CN114477435A - 一种氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化同时去除硝酸盐和铵盐的方法及应用 - Google Patents

一种氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化同时去除硝酸盐和铵盐的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化同时去除硝酸盐和铵盐的方法，通过氢基质膜生物膜反应器即MBfR来实现氢基制短程反硝化，自养反硝化菌能够将H2作为电子供体提供给硝酸盐(NO3 ‑‑N)，从而实现高效反硝化。本发明是一种基于氢基质膜生物膜反应器的短程反硝化‑厌氧氨氧化技术，不仅可以克服现有短程反硝化技术的缺陷，还可以改进现有的MBfR工艺，无需排泥等复杂操作，工艺简单明了易于管理，且降低人力成本。

Description

一种氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化同时去除硝酸盐和铵 盐的方法及应用
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其是涉及一种氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化同时去除硝酸盐和铵盐的方法及应用。
背景技术
厌氧氨氧化技术作为一种自养脱氮过程，无需有机碳源，污泥产量低并且不需要曝气，是一种具有前景的脱氮技术，已得到广泛的研究。然而，硝酸盐(NO3 --N)在出水中的残留和以及亚硝氮(NO2 --N)的来源问题限制了厌氧氨氧化的发展和应用。
基于短程反硝化(NO3 --N→NO2 --N)的厌氧氨氧化工艺具有显著优势。短程反硝化是全程反硝化的第一步，首先，硝酸盐从电子受体接收电子，并被硝酸盐还原酶转化为亚硝酸盐；随即被厌氧氨氧化菌利用将进水中的NH4 +-N和短程反硝化产生的NO2 --N转化为N2和少量的NO3 --N。由厌氧氨氧化过程产生的NO3 --N继续被反硝化菌还原成NO2 --N，并继续被厌氧氨氧化菌利用，直至完全去除。
短程反硝化可以通过改变碳源、调节碳氮比等方式实现，但外加的碳源不仅增加了处理成本，而且也可能对厌氧氨氧化的活性造成影响。现有的短程反硝化-厌氧氨氧化技术仍需外加碳源，并且产生大量的剩余污泥。
氢基质膜生物膜反应器(MBfR)是一种通过无泡曝气的方式将氢气(H2)通过膜壁扩散传递到生物膜上的反应器，但是现有的MBfR技术只能用于还原氧化性污染物而不能去除铵盐。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化同时去除硝酸盐和铵盐的方法及应用。本发明是一种基于氢基质膜生物膜反应器的短程反硝化-厌氧氨氧化技术，不仅可以克服现有短程反硝化技术的缺陷，还可以改进现有的MBfR工艺，无需排泥等复杂操作，工艺简单明了易于管理，且降低人力成本。
本发明的技术方案如下：
一种氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化同时去除硝酸盐和铵盐的方法，包括以下步骤：
(1)将NaHCO3、KH2PO4、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、酸性微量元素溶液、碱性微量元素溶液加入至去离子水中，配成进水无机培养基，备用；
(2)在步骤(1)制备的无机培养基中添加NO3 -制成硝酸盐培养基，使NO3 --N浓度为5-50mg/L；
(3)取污水厂厌氧污泥和步骤(2)制备的硝酸盐培养基一同加入厌氧瓶中，将污泥沉降比控制在25-50％；
(4)向步骤(3)的厌氧瓶中曝氮气以去除溶解氧；除氧后立即盖上橡胶塞进行密封；
(5)使用抽气泵抽去步骤(4)的厌氧瓶中的顶空气体，然后将氢气注入厌氧瓶中；
(6)将步骤(5)中的厌氧瓶放入恒温摇床中进行驯化，从而通过反硝化作用去除硝酸盐培养基中的硝酸盐；当上清液中NO3 --N浓度低于1mg/L时，将上清液替换为步骤(2)中的培养基；
(7)连续驯化7天以上，得到富集的氢自养反硝化接种微生物；
(8)在氢基质中空纤维生物膜反应器即MBfR反应器中接种步骤(7)得到的氢自养反硝化接种微生物；
(9)在步骤(1)制备的无机培养基中添加NO3 -和NH4 +制成进水Ⅰ，使NO3 --N浓度为10-50mg/L，NH4 +-N浓度为10-40mg/L；
(10)使用蠕动泵向步骤(8)得到的MBfR反应器中注入进水Ⅰ，并调节进水流速为0.09-0.27mL/min；
(11)调节H2供应压强至0.5-0.7atm，以还原进水Ⅰ中的NO3 -；
