CN116002858B - 一种利用塑料际富集厌氧氨氧化菌并快速启动厌氧氨氧化过程的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用塑料际富集厌氧氨氧化菌并快速启动厌氧氨氧化过程的方法，属于污水生物处理技术领域。本发明在短程硝化耦合厌氧氨氧化系统中，选择序批式固定床生物膜反应器，培养微塑料生物膜(塑料际)。在厌氧氨氧化菌成功在微塑料表面富集后，将塑料包取出，验证了其具有较高的厌氧氨氧化活性。之后在不具有厌氧氨氧化性能的活性污泥系统中接种塑料际，在较短的周期内实现了厌氧氨氧化的启动和生物强化。且塑料际可以重复利用，易于在实际污水生物脱氮处理中应用和推广。
Description
技术领域
本发明涉及污水生物处理领域，特别地，涉及一种厌氧氨氧化菌富集及厌氧氨氧化快速启动的方法。
背景技术
由于传统污水生物处理工艺对碳源的需求量高，而我国的城市污水中有机物含量偏低，从而导致传统AAO工艺的出水难以稳定地达到一级A总氮出水标准，低C/N比是中国污水中生物脱氮的主要挑战。为了提高氮的去除，需要加入额外的有机物进行反硝化。这不仅增加了废水处理的成本，还增加了二氧化碳的排放，不符合碳中和的目标。因此亟需开发高效和经济的污水生物脱氮技术。
厌氧氨氧化工艺不但可以提高总氮的去除率，还可以减少投加有机物的成本和运行成本，且污泥产量低，并降低二氧化碳的排放量，符合碳中和的目标，是一种高效节能的生物自养脱氮工艺。厌氧氨氧化过程是在缺氧的条件下，厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐作为电子受体将氨氮转化为氮气的过程，这一工艺已经被人们提出并关注有20年的时间。厌氧氨氧化过程有许多优点，但厌氧氨氧化菌的生长速度慢，对环境条件(如高pH值和高温)高度敏感。而生物质固定化，如基于载体的生物膜，是保留并富集厌氧氨氧化菌的可行策略。由于微塑料(直径小于5mm的塑料颗粒)具有较大的比表面积，利于微生物的定殖，形成塑料际。因此，开发一种利用塑料际富集厌氧氨氧化的方法，具有可行性且易于操作。
现有的研究中，通过添加还原石墨烯氧化物、二价铁离子、富集厌氧氨氧化菌的聚乙烯醇-海藻酸钠等的方法启动厌氧氨氧化工艺，启动时间从33天至50天不等。而由于塑料际对厌氧氨氧化菌的选择富集性，可以在短时间内快速启动厌氧氨氧化工艺。因此，通过塑料际生物强化的方法快速启动厌氧氨氧化工艺，具有实际意义且迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于开发一种使用塑料际富集厌氧氨氧化菌的方法，并利用塑料际在不含厌氧氨氧化性能的活性污泥系统中，快速启动厌氧氨氧化工艺。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
步骤一：构建微塑料包，所述微塑料包为尼龙布包裹不同材质的微塑料颗粒。所述微塑料颗粒为：聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种或几种。构建第一反应装置，第一反应装置能够实现间歇进出水，并提供低氧的环境，所述第一反应装置为序批式固定床生物膜反应器(SFBBR)，工艺为短程硝化耦合厌氧氨氧化，所述低氧环境提供装置为曝气泵和搅拌桨，填料为聚乙烯填料，填充比为20-60％，排水比为40-80％；
步骤二：将微塑料包悬挂在第一反应装置中，进行短程硝化耦合厌氧氨氧化反应，实现塑料际富集厌氧氨氧化菌，第一反应装置进水包括氨氮和无机碳源，所述无机碳源可为碳酸氢钠、碳酸钠等，每周期反应时间为6.5-8.0h，溶解氧维持在0.8-1.2mg/L，温度维持在30-35℃，pH为7.8-8.2，运行150-250周期；
