CN115536144B - 一种硫自养反硝化菌的快速富集方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硫自养反硝化菌的快速富集方法及装置，首先在富集培养器中通入1/3‑1/2有效体积的硫溶液，其中硫含量为进料硝氮浓度理论需硫量的1‑2倍；启动进料液并搅拌培养，进料液中硫含量为硝氮浓度理论需硫量，最终培养体系中硫含量为理论需硫量的2‑3倍，当培养至硝氮浓度接近10mg/L时，通过培养器内设置的膜组件排水50%‑60%，再次进料进行下一周期培养；重复上述过程至培养结束。本发明在物料用量与现有技术相同情况下实现了硫自养反硝化菌的快速富集培养，缩短了培养时间。
Description
技术领域
本发明属于环境微生物领域，具体涉及一种硫自养反硝化菌的快速富集方法及装置。
背景技术
硝化和反硝化技术是目前污水脱氮领域应用范围最广、最成熟的生物脱氮技术。近些年，随着节能降耗意识的不断增强，低成本反硝化脱氮技术的应用与研究成为一个热点。
反硝化技术可分为异养反硝化和自养反硝化两种。异养反硝化是指反硝化细菌利用有机碳源，将废水中的硝酸盐或/和亚硝酸盐还原成氮气的过程。异养反硝化过程脱氮效率高，菌种增殖快易培养，所以目前绝大多数的污水处理厂都是采用异养反硝化脱氮。但当废水中碳氮比较低时，该过程对有机碳源消耗量较大，这极大的增加了污水处理厂的运行成本。另外，异养反硝化过程会释放大量的二氧化碳、一氧化二氮等温室气体，有悖于低碳环保理念。
自养反硝化是指自养反硝化菌利用硫磺、铁粉或硫铁矿等还原态基质将硝氮还原为氮气的过程。全程无有机碳源参与，自养脱氮运行成本相较于异养反硝化过程大幅降低，且自养脱氮过程无温室气体排放，因此自养反硝化脱氮过程成为低碳氮比废水脱氮领域的一个研究热点，尤其是硫自养反硝化脱氮技术。硫自养反硝化脱氮技术早已提出，但是由于硫自养反硝化菌增殖慢、难富集，限制了其大规模的推广应用。
CN111500481A公开了一种硫自养反硝化菌的驯化培养方法及其应用，该菌采用周期运行的培养方式，向预先配制好的硝酸盐浓度为40mg/L的培养基质中加入电子供体和接种污泥得到混合溶液，在培养条件为pH7.0-7.3，温度30±5℃，转速150rpm下培养驯化硫自养反硝化菌，氨氮去除率稳定达到90%之后，记录时间，一个驯化周期结束；硝酸盐浓度按照40、60、80、100、120mg/L的梯度进行下一个周期的驯化，直到驯化完成。该方法通过富集驯化使活性污泥在好氧反硝化中脱氮作用稳定，氨氮除去率保证90%以上。但是，该方法驯化时间较长，且通过氨氮去除率作为硫自养反硝化菌的监控参数效果没有以硝氮作为监控参数变化明显。
CN107746107A公开了一种硫自养反硝化脱氮除硫反应器，包括反应器本体和底座，所述的反应器本体固定于所述的底座上，反应器本体自下而上设置有进水区、单质硫回收区、硫自养反硝化区、三相分离区、出水区和集气区；所述的进水区和单质硫回收区之间设有滤布；所述的出水区设置有溢流堰与出水口，所述的出水口与出水管相连；所述的集气区设有出气口；所述的三相分离区上部设有搅拌装置。有益效果体现在：反应器在单质硫回收区设置滤布，避免单质硫堵塞进水口的情况发生；反应器设有搅拌装置，使基质与颗粒污泥充分接触反应，大大提高了脱氮和除硫的效率。但是，该反应器利用滤布截留硫磺的效果要弱于利用膜截留的效果，并且操作自动化程度较低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种硫自养反硝化菌的快速富集方法及装置。本发明在物料用量与现有技术相同情况下实现了硫自养反硝化菌的快速富集培养，缩短了培养时间。
本发明提供的硫自养反硝化菌的快速富集方法，包括如下内容：先在富集培养器中通入1/3-1/2有效体积的硫溶液，其中硫含量为进料硝氮浓度理论需硫量；启动进料液并搅拌培养，进料液中硫含量为硝氮浓度理论需硫量，最终培养体系中硫含量为理论需硫量的2-3倍，当培养至硝氮浓度接近10mg/L时，通过培养器内设置的膜组件排水50%-60%，再次进料进行下一周期培养；重复上述过程至系统中硫自养反硝化菌占比增长1倍以上结束培养。
本发明中，所述的富集培养器为常规培养反硝化菌的厌氧反应器，其中设有进水口、排水口、搅拌组件、温度、pH调控系统等。富集培养器内部设有膜组件，膜组件为微滤膜，如可以为平板膜、中空纤维膜等中的一种，膜组件与排水系统内部连通，排水时通过膜组件截留固形物如硫自养反硝化菌、硫粉等，以避免流失。
本发明中，所述的硫溶液中的硫一般为硫磺粉末，粒径在100-500目。
本发明中，所述硫溶液中硫含量，根据硫自养反硝化菌在培养体系中反应式（1.1S+NO3 -+0.76H2O+0.4CO2+0.08NH4 +→0.5N2+1.1SO4 2-+1.28H++0.08C5H7O2N）确定，按照进料中硝氮浓度理论需硫量的1-2倍进行投加，硫溶液中不含硝氮、氨氮等物质。