(12)连续进水驯化5天以上，直至出水中NO3 --N浓度低于1mg/L，得到适应NH4 +的氢自养反硝化生物膜；
(13)取步骤(1)制备的进水无机培养基，添加NO3 -和NH4 +制成进水Ⅱ，使NO3 --N浓度为50-60mg/L，NH4 +-N浓度为30-50mg/L；
(14)将进水Ⅰ替换成进水Ⅱ使用蠕动泵引入到步骤(12)得到的已经形成了适应NH4 +的氢自养反硝化生物膜的MBfR反应器中，保持进水流速和氢气供应压强不变；
(15)在步骤(14)所述的MBfR反应器中接种厌氧氨氧化菌；
(16)连续运行21天以上，直至出水中NO3 --N浓度低于5mg/L，NH4 +-N浓度低于3mg/L，即在MBfR反应器中驯化得到了既可以去除硝酸盐又可以去除铵盐的短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜；
(17)将待处理的污水加入步骤(16)得到的已经形成了短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜的MBfR反应器中进行处理，从而去除废水中的硝酸盐和铵盐。
进一步地，步骤(1)中NaHCO3、KH2PO4、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、酸性微量元素溶液、碱性微量元素溶液和去离子水的添加量的比例为0.05-0.15g:0.02-0.05g:0.05-0.2g:0.05-0.2g:0.5-1.5mL:0.5-1.5mL:1L。
进一步地，步骤(1)中所述的酸性微量元素溶液的配方为：每升去离子水中加入1-7mL的36％HCl、1-2g的FeCl2·4H2O、0.1-0.2g的CoCl2·6H2O、0.05-0.1g的MnCl2·4H2O、10-70mg的ZnCl2、1-6mg的H3BO3、10-36mg的Na2MoO4·2H2O、10-24mg的NiCl2·6H2O、1-3mg的CuSO4·5H2O；
所述的碱性微量元素溶液的配方为：每升去离子水中加入0.1-0.5g的NaOH、1-9mg的Na2SeO3·5H2O、1-8mg的Na2WO4·2H2O。
进一步地，步骤(8)中所述的氢基质中空纤维生物膜反应器为双管中空纤维生物膜反应器，主反应管内有30-35根疏水性致密聚丙烯膜，副反应管内有10-30根疏水性致密聚丙烯膜。
进一步地，步骤(7)中所述的氢自养反硝化接种微生物中含有按基因丰度比计算的下述菌种：变形菌>40％、厚壁菌>5％、拟杆菌>5％、绿弯菌>5％、酸杆菌>1％、放线菌>1％，其余为非培养对象的杂菌。
进一步地，步骤(15)中，所述厌氧氨氧化菌源中含有按基因丰度比计算的下述菌种：Candidatus Brocadia>10％、Candidatus Jettenia>1％，其余为非培养对象的杂菌。
进一步地，步骤(16)中，MBfR反应器的运行条件为：连续进水并接种运行21天以上，进水流速为0.09-0.27mL/min，水力停留时间为3.8-11.5h，氢气分压为0.5-0.7atm，温度为15-35℃。
进一步地，步骤(17)中，MBfR反应器的运行条件为：进水流速为0.09-0.27mL/min，水力停留时间为3.8-11.5h，氢气分压为0.5-0.7atm，温度为15-35℃。
本发明还提供了所述方法在污水处理中的应用，所述污水包括含有硝氮的生活污水、污水处理厂侧流废水，含有硝酸盐和铵盐的工业废水，被污染的地下水，以及被污染的河流或湖泊。
本发明有益的技术效果在于：
1、本发明通过氢基质膜生物膜反应器(MBfR)来实现氢机制短程反硝化。自养反硝化菌能够将H2作为电子供体提供给硝酸盐(NO3 --N)，从而实现高效反硝化。除此之外，与传统的异养反硝化系统相比，氢气更便宜，无毒，几乎不产生剩余污泥，能够降低后续污泥处理能耗和费用。
2、本发明中，基于氢气的自养短程反硝化可以通过调节H2的供应量来实现，因此，MBfR中的H2易于通过减压阀进行控制。并且，MBfR通过短程反硝化的方式去除硝氮可节省60％的氢气供应量。
3、本发明的MBfR反应器中既可以发生短程反硝化反应又可以进行厌氧氨氧化过程，相对于传统的短程反硝化耦合厌氧氨氧化两级处理工艺，装置简洁操作简单。
4、本发明中，反硝化菌源和厌氧氨氧化菌源分别为本工艺提供了有效的短程反硝化菌和厌氧氨氧化菌。酸性微量元素和碱性微量元素为短程反硝化菌和厌氧氨氧化菌的生长代谢提供了有效组分。并且，本发明短程反硝化菌和厌氧氨氧化菌在代谢过程中无N2O生成，因此本工艺温室气体排放少。
