CN117303602A - 一种采用黄铁矿生物滤池净化养殖废水中硝态氮的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用黄铁矿生物滤池净化养殖废水中硝态氮的方法，本发明中的黄铁矿生物滤池主体为填充柱，在填充柱的底部铺设有砾石以起到支撑填料和均匀布水的目的，砾石的上部铺设有黄铁矿和麦饭石颗粒混合后形成的混合填料，混合填料的上部铺设有砾石以起到压缩体积和均匀布水的目的。本发明富集培养耐盐反硝化菌群后，将菌群与挂膜培养液混合后接种黄铁矿生物滤池的填料中对其进行启动和挂膜，获得微生物复合群落后采用黄铁矿生物滤池净化低碳氮比海水养殖废水中硝态氮，本发明废水处理成本低、出水水质硫酸盐产生量少、硝酸盐去除效能好、抗外界冲击能力强。

Description

一种采用黄铁矿生物滤池净化养殖废水中硝态氮的方法
技术领域
本发明涉及一种生物滤池，具体涉及一种黄铁矿混养反硝化生物滤池及其应用在低碳氮比的海水养殖废水硝酸盐去除的工艺，属于污水生物处理技术领域。
背景技术
随着人类对海产品需求的不断增加和全球野生鱼类资源的持续减少，海水养殖业得到迅速发展。海水养殖业的发展缓和了人类对海产品需求的不断增长和天然渔业资源日益枯竭之间的矛盾，已成为促进我国经济增长的重要力量之一。循环海水养殖系统减轻了传统海水养殖方式如池塘、跑道或网箱等带来的水资源衰竭、环境污染、水产品质量下降等负面影响，越来越受到重视。与传统养殖模式相比，循环水养殖可实现高密度养殖，节水，节地，是资源节约型和环境友好型生产方式。但在此过程中已暴露出诸多环境问题亟待解决，如养殖生物的密度较大，养殖池内存在大量养殖生物的排泄物；且由于不规范的管理和操作，养殖池内也有较高的残饵量，使养殖池内含有大量氨氮。最常用的控制氨氮的方法是微生物好氧硝化法，能够有效控制氨氮，但会造成硝态氮的大量积累。高浓度硝态氮会影响养殖水生生物的生长。为了养殖生物的健康，循环海水养殖系统需要每天更换10％～20％的海水以维持系统中硝态氮浓度在健康的水平。含高浓度硝态氮废水排入海洋，可能造成海洋水体富营养化，赤潮，海洋生态系统的紊乱和破坏。因此，有必要对循环水养殖尾水中的硝态氮进行处理。
实践证明，生物脱氮法成本低、适用范围广，能有效去除废水中的硝态氮，受到广泛关注和应用。然而，海水养殖废水中的有机物含量很低，难以满足常规的异养反硝化对有机碳源的需求。为了解决这一问题，通常向反应器内添加甲醇、乙醇、乙酸钠、葡萄糖等水溶性有机物作为异养反硝化的电子供体和碳源。有机碳源添加量需要精准控制，添加过量会导致水体的二次污染，添加不足则影响异养反硝化的脱氮效果，这不仅会增加废水处理成本，还会导致过程控制复杂化。同时，该过程会产生大量的碱度，需要额外添加酸来中和一部分碱度；还会产生大量污泥，需要后续处理。
针对于这一问题，可以采用自养反硝化或混养反硝化代替异养反硝化。自养反硝化常用的无机电子供体有H2，还原性硫化合物(如HS-、硫化物、硫单质，S2O3 2-)，零价铁或亚铁离子，以及铁硫化物(如FeS，Fe1-xS和FeS2)。其中，以HS-、硫化物、硫单质或S2O3 2-作为电子供体进行反硝化过程(硫自养反硝化)的研究比较多且比较成熟。但硫自养反硝化具有硫酸盐产量高、反应产酸需外加碱度的缺点限制了该技术的应用。混养反硝化是同时以有机物和无机物作为电子供体进行反硝化。混养反硝化可以同时克服异养反硝化需要外加酸、产生大量污泥和硫自养反硝化需要外加碱、硫酸盐产量很高的缺点，因此得到学术界的广泛研究，有广阔的应用前景。
黄铁矿(FeS2)在地壳中的体积巨大，是地球铁硫循环的重要中间产物。其经济价值较低，在高价值矿物开采过程中常作为矸石丢弃。当黄铁矿同时暴露在空气和水中会导致酸性矿井排水，有潜在的严重环境后果。将黄铁矿作为电子供体来驱动自养反硝化，既能实现将黄铁矿废物资源化，又能实现去除废水中硝态氮的目的，是一种对环境友好的黄铁矿利用方法。已公开的技术方案(如中国专利申请公布号CN101973629A、CN107176702A、CN110407321A、CN112047565A等)表明可以基于黄铁矿实现硫自养或者硫混养反硝化脱氮。但现行的技术方案还没有专门针对于利用黄铁矿作为生物滤池材料和电子供体实现高盐度硝酸盐废水的处理。