本发明中，所述进料液中硝氮浓度一般为50-100mg/L，氨氮浓度为1-5mg/L。其中提供硝氮的物质可以为硝酸钠、硝酸钾等中的至少一种，提供氨氮的物质可以是硫酸铵、氯化铵、碳酸氢铵、碳酸铵等中的至少一种。进一步的，所述的进料液中还包括钙离子、镁离子和亚铁离子，其中CaCl2为0.02-0.03g/L，MgSO4为0.05-0.06g/L，FeSO4为0.0010-0.0012g/L。进一步的，所述进料液中还包括少量营养液，浓度为1.0-1.5g/L；其中每升营养液中含有EDTA 10g、FeCl3•6H2O 1.5g、ZnSO4•7H2O 0.12g、MnCl2•4H2O 0.12g、H3BO3 0.15g、KI 0.18g、Na2MoO4•2H2O 0.06g、CuSO4•5H2O 0.03g、CoCl2•6H2O 0.15g。
本发明中，所述的进料液中硫含量为硝氮浓度理论需硫量，当进料至富集培养器有效体积后，停止进料，最终培养体系中硫含量为理论需硫量的2-3倍。
本发明中，根据硫自养反硝化反应过程，需要投加适量碱度，如碳酸氢钠、碳酸氢钾等中的至少一种。一般按照理论值向进料中投加碱性物质，优选地，进料液中碱度投加量为理论值的3-4倍。
本发明中，利用在线硝氮分析仪监测体系中的硝氮浓度，当硝氮浓度接近10mg/L时结束培养，排水，进入下一周期。
本发明中，每个周期结束后，通过膜组件排水50%-60%至集水罐，膜组件能够截留硫自养反硝化菌和剩余的硫粉。集水罐中的排水可以循环用于后续进料液的配制用水。当排水中硫酸根离子浓度达到20000mg/L时，则排水不再循环使用，采用新鲜水配制进料液。
本发明中，培养启动前，向富集培养器内接种硫自养反硝化污泥，按照培养体系中污泥浓度为3000-4000mg/L进行接种。
本发明中，富集培养条件为：溶解氧浓度低于0.1mg/L，温度为20-35℃，pH为7.0-8.0，搅拌速度50-60r/min。
本发明中，在体系中投加1,5-二磷酸核酮糖，投加量为0.1-5mg/L。
本发明还提供了一种用于上述硫自养反硝化菌的快速富集方法的培养装置，主要包括进料单元、培养单元和排水循环单元，其中进料单元主要包括进料罐、进料泵，用于将进料液输送至培养器中；培养单元主要包括富集培养器、搅拌器、膜组件、控制系统和监测系统等，用于对培养体系进行调控和监测；排水循环单元主要包括排水泵、集水罐和循环管路，用于培养结束后排水，以及将膜组件排水通过循环管路输送回进料单元中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）在硫自养反硝化菌培养体系中，一般是根据体系发生反应式中理论配比进行物料投加，如按硝氮浓度确定硫粉理论投加量，以避免影响处理效果及造成浪费。但发明人在研究中发现，先在培养器中通入一定体积的硫溶液，其中硫含量为进料硝氮浓度理论需硫量的1-2倍，然后启动进料，进料液中硫含量为硝氮浓度理论需硫量的1倍，最终培养体系中硫浓度为理论值的2-3倍，后续排水时仅排出50%-60%体积的水，并进行循环使用，通过这样的调控，在物料用量（硫粉）与现有技术接近的情况下实现了硫自养反硝化菌的快速富集培养，缩短了培养时间。
（2）在调控硫含量和进料方式基础上，同时对每个培养周期中碱度进行调控，使每个周期碱度投加量为理论值的3-4倍，再结合排水循环利用，不会造成碱度用量提升，进一步提升了培养效率。
（3）在体系中投加1,5-二磷酸核酮糖，促进硫自养反硝化菌富集生长，进一步缩短培养时间。
（4）本发明培养过程自动化程度高，获得的硫自养反硝化菌脱氮活性强，适用于大规模应用。
附图说明
图1是本发明富集培养装置的一种流程示意图；
其中：1-进料罐，2-搅拌器，3-进料泵，4-富集培养器，5-膜组件，6-排水泵，7-集水罐，8-硝氮在线检测仪，9-PLC控制系统，10-排空阀。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明方法和效果作进一步详细说明。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为本领域常规方法。下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均可从生化试剂商店购买得到。
本发明实施例中，硝酸盐氮采用在线检测分析仪进行检测，硫自养反硝化菌占比采用宏基因组微生物分类测序测定，碱度采用GB/T 9736-2008《化学试剂酸度和碱度测定通用方法》，氨氮浓度采用GB7478-87《水质-铵的测定-蒸镏和滴定法》测定，硫酸根离子浓度采用GB11899-1989《水质硫酸盐的测定重量法》测定。
