上流式厌氧污泥床反应器快速培养厌氧氨氧化菌的方法

摘要

本发明公开了一种上流式厌氧污泥床—生物膜反应器快速培养厌氧氨氧化菌的方法；该方法包括在UASB反应器内挂膜，保留所富集的微生物；选取垃圾填埋场处理渗滤液SBR工艺中的活性污泥为接种污泥，接种的污泥量为反应器有效容积的45～65％；采用恒温循环水浴控制反应区温度保持在32±1℃；采用人工合成废水，废水组分包括NH4Cl、NaNO2、MgSO4、KH2PO4、CaCl2、NaHCO3以及微量元素I和微量元素II，配水中NH4+－N和NO2－－N的质量比控制为1∶1.0～1∶1.6；调节进水的pH为7.4～7.8。本发明具有工艺简单，系统运行稳定，对氮素去除率高，驯化富集时间短等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及厌氧氨氧化菌的培育，特别涉及一种上流式厌氧污泥床反应器快速培养厌氧氨氧化菌的方法。

背景技术

随着工农业的发展和人们生活水平的提高，氮素的污染日益加剧，已成为水环境污染主要因素之一。许多国家对废水排放标准中氮的要求日趋严格，因此，废水生物脱氮技术的研究和开发受到人们的重视。但传统的生物脱氮技术都普遍存在着基建投资和运行费用较高、运行控制复杂、流程长、氧耗大、脱氮效果较低等缺陷。研究人员长期以来一直在积极探索和开发新型的生物脱氮工艺，以便能快速、高效去除废水中的氨氮。由此，一种新型的、有前景的、低成本的污水脱氮新工艺——厌氧氨氧化(ANAMMOXANaerobic AMMonia OXidation)生物脱氮技术应运而生。厌氧氨氧化(ANAMMOX)是在厌氧条件下以NO₂^-作为电子受体，利用自养型细菌(ANAMMOX细菌)将氨直接氧化为氮气(N₂)实现脱氮的工艺。ANAMMOX细菌属于Planctomycetales，并且命名为Candidatus Brocasia anammoxidans。Candidatus B.anammoxidans生长速率慢，据报道，在pH值为8.0、40℃的条件下，其倍增期为11天，ANAMMOX细菌驯化时间及反应器启动时间长，平均为100天～150天。因此，ANAMMOX细菌生长缓慢、驯化时间长、处理效率低、反应器运行不稳定等缺点限制了厌氧氨氧化技术在废水脱氮处理中的应用。

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问题，提出一种厌氧氨氧化细菌驯化技术，以缩短厌氧氨氧化细菌驯化时间，通过提供ANAMMOX细菌生长最佳环境，使微生物快速繁殖、富集，在脱氮过程中发挥最大的活性，提高反应器处理效率及反应器运行稳定性。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种上流式厌氧污泥床—生物膜反应器快速培养厌氧氨氧化菌的方法，包括如下步骤和工艺条件：

(a)在UASB反应器内挂膜，保留所富集的微生物；选取垃圾填埋场处理渗滤液SBR工艺中的活性污泥为接种污泥，接种的污泥量为反应器有效容积的45～65％，在驯化厌氧氨氧化菌前通入氮气驱除反应器内的溶解氧；

(b)采用恒温循环水浴控制反应区温度保持在32±1℃；

(c)采用人工合成废水，废水组分包括NH₄Cl、NaNO₂、280～320mg/LMgSO₄、28～32mg/L KH₂PO₄、13～140mg/L CaCl₂、480～520mg/L NaHCO₃以及每升废水中含0.8～1.2ml微量元素I和0.8～1.2ml微量元素II，废水中NH₄⁺-N和NO₂^--N的质量比控制为1∶1.0～1∶1.6；微量元素I包含4800～5200mg/L FeSO₄，微量元素II包含13～15mg/L H₃BO₄、420～450mg/LZnSO₄·7H₂O、220～250mg/L CoCl₂·6H₂O、950～1000mg/L MnCl₂·4H₂O、220～250mg/L CuSO₄·5H₂O和180～200mg/L NiCl₂·6H₂O，所有药品均为分析纯。