步骤三：将步骤二反应后的微塑料包从第一反应装置中取出，并加入到活性污泥中，构建第二反应装置，第二反应装置能够实现间歇进出水，并提供缺氧的环境，所述第二反应装置为序批式反应器(SBR)，所述缺氧环境提供装置为搅拌桨，排水比为40-60％；
步骤四：第二反应装置进水包括氨氮、亚硝态氮和无机碳源，所述无机碳源可为碳酸氢钠、碳酸钠等，每周期反应时间为11.5-13.5h，温度维持在30-35℃，pH为7.8-8.2，运行10-25周期；实现快速启动并进行厌氧氨氧化反应。
本发明使用塑料际在短程硝化厌氧氨氧化系统中富集厌氧氨氧化菌，并在不具有厌氧氨氧化能力不含厌氧氨氧化菌的污泥中，接种该塑料际，成功快速启动厌氧氨氧化工艺，实现厌氧氨氧化的生物强化。本发明有益效果在于：
(1)本发明适用于污水的生物脱氮，为富集厌氧氨氧化菌提供新的策略；
(2)本发明通过接种富集厌氧氨氧化菌的塑料际，在SBR中在7天的时间内快速启动厌氧氨氧化。
(3)本发现实现富集厌氧氨氧化菌的塑料际的重复利用，对活性污泥的厌氧氨氧化性能进行生物强化。本策略易于在实际中推广。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行说明。应理解，所描述的实施例仅为本发明的一部分，而非全部实施例。本领域普通技术人员基于本申请实施例所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
厌氧氨氧化是近年来兴起的污水生物脱氮工艺，无需曝气，也无需投加额外的碳源，即可将污水中的氨氮转化为氮气，实现深度自养脱氮。然而厌氧氨氧化菌生长速率缓慢，对外界的环境敏感，导致厌氧氨氧化工艺难以启动或启动时间长。故而，提出一种富集厌氧氨氧化菌的方法，并通过生物强化，使厌氧氨氧化工艺快速启动，是一种具有吸引力和实际应用价值的策略。
基于以上，本发明提出一种利于塑料际富集厌氧氨氧化菌的方法，并通过生物强化，快速启动厌氧氨氧化工艺。该方法可以包括以下步骤：
步骤一：构建微塑料包，微塑料包为尼龙布包裹不同材质的微塑料颗粒。所述微塑料颗粒分别为：聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。构建第一反应装置，第一反应装置包括反应器、曝气装置、搅拌装置和填料。反应器可为SFBBR，曝气装置可为曝气泵，搅拌装置可为搅拌桨，填料可为聚乙烯填料。反应器以能实现间歇进出水，并提供低氧环境为准，本发明对第一反应装置类型及其具体参数不作限制。
步骤二：培养塑料际，使厌氧氨氧化菌在微塑料表面富集。将微塑料包悬挂在所述第一反应装置中。第一反应装置进水包括氨氮和无机碳源。所述无机碳源可为碳酸氢钠、碳酸钠等。反应器工艺可为短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺。每周期反应时间为6.5-8.0h，温度维持在30-35℃，运行100-250周期。
步骤三：收集塑料际，将所属微塑料包从所述第一反应装置中取出，并加入到活性污泥中，构建第二反应装置。第二反应装置能够实现间歇进出水，并提供缺氧的环境。所述第二反应装置可为SBR，所述活性污泥可为反硝化污泥，所述缺氧环境提供装置可为搅拌桨。本发明对第二反应装置类型及其具体参数不作限制。
步骤四：厌氧氨氧化生物强化。所述第二反应装置进水包括氨氮、亚硝态氮和无机碳源。所述无机碳源可为碳酸氢钠、碳酸钠等。每周期反应时间为11.5-13.5h，运行10-25周期；
实施例1
本实施例采用SFBBR反应器为反应装置，有效容积为8L，排水比为50％。系统具有良好且稳定的短程硝化厌氧氨氧化性能。反应温度为30-35℃，pH为7.8-8.2。反应器全程使用曝气泵曝气和搅拌桨搅拌，维持低氧环境，溶解氧维持在0.8-1.2mg/L。反应器内填料材质为聚乙烯，填充比为60％。进水氨氮的浓度为70mg/L(由氯化铵提供)和无机碳源(由碳酸氢钠提供)。SFBBR每天运行3个周期，每个周期反应时间为7.5h.