5、本发明能够将厌氧氨氧化产生的硝态氮还原并进行原位去除，有效提高总氮去除率，且短程反硝化和厌氧氨氧化反应速率快，氮素去除负荷高；不需要添加外加药剂，无需排泥，工艺简单明了易于管理。该技术不需要添加额外药剂，特别是有机碳源，因此不排放CO2，从而达到减碳的目的。
附图说明
图1为本发明处理污水的简略流程图，其中省略了若干步骤，如厌氧瓶驯化厌氧污泥时的曝气、抽气、摇床驯化等；
图2为本发明驯化阶段进水和出水NO3 --N、NH4 +-N的浓度；
图3为本发明富集的氢自养反硝化接种微生物的组成图；
图4为本发明使用的厌氧氨氧化菌的组成图；
图5为本发明经过反应器驯化后得到的适应铵盐的氢自养反硝化生物膜菌群，以及短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜的混合菌群的组成图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中所述接种用的初始菌源可取自离心脱水后的污水处理厂厌氧段污泥(本申请人采集自上海曲阳污水厂)，在引入含有培养基的氢基质生物膜反应器中后，挂膜2天再开始连续进水。
本发明中，所用的氢基质中空纤维生物膜反应器(H2-MBfR)按常规方式自行搭建，搭建方式参考Uranium removal and microbial community in a H2-based membranebiofilm reactor(Zhou et.al，2014，Water Research，64：255-264)。该双管反应器有效体积为60ml，主反应管内有30-35根疏水性致密聚丙烯膜(外径200μm，内径100μm)，副反应管内有10-30根同一疏水性致密聚丙烯膜(该膜由Teijin公司制造)。
本发明提供的氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化同时去除硝酸盐和铵盐的方法如图1所示，简略来讲包括以下步骤：
(1)制备无机培养基：
将各无机原料和酸性微量元素溶液、碱性微量元素溶液加入至去离子水中，配成无机培养基，pH为7.4。
(2)氢自养反硝化菌富集：
进水无机培养基中添加NO3 -制成硝酸盐培养基，使NO3 --N浓度为5-50mg/L；取污水厂厌氧污泥和硝酸盐培养基加入厌氧瓶中，将污泥沉降比控制在25-50％。厌氧瓶中曝氮气以去除溶解氧；将顶空气体置换为氢气并放入恒温摇床中进行驯化；当上清液中NO3 --N浓度低于1mg/L时，将上清液替换为硝酸盐培养基；连续驯化7天以上，得到富集的氢自养反硝化接种微生物。
(3)反应器接种反硝化菌源和反硝化运行阶段：
在氢基质中空纤维生物膜反应器中接种富集的氢自养反硝化接种微生物；
然后向步骤(1)制备的无机培养基中添加NaNO3和NH4Cl制成进水Ⅰ；并将其引入到接种了富集的氢自养反硝化接种微生物的反应器，并连续运行；运行5天后，在该氢基质生物膜反应器中成功驯化出适应NH4 +的氢自养反硝化生物膜(如图5所示)。
(4)反应器接种厌氧氨氧化菌源和短程反硝化耦合厌氧氨氧化运行阶段：
向步骤(1)所得的无机培养基中添加更多的NaNO3和NH4Cl制成进水Ⅱ；替换进水Ⅰ加入到已经形成了适应NH4 +的氢自养反硝化生物膜的MBfR反应器中；
然后在MBfR反应器中接种厌氧氨氧化菌源，并连续运行21天以上，在该MBfR反应器中成功驯化出氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜(如图5所示)。
(5)将含有硝酸盐和铵盐的进水引入到驯化完成的氢基质中空纤维生物膜反应器中，连续进水运行，即完成处理。
实施例：
(1)将0.75g NaHCO3、0.2g KH2PO4、1g CaCl2·2H2O、1g MgSO4·7H2O，5mL酸性微量元素溶液、5mL碱性微量元素溶液加入至5L去离子水中，配成进水无机培养基，pH为7.4。
所述酸性微量元素溶液的配方为：每升去离子水中加入7mL 36％HCl、1.5gFeCl2·4H2O、0.19g CoCl2·6H2O、0.1g MnCl2·4H2O、70mg ZnCl2、6mg H3BO3、36mgNa2MoO4·2H2O、24mg NiCl2·6H2O、3mg CuSO4·5H2O；
所述碱性微量元素溶液的配方为：每升去离子水中加入0.5g NaOH、9mg Na2SeO3·5H2O、8mg Na2WO4·2H2O。
(2)在步骤(1)制备的无机培养基中添加NO3 -制成硝酸盐培养基，使NO3 --N浓度为25mg/L。
(3)取污水厂厌氧污泥和步骤(2)制备的硝酸盐培养基一同加入厌氧瓶中，将污泥沉降比控制在30％。
(4)向步骤(3)的厌氧瓶中曝氮气以去除溶解氧；除氧后立即盖上橡胶塞进行密封。
