CN114956316A - 一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法，属于污水生物处理技术领域。所述方法针对短程硝化系统在重金属冲击下易失去稳定性的问题，利用间歇式低强度超声波辐照促进短程硝化污泥分泌胞外聚合物，而更高的胞外聚合物含量有助于提高短程硝化污泥抵抗重金属冲击的能力，同时对重金属耐受性能更强的微生物亦被从菌群中筛选出来。利用本发明，经过35天的超声处理，短程硝化污泥的重金属半抑制浓度提高了18.60％，达到了提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的目的。
Description
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法。
背景技术
近年来，研究者在脱氮理论得到突破、创新的基础上，提出了以短程硝化反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化为典型代表的新型脱氮工艺，生物脱氮有望更加高效、经济。而推广应用新型脱氮工艺的瓶颈在于难以实现稳定的短程硝化过程。短程硝化的相关菌群对外界影响因素敏感，进水中广泛存在的毒性物质，如化学品、抗生素和重金属，都将影响其效率。工业的快速发展增加了污水处理厂受到含重金属废水冲击的风险。当重金属浓度超过阈值时，微生物活性下降甚至大量死亡，宏观上表现为处理效率下降、出水水质恶化。此外，重金属既不能被微生物降解，也难以被水体自净作用消除，只能发生形态间的相互转化及分散和富集过程，更是加重了其风险性。
重金属的存在，对于生物脱氮工艺的稳定运行是极大的挑战。现有的关于提高短程硝化工艺抗重金属冲击性能的研究较少，而相关的防护策略主要分为前置预处理、投加药剂、更换污泥、在受到重金属冲击后通过辅助手段加速污泥活性恢复等，存在成本高、设备闲置、针对性不强的问题。因此，有必要通过特定手段强化微生物的抗重金属冲击能力，提高其在重金属存在的情况下处理污水的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法。为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
1)采用SBR反应器，接种启动成功的短程硝化污泥，调节混合液悬浮固体浓度为2500～3000mg/L；
2)污泥与进水搅拌混合，启动SBR反应器以对污泥进行培养；
3)每日对污泥进行一次超声处理，超声处理结束后将污泥倒回原反应器，开始下个周期的运行；
进一步地，步骤2)中反应器运行参数为：每天运行3个周期，单个周期包括进水5min，反应5h，沉淀1h，排水5min，其余时间静置。其中反应阶段为缺氧好氧交替运行模式，每30min交替一次；溶解氧控制在1～2mg/L；体积交换比50％。温度控制在25℃。
进一步地，步骤2)中进水中COD浓度范围为150～300mg/L、氨氮浓度范围为30～80mg/、总磷浓度范围为2～4mg/L；通过投加NaHCO3溶液使反应器内pH控制在7.5；
作为优选的技术方案，进水的COD、氨氮、总磷浓度分别为200、60、3mg/L。
进一步地，步骤3)中采用的超声波的超声强度为0.15～0.20W/mL。
作为优选的技术方案，超声波的超声强度为0.20W/mL。
进一步地，步骤3)中采用的超声波的运行方式为间歇式，输出2s间歇2s。
进一步地，步骤3)中采用的超声波其辐照时间为15min。
进一步地，所述重金属包括Cu、Zn和Cd，优选Cd。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：①使用低强度超声波可有效提高短程硝化污泥抵抗重金属冲击的能力；②采用的低强度超声波是一种物理手段，无需投加其他药剂，具有清洁、高效的特点；③方法操作简单，易于实施。
附图说明
图1为本发明实施例1对照组和超声组污泥的在不同镉浓度下的硝化活性及半抑制浓度拟合图；
图2为本发明实施例1对照组和超声组在重金属冲击下的运行情况图；
图3为本发明实施例1对照组和超声组吸附容量随吸附时间变化曲线图；
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行完整、清晰的描述，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而非全部实施例。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的实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
平行运行2组SBR反应器(有效容积为3.5L)。接种污泥取自已成功启动的序批式短程硝化反应器，在体系内镉离子浓度为30mg/L的条件下运行8小时。每天运行3个周期，单个周期包括进水5min，反应5h，沉淀1h，排水5min，其余时间静置。其中反应阶段为缺氧好氧交替运行模式，每30min交替一次；溶解氧控制在1～2mg/L；体积交换比50％。温度控制在25℃。进水COD、氨氮、总磷浓度分别为200、60、3mg/L。对照组不超声，超声组每日超声一次。待反应器排水结束后将剩余泥水混合物转移至烧杯中；调节托盘高度，使变幅杆末端浸入液面下1～2cm，设置超声强度为0.20W/mL，超声辐照时间为15min，运行方式为间歇式(输出2s间歇2s)。待超声处理完成后将污泥倒回原反应器中，开始下一个周期的运行。
持续运行35天后，考察污泥在Cd冲击下的运行情况，测定Cd对污泥的半抑制浓度(IC50)、胞外聚合物(EPS)成分及含量、污泥对重金属离子的吸附容量，并对污泥取样进行菌群高通量分析。
测试及分析方法：
NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N和MLSS均参照标准方法测定；其中，NH4 +-N采用纳氏试剂光度法；NO2 --N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；NO3 --N采用紫外分光光度法；MLSS采用重量法。亚硝态氮积累率(NAR)为亚硝态氮与亚硝态氮、硝态氮二者之和的比值。采用超声-热提取法对污泥中的EPS进行提取，EPS中的多糖(PS)成分采用苯酚-硫酸法进行测定，以葡萄糖为基准物质进行标定；蛋白质(PN)成分采用Bradford法进行测定，以牛血清蛋白为基准物质进行标定。通过测定溶液中游离态Cd浓度变化，结合污泥浓度，计算得出污泥吸附容量。重金属含量使用电感耦合等离子体发射光谱仪(PerkinElmer，Avio 200)测定。污泥样本寄送至生工生物工程(上海)股份有限公司进行检测。