(d)通过添加NaHCO₃调节进水的pH为7.4～7.8；驯化系统密闭，出水管及排气管均通过各自的水封装置。

所述接种污泥为红褐色，普通光学显微镜镜检显示污泥结构细碎，有钟虫、楯纤虫和轮虫，丝状菌少，MLSS为50～60g/L。

所述接种的污泥量为反应器有效容积的60～70％。

所述的恒温循环水浴控制反应区温度控制是将反应区设计为套筒式，通过套筒中的热水循环保持恒温，从反应器上部插入一根水银温度计达到反应区中部，实时观测反应区温度，及时根据天气状况调整恒温水浴的运行参数。

本发明接种污泥取自处理垃圾渗滤液的好氧SBR工艺，SBR工艺本身具有厌氧、缺氧、好氧和静置阶段的工艺运行特点，而且取污泥时SBR工艺的硝化效果好，因此污泥中存在多种微生物。厌氧氨氧化细菌驯化经历了两个阶段：污泥适应期(1～46天)、厌氧氨氧化活性表现及提高期(47～56天)。污泥适应期反应器系统内的污泥逐渐向缺氧、厌氧状态转变，不能适应厌氧及无机环境的微生物大量解体，成功筛选有用菌种；厌氧氨氧化活性表现及提高期反应器内部的反硝化作用开始减弱，具有厌氧氨氧化活性的细菌成为优势菌种，并迅速提高活性。成功驯化并富集厌氧氨氧化细菌，整个驯化过程仅用56天时间。厌氧氨氧化细菌驯化过程均在封闭装置内进行，始终保持反应器系统内部为严格厌氧状态，控制菌群内部温度为(32±1)℃，进水pH值保持在7.4～7.8之间，配水中各成分严格配比，为厌氧氨氧化细菌的筛选、富集、驯化及生长提供了最优环境。因此，在本驯化系统中，厌氧氨氧化细菌驯化时间比常规方法的100天～150天缩短了1/2以上，仅用了56天，并且反应器系统运行更稳定，氮素去除率更高，NH₄⁺-N、NO₂^--N和TN的去除率分别达到99.3％、97.4％和89.6％。

本发明与现有厌氧氨氧化细菌驯化方法相比，有如下优点：

(1)接种污泥取自垃圾填埋场处理渗滤液SBR工艺中的活性污泥，含有大量微生物，污泥接种量较高，配水成分比例适当，添加微生物生长所需微量元素I、II，这大大缩短了厌氧氨氧化细菌驯化时间；

(2)反应器系统内部保持严格厌氧状态，控制菌群内部温度为(32±1)℃，进水pH值调节为7.4～7.8，配水中各成分严格配比，提高了氮素去除效率，反应器系统运行更稳定。

附图说明

图1a为本发明的驯化过程氨氮变化曲线图。

图1b为本发明的驯化过程亚硝氮变化曲线图。

图2为本发明上流式厌氧污泥床—生物膜反应器结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图来对本发明作进一步说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。

如图2所示，本发明的上流式厌氧污泥床—生物膜反应器包括UASB反应器筒体1、进水隔膜泵2、配水桶3、循环水浴4、温度计5、排气口6、出水口7、取样口8、生物膜载体9和污泥区10。UASB反应器筒体1下端通过进水隔膜泵2与配水桶3连接；UASB反应器筒体1上不同高度处设置多个取样口8，UASB反应器筒体1上端设有出水口7，顶端设有排气口6，温度计5从顶端插入UASB反应器筒体1内，到达反应区中部，以便实时观测反应区温度，及时根据天气状况调整恒温水浴的运行参数，始终保持厌氧氨氧化菌最佳活性温度。UASB反应器筒体1套筒式。循环水浴4配置在UASB反应器筒体1外围。生物膜载体9固定在UASB反应器筒体1内，并均匀布置。污泥区10是污泥沉积于UASB反应器筒体1内形成，约占反应器有效容积的50-65％。