(5)使用抽气泵抽去步骤(4)的厌氧瓶中的顶空气体，然后将氢气注入厌氧瓶中。
(6)将步骤(5)中的厌氧瓶放入恒温摇床中进行驯化，从而通过反硝化作用去除硝酸盐培养基中的硝酸盐；当上清液中NO3 --N浓度低于1mg/L时，将上清液替换为步骤(2)中的培养基(如图5所示)。
(7)连续驯化7天以上，得到富集的氢自养反硝化接种微生物。氢自养反硝化接种微生物中含有按基因丰度比计算的下述菌种：变形菌63.63％、厚壁菌9.17％、拟杆菌8.83％、绿弯菌8.01％、酸杆菌2.71％、放线菌2.14％，其余为非培养对象的杂菌(如图3所示)。
(8)在氢基质中空纤维生物膜反应器即MBfR反应器中接种步骤(7)得到的氢自养反硝化接种微生物；其中氢基质中空纤维生物膜反应器为双管中空纤维生物膜反应器，主反应管内有30根疏水性致密聚丙烯膜，副反应管内有30根疏水性致密聚丙烯膜。
(9)在步骤(1)制备的无机培养基中添加NO3 -和NH4 +制成进水Ⅰ，使NO3 --N浓度为25mg/L，NH4 +-N浓度为20mg/L。
(10)使用蠕动泵向步骤(8)得到的MBfR反应器中注入进水Ⅰ，并调节进水流速为0.09mL/min。
(11)调节H2供应压强至0.6atm，以还原进水Ⅰ中的NO3 -。
(12)连续进水驯化20天后，出水中NO3 --N浓度低于1mg/L，得到适应NH4 +的氢自养反硝化生物膜。
(13)取步骤(1)制备的进水无机培养基，添加NO3 -和NH4 +制成进水Ⅱ，使NO3 --N浓度为50mg/L，NH4 +-N浓度为40mg/L(如图2所示)。
(14)将进水Ⅰ替换成进水Ⅱ使用蠕动泵引入到步骤(12)得到的已经形成了适应NH4 +的氢自养反硝化生物膜的MBfR反应器中，保持进水流速和氢气供应压强不变。
(15)在步骤(14)所述的MBfR反应器中接种厌氧氨氧化菌，其中厌氧氨氧化菌源中含有按基因丰度比计算的下述菌种：Candidatus Brocadia>10％、Candidatus Jettenia>1％，其余为非培养对象的杂菌(如图4所示)。
(16)连续运行35天，出水中NO3 --N浓度低于5mg/L，NH4 +-N浓度低于3mg/L，即在MBfR反应器中驯化得到了既可以去除硝酸盐又可以去除铵盐的短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜(如图2、5所示)。
整个过程控制温度为30℃，进水流速为0.09ml/min，水力停留时间为11.5h，氢气分压为0.6atm；
驯化出的氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化混合菌群中的主要菌种有：陶厄氏菌(Thauera)15.5％、嗜氢菌(Hydrogenophaga)7.3％、Candidatus_Jettenia0.02％、Candidatus_Brocadia 0.43％、亚栖热菌(Meiothermus)40.0％，等。
(17)将待处理的污水加入步骤(16)得到的已经形成了短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜的MBfR反应器中，进行处理，从而去除废水中的硝酸盐和铵盐；整个过程控制温度为30℃，进水流速为0.09ml/min，水力停留时间为11.5h，氢气分压为0.6atm。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氢基质短程反硝化耦合厌氧氨氧化同时去除硝酸盐和铵盐的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将NaHCO3、KH2PO4、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、酸性微量元素溶液、碱性微量元素溶液加入至去离子水中，配成进水无机培养基，备用；
(2)在步骤(1)制备的无机培养基中添加NO3 -制成硝酸盐培养基，使NO3 --N浓度为5-50mg/L；
(3)取污水厂厌氧污泥和步骤(2)制备的硝酸盐培养基一同加入厌氧瓶中，将污泥沉降比控制在25-50％；
(4)向步骤(3)的厌氧瓶中曝氮气以去除溶解氧；除氧后立即盖上橡胶塞进行密封；
(5)使用抽气泵抽去步骤(4)的厌氧瓶中的顶空气体，然后将氢气注入厌氧瓶中；
(6)将步骤(5)中的厌氧瓶放入恒温摇床中进行驯化，从而通过反硝化作用去除硝酸盐培养基中的硝酸盐；当上清液中NO3 --N浓度低于1mg/L时，将上清液替换为步骤(2)中的培养基；
(7)连续驯化7天以上，得到富集的氢自养反硝化接种微生物；
(8)在氢基质中空纤维生物膜反应器即MBfR反应器中接种步骤(7)得到的氢自养反硝化接种微生物；