对照组和超声组污泥在不同镉浓度下的硝化活性如图1(a)所示。随着Cd浓度的增加，AOB活性逐渐降低，Cd对短程硝化污泥活性有明显的抑制作用。不同浓度Cd胁迫下污泥的相对活性如图1(b)所示，并以此拟合得到IC50。结果显示，Cd对对照组和超声组反应器污泥的IC50分别为24.51和29.07mg/L，超声组相比对照组提高了18.60％。IC50增加表明超声处理有助于提高短程硝化污泥对Cd的耐受性。
图2是经过35天培养后对照组和超声组在10mg/L冲击下的运行情况。从NAR上看，对照组在Cd冲击下由驯化期的95％左右，最低下降至42％，随后回升至80％～90％；而超声组在冲击周期的NAR并未下降，在冲击结束后略微下降至87％，随后立刻又恢复到了原有水平，说明经过35天的超声驯化，短程硝化污泥在Cd冲击下的抵抗能力和恢复速度均得到显著提高。
超声组和对照组的EPS组分及含量如表1所示。从EPS总量上看，超声组为59.60±1.44mg/g MLSS，相比于对照组增加了46.29％。持续性的超声辐照促进了微生物胞内外物质交换和代谢合成过程，使更多的胞内聚合物被分泌至外部形成EPS。从成分上看，超声组EPS中蛋白质和多糖总含量的提高，意味着污泥表面有更多的活性点位能够同Cd结合。此外，EPS中多糖含量的提高，能够促进重金属在被污泥吸附后向更加稳定的形态转变。综上所述，超声辐照促进了微生物的代谢合成过程，导致EPS含量尤其是多糖含量的提高，有利于微生物对Cd的抵抗。
表1对照组和超声组EPS组分及含量
注：表中EPS含量单位均为mg/g MLSS。
图3是经过35天培养对照组和超声组吸附容量随吸附时间的变化曲线。由图可知，对照组和超声组污泥在吸附时间为360min时，其对应的吸附容量分别为10.88mg/gMLSS和12.93mg/gMLSS，超声组相比对照组提高了18.79％。这表明经过超声辐照后污泥对重金属的吸附性能增强，阻碍了其向胞内转移的过程，因而具备更强的抵抗重金属能力。
表2反映了对照组R1和超声组R2反应器微生物在门水平上的主要群落变化。可以看出在门水平上低强度超声波使Bacteroidetes优势地位得到强化，Verrucomicrobia、Acidobacteria和Planctomycetes成为新的优势菌门。拟杆菌门Bacteroidetes中的微生物可以适应极端环境，在抵抗和适应重金属冲击中发挥重要作用。Verrucomicrobia、Acidobacteria和Planctomycetes中的微生物能够通过向外界分泌多糖和蛋白质以抵御重金属冲击和降低毒性效应。因此，门水平上优势种群发生的更替，尤其是可能含有耐重金属微生物的菌群所占比例增加，增强了系统在应对重金属冲击时的稳定性。
表2对照组和超声组反应器微生物群落在门水平上的组成表
表3是对照组R1和超声组R2反应器微生物群落在属水平上的相对丰度。可以看出，对照组R1及超声组R2中均未检测出NOB的存在，二者主要的AOB同为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)并且相对丰度大致相当。在耐重金属的特殊菌种上，重金属耐受性要比其他细菌更强的Ohtaekwangia和Comamonas、Aridibacter，其相对丰度都有不同程度的提高。能生物沉淀重金属的Achromobacter、Acinetobacter和Thermomonas，其相对丰度分别由对照组R1的0、0.19％、1.83％提高至超声组R2的0.05％、0.22％、1.95％。
表3对照组和超声组反应器微生物群落在属水平上的相对丰度表相对丰度/％
综上所述，适宜强度的超声处理(0.20W/mL，15min)能够对短程硝化污泥中的微生物进行筛选，使对重金属具有抗性的微生物在相对丰度和种类上得到提升，有利于提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能。
Claims (7)
1.一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)采用SBR反应器，接种启动成功的短程硝化污泥，调节混合液悬浮固体浓度为2500～3000mg/L；
2)污泥与进水搅拌混合，启动SBR反应器以对污泥进行培养；
3)每日对污泥进行一次超声处理，超声处理结束后将污泥倒回原反应器，开始下个周期的运行。
2.根据权利要求1所述的一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法，其特征在于，步骤2)所述反应器运行参数为：每天运行3个周期，单个周期包括进水5min，反应5h，沉淀1h，排水5min，其余时间静置。其中反应阶段为缺氧好氧交替运行模式，每30min交替一次；溶解氧控制在1～2mg/L；体积交换比50％。温度控制在25℃。
3.根据权利要求1所述的一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法，其特征在于，步骤2)所述进水中COD浓度范围为150～300mg/L、氨氮浓度范围为30～80mg/、总磷浓度范围为2～4mg/L；通过投加NaHCO3溶液使反应器内pH控制在7.5。
4.根据权利要求1所述的一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法，其特征在于，步骤3)中，采用的超声波的超声强度为0.15～0.20W/mL。
5.根据权利要求1所述的一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法，其特征在于，步骤3)中，采用的超声波的运行方式为间歇式，输出2s间歇2s。
6.根据权利要求1所述的一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法，其特征在于，步骤3)中，采用的超声波其辐照时间为15min。
7.根据权利要求1所述的一种提高短程硝化污泥抗重金属冲击性能的方法，其特征在于，所述重金属包括Cu、Zn和Cd。
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Citations (6)
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2022
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Also Published As
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|---|---|
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