一种利用群体感应机制快速形成厌氧氨氧化颗粒的装置和运行方法

摘要

一种利用群体感应机制快速形成厌氧氨氧化颗粒的装置和运行方法涉及污水处理领域。针对厌氧氨氧化(Anammox)反应的快速形成颗粒污泥的装置和运行方法。装置包括主体反应器、信号分子发生装置、球形薄壳旋转盖、球形筛网、手动转动开关、球阀Ⅰ、球阀Ⅱ、加热带、温控探头。本发明在主体反应器中添加信号分子发生装置，信号分子扩散入主反应器中，使厌氧氨氧化絮体污泥快速形成颗粒污泥，在形成颗粒污泥的同时，厌氧氨氧化菌的活性也有显著提高。本发明实施方法简单，效果明显，可广泛运用于厌氧氨氧化污泥颗粒化，能有效提高厌氧氨氧化工艺的实际应用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速形成厌氧氨氧化颗粒污泥的装置和运行方法，属于污水生物处理领域。

背景技术

随着污水处理技术的日益发展，新型处理工艺逐渐成为研究的热点。厌氧氨氧化作为一种超高效脱氮技术受到研究者们的关注。

厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation，简称厌氧氨氧化)是一种以氨作为电子供体将亚硝酸盐还原成氮气的生物脱氮反应，能够进行厌氧氨氧化反应的微生物，称为厌氧氨氧化菌，反应方程式为：

NH₄⁺+1.32NO₂^-+0.066HCO₃^-+0.13H⁺→1.02N₂^-+0.26NO₃^-+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O

与传统硝化-反硝化脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺具有无需外加碳源，污泥产量少；容积负荷高；无需曝气，节省大量运行成本等优势。然而，厌氧氨氧化菌世代周期长、细胞产率低、增长缓慢，用传统活性污泥法培养的泥沉降性能差，易随出水流失，厌氧氨氧化菌无法有效持留在反应器内，导致脱氮性能下降。在微生物系统中，颗粒污泥有较好的沉降性能，较高的容积负荷，能持留大量的活性菌。因此，如何使絮体厌氧氨氧化污泥快速颗粒化，已成为目前研究的热点。

细菌之间存在的相互感应现象，称为群体感应(Quorum sensing,QS)。QS是通过分泌和感应一种被称为自诱导剂(Autoinducer,AI)的信号分子来实现的。N-酰基高丝氨酸内酯(N-acyl-homoserine lactones,AHLs)是革兰氏阴性菌中广泛存在的一类种内信号分子。AHLs是由一条脂肪酸链通过酰胺键和一个高丝氨酸内酯环连接组成，化学结构如图1所示，不同AHLs的差异在于酰基侧链的长度，不同菌种在不同环境条件下产生的AHLs信号分子有所不同。随着微生物领域的研究人员对群体感应现象研究的深入，信号分子逐渐被运用来调控微生物的种内以及种间生化活动。研究表明，信号分子的存在有助于EPS的合成、微生物聚集、生物膜以及颗粒污泥的形成，但鲜有信号分子对厌氧氨氧化颗粒污泥形成影响的报道。本发明针对厌氧氨氧化菌，利用在主体反应器中添加信号分子发生装置，使絮体污泥快速形成颗粒。

发明内容

针对絮体厌氧氨氧化污泥难以持留在反应器中、生物活性低等劣势，本发明在主体反应器中添加信号分子发生装置，装置中添加入培养到对数期的信号分子分泌菌，分泌菌大量分泌的信号分子使絮体污泥快速形成颗粒污泥，增强厌氧氨氧化菌的生物活性以及在反应器内的持留能力，达到更高的脱氮效率。