与中国专利申请公布号CN112047565A所授权的内容相比较，本发明的处理废水目标专门针对于高盐度、低碳氮比、高硝酸盐含量的海水养殖尾水，未使用成本高、可能造成出水COD和色度高的固体有机碳源PHBV作为填充柱中的填料组分，而选择加入极少量、成本更低、且对环境无害的乙酸钠作为构成混养反硝化体系的有机碳源，也可根据实际水质和环境条件灵活调节乙酸钠的添加量，甚至可以不添加乙酸钠；此外，在填充柱中加入一定量成本低廉、对生物无毒无害并具有一定生物活性的麦饭石，以同时达到为反硝化微生物提供生长发育空间，缓慢释放如K、Na、Ca、Mg、Cu、Mo等有益微量元素，以及稳定水质pH值等的目的，能有效提高系统的抗冲击能力和脱氮效能。本发明将利用黄铁矿的硫自养反硝化和外加少量乙酸钠作为异养碳源，构建混养反硝化体系，实现高盐度、低碳氮比海水养殖废水中硝态氮的高效去除。除此之外，中国专利申请公布号CN112047565A所授权的内容未对实现反硝化功能的微生物群落结构进行分析，未确定可以稳定实现反硝化功能的功能微生物群落结构，未对得到的微生物群落进行复壮和重要功能菌群复配后的脱氮效能分析。本发明对稳定实现对低碳氮比海水养殖废水高效脱氮效果的微生物群落结构进行分析，确定重要脱氮功能微生物群落，并对得到的微生物群落进行复壮和重要功能菌群复配后的脱氮效能分析。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，为了摆脱传统反硝化过程对有机碳源的依赖，实现在低碳氮比、高硝酸盐条件下对海水养殖废水中硝态氮的高效去除，本发明提供了一种采用黄铁矿生物滤池净化海水养殖废水中硝态氮的工艺，本发明废水处理成本低、出水水质硫酸盐产生量少、硝酸盐去除效能好、抗外界冲击能力强。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的目的之一是提供一种黄铁矿生物滤池，主体为填充柱(1)，填充柱内部填充有填料(2)，其特征在于：
所述的填料包括砾石、黄铁矿和麦饭石颗粒，在填充柱的底部铺设有砾石以起到支撑填料和均匀布水的目的；砾石的上部铺设有黄铁矿和麦饭石颗粒混合后形成的混合填料；混合填料的上部铺设有砾石以起到压缩体积和均匀布水的目的。
上述技术方案中，所述的黄铁矿生物滤池，主体为填充柱(1)，填充柱为亚克力材料制成的圆柱体结构，填充柱为密闭式，内部填充填料；所述的填充柱的上表面中央处设置有排气孔(3)、下表面中央处设置有乙酸钠溶液投加口(13)；所述的填充填充柱的侧壁顶端设置有出水口(4)、末端设置有进水口(6)，侧壁上均匀设置有多个采样口(5)且采样口位于出水口和进水口之间；所述的填充柱的填料内部设置有溶解氧检测探头(12)；所述的进水口(6)通过管线与海水养殖系统中的好氧生物脱氨氮反应池(8)的池壁底部相连通，该管线上设置有蠕动泵(7)；所述的出水口(4)通过管线从好氧生物脱氨氮反应池上方深入到该好氧生物脱氨氮反应池的水体内部，可以有效去除反硝化产生的副产物氨氮。
上述技术方案中，所述的填充柱的底部铺设有3-8cm厚的砾石，砾石厚度优选为5cm；所述的砾石的上部铺设有30-100cm厚的黄铁矿和麦饭石颗粒混合后形成的混合填料，混合填料厚度优选为50cm；所述的混合填料的上部铺设有3-8cm厚的砾石，砾石厚度优选为5cm。
上述技术方案中，所述的砾石，粒径为3-10mm；所述的黄铁矿，粒径为3-10mm；所述的麦饭石颗粒，粒径为3-10mm。
上述技术方案中，所述的混合填料中，黄铁矿和麦饭石颗粒的体积比为3-1：1，优选为1：1。
本发明的目的之二是提供一种采用黄铁矿生物滤池净化低碳氮比海水养殖废水中硝态氮的方法，包括以下步骤：
(1)黄铁矿生物滤池的构建：
选取天然砾石、黄铁矿和麦饭石颗粒作为填料，将砾石、黄铁矿、麦饭石颗粒冲洗三遍并自然风干，以去除颗粒表面的灰尘；在滤池的底部铺设3-8cm厚的砾石，然后在砾石的上部铺设30-100cm厚的黄铁矿和麦饭石颗粒混合后形成的混合填料；最后在混合填料的上部铺设有3-8cm厚的砾石后得到黄铁矿生物滤池；
(2)耐盐反硝化菌群的富集：
以城市污水处理厂二沉池污泥为菌群接种源，配制耐盐反硝化菌富集培养液，将污泥和培养液加入到SBR反应器中，通过提高盐度、添加硫源和添加极少量有机碳源的方式对种泥中的反硝化菌进行培养与富集；经过3-6月的培养与富集后得到耐高盐、硫混养反硝化菌；
(3)黄铁矿生物滤池的启动和挂膜：
将步骤(2)经过驯化富集后得到的耐高盐、硫混养反硝化菌与挂膜培养液混合后，均匀的接种到步骤(1)黄铁矿生物滤池的填料中；以挂膜培养液作为进水，按照序批式反应器的形式对填充柱进行挂膜启动，当出水硝酸盐去除率超过80％、总无机氮去除率超过60％且保持相对稳定后，黄铁矿生物滤池的启动和挂膜结束，填料上得到微生物复合群落；
(4)黄铁矿生物滤池的运行：
将步骤(1)中的黄铁矿生物滤池的进水口通过管线与好氧生物脱氨氮反应池(8)的池壁底部相连通，将出水口通过管线从反应池上方深伸入到该好氧生物脱氨氮反应池的水体内部；通过低浓度乙酸钠溶液投加口(13)向黄铁矿生物滤池的进水口内匀速投加微量乙酸钠溶液，使好氧生物脱氨氮反应池进入黄铁矿生物滤池中的进水为低碳氮比海水养殖废水；黄铁矿生物滤池选择合适的运行参数并改为上流式连续流进水和出水，出水排放到海水养殖循环水养殖系统的下一处理单元(即好氧脱氨氮反应池)内。