本发明实施例采用的富集培养装置如附图1所示，首先在富集培养器中通入1/3-1/2有效体积的硫溶液，并按污泥浓度3000-4000mg/L接种硫自养反硝化污泥。启动进料并搅拌培养，进料罐1中配制好的进料液通过进料泵3输送至富集培养器4中。通过硝氮在线检测仪8，PLC控制系统9对培养体系进行调控和监测，当培养至硝氮浓度接近10mg/L时，通过培养器内设置的膜组件5经排水泵6排水50%-60%，再次进料进行下一周期培养；重复上述过程至系统中硫自养反硝化菌占比增长1倍以上结束培养，经排空阀10收集培养好的污泥。
实施例使用的硫自养反硝化菌活性污泥取自某水处理系统，经宏基因组微生物分类测序测定，测得污泥中硫自养反硝化菌占比约为7.4%。
实施例1
富集培养器有效容积4L，膜组件为平板膜，接种硫自养反硝化污泥，接种后MLSS为3500mg/L。
制备2.0L的硫溶液，投加粒径为200目的硫磺粉末，搅匀后使硫含量为252mg/L（相当于理论值）。
进料罐中配制进料液40L，其中硝氮浓度（硝酸钠）为100mg/L，氨氮浓度（硫酸铵）为3mg/L，硫含量为252mg/L，碱度为909mg/L（相当于理论值），进料液中投加0.02g/LCaCl2、0.06g/L MgSO4、0.0012g/L FeSO4和1.3g/L营养液。
当进料至富集培养器有效体积后，即2.0L停止进料，最终培养体系中硫含量为理论需硫量的2倍。
富集培养条件为：溶解氧浓度低于0.1mg/L，温度为25℃，pH为7.5，搅拌速度55r/min。
随着硫自养反硝化反应的进行，系统中硝氮浓度逐渐降低，当系统中硝氮浓度接近10mg/L时排水泵6启动，通过膜组件排水50%至集水罐7，即完成一个周期的培养。一个周期结束后，硫自养反硝化菌降解硝氮所用的硫粉量等同于进料中含有的硫粉量，培养装置中的硫含量几乎没有变化，排水过程硫粉被膜组件截留，保证下一周期培养系统中的硫浓度依然维持在理论值的2倍。
出水在集水罐收集至40L后，测得其中残留硝氮浓度为10mg/L左右，碱度为1950mg/L，硫酸根离子浓度为1750mg/L，以收集到的出水作为后续培养的用水配置进料。随着培养过程的进行，当硫酸根离子浓度达到20000mg/L时，集水罐收集的出水排掉，以新鲜水作为进料配水。
整个培养过程中，装置运行稳定，硫自养反硝化污泥脱氮效率高，用时约9天系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍，结束培养。系统的硝酸盐去除效率由最初的0.15kgN/m3/d增长至0.43kg/m3/d。
实施例2
同实施例1，不同在于，制备2.0L的硫溶液，投加粒径为500目的硫磺粉末，搅匀后使硫含量为504mg/L（相当于理论值的2倍）。进料液组成不变，当进料至富集培养器有效体积后，即2.0L停止进料，最终培养体系中硫含量为理论需硫量的3倍。
系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约11天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.16kgN/m3/d增长至0.47kg/m3/d。
实施例3
同实施例1，不同在于，进料罐中配制进料液40L，其中硝氮浓度、氨氮浓度不变，硫含量提高为504mg/L。当进料至富集培养器有效体积后，即2.0L停止进料，最终培养体系中硫含量为理论需硫量的3倍。
系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约13天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.16kgN/m3/d增长至0.39kg/m3/d。
实施例4
同实施例1，不同在于，进水硝氮浓度为50mg/L，氨氮浓度为5mg/L。系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约12天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.15kgN/m3/d增长至0.45kg/m3/d。
实施例5
同实施例1，不同在于，提供硝氮的物质为硝酸钾，提供氨氮的物质为碳酸铵。系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约15天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.14kgN/m3/d增长至0.44kg/m3/d。
实施例6