一种利用群体感应机制快速形成厌氧氨氧化颗粒的装置，其特征在于：

该装置包含主体反应器(1)、信号分子发生装置(3)、球形薄壳旋转盖(8)、球形筛网(7)、手动转动开关(6)、球阀Ⅰ(4)、球阀Ⅱ(5)、加热带(2)、温控探头(9)；主体反应器(1)为上流式厌氧污泥床反应器)，在主体反应器(1)上插上温控探头(9)，并在外壁上缠绕加热带(2)，信号分子发生装置(3)位于主体反应器(1)底部，由球形薄壳旋转盖(8)内嵌球形筛网(7)制成，手动转动开关(6)、球阀Ⅰ(4)和球阀Ⅱ(5)位于信号分子发生装置(3)进出轴上并位于主体反应器(1)壁外。

2.应用所述装置快速形成厌氧氨氧化颗粒的方法，其特征在于包括以下步骤：

在进行厌氧氨氧化絮体颗粒化前，先要进行信号分子分泌菌革兰氏阴性菌的富集培养；。培养到信号分子分泌菌处于生长对数期；打开球阀Ⅰ(4)、球阀Ⅱ(5)，并关闭手动转动开关(6)，使球形薄壳旋转盖(8)关闭，防止在更换分泌菌时，将主体反应器内的厌氧氨氧化菌流失，利用蠕动泵将处于对数生长期的分泌菌连同培养基一起注入信号分子发生装置中(3)，随后关闭球阀Ⅰ(4)、球阀Ⅱ(5)；用厌氧氨氧化絮体污泥对主体反应器(1)进行接种，污泥浓度为3000±100mg/L，接种泥占主体反应器(1)有效容积的50±5％；向主体反应器(1)中插入温度探头(9)；用模拟废水作为实验进水，所述人工废水的成分为：(NH₄)₂SO₄、NaNO₂、KHCO₃、MgSO₄、CaCl₂和KHPO₄并利用盐酸调节pH为7.5；

启动反应器前，通入氮气去除反应器内的溶解氧，并转动手动开关(6)，打开球形薄壳旋转盖(8)，在主体反应器(1)外壁上缠绕加热带，维持反应器中温度处于35℃；反应器采用连续流方式运行，下进上出，信号分子从信号分子发生装置(3)中，扩散至主体反应器(1)中；反应器每运行10天后，信号发生装置(3)中的分泌菌部分衰亡需要更新；利用蠕动泵将新培养的分泌菌连同培养基一起注入信号分子发生装置(3)中，更新体积为装置体积的3/4，同时排出衰亡分泌菌体积的3/4，完成分泌菌的更新。

本发明是利用群体感应机制使絮体污泥快速形成颗粒污泥。在细菌的生长过程中，会分泌一些信号分子，细菌通过信号分子的浓度监测周围细菌的数量。当细菌数目达到一定值，信号分子达到一定浓度时，能调控一些基因的表达，其中就包括胞外聚合物的基因表达。研究表明，胞外聚合物是促进厌氧氨氧化菌形成颗粒的重要物质，因此通过添加外源信号分子能促进胞外聚合物的生成，进而促进厌氧氨氧化菌形成颗粒。

假单胞菌为假单胞属，是一种革兰氏阴性菌，主要分泌高丝氨酸内酯类(AHL)群体感应信号分子，能进行厌氧呼吸。同样都属于假单胞菌，但分泌的信号分子却有很大差别，如铜绿假单胞菌产生N-3oxo-C12-HSL、C4-HSL，荧光假单胞菌产生C6-HSL、C10-HSL。厌氧氨氧化菌分泌的信号分子中包含C6-HSL、C8-HSL、C10-HSL等与荧光假单胞菌分泌的信号分子最为相似，因此本发明选择的信号分子分泌菌为假单胞菌中的荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)，产生的信号分子为C6-HSL(N-hexanoyl-L-Homoserinelactone)、C10-HSL(N-decanoyl-L-Homoserine lactone)，。化学结构式如图2图3所示。

