CN114262051A

CN114262051A - 一种快速提高自然温度下厌氧氨氧化生物膜工艺稳定性的方法

Info

Publication number: CN114262051A
Application number: CN202210019215.2A
Authority: CN
Inventors: 李军; 罗镕; 张晶; 郑照明; 赵白航; 高鹏; 韩浩; 张一�; 魏鹏元
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2042-01-07
Also published as: CN114262051B

Abstract

一种快速提高自然温度下厌氧氨氧化生物膜工艺稳定性的方法，属于污水处理领域。基于群体感应现象，外源添加活性污泥EPS和河流底泥EPS，利用EPS中AHLs对生物膜形成的调控，使得自然温度下ANAMMOX生物膜可以在短时间内快速提升生物附着量和疏水性，从而达到优化系统脱氮效能，维持工艺稳定性的目的。

Description

一种快速提高自然温度下厌氧氨氧化生物膜工艺稳定性的方法

技术领域

本发明属于污水处理领域，尤其涉及快速提高自然温度下厌氧氨氧化生物膜工艺运行稳定性的方法。

背景技术

厌氧氨氧化(ANAMMOX)是目前最快捷、经济的生物脱氮途径，与传统生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化具有降低能耗和温室气体排放(N₂O)少的优势，被广泛应用高温高氨氮的废水处理，且技术已经较为成熟。ANAMMOX生物膜可有效富集ANAMMOX细菌，减缓污泥的流失，提高ANAMMOX工艺的抗冲击负荷能力。然而，ANAMMOX菌倍增时间长(11d左右)，并且其适宜温度在33-38℃之间，而实际废水温度受地域、季节等的影响，往往低于该温度范围，因此在自然温度变化下快速形成高效稳定的ANAMMOX生物膜相当困难，这限制了ANAMMOX生物膜工艺的广泛应用。

群体感应(QS)，是调节革兰氏阴性菌间基因表达的一种化学交流过程，微生物向环境中释放信号分子物质，并且可以在细胞外不断累积，当累积到一定阈值后，会重新进入细胞内诱导相关基因的表达，从而对菌群的生态关系和生理行为进行调控。由酰基高丝氨酸内酯类信号(AHLs)介导的群体感应(AHLs-QS)是革兰氏阴性细菌最具特征的QS之一，广泛存在于生物脱氮系统中。已有研究记载ANAMMOX污泥受群体感应系统的调控。AHLs-QS可能与生物膜的形成、群集运动、硝化活性以及ANAMMOX活性有关。胞外聚合物(EPS)是ANAMMOX菌群聚集过程中的关键物质，EPS可分为溶解型(S-EPS)和结合型(B-EPS)，而B-EPS可以分为松散结合型(LB-EPS)和紧密结合型(TB-EPS)。研究表明TB-EPS对生物膜附着性能关系密切，与污泥活性和疏水性有重要影响。此外研究还发现，AHLs信号可以调控EPS浓度和蛋白质(PN)/多糖(PS)比值，可见AHLs与生物膜的稳定密不可分。本发明试图从群体感应(QS)的角度探寻自然温度下快速、高效提高厌氧氨氧化生物膜工艺稳定性的方法。早前的研究者发现污泥EPS中存在AHLs信号，不同种类的污泥中含有的信号种类和浓度不同。本专利中分别进行了活性污泥EPS和河流底泥EPS的外源添加试验，研究了QS对ANAMMOX生物膜特性(生物膜生物附着量和比ANAMMOX活性)的影响，为自然温度下ANAMMOX生物膜的高效维稳提供了新视角。

发明内容

基于我国华北地区春季的自然温度波动大，难形成稳定ANAMMOX生物膜导致的污泥易流失、ANAMMOX活性低、脱氮性能差等问题，本发明提供了一种外源添加两种不同污泥EPS提高自然温度下ANAMMOX生物膜工艺稳定性的装置及方法。发明的主要创新点是基于群体感应现象，外源添加活性污泥EPS和河流底泥EPS，利用EPS中AHLs对生物膜形成的调控，使得自然温度下ANAMMOX生物膜可以在短时间内快速提升生物附着量和疏水性，从而达到优化系统脱氮效能，维持工艺稳定性的目的。