同实施例1，不同在于，进料中碱度投加量为理论值的4倍，即3636mg/L进行投加。系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约11天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.15kgN/m3/d增长至0.34kg/m3/d。
实施例7
同实施例1，不同在于：体系中投加1,5-二磷酸核酮糖1.0mg/L。系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约8天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.15kgN/m3/d增长至0.46/m3/d。
比较例1
同实施例1，不同在于：未事先在富集培养器中通入2.0L硫溶液，按照常规启动进料并进行培养，最终培养体系中硫含量为理论需硫量的1倍。系统中硫自养反硝化菌占比长一倍用时约26天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.15kgN/m3/d增长至0.29kgN/m3/d。
比较例2
同实施例1，不同在于：集水罐中收集的出水中硫酸根离子浓度达到21000mg/L，继续用作进料配水。系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约30天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.15kgN/m3/d增长至0.27kg/m3/d。
比较例3
同实施例1，不同在于：进料液中未投加钙离子、镁离子和亚铁离子。系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约24天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.15kgN/m3/d增长至0.30kg/m3/d。
比较例4
同实施例1，不同在于，进料液中未投加营养液。系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约28天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.15kgN/m3/d增长至0.26kg/m3/d。
比较例5
同实施例1，不同在于，培养结束后控制硝氮浓度低于5mg/L停止培养。系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约25天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.14kgN/m3/d增长至0.31kg/m3/d。
比较例6
同实施例1，不同在于，排水时通过膜组件将水排出80%，然后再启动进入进料液。运行8天后排水时膜组件过膜压差达到0.042Mpa，出现膜污染。清洗膜组件后继续培养，系统中硫自养反硝化菌占比增长一倍用时约19天，结束培养时系统的硝酸盐去除效率由最初的0.14kgN/m3/d增长至0.33kg/m3/d。
Claims (16)
1.一种硫自养反硝化菌的快速富集方法，其特征在于包括如下过程：先在富集培养器中通入1/3-1/2有效体积的硫溶液，所述硫溶液中不含硝氮、氨氮，硫含量根据硫自养反硝化菌在培养体系中反应式1.1S+NO3 -+0.76H2O+0.4CO2+0.08NH4 +→0.5N2+1.1SO4 2-+1.28H++0.08C5H7O2N确定，其中硫含量为进料硝氮浓度理论需硫量的1-2倍；启动进料液并搅拌培养，所述进料液中包括硝氮、氨氮、钙离子、镁离子、亚铁离子和营养液，其中硝氮浓度为50-100mg/L，进料液中硫含量为硝氮浓度理论需硫量，当进料至富集培养器有效体积后，停止进料，最终培养体系中硫含量为硝氮浓度理论需硫量的2-3倍，当培养至硝氮浓度接近10mg/L时，通过培养器内设置的膜组件排水50%-60%，再次进料进行下一周期培养；重复上述过程至培养结束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的富集培养器内部设有膜组件，膜组件为微滤膜，膜组件与排水系统内部连通，排水时通过膜组件截留固形物。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述膜组件为平板膜、中空纤维膜中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的硫溶液中的硫为硫磺粉末，粒径在100-500目。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述进料液中氨氮浓度为1-5mg/L。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于：提供硝氮的物质为硝酸钠、硝酸钾中的至少一种，提供氨氮的物质是硫酸铵、氯化铵、碳酸氢铵、碳酸铵中的至少一种。