(9)在步骤(1)制备的无机培养基中添加NO3 -和NH4 +制成进水Ⅰ，使NO3 --N浓度为10-50mg/L，NH4 +-N浓度为10-40mg/L；
(10)使用蠕动泵向步骤(8)得到的MBfR反应器中注入进水Ⅰ，并调节进水流速为0.09-0.27mL/min；
(11)调节H2供应压强至0.5-0.7atm，以还原进水Ⅰ中的NO3 -；
(12)连续进水驯化5天以上，直至出水中NO3 --N浓度低于1mg/L，得到适应NH4 +的氢自养反硝化生物膜；
(13)取步骤(1)制备的进水无机培养基，添加NO3 -和NH4 +制成进水Ⅱ，使NO3 --N浓度为50-60mg/L，NH4 +-N浓度为30-50mg/L；
(14)将进水Ⅰ替换成进水Ⅱ使用蠕动泵引入到步骤(12)得到的已经形成了适应NH4 +的氢自养反硝化生物膜的MBfR反应器中，保持进水流速和氢气供应压强不变；
(15)在步骤(14)所述的MBfR反应器中接种厌氧氨氧化菌；
(16)连续运行21天以上，直至出水中NO3 --N浓度低于5mg/L，NH4 +-N浓度低于3mg/L，即在MBfR反应器中驯化得到了既可以去除硝酸盐又可以去除铵盐的短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜；
(17)将待处理的污水加入步骤(16)得到的已经形成了短程反硝化耦合厌氧氨氧化生物膜的MBfR反应器中进行处理，从而去除废水中的硝酸盐和铵盐。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中NaHCO3、KH2PO4、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、酸性微量元素溶液、碱性微量元素溶液和去离子水的添加量的比例为0.05-0.15g:0.02-0.05g:0.05-0.2g:0.05-0.2g:0.5-1.5mL:0.5-1.5mL:1L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的酸性微量元素溶液的配方为：每升去离子水中加入1-7mL的36％HCl、1-2g的FeCl2·4H2O、0.1-0.2g的CoCl2·6H2O、0.05-0.1g的MnCl2·4H2O、10-70mg的ZnCl2、1-6mg的H3BO3、10-36mg的Na2MoO4·2H2O、10-24mg的NiCl2·6H2O、1-3mg的CuSO4·5H2O；
所述的碱性微量元素溶液的配方为：每升去离子水中加入0.1-0.5g的NaOH、1-9mg的Na2SeO3·5H2O、1-8mg的Na2WO4·2H2O。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(8)中所述的氢基质中空纤维生物膜反应器为双管中空纤维生物膜反应器，主反应管内有30-35根疏水性致密聚丙烯膜，副反应管内有10-30根疏水性致密聚丙烯膜。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)中所述的氢自养反硝化接种微生物中含有按基因丰度比计算的下述菌种：变形菌>40％、厚壁菌>5％、拟杆菌>5％、绿弯菌>5％、酸杆菌>1％、放线菌>1％，其余为非培养对象的杂菌。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(15)中，所述厌氧氨氧化菌源中含有按基因丰度比计算的下述菌种：Candidatus Brocadia>10％、Candidatus Jettenia>1％，其余为非培养对象的杂菌。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(16)中，MBfR反应器的运行条件为：连续进水并接种运行21天以上，进水流速为0.09-0.27mL/min，水力停留时间为3.8-11.5h，氢气分压为0.5-0.7atm，温度为15-35℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(17)中，MBfR反应器的运行条件为：进水流速为0.09-0.27mL/min，水力停留时间为3.8-11.5h，氢气分压为0.5-0.7atm，温度为15-35℃。
9.权利要求1～8任一项所述方法在污水处理中的应用，其特征在于，所述污水包括含有硝酸盐的生活污水、污水处理厂侧流废水，含有硝酸盐和铵盐的工业废水，被污染的地下水，以及被污染的河流或湖泊。
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