实施例1

(a)在UASB反应器内挂膜，生物膜能有效保留所富集的微生物，生物膜的培养有利于ANAMMOX菌积累。接种污泥取自某垃圾填埋场处理渗滤液SBR工艺中的活性污泥，此污泥为红褐色，普通光学显微镜镜检显示污泥结构细碎，有钟虫、楯纤虫和轮虫，丝状菌少，MLSS为55.63g/L，接种量为反应器有效容积的65％，SBR工艺本身具有的工艺运行特点，有厌氧、缺氧、好氧和静置阶段，而且取污泥时SBR工艺的硝化效果好，因此取自处理垃圾渗滤液的好氧SBR工艺的接种污泥中存在多种微生物，有利于加速厌氧氨氧化菌的富集。溶解氧对ANAMMOX细菌的具有抑制作用，在驯化厌氧氨氧化菌前必须通入氮气驱除反应器内的溶解氧，以保持反应器内厌氧状态。

(b)采用恒温循环水浴控制反应区温度保持在(32±1)℃，反应器反应区设计为套筒式。通过套筒中的热水循环保持恒温，从反应器上部插入一根水银温度计达到反应区中部，以便实时观测反应区温度，及时根据天气状况调整恒温水浴的运行参数；

(c)采用人工合成废水，废水组分包括NH₄Cl、NaNO₂、300mg/L MgSO₄、30mg/L KH₂PO₄、135mg/L CaCl₂、500mg/L NaHCO₃以及每升废水中含1ml微量元素I和1ml微量元素II，配水中NH₄⁺-N和NO₂^--N的质量比控制为1∶1.32；微量元素I包含5000mg/L FeSO₄，微量元素II包含14mg/L H₃BO₄、430mg/L ZnSO₄·7H₂O、230mg/L CoCl₂·6H₂O、980mg/L MnCl₂·4H₂O、230mg/LCuSO₄·5H₂O和188mg/L NiCl₂·6H₂O，所有药品均为分析纯；NO₂^--N与NH₄⁺-N以一定比例被同时转化是厌氧氨氧化的本质特征，进水中NO₂^--N与NH₄⁺-N的比例σ与反应器效率之间的关系最为密切，对应于每一个TN负荷条件，均存在一个基质不受限制的区域[σ₁，σ₂]，在此区间均出现一个TN去除率最大值，此时对应的进水基质比例σ＝σ_TNmax，为反应器运行的最佳进水基质比例，配水中NH₄⁺-N和NO₂^--N的质量比控制在进水基质比例，为1∶1.32。(d)pH值会影响细胞内的电解质平衡，直接影响微生物的活性甚至能否存活；另一方面，pH值还会影响溶液中基质或抑制物的浓度，而间接影响微生物活性，通过添加NaHCO₃调节进水的pH为7.5，以保持厌氧氨氧化菌在最佳活性状态下驯化。如图1a和图1b所示，本发明的驯化过程中60天后，出水氨氮及亚硝氮含量比进水显著降低。

实施例2

(a)在UASB反应器内挂膜，生物膜能有效保留所富集的微生物，生物膜的培养有利于ANAMMOX菌积累。接种污泥取自某垃圾填埋场处理渗滤液SBR工艺中的活性污泥，此污泥为红褐色，普通光学显微镜镜检显示污泥结构细碎，有钟虫、楯纤虫和轮虫，丝状菌少，MLSS为50.23g/L，接种量为反应器有效容积的60％，SBR工艺本身具有的工艺运行特点，有厌氧、缺氧、好氧和静置阶段，而且取污泥时SBR工艺的硝化效果好，因此取自处理垃圾渗滤液的好氧SBR工艺的接种污泥中存在多种微生物，有利于加速厌氧氨氧化菌的富集。溶解氧对ANAMMOX细菌的具有抑制作用，在驯化厌氧氨氧化菌前必须通入氮气驱除反应器内的溶解氧，以保持反应器内厌氧状态。