7.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于：所述的进料液中还包括钙离子、镁离子和亚铁离子，其中CaCl2为0.02-0.03g/L，MgSO4为0.05-0.06g/L，FeSO4为0.0010-0.0012g/L。
8. 根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于：所述进料液中营养液的浓度为1.0-1.5g/L；其中每升营养液中含有EDTA 10g、FeCl3•6H2O 1.5g、ZnSO4•7H2O 0.12g、MnCl2•4H2O0.12g、H3BO3 0.15g、KI 0.18g、Na2MoO4•2H2O 0.06g、CuSO4•5H2O 0.03g、CoCl2•6H2O 0.15g。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在进料液中投加碱，使进料液中碱度为理论值的3-4倍。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：碱为碳酸氢钠、碳酸氢钾中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：每个周期结束后，通过膜组件排水50%-60%至集水罐，膜组件截留硫自养反硝化菌和剩余的硫粉。
12.根据权利要求1或11所述的方法，其特征在于：集水罐中的排水循环用于后续进料液的配制用水，当排水中硫酸根离子浓度达到20000mg/L时，则排水不再循环使用，采用新鲜水配制进料液。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：培养启动前，向富集培养器内接种硫自养反硝化污泥，按照培养体系中污泥浓度为3000-4000mg/L进行接种。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：富集培养条件为：溶解氧浓度低于0.1mg/L，温度为20-35℃，pH为7.0-8.0，搅拌速度50-60r/min。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在培养体系中投加1,5-二磷酸核酮糖，投加量为0.1-5mg/L。
16.一种用于权利要求1-15任意一项所述硫自养反硝化菌的快速富集方法的培养装置，其特征在于主要包括进料单元、培养单元和排水循环单元，其中进料单元主要包括进料罐、进料泵，用于将进料液输送至培养器中；培养单元主要包括富集培养器、搅拌器、膜组件、控制系统和监测系统，用于对培养体系进行调控和监测；排水循环单元主要包括排水泵、集水罐和循环管路，用于培养结束后排水，以及将膜组件排水通过循环管路输送回进料单元中。
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Effective date of registration: 20240115 Address after: 100728 No. 22 North Main Street, Chaoyang District, Beijing, Chaoyangmen Applicant after: CHINA PETROLEUM & CHEMICAL Corp. Applicant after: Sinopec (Dalian) Petrochemical Research Institute Co.,Ltd. Address before: 100728 No. 22 North Main Street, Chaoyang District, Beijing, Chaoyangmen Applicant before: CHINA PETROLEUM & CHEMICAL Corp. Applicant before: DALIAN RESEARCH INSTITUTE OF PETROLEUM AND PETROCHEMICALS, SINOPEC Corp. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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