该发明采用了实验室规模的SBBR反应器实现自然温度下ANAMMOX生物膜工艺运行稳定性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)污泥TB-EPS的提取

用于提取EPS的活性污泥取自污水处理厂二沉池的回流污泥或河流底泥，如污泥取自高碑店污水处理厂二沉池的回流污泥或通惠河河流底泥。

外源添加的EPS类型为TB-EPS，采用热处理方法提取：分别取一定量泥用0.9％的生理盐水冲洗2-3次，滗出多余液体；将冲洗后的污泥样品分别倒入若干50mL离心管中至20mL，加入生理盐水至40mL；将离心管对称放置于离心机中，在16G、4000rpm条件下离心20min，弃去上清液；在上一步操作之后的离心管中加一定量的0.9％的生理盐水，在80℃下热提45min，后补加生理盐水至40mL。将离心管放置于离心机中，在16G、11000rpm条件下离心20min，所得的上清液即为污泥TB-EPS。上清液经过0.45um的醋酸纤维滤膜过滤，去除不溶物，冷藏在4℃条件下以待后续添加；

(2)SBBR反应器的运行

SBBR反应器的温度条件自然条件，如为华北地区春季(3-5月份)，约15-20℃。SBBR反应器中ANAMMOX污泥取自稳定运行1年以上的UASB反应器，反应器外部由黑色材料包裹遮光保温；运行工序包括进水、反应、沉淀、排水、闲置五个阶段；其中，进水15min，厌氧反应7h、沉淀30min、排水10min、静置5min，进水6L，每个周期的总运行时间为8h，每天运行3个周期，水力停留时间为12h；在反应阶段启动搅拌器慢速搅拌维持厌氧状态，搅拌速率为60rmp，反应过程中，控制反应阶段的DO浓度在0.05mg/L以下；反应器中的生物膜填料采用悬挂式立体弹性填料；悬挂式立体弹性填料：聚烯烃类或/和聚酰胺材质的填料丝条穿插固定在耐腐、高强度的中心绳上，呈立体均匀排列辐射状态；相较普通硬性填料具有空隙可变性大，不堵塞的优点，使得生物膜具有良好的活性。填料直径60mm，单位重量1.9kg/m³，比表面积280m²/m³，填料丝条直径0.45mm。

反应器进水采用人工配水，配水水质如下(mg/L)：NH₄Cl 62.5，NaNO₂ 82.5，NaHCO₃620，CaCl₂ 125，MgSO₄ 120，KH₂PO₄ 25，添加两种微量元素各1mL/L，微量元素Ⅰ(g/L)：EDTA5.00，FeSO₄ 5.00；微量元素Ⅱ(g/L)：EDTA 15.00，CuSO₄·5H₂O 0.2，ZnSO4·4H₂O 0.43，CoCl₂·6H₂O 0.24，MnCl₂·4H₂O 0.99，NaMoO₄·2H₂O 0.22，NiCl₂·6H₂O 0.19，Na₂SeO₄0.11，H₃BO₃ 0.014。测得反应器进水氨氮浓度为70.07±3mg/L，亚氮浓度为92.34±4mg/L，用N₂-CO₂(95/5％)的气体混合物对合成污水进行冲洗，排出溶解氧DO，使反应器内保持厌氧条件。第一阶段为对应的第1-60d(如4-5月份)，反应器在自然条件下运行；第二阶段即第61-65d，向反应器中添加污泥提取的TB-EPS，第61-65d每一个周期的闲置阶段分别向反应器中添加TB-EPS使得TB-EPS达到5mg/L。

本发明通过进一步实验分析了污泥EPS对ANAMMOX生物膜特性的作用机理。基于AHLs对EPS含量的调控作用，分析了AHLs影响生物膜相对疏水性和生物附着量的机制。基于AHLs对菌群活动的调控作用，采用高通量测序测定了外源AHLs后ANAMMOX生物膜菌群结构的影响变化，分析了AHLs与生物膜比ANAMMOX活性的相关性。分析结果表明活性污泥TB-EPS和通惠河底泥TB-EPS都具有一定的促进生物膜稳定形成，优化ANAMMOX系统脱氮性能的作用。

