MBR反应器(4)上部和底部分别设有回流口A(7)和回流口B(9)，回流口A(7)和回流口B(9)之间通过设有回流泵(8)的管路相连；所述AHLs信号分子贮存瓶(15)通过设有加药泵(16)的管路与改良UASB-MBR反应器(4)顶部设的加药口(17)相连；
改良UASB-MBR反应器(4)外设有水域循环结构；水域循环结构上部侧面设有水域循环口A(18)，下部侧面设有水域循环口B(21)，水域循环口A(18)和水域循环口B(21)之间经由水域循环水箱(19)、水域循环泵(20)采用管路连接形成循环路径；
所述WTW水质分析仪(24)与DO探头(22)和pH探头(23)电连接，DO探头(22)和pH探头(23)置于改良UASB-MBR反应器(4)内；
所述PLC控制装置(25)与进水泵(2)、产水泵(6)、回流泵(8)、加药泵(16)和水域循环泵(20)电连接；
所述改良UASB-MBR反应器(4)由去除三相分离的UASB反应器与置于其内的竖状MBR中空纤维膜(5)构成；
改良UASB-MBR反应器(4)底部还设有排泥口(10)；改良UASB-MBR反应器(4)侧面还设有取样口；
所述AHLs信号分子贮存瓶(15)内储存N-羰基己酰基高丝氨酸内酯(3OC6-HSL)和十二烷酰基高丝氨酸内酯(C12-HSL)溶液；
所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、装置运行：改良UASB-MBR反应器(4)中接种厌氧氨氧化颗粒污泥；然后配水箱(1)中配置人工合成废水，通过进水泵(2)将合成废水输入改良UASB-MBR反应器(4)底端，经厌氧氨氧化颗粒污泥层，升至改良UASB-MBR反应器(4)上端，经竖状MBR中空纤维膜(5)连接产水泵(6)进行产水；改良UASB-MBR反应器(4)上端一部分水通过回流泵(8)回流至改良UASB-MBR反应器(4)的底端调节上升流速，同时利用水域循环水箱(19)和水域循环泵(20)调节改良UASB-MBR反应器(4)的温度；通过AHLs信号分子贮存瓶(15)和加药泵(16)调节AHLs信号分子种类和含量；利用DO探头(22)和pH探头(23)监测反应器(4)的DO和pH值，其中控制DO为0-0.2mg/L，pH值为7.4-7.9；同时利用PLC控制进水泵(2)、产水泵(6)、回流泵(8)、加药泵(16)和水域循环泵(20)的自动化运行；
步骤二、改良UASB-MBR反应器(4)启动厌氧氨氧化颗粒系统：控制合成废水的总氮浓度在启动初期阶段、中期阶段和末期阶段分别为140、210和280mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度按照厌氧氨氧化的化学计量比1:1.32设置，水力停留时间维持7-11h；每当阶段总氮去除率达80％，且NH4 +-N去除量、NO2 --N去除量和NO3 --N生成量的比值近似1:1.32:0.26时，调整进入下一阶段即相应的调整合成废水的总氮浓度；末期阶段满足要求后，实现厌氧氨氧化颗粒系统的启动；
步骤三、厌氧氨氧化颗粒系统处理含盐废水：将已经成功启动的厌氧氨氧化颗粒系统处理含盐废水，进水总氮浓度维持280mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度摩尔比维持1:1.32，系统的MLVSS维持大于40gVSS/L，投加一定量的外源AHLs信号分子，水力停留时间维持7-11h，至含盐废水处理结束；
步骤四、含盐废水冲击后厌氧氨氧化颗粒系统的恢复：含盐废水处理结束，进水总氮浓度维持280mg/L，NH4 +-N和NO2 --N的浓度摩尔比维持1:1.32，系统的MLVSS维持大于40gVSS/L，投加一定量的外源AHLs信号分子，水力停留时间维持7-11h，至系统性能得到恢复结束；
所述的步骤三投加AHLs信号分子为N-羰基己酰基高丝氨酸内酯(3OC6-HSL)和十二烷酰基高丝氨酸内酯(C12-HSL)，每一种的投加量不高于35mg/L，两者质量比为0.5-2；步骤四恢复时期投加AHLs信号分子为3OC6-HSL，投加量不高于35mg/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤一中DO：0-0.2mg/L的控制，通过向配水箱(1)和反应器(4)中通入N2实现。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤一中pH值：7.4-7.9调控，通过投加NaHCO3调节反应器的pH值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤三中含盐废水的盐度范围为不高于20g/L。
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