上述技术方案中，步骤(2)中，所述的配制耐盐反硝化菌富集培养液，包括以下组分：30g/L海水晶、722mg/L KNO3、1583mg/L NaS2O3·5H2O、89.7mg/LCH3COONa·5H2O、18mg/LNH4Cl、77mg/L KH2PO4、540mg/L NaHCO3；所述的污泥和耐盐反硝化菌富集培养液的体积比为(1:2)-(2:1)，使得整个反应器内的污泥浓度(MLSS)在3～4g/L。
上述技术方案中，步骤(2)中，对污泥中的反硝化菌进行培养与富集时，温度控制在15-35℃，混合液中溶解氧浓度始终低于2mg/L。
上述技术方案中，步骤(2)中，对种泥中的反硝化菌进行培养与富集时，采用3-6个月内逐渐提升盐度、添加硫源和添加极少量有机碳源的方式进行培养与富集，其中：
所述的提高盐度，指的是最初培养的培养液盐度设定为0‰，在培养1个月后将盐度提升到10‰、再培养1个月将盐度提升到20‰，3-6个月内逐渐将盐度提升到30‰；
所述的添加硫源，指的是向最初培养的培养液中增加五水合硫代硫酸盐，浓度设定为500mg/L，在培养1个月后将五水合硫代硫酸盐浓度提升到1000mg/L、再培养1个月将五水合硫代硫酸盐浓度提升到1583mg/L，3-6个月内逐渐将硫代硫酸盐浓度提升到1583mg/L；
所述的添加有机碳源，指的是向最初培养的培养液中增加无水乙酸钠，浓度设定为250mg/L，在培养1个月后将无水乙酸钠浓度减少到200mg/L、再培养1个月将无水乙酸钠浓度减少到100mg/L，3个月内逐渐将无水乙酸钠浓度提升到89.7mg/L。
上述技术方案中，步骤(3)中，所述的挂膜培养液包括以下组分：30g/L海水晶、290mg/L KNO3、36mg/L CH3COONa·5H2O、77mg/L KH2PO4、540mg/LNaHCO3；所述耐高盐、硫混养反硝化菌的菌群与挂膜培养夜的体积比为1：1。
上述技术方案中，步骤(3)中，按照序批式反应器形式对填充柱进行挂膜启动，HRT(水力停留时间)控制在72h，温度控制在15～35℃。
上述技术方案中，步骤(4)中，所述的好氧生物脱氨氮反应池(8)，池底设施有曝气器(9)，所述的曝气器(9)通过管路与装有纯度为99.5％氮气的氮气罐(10)相连接，该管路上设置有流量计(11)；所述的好氧生物脱氨氮反应池内设置有溶解氧检测探头(12)。本发明中所述溶解氧探头分别设置在黄铁矿生物滤池和好氧生物脱氨氮反应池内，能够实时测定系统内的溶解氧含量。
上述技术方案中，步骤(4)中，所述的低碳氮比海水养殖废水，碳氮比为到0.5～1：1，优选为0.3-0.7：1；所述的黄铁矿生物滤池，进水水质为：pH 7.5-8.5，盐度20％～35％，硝态氮浓度10-50mg/L；所述的黄铁矿生物滤池的运行参数为：HRT 24～48h，温度15～35℃，溶解氧始终低于2mg/L。
本发明的目的之三是提供一种用于净化海水养殖废水中硝态氮的微生物复合菌群，是通过上述的采用黄铁矿生物滤池净化低碳氮比海水养殖废水中硝态氮的方法中获得的微生物复合群落经过复壮、保存后得到的，微生物复合菌群经过快速解冻后用于净化海水养殖废水中硝态氮。
上述技术方案中，采用黄铁矿生物滤池净化低碳氮比海水养殖废水中硝态氮的方法中获得的微生物复合群落，从属的角度进行分析包括：5％海胞菌(Marinicella spp.)、2％硫杆菌(Thiobacillus spp.)、2％热线菌(Caldithrix spp.)、2％栖沉积物菌(Sedimenticola spp.)、1％卵黄色杆菌(Vitellibacter spp.)、1％SM1A02、1％副鞘氨醇盒菌(Parasphingopyxis spp.)、1％黄色海水菌(Xanthomarina spp.)、1％IheB3-7、1％硫膨大杆菌(Thioclava spp.)。
上述技术方案中，所述的复壮、保存和解冻，具体操作为：将得到的微生物复合群落按体积百分数为1％的接种量接种到同挂膜培养液相同配方的培养基中，使用铝箔封口后置于恒温摇床中，在150rpm、15-30℃的条件下振荡30min后进行复壮得到菌液；在灭菌的试管中，将菌液和65％的甘油按照体积比为3:1的比例混合，用铝箔将试管封口后保存在-80℃冰箱中，即为微生物复合菌群的保存；-80℃冰箱中保存后的微生物复合菌群置于30℃的水浴条件下进行快速解冻后即可重新使用。
本发明的目的之四是提供一种用于净化海水养殖废水中硝态氮的人工微生物复合菌群，包括热线菌(Caldithrix spp.)、反硝化硫杆菌(Thiobacillus spp.)、海胞菌(Marinicella spp.)、硫膨大杆菌(Thioclava spp.)，按照5:2:2:1的数量比进行复配后得到人工微生物复合菌群。本发明根据采用黄铁矿生物滤池净化低碳氮比海水养殖废水中硝态氮的方法中获得了的微生物复合群落，根据该微生物复合群落的重要脱氮功能确定了上述四种具体的菌种并进行了复配。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下技术优点：