快速形成厌氧氨氧化颗粒的装置特征在于：

该装置包含主体反应器(1)、信号分子发生装置(3)、球形薄壳旋转盖(8)、球形筛网(7)、手动转动开关(6)、球阀Ⅰ(4)、球阀Ⅱ(5)、加热带(2)、温控探头(9)。主体反应器(1)为传统上流式厌氧污泥床反应器(UASB)，在主体反应器(1)上插上温控探头(9)，并在外壁上缠绕加热带(2)，信号分子发生装置(3)位于主体反应器(1)底部，由球形薄壳旋转盖(8)内嵌球形筛网(7)制成，手动转动开关(6)、球阀Ⅰ(4)和球阀Ⅱ(5)位于信号分子发生装置(3)进出轴上并位于主体反应器(1)壁外。

快速形成厌氧氨氧化颗粒的运行步骤在于：

1.在进行厌氧氨氧化絮体颗粒化前，先要进行信号分子分泌菌的富集培养。本发明使用Luria-Bertani(LB)培养基对分泌菌进行培养，在28℃培养48h后，分泌菌处于生长对数期；

2.打开球阀Ⅰ、球阀Ⅱ，并关闭手动转动开关，使球形薄壳旋转盖关闭，利用蠕动泵将处于对数生长期的分泌菌连同培养基一起注入信号分子发生装置中。随后关闭球阀Ⅰ、球阀Ⅱ；

3.用厌氧氨氧化絮体污泥对主体反应器进行接种，污泥浓度为3000±100mg/L，接种泥占反应器有效容积的50±5％。向反应器中插入温度探头；

采用模拟废水作为实验进水，所述人工废水的成分为：(NH₄)₂SO₄、NaNO₂、KHCO₃、MgSO₄、Cacl₂、KHPO₄。KHCO₃浓度为250mg/L,MgSO₄·7H₂O浓度为300mg/L,Cacl₂浓度为5mg/L,KHPO₄浓度为15mg/L，利用盐酸调节pH为7.5；

4.启动反应器前，通入氮气去除反应器内的溶解氧，并转动手动开关，打开球形薄壳旋转盖，在主体反应器外壁上缠绕加热带，维持反应器中温度处于35℃；

5.反应器采用连续流方式运行，下进上出，信号分子从信号分子发生装置中，扩散至主体反应器中，使絮体污泥快速颗粒化；

6.反应起始阶反应器进水NH₄⁺-N浓度为30mg/L，NO₂^--N浓度为40mg/L。随后通过检测出水NH₄⁺-N、NO₂^--N浓度，调整进水水质；

7.反应器运行10天后，信号发生装置中的分泌菌部分衰亡需要更新。转动手动开关，关闭球形薄壳旋转盖，打开球阀Ⅰ、球阀Ⅱ，利用蠕动泵将新培养的分泌菌连同培养基一起注入信号分子发生装置中，更新体积为装置体积的3/4，同时排出衰亡分泌菌体积的3/4，完成分泌菌的更新后，关闭球阀Ⅰ、球阀Ⅱ并打开球形薄壳旋转盖，如此往复更换分泌菌；

8.反应器启动后，每隔5天检测一次厌氧氨氧化菌的活性，每隔10天检测一次反应器内污泥颗粒的形成状况。

本发明所述快速形成厌氧氨氧化颗粒方法的优势在于：

1.实施方法简单，只需在信号分子发生装置中加入培养好的分泌菌，厌氧氨氧化絮体污泥就能快速形成颗粒污泥；

2.形成颗粒污泥效果显著，与未添加分泌菌的厌氧氨氧化污泥相比，运用本发明装置和运行方法的污泥形成颗粒快，并且颗粒粒径大；

3.厌氧氨氧化菌活性提高，添加了分泌菌的絮体厌氧氨氧化污泥不仅能快速颗粒化，菌体的活性也有所提高。

附图说明

图1是AHLs化学结构图；

图2是C8-HSL化学结构图；

图3是C10-HSL化学结构图；

图4是快速形成厌氧氨氧化颗粒的装置图：

图5是厌氧氨氧化菌活性变化图；其中1-主体反应器、3-信号分子发生装置、8-球形薄壳旋转盖、7-球形筛网、6-手动转动开关、4-球阀Ⅰ、5-球阀Ⅱ、2-加热带、9-温控探头；