(b)采用恒温循环水浴控制反应区温度保持在(32±1)℃，反应器反应区设计为套筒式。

(c)采用人工合成废水，废水组分包括NH₄Cl、NaNO₂、280mg/L MgSO₄、32mg/L KM₂PO₄、130mg/L CaCl₂、520mg/L NaHCO₃以及每升废水中含0.8ml微量元素1.2ml微量元素II，配水中NH₄⁺-N和NO₂^--N的质量比控制为1∶1；微量元素I包含4800mg/L FeSO₄，微量元素II包含13mg/L H₃BO₄、420mg/LZnSO₄·7H₂O、250mg/L CoCl₂·6H₂O、950mg/L MnCl₂·4H₂O、250mg/LCuSO₄·5H₂O和198mg/L NiCl₂·6H₂O，所有药品均为分析纯；NO₂^--N与NH₄⁺-N以一定比例被同时转化是厌氧氨氧化的本质特征，进水中NO₂^--N与NH₄⁺-N的比例σ与反应器效率之间的关系最为密切，对应于每一个TN负荷条件，均存在一个基质不受限制的区域[σ₁，σ₂]，在此区间均出现一个TN去除率最大值，此时对应的进水基质比例σ＝σ_TNmax，为反应器运行的最佳进水基质比例，配水中NH₄⁺-N和NO₂^--N的质量比严格控制在最佳进水基质比例，为1∶1.2。(d)pH值会影响细胞内的电解质平衡，直接影响微生物的活性甚至能否存活；另一方面，pH值还会影响溶液中基质或抑制物的浓度，而间接影响微生物活性，通过添加NaHCO₃调节进水的pH为7.4，以保持厌氧氨氧化菌在最佳活性状态下驯化。

实施例3

(a)在UASB反应器内挂膜，生物膜能有效保留所富集的微生物，生物膜的培养有利于ANAMMOX菌积累。接种污泥取自某垃圾填埋场处理渗滤液SBR工艺中的活性污泥，此污泥为红褐色，普通光学显微镜镜检显示污泥结构细碎，有钟虫、楯纤虫和轮虫，丝状菌少，MLSS为59.67g/L，接种量为反应器有效容积的70％，SBR工艺本身具有的工艺运行特点，有厌氧、缺氧、好氧和静置阶段，而且取污泥时SBR工艺的硝化效果好，因此取自处理垃圾渗滤液的好氧SBR工艺的接种污泥中存在多种微生物，有利于加速厌氧氨氧化菌的富集。溶解氧对ANAMMOX细菌的具有抑制作用，在驯化厌氧氨氧化菌前必须通入氮气驱除反应器内的溶解氧，以保持反应器内厌氧状态。

(b)采用恒温循环水浴控制反应区温度保持在(32±1)℃，反应器反应区设计为套筒式。

(c)采用人工合成废水，废水组分包括NH₄Cl、NaNO₂、320mg/L MgSO₄、28mg/L KH₂PO₄、140mg/L CaCl₂、480mg/L NaHCO₃以及每升废水中含1.2ml微量元素0.8ml微量元素II，配水中NH₄⁺-N和NO₂^--N的质量比控制为1∶1.6；微量元素I包含5200mg/L FeSO₄，微量元素II包含15mg/L H₃BO₄、450mg/L ZnSO₄·7H₂O、220mg/L CoCl₂·6H₂O、1000mg/L MnCl₂·4H₂O、220mg/LCuSO₄·5H₂O和180mg/L NiCl₂·6H₂O，所有药品均为分析纯；。NO₂^--N与NH₄⁺-N以一定比例被同时转化是厌氧氨氧化的本质特征，进水中NO₂^--N与NH₄⁺-N的比例σ与反应器效率之间的关系最为密切，对应于每一个TN负荷条件，均存在一个基质不受限制的区域[σ₁，σ₂]，在此区间均出现一个TN去除率最大值，此时对应的进水基质比例σ＝σ_TNmax，为反应器运行的最佳进水基质比例，配水中NH₄⁺-N和NO₂^--N的质量比严格控制在最佳进水基质比例，为1∶1.5。(d)pH值会影响细胞内的电解质平衡，直接影响微生物的活性甚至能否存活；另一方面，pH值还会影响溶液中基质或抑制物的浓度，而间接影响微生物活性，通过添加NaHCO₃调节进水的pH为7.8，以保持厌氧氨氧化菌在最佳活性状态下驯化。