(1)与单独的异养反硝化相比，本发明使得低碳氮比废水脱氮处理减轻了异养反硝化对水溶性有机碳源的依赖，降低了废水处理成本；
(2)与单独的硫自养反硝化相比，本发明的出水水质硫酸盐产生量少，无需外加碱度，抗外界冲击能力强；
(3)与单独的黄铁矿自养反硝化相比，本发明的硝酸盐去除效能好，抗外界冲击能力强。
附图说明
图1：本发明实施例1中构建的实验室规模上流式黄铁矿生物滤池的结构示意图；
图2：本发明实施例2中黄铁矿生物滤池长期运行过程中进出水的硝酸盐变化(其中：●代表influent nitrate，○代表effluent nitrate，▲代表nitrate removal)；
图3：本发明实施例2中黄铁矿生物滤池长期运行过程中进出水的总无机氮变化；
图4：发明实施例2中黄铁矿生物滤池上得到的微生物群落在门水平上的结构组成(其中：1为变形菌，2为拟杆菌，3为暖发菌，4为浮霉菌，5为脱硫杆菌)；
图5：发明实施例2中黄铁矿生物滤池上得到的微生物群落在属水平上的结构组成(其中：1为海胞菌，2为硫杆菌，3为热线菌，4为栖沉积物菌，5为卵黄色杆菌，为6为SM1A02，7为副鞘氨醇盒菌，8为黄色海水菌，9为TheB3-7，10为硫膨大杆菌)；
图6：生物滤池填料上得到的微生物菌群复壮和复配后对硝态氮的去除稳定性(其中：●代表复壮后，□代表复壮前)；
其中：1填充柱、2填料、3排气孔、4出水口、5采样口、6进水口、7蠕动泵、8好氧生物脱氨氮反应池、9曝气器、10氮气罐、11流量计、12溶解氧检测探头、13低浓度乙酸钠溶液投加口。
具体实施方式
以下对本发明技术方案的具体实施方式详细描述，但本发明并不限于以下描述内容：
下面结合实施例对本发明技术方案进行具体的阐述：
实施例1：一种黄铁矿生物滤池
本发明构建了实验室规模上流式黄铁矿生物滤池，主体为填充柱1，填充柱内部填充有填料2，结构图如图1所示：
所述的填充柱1，填充柱为亚克力材料制成的圆柱体结构，填充柱为密闭式，内部填充填料2：填料2包括砾石、黄铁矿和麦饭石颗粒，在填充柱的底部铺设有直径3-10mm的砾石(厚度5cm)以起到支撑填料和均匀布水的目的；砾石的上部铺设有直径3-10mm的黄铁矿和麦饭石颗粒混合(体积比为1：1)后形成的混合填料，混合填料厚度为50cm；混合填料的上部铺设有直径3-10mm的砾石(厚度5cm)以起到压缩体积和均匀布水的目的；
所述的填充柱的上表面中央处设置有排气孔3、下表面中央处设置有乙酸钠溶液投加口13；所述的填充填充柱的侧壁顶端设置有出水口4、末端设置有进水口6，侧壁上均匀设置有多个采样口5且采样口位于出水口和进水口之间；所述的进水口6通过管线与海水养殖系统中的好氧生物脱氨氮反应池8的池壁底部相连通，该管线上设置有蠕动泵7，蠕动泵7将好氧生物脱氨氮反应池内的污水通入填充柱1内；所述的出水口4通过管线从好氧生物脱氨氮反应池上方深入好氧生物脱氨氮反应池的水体内部。
传统海水养殖废水处理系统中会带有一个好氧脱氨氮的反应池，这是因为氨氮在好氧环境下很容易被去除，且氨氮对养殖生物的危害很大，氨氮稍微一高会使得养殖生物死亡。在这种情况下，好氧氨氮会生成硝态氮，硝态氮累积浓度很高，一般传统处理系统是不管硝态氮的，而是通过换海水解决这个问题，氮浓度高导致海水逐渐富营养化产生赤潮。本发明这样设计，假如反硝化过程中产生了氨氮，进入好氧池可以把氨氮轻松去除，对于整个系统而言，总氮是降低了的，从而可以达到去除海水养殖废水硝态氮的根本目的。
实施例2：一种采用黄铁矿生物滤池净化海水养殖废水中硝态氮的方法
本实施例中以实施例1构建的黄铁矿生物滤池为基础，提供一种采用实施例1中的黄铁矿生物滤池净化低碳氮比海水养殖废水中硝态氮的方法，包括以下步骤：
(1)黄铁矿生物滤池的构建：
选取天然砾石、黄铁矿和麦饭石颗粒作为填料，将砾石、黄铁矿、麦饭石颗粒冲洗三遍并自然风干，以去除颗粒表面的灰尘；在滤池的底部铺设5cm厚的砾石，然后在砾石的上部铺设50cm厚的黄铁矿和麦饭石颗粒混合后形成的混合填料；最后在混合填料的上部铺设有5cm厚的砾石后得到黄铁矿生物滤池。
(2)耐盐反硝化菌群的富集：
以城市污水处理厂二沉池污泥为菌群接种源，配制耐盐反硝化菌富集培养液，培养液主要成分为30g/L海水晶、722mg/L KNO3、1583mg/L NaS2O3·5H2O、89.7mg/LCH3COONa·5H2O、18mg/L NH4Cl、77mg/L KH2PO4、540mg/LNaHCO3；将污泥和培养液加入到SBR反应器中，污泥和培养液的体积比为1：1；在缺氧(溶解氧浓度始终低于1mg/L)的条件下对污泥中的反硝化菌进行培养与富集(温度控制在25±1℃)；