图6是颗粒污泥粒径变化曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实例对本发明进行说明：

本发明使用Luria-Bertani(LB)培养基对荧光假单胞菌进行富集培养。在28℃培养48h，取菌液在28℃培养48h后，分泌菌处于生长对数期。

实验中所使用的厌氧氨氧化絮体污泥取自稳定培养了327天的水厂中试反应器，将5L厌氧氨氧化絮体污泥均等接种入5L的UASB-1^#、UASB-2^#反应器中，污泥浓度为3000±100mg/L。插入温控探头，并在UASB反应器外壁缠上加热带，维持反应器中温度处于35℃，关闭球阀Ⅰ、球阀Ⅱ以及球形薄壳旋转盖。

以人工合成废水作为反应进水。所述人工废水的成分为：(NH₄)₂SO₄、NaNO₂、KHCO₃、MgSO₄、Cacl₂、KHPO₄，用盐酸调节pH为7.5。反应器进水NH₄⁺-N浓度为30mg/L，NO₂^--N浓度为40mg/L，KHCO₃浓度为250mg/L,MgSO₄·7H₂O浓度为300mg/L,Cacl₂浓度为5mg/L,KHPO₄浓度为15mg/L。

本试验设置UASB-1^#为对照组，UASB-2^#为实验组。打开球阀Ⅰ、球阀Ⅱ，并关闭手动转动开关，使球形薄壳旋转盖关闭，防止注入分泌菌的过程中菌体直接被压入主体反应器中。利用蠕动泵将处于对数生长期的分泌菌连同培养基一起注入UASB-2^#的信号分子发生装置中，随后关闭球阀Ⅰ、球阀Ⅱ。同样步骤，但UASB-1^#的信号分子发生装置中注入未接种分泌菌的培养基。

启动反应器前，通入氮气去除反应器内的溶解氧。反应器采用连续流方式运行，下进上出，流速较小，防止信号分子发生器内的分泌菌被冲击出进入主体反应器内。信号分子从信号分子发生装置中，通过球形筛网(孔径为10μm)扩散至主体反应器中，使絮体污泥快速颗粒化。反应器运行6天后，信号发生装置中的分泌菌部分衰亡需要更新。转动手动开关，关闭球形薄壳旋转盖，打开球阀Ⅰ、球阀Ⅱ，利用蠕动泵将新培养的分泌菌连同培养基一起注入信号分子发生装置中，更新体积为装置体积的3/4，同时排出衰亡分泌菌体积的3/4，完成分泌菌的更新后，关闭球阀Ⅰ、球阀Ⅱ并打开球形薄壳旋转盖，如此往复每隔6天更换一次分泌菌。

实验通过检测UASB-1^#、UASB-2^#反应器中厌氧氨氧化反应去除NH₄⁺-N、NO₂^--N的效果计算厌氧氨氧化菌的活性，通过厌氧氨氧化菌的活性判断进水NH₄⁺-N、NO₂^--N浓度是否适宜，对进水其浓度做相应调整。每隔5天检测一次各反应器中厌氧氨氧化污泥平均粒径判断颗粒形成状况。具体变化趋势详见图4厌氧氨氧化菌活性变化图、图5颗粒污泥粒径变化曲线图。

培养10天后，UASB-2^#中已有颗粒污泥形成，厌氧氨氧化污泥的平均粒径达60μm，而UASB-1^#中没有明显的颗粒形成。

经过90天的培养，除了污泥粒径的变化外，两组反应器内厌氧氨氧化菌的活性也有所变化，从图5厌氧氨氧化菌活性变化图可见，添加了分泌菌的UASB-2^#内的厌氧氨氧化菌的活性比未添加外源分泌菌的UASB-1^#高25％-35％。

培养90天后，通过两组的厌氧氨氧化反应颗粒污泥粒径变化对比，从图6颗粒污泥粒径变化曲线图可见，UASB-2^#内厌氧氨氧化颗粒污泥的平均粒径达到1200μm以上，而对照组颗粒污泥平均粒径只有500μm。