本发明和现有技术相比，具有如下优点和效果：

(1)有效提高生物膜附着性能和比ANAMMOX活性。向自然温度下运行的ANAMMOX-SBBR中投加污泥TB-EPS，通过外源TB-EPS中AHLs信号对内源EPS含量和菌群行为的调控，显著提高了生物膜的生物附着量和ANAMMOX活性。

(2)现有技术中提取纯化AHLs的成本高，本发明通过外源添加特定类型的污泥EPS实现了在较低成本的方式下AHLs-QS对ANAMMOX生物膜的调控。活性污泥EPS和河道底泥EPS易提取获得。

(3)外源EPS直接向反应器中投加，操作简便易行，效果迅速稳定。

附图说明

图1为本实施例中提高自然温度下ANAMMOX生物膜工艺稳定性的SBBR反应器结构示意图，其中：1—配水水箱；2—进水蠕动泵；3—进水取样口；4—弹性填料；5—主体反应器；6—DO在线电极；7—pH在线电极；8—取样口；9—出水口；10—搅拌器；11—温度监测装置。

具体实施方法

以下结合附图和实施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。

材料：

活性污泥TB-EPS：污泥取自北京市高碑店污水处理厂二沉池回流污泥，采用热提取法提取TB-EPS备用。

河道底泥TB-EPS：污泥取自北京市通惠河的河道底泥，同采用热提取法提取TB-EPS备用。

生物膜：采用悬挂式立体弹性填料作为生物膜填料。

实施例1：不同污泥EPS对自然温度下ANAMMOX工艺稳定性的影响

在相同条件下运行三个相同的ANAMMOX-SBBR反应器R1，R2和R3。R1为对照组，无外源添加污泥EPS；R2和R3为实验组，分别添加活性污泥EPS和河道底泥EPS。

第一阶段(60d)为稳定运行阶段，不对反应器进行外源EPS添加，分析测定反应器在春季自然温度下的三氮浓度，计算总氮去除率，并分析生物膜生物附着量和ANAMMOX活性。

第二阶段(61-65d)为EPS投加阶段，将提取完备用的两种污泥EPS按天分别投加至R2和R3中，在反应器每一周期的闲置阶段投加EPS，投加浓度为5mg/L，连续投加五天后测定反应器的三氮浓度，计算总氮去除率，并分析生物膜生物附着量和ANAMMOX活性。由于不同的污泥EPS中含有的AHLs信号类型和浓度不同，可以比较得出不同污泥EPS对自然温度下ANAMMOX工艺稳定性的影响。

其中，生物膜疏水性采用萃取-比浊法测定，生物附着量采用结晶紫染色法测定，将OD₆₀₀值作为表征附着量的指标；比ANAMMOX活性另进行批次试验测定。

结果分析

经过实验分析，持续外源添加EPS5天后测定结果显示，本发明通过外源添加活性污泥EPS和河道底泥EPS均可以促进自然温度下快速形成较稳定的ANAMMOX生物膜，一定程度上改善工艺的脱氮效能，活性污泥EPS的作用效果大于河道底泥EPS。反应器运行期间，R1的平均总氮去除率仅为63.98％，添加EPS后R2和R3的脱氮效能可在短时升至74.95％和70.21％，并都能稳定在70％以上，较未添加时分别提高了17.15％和9.74％。比较R2、R3的OD₆₀₀值，相较于R1提升了56.19％和37.08％，相对疏水性和EPS含量测定结果显示，外源添加污泥TB-EPS可以使得ANAMMOX生物膜内源EPS中PN浓度显著升高，分别升高了81％和57％，进而表现为疏水性的升高，使得生物膜的结构更加密实，具有更好的附着性能。批次试验结果表明，R2、R3的生物膜比ANAMMOX活性分别提高了18.62％和13.34％，说明活性污泥和河道底泥EPS中AHLs都可以促进ANAMMOX生物膜的AHLs-QS效应，从而增强ANAMMOX生物膜活性。已有研究证明，Planctomycetes与ANAMMOX生物量有关。结果显示，在门水平上，生物膜细菌群落中Planctomycetes的相对丰度有一定提升，R2、R3中生物膜上Planctomycetes的相对丰度分别为29.9％和24.8％，较R1中的26.5％分别提升了12.83％和6.42％，这从侧面说明了AHLs-QS通过调节菌群丰度也可以影响生物膜生物附着量。