通过提高盐度、提高硝酸盐含量、添加硫源和添加极少量有机碳源的方式对种泥中的反硝化菌进行培养与富集；经过3个月的培养，适应高盐环境的反硝化菌驯化富集完成，8小时内对100mg/L NO3--N的去除率大于99％；培养与富集后得到耐高盐、硫混养反硝化菌；
所述的提高盐度，指的是最初培养的培养液盐度设定为0‰，在培养1个月后将盐度提升到10‰、再培养1个月将盐度提升到20‰，培养3个月后盐度提升到30‰；
所述的添加硫源，指的是向最初培养的培养液中增加五水合硫代硫酸钠盐，浓度设定为500mg/L，在培养1个月后将五水合硫代硫酸钠盐浓度提升到1000mg/L、再培养1个月将五水合硫代硫酸钠盐浓度提升到1583mg/L，3个月内逐渐将硫代硫酸钠盐浓度提升到1583mg/L；
所述的添加有机碳源，指的是向最初培养的培养液中增加无水乙酸钠，浓度设定为250mg/L，在培养1个月后将无水乙酸钠浓度减少到200mg/L、再培养1个月将无水乙酸钠浓度减少到100mg/L，3个月内逐渐将无水乙酸钠浓度提升到89.7mg/L。
(3)黄铁矿生物滤池的启动和挂膜：
将步骤(2)经过驯化富集后得到的耐高盐、硫混养反硝化菌与挂膜培养液混合(菌群与挂膜培养夜的体积比为1：1)后，均匀的接种到步骤(1)黄铁矿生物滤池的填料中；所述的挂膜培养液的主要成分为：30g/L海水晶、290mg/LKNO3、36mg/L CH3COONa·5H2O、77mg/LKH2PO4、540mg/L NaHCO3；
以挂膜培养液作为进水，按照序批式反应器形式对填充柱进行挂膜启动，HRT(水力停留时间)控制在72h，温度控制在15～35℃，当出水硝酸盐去除率超过80％、总无机氮去除率超过60％且保持相对稳定后，黄铁矿生物滤池的启动和挂膜结束，填料上得到微生物复合群落。
(4)黄铁矿生物滤池的运行：
将黄铁矿生物滤池的进水口6通过管线与好氧生物脱氨氮反应池8的池壁底部相连通，将出水口4通过管线从反应池上方伸入好氧生物脱氨氮反应池的水体内部，可以有效去除反硝化产生的副产物氨氮；通过低浓度乙酸钠溶液投加口13向黄铁矿生物滤池的进水口内匀速投加微量乙酸钠溶液，使好氧生物脱氨氮反应池进入黄铁矿生物滤池中的进水为低碳氮比海水养殖废水，以保持进水的碳氮比在0.5～1:1范围内(本实施例中尽量控制进水低碳氮比为0.7：1)；
所述的好氧生物脱氨氮反应池8，池底设施有曝气器9，曝气器9通过管路与装有氮气的氮气罐10相连接，该管路上设置有流量计11，曝气器将氮气罐内的氮气通入填充柱内，通过流量计控制氮气的通入速率；所述的填充柱和好氧生物脱氨氮反应池内分别设置有溶解氧检测探头12，可以通过溶解氧检测探头12实时确定水环境中的溶解氧含量，好氧生物脱氨氮反应池8的结构如图1所示；
本实施例人工模拟海水养殖废水的脱氮效果，当生物滤池的启动和挂膜阶段结束后，其运行方式改为上流式连续流进水和出水)，黄铁矿生物滤池的进水水质为：pH 7.5-8.0，盐度29‰～31‰，硝态氮浓度40-50mg/L；所述的黄铁矿生物滤池的运行参数为：HRT48h，温度20～25℃，溶解氧始终低于2mg/L；出水排放到海水养殖循环水养殖系统的下一处理单元内；每48h监测进出水指标的变化，进出水实际指标的变化如图2、3所示，进水和出水中硝态氮浓度分别为(43.39±2.37)、(0.73±0.34)mg/L，系统对硝态氮的去除率为(98.31±0.82)％，出水硝态氮浓度显著下降，出水总氮浓度为(3.85±1.50)mg/L，满足国家地表水一级A排放标准(GB 18918-2002)(出水总氮＜15mg/L)。
此外，本实施例2的步骤的填料上还得到了微生物复合群落，将生物滤池填料上得到的微生物群落结构组成进行鉴定，具体实施方法如下：
从生物滤池不同取样口取相同质量的生物滤料并进行混合，混合滤料加入模拟人工海水在摇床内150rpm、15～35℃振荡30min，以提取滤料表面内部和内部的微生物。对提取到的微生物使用环境微生物总DNA提取试剂盒(美国MOBIO公司)提取菌群的总DNA，得到DNA样品。DNA的提取方法参考DNA提取试剂盒说明书。