微塑料包为尼龙布(孔径小于50μm)包裹同等质量不同材质的微塑料(粒径为120μm左右)，包括聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。并使用尼龙布包裹二氧化硅作为对照。把塑料包(包括二氧化硅)悬挂于SFBBR中，培养150周期后取出，并对不同种类的塑料际和二氧化硅进行厌氧氨氧化活性校验。
厌氧氨氧化活性校验是将塑料包(包括二氧化硅)放入厌氧血清瓶中，并加入70mg/L氨氮和92.4mg/L的亚硝态氮的配水，加入NaHCO3提供碱度，充入氮气使体系中不含氧气。将厌氧血清瓶放入恒温水浴摇床，在35℃反应12h。
实验结果：在含有二氧化硅生物膜、PVC、PE、PS、PA、PP和PET塑料际的反应体系中均观察到了氨氮和亚硝的同步去除。含二氧化硅生物膜体系中总氮去除率为15.67％，PVC塑料际的总氮去除率为36.72％，PE塑料际的总氮去除率为31.83％，PS塑料际的总氮去除率为48.96％，PA塑料际的总氮去除率为44.07％，PP塑料际的总氮去除率为50.60％，PET塑料际的总氮去除率为47.33％。综上，塑料际对厌氧氨氧化菌的富集能力的排序为：PP>PS>PET>PA>PVC>PE>>二氧化硅。
实施例2
实例1发现，PP和PS对厌氧氨氧化菌有较强的富集能力，因此，进一步用PP和PS塑料际对厌氧氨氧化进行生物强化。将PP和PS塑料际分别加入到2个SBR中，并设置不加塑料际的SBR为空白对照，有效容积为1L，排水比为50％。种泥为实验室培养的异养反硝化活性污泥，污泥浓度为5000mg/L。系统不具有厌氧氨氧化性能。反应全程使用搅拌桨进行搅拌，维持缺氧环境。反应温度为30-35℃，pH为7.8-8.2。进水氨氮的浓度为70mg/L(由氯化铵提供)，亚硝态氮浓度为92.4mg/L(由亚硝酸钠提供)和无机碳源(由碳酸氢钠提供)。SBR每天运行2个周期，每个周期反应时间为11.5h。
实验结果：13个周期后(7天时间内)，空白对照SBR的总氮去除率仍低于10％。投加PP塑料际的SBR的出水氨氮为11.46mg/L，亚硝态氮为1.49mg/L，总氮去除率提升至93.32％。投加PS塑料际的SBR的出水氨氮为20.51mg/L，亚硝态氮为29.51mg/L，总氮去除率提升至43.80％。综上，PP塑料际可以快速启动厌氧氨氧化工艺，实现厌氧氨氧化的快速启动。且塑料际可以重复利用。
以上是本发明的具体实施例，便于该技术领域的技术人员能更好地理解和应用本发明，本发明的实施不限于此，因此该技术领域的技术人员对本发明所做的简单改进都在本发明的范围之内。
Claims (1)
1.一种利用塑料际富集厌氧氨氧化菌并快速启动厌氧氨氧化过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建微塑料包，所述微塑料包为尼龙布包裹不同材质的微塑料颗粒，构建第一反应装置，第一反应装置能够实现间歇进出水，并提供低氧的环境，所述第一反应装置为序批式固定床生物膜反应器（SFBBR），工艺为短程硝化耦合厌氧氨氧化，所述低氧环境提供装置为曝气泵和搅拌桨，填料为聚乙烯填料，填充比为20-60%，排水比为40-80%；
步骤二：将微塑料包悬挂在第一反应装置中，进行短程硝化耦合厌氧氨氧化反应，实现塑料际富集厌氧氨氧化菌，第一反应装置进水包括氨氮和无机碳源，每周期反应时间为6.5-8.0 h，溶解氧维持在0.8-1.2 mg/L，温度维持在30-35 ℃，pH为7.8-8.2，运行150-250周期；
步骤三：将步骤二反应后的微塑料包从第一反应装置中取出，并加入到活性污泥中，构建第二反应装置，第二反应装置能够实现间歇进出水，并提供缺氧的环境，所述第二反应装置为序批式反应器（SBR），所述缺氧环境提供装置为搅拌桨，排水比为40-60%；
步骤四：第二反应装置进水包括氨氮、亚硝态氮和无机碳源，每周期反应时间为11.5-13.5 h，温度维持在30-35 ℃，pH为7.8-8.2，运行10-25周期；实现快速启动并进行厌氧氨氧化反应；
聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺（PA）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）中的一种或几种；微塑料颗粒的粒径为小于5 mm；
步骤二中和步骤四中所述无机碳源均为碳酸氢钠、碳酸钠中的一种或几种。
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