本装置和方法成本低，操作简单易行，效果快速显著，在自然温度下可以快速促进生物膜的形成，提高ANAMMOX生物膜工艺的稳定性，可实现自然温度下ANAMMOX生物量的高效持留。

Claims

1.一种快速提高自然温度下厌氧氨氧化生物膜工艺稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)污泥TB-EPS的提取

用于提取EPS的活性污泥取自污水处理厂二沉池的回流污泥或河流底泥；EPS类型为TB-EPS；

(2)SBBR反应器的运行

SBBR反应器的温度条件自然条件，SBBR反应器中ANAMMOX污泥取自稳定运行1年以上的UASB反应器，反应器外部由黑色材料包裹遮光保温；运行工序包括进水、反应、沉淀、排水、闲置五个阶段；其中，进水15min，厌氧反应7h、沉淀30min、排水10min、静置5min，进水6L，每个周期的总运行时间为8h，每天运行3个周期，水力停留时间为12h；在反应阶段启动搅拌器慢速搅拌维持厌氧状态，搅拌速率为60rmp，反应过程中，控制反应阶段的DO浓度在0.05mg/L以下；反应器中的生物膜填料采用悬挂式立体弹性填料；

反应器进水采用人工配水，配水水质如下(mg/L)：NH₄Cl 62.5，NaNO₂ 82.5，NaHCO₃620，CaCl₂ 125，MgSO₄ 120，KH₂PO₄ 25，添加两种微量元素各1mL/L，微量元素Ⅰ(g/L)：EDTA5.00，FeSO₄ 5.00；微量元素Ⅱ(g/L)：EDTA 15.00，CuSO₄·5H₂O0.2，ZnSO4·4H₂O 0.43，CoCl₂·6H₂O 0.24，MnCl₂·4H₂O 0.99，NaMoO₄·2H₂O 0.22，NiCl₂·6H₂O 0.19，Na₂SeO₄0.11，H₃BO₃ 0.014。测得反应器进水氨氮浓度为70.07±3mg/L，亚氮浓度为92.34±4mg/L，用N₂-CO₂(95/5％)的气体混合物对合成污水进行冲洗，排出溶解氧DO，使反应器内保持厌氧条件。第一阶段为对应的第1-60d(如4-5月份)，反应器在自然条件下运行；第二阶段即第61-65d，向反应器中添加污泥提取的TB-EPS，第61-65d每一个周期的闲置阶段分别向反应器中添加TB-EPS使得TB-EPS达到5mg/L。

2.按照权利要求1所述的一种快速提高自然温度下厌氧氨氧化生物膜工艺稳定性的方法，其特征在于，

步骤(1)外源添加的EPS类型为TB-EPS，采用热处理方法提取：分别取一定量泥用0.9％的生理盐水冲洗2-3次，滗出多余液体；将冲洗后的污泥样品分别倒入若干50mL离心管中至20mL，加入生理盐水至40mL；将离心管对称放置于离心机中，在16G、4000rpm条件下离心20min，弃去上清液；在上一步操作之后的离心管中加一定量的0.9％的生理盐水，在80℃下热提45min，后补加生理盐水至40mL。将离心管放置于离心机中，在16G、11000rpm条件下离心20min，所得的上清液即为污泥TB-EPS。上清液经过0.45um的醋酸纤维滤膜过滤，去除不溶物，冷藏在4℃条件下以待后续添加。

3.按照权利要求1所述的一种快速提高自然温度下厌氧氨氧化生物膜工艺稳定性的方法，其特征在于，步骤(1)用于提取EPS的污泥取自高碑店污水处理厂二沉池的回流污泥或通惠河河流底泥。

4.按照权利要求1所述的一种快速提高自然温度下厌氧氨氧化生物膜工艺稳定性的方法，其特征在于，步骤(2)悬挂式立体弹性填料：聚烯烃类或/和聚酰胺材质的填料丝条穿插固定在耐腐、高强度的中心绳上，呈立体均匀排列辐射状态；填料直径60mm，单位重量1.9kg/m³，比表面积280m²/m³，填料丝直径0.45mm。