采用NanoDrop 2000(Thermo Scientific)初步检测所提取的DNA的浓度和纯度质量，DNA质量达标后，进行V3、V4区域的16S rRNA基因扩增和高通量分析，使用通用引物(338F:5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′；806R:5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)对16S rRNA基因进行聚合酶链式反应扩增，将得到的序列使用SILVA数据库进行微生物群落结构鉴定。结果表明，主要的功能微生物从门的角度进行分析为35％变形菌(Proteobacteria)、4％拟杆菌(Bacteroidota)、2％暖发菌(Calditrichota)、1％浮霉菌(Planctomycetota)、1％脱硫杆菌(Desulfobacterota)等；从属的角度进行分析为5％海胞菌(Marinicella spp.)、2％硫杆菌(Thiobacillus spp.)、2％热线菌(Caldithrix spp.)、2％栖沉积物菌(Sedimenticola spp.)、1％卵黄色杆菌(Vitellibacter spp.)、1％SM1A02、1％副鞘氨醇盒菌(Parasphingopyxis spp.)、1％黄色海水菌(Xanthomarina spp.)、1％IheB3-7、1％硫膨大杆菌(Thioclava spp.)等。
其中，在门水平上，如图4所示：变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidota)是丰度最高的两个门。一般来说，盐度越高，变形菌的丰度越高，且变形菌在脱氮过程中起着重要的作用。现已报道的具有硫自养反硝化能力的微生物注意集中在α、β和γ变形菌门，例如重要的反硝化功能菌硫杆菌(Thiobacillus spp.)属于变形杆菌门。拟杆菌门是海洋环境中具有最高丰富度的异养门类，具有较强的有机物降解、反硝化、固氮等功能，可分泌大量胞外多糖等EPS物质，具有较强的载体固着和成膜能力。暖发菌门(Calditrichota)是厌氧菌，具有嗜盐的特性。浮霉菌门(Planctomycetota)常与ANAMMOX作用有关，ANAMMOX作用也是反硝化的重要途径之一，说明本系统中存在ANAMMOX途径脱氮。脱硫杆菌门(Desulfobacterota)与硫代谢有关，含大部分SRB，能将硫氧化过程中产生的硫酸盐还原成硫化物，生成的硫化物可被硫自养反硝化菌利用，从而提高反硝化的效能。
在属水平上，如图5所示：反硝化硫杆菌(Thiobacillus spp.)是一种广泛分布于土壤和水中的微生物，没有毒性或致病性，属于革兰氏阴性、化能自养和兼性厌氧菌群，可以同时氧化黄铁矿中的铁和硫成分，是重要的反硝化功能菌。热线菌(Caldithrix spp.)属于混养嗜盐反硝化菌，可以氧化乙酸盐并将硝酸盐还原成氨氮进行生长，生成的少量氨氮可以作为反硝化微生物的营养物质。栖沉积物菌(Sedimenticola spp.)也属于硫自养反硝化菌。海胞菌(Marinicella spp.)和卵黄色杆菌(Vitellibacter spp.)同属于异养反硝化菌，说明系统内的内源有机碳和外加的少量有机碳足以支撑异养微生物的生长。SM1A02是一种新发现的具有反硝化性能的电缆微生物，被认为是一种新型厌氧氨氧化菌，与ANAMMOX作用有关。硫膨大杆菌(Thioclava spp.)属于硫氧化细菌，可以代谢硫化物、S2O3 2-、单质硫生成SO3 2-或SO4 2-。
本发明在微生物功能菌群方面，可以实现硫自养反硝化、异养反硝化、硫酸盐还原以及ANAMMOX脱氮作用等功能菌群的协同作用，从而实现对高盐度、低碳氮比、高硝酸盐的海水养殖废水中硝态氮的高效去除。在实际应用中，应根据废水的实际水质特征，选择合适的运行参数，在取得良好脱氮效果的同时，尽可能降低废水处理的成本。
实施例3：一种用于净化海水养殖废水中硝态氮的微生物复合菌群
本发明实施例3一种用于净化海水养殖废水中硝态氮的微生物复合菌群，是将实施例2的步骤的填料得到微生物复合群落经过复壮、保存后得到的：
将得到的微生物复合群落按体积百分数为1％的接种量接种到同挂膜培养液相同配方的培养基中，使用铝箔封口后置于恒温摇床150rpm、25±1℃振荡30min后得到菌液。在灭菌的试管中，将菌液和65％的甘油按照3:1的比例加入混合，用铝箔将试管封口后，保存在-80℃冰箱中，即为微生物复合群落的保存。保存后的微生物复合群落置于30℃的水浴条件下快速解冻即可重新使用。
验证1：将保存在-80℃冰箱中的微生物复合群落于30℃的水浴条件下快速解冻，将解冻后的微生物复合群落按体积百分比为10％的接种量接种到盐度30‰、硝态氮起始浓度为40mg/L的培养基中，于厌氧瓶中、150rpm、15-30℃恒温振荡培养。培养液的主要成分为：30g/L海水晶、290mg/L KNO3、20g/L天然黄铁矿粉末、36mg/L CH3COONa·5H2O、77mg/LKH2PO4、540mg/LNaHCO3。
验证2：同时，将实施例2中确定的重要脱氮功能微生物按照具体的菌种(热线菌(Caldithrix spp.)、反硝化硫杆菌(Thiobacillus spp.)、海胞菌(Marinicella spp.)、硫膨大杆菌(Thioclava spp.))从中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)购买相关菌株，并进行扩大培养，并按照5:2:2:1的数量比进行复配得到人工微生物复合菌群。将解冻后的微生物复合群落按体积百分比为10％的接种量接种到盐度30‰、硝态氮起始浓度为40mg/L的培养基中，于厌氧瓶中、150rpm、15-30℃恒温振荡培养。培养液的主要成分为：30g/L海水晶、290mg/LKNO3、20g/L天然黄铁矿粉末、36mg/L CH3COONa·5H2O、77mg/L KH2PO4、540mg/LNaHCO3。
分别在24小时和48小时采用紫外分光光度法检验厌氧瓶中的硝态氮浓度，并计算硝态氮的去除率。如图6所示，结果表明，保存在-80℃冰箱中并快速水浴解冻的微生物复合群落仍具有高效去除低碳氮比的海水养殖废水中硝态氮的能力，它在24小时时对初始浓度40mg/L的硝态氮的去除率达到80％，在48小时时对初始浓度40mg/L的硝态氮的去除率超过95％。而人工微生物复合菌群，在48小时时对初始浓度40mg/L的硝态氮的去除率超过98％，去除效果更好。推测原因是去除了菌群中的其它杂菌后，更好发挥了复配菌中的协同效应。
上述实例只是为说明本发明的技术构思以及技术特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种黄铁矿生物滤池，主体为填充柱(1)，填充柱内部填充有填料(2)，其特征在于：
所述的填料包括砾石、黄铁矿和麦饭石颗粒，在填充柱的底部铺设有砾石以起到支撑填料和均匀布水的目的；砾石的上部铺设有黄铁矿和麦饭石颗粒混合后形成的混合填料；混合填料的上部铺设有砾石以起到压缩体积和均匀布水的目的。
2.根据权利要求1所述的黄铁矿生物滤池，其特征在于：所述的黄铁矿生物滤池，主体为填充柱(1)，填充柱为亚克力材料制成的圆柱体结构，填充柱为密闭式，内部填充填料；所述的填充柱的上表面中央处设置有排气孔(3)、下表面中央处设置有乙酸钠溶液投加口(13)；所述的填充填充柱的侧壁顶端设置有出水口(4)、末端设置有进水口(6)，侧壁上均匀设置有多个采样口(5)且采样口位于出水口和进水口之间；所述的填充柱的填料内部设置有溶解氧检测探头(12)；所述的进水口(6)通过管线与海水养殖系统中的好氧生物脱氨氮反应池(8)的池壁底部相连通，该管线上设置有蠕动泵(7)；所述的出水口(4)通过管线从好氧生物脱氨氮反应池上方深入到该好氧生物脱氨氮反应池的水体内部，可以有效去除反硝化产生的副产物氨氮。
3.根据权利要求1所述的黄铁矿生物滤池，其特征在于：所述的填充柱的底部铺设有3-8cm厚的砾石；所述的砾石的上部铺设有30-100cm厚的黄铁矿和麦饭石颗粒混合后形成的混合填料；所述的混合填料的上部铺设有3-8cm厚的砾石；所述的砾石，粒径为3-10mm；所述的黄铁矿，粒径为3-10mm；所述的麦饭石颗粒，粒径为3-10mm；所述的混合填料中，黄铁矿和麦饭石颗粒的体积比为3-1：1。
4.一种采用权利要求1-3任一项所述的黄铁矿生物滤池净化低碳氮比海水养殖废水中硝态氮的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)黄铁矿生物滤池的构建：
选取天然砾石、黄铁矿和麦饭石颗粒作为填料，将砾石、黄铁矿、麦饭石颗粒冲洗三遍并自然风干，以去除颗粒表面的灰尘；在滤池的底部铺设3-8cm厚的砾石，然后在砾石的上部铺设30-100cm厚的黄铁矿和麦饭石颗粒混合后形成的混合填料；最后在混合填料的上部铺设有3-8cm厚的砾石后得到黄铁矿生物滤池；
(2)耐盐反硝化菌群的富集：
以城市污水处理厂二沉池污泥为菌群接种源，配制耐盐反硝化菌富集培养液，将污泥和培养液加入到SBR反应器中，通过提高盐度、添加硫源和添加极少量有机碳源的方式对种泥中的反硝化菌进行培养与富集；经过3-6月的培养与富集后得到耐高盐、硫混养反硝化菌；
(3)黄铁矿生物滤池的启动和挂膜：
将步骤(2)经过驯化富集后得到的耐高盐、硫混养反硝化菌与挂膜培养液混合后，均匀的接种到步骤(1)黄铁矿生物滤池的填料中；以挂膜培养液作为进水，按照序批式反应器的形式对填充柱进行挂膜启动，当出水硝酸盐去除率超过80％、总无机氮去除率超过60％且保持相对稳定后，黄铁矿生物滤池的启动和挂膜结束，填料上得到微生物复合群落；
(4)黄铁矿生物滤池的运行：
将步骤(1)中的黄铁矿生物滤池的进水口通过管线与好氧生物脱氨氮反应池(8)的池壁底部相连通，将出水口通过管线从反应池上方深伸入到该好氧生物脱氨氮反应池的水体内部；通过低浓度乙酸钠溶液投加口(13)向黄铁矿生物滤池的进水口内匀速投加微量乙酸钠溶液，使好氧生物脱氨氮反应池进入黄铁矿生物滤池中的进水为低碳氮比海水养殖废水；黄铁矿生物滤池选择合适的运行参数并改为上流式连续流进水和出水，出水排放到海水养殖循环水养殖系统的下一处理单元内。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的配制耐盐反硝化菌富集培养液，包括以下组分：30g/L海水晶、722mg/LKNO3、1583mg/L NaS2O3·5H2O、89.7mg/LCH3COONa·5H2O、18mg/LNH4Cl、77mg/L KH2PO4、540mg/L NaHCO3；所述的污泥和耐盐反硝化菌富集培养液的体积比为(1:2)-(2:1)；对污泥中的反硝化菌进行培养与富集时，温度控制在15-35℃，混合液中溶解氧浓度始终低于2mg/L。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，对种泥中的反硝化菌进行培养与富集时，采用3-6个月内逐渐提升盐度、添加硫源和添加极少量有机碳源的方式进行培养与富集，其中：
所述的提高盐度，指的是最初培养的培养液盐度设定为0‰，在培养1个月后将盐度提升到10‰、再培养1个月将盐度提升到20‰，3-6个月内逐渐将盐度提升到30‰；
所述的添加硫源，指的是向最初培养的培养液中增加五水合硫代硫酸盐，浓度设定为500mg/L，在培养1个月后将五水合硫代硫酸盐浓度提升到1000mg/L、再培养1个月将五水合硫代硫酸盐浓度提升到1583mg/L，3-6个月内逐渐将硫代硫酸盐浓度提升到1583mg/L；
所述的添加有机碳源，指的是向最初培养的培养液中增加无水乙酸钠，浓度设定为250mg/L，在培养1个月后将无水乙酸钠浓度减少到200mg/L、再培养1个月将无水乙酸钠浓度减少到100mg/L，3个月内逐渐将无水乙酸钠浓度提升到89.7mg/L。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的挂膜培养液包括以下组分：30g/L海水晶、290mg/L KNO3、36mg/LCH3COONa·5H2O、77mg/L KH2PO4、540mg/LNaHCO3；所述耐高盐、硫混养反硝化菌的菌群与挂膜培养夜的体积比为1：1；按照序批式反应器形式对填充柱进行挂膜启动，HRT控制在72h，温度控制在15～35℃。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的好氧生物脱氨氮反应池(8)，池底设施有曝气器(9)，所述的曝气器(9)通过管路与装有纯度为99.5％氮气的氮气罐(10)相连接，该管路上设置有流量计(11)；所述的好氧生物脱氨氮反应池内设置有溶解氧检测探头(12)。本发明中所述溶解氧探头分别设置在黄铁矿生物滤池和好氧生物脱氨氮反应池内，能够实时测定系统内的溶解氧含量；所述的低碳氮比海水养殖废水，碳氮比为到0.5～1：1；所述的黄铁矿生物滤池，进水水质为：pH 7.5-8.5，盐度20％～35％，硝态氮浓度10-50mg/L；所述的黄铁矿生物滤池的运行参数为：HRT 24～48h，温度15～35℃，溶解氧始终低于2mg/L。
9.一种用于净化海水养殖废水中硝态氮的微生物复合菌群，其特征在于，是通过权利要求4所述的采用黄铁矿生物滤池净化低碳氮比海水养殖废水中硝态氮的方法中获得的微生物复合群落经过复壮、保存后得到的，微生物复合菌群经过快速解冻后用于净化海水养殖废水中硝态氮；所述的微生物复合菌群从属的角度进行分析包括：5％海胞菌Marinicella spp.、2％硫杆菌Thiobacillus spp.、2％热线菌Caldithrix spp.、2％栖沉积物菌Sedimenticola spp.、1％卵黄色杆菌Vitellibacter spp.、1％SM1A02、1％副鞘氨醇盒菌Parasphingopyxis spp.、1％黄色海水菌Xanthomarina spp.、1％IheB3-7、1％硫膨大杆菌Thioclava spp.。
10.一种用于净化海水养殖废水中硝态氮的人工微生物复合菌群，其特征在于，是根据权利要求9获得的微生物复合群落的重要脱氮功能确定的四种具体的菌种并进行复配后得到的：所述的人工微生物复合菌群包括热线菌(Caldithrix spp.)、反硝化硫杆菌(Thiobacillus spp.)、海胞菌(Marinicella spp.)、硫膨大杆菌(Thioclava spp.)，数量比为5:2:2:1。
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CN117945582A (zh) * 2024-01-11 2024-04-30 浙江大学 一种基于黄铁矿复合填料的废水处理装置及其方法

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