一种通过厌氧氨氧化微生物的固定实现厌氧氨氧化反应器快速启动的方法

摘要

本发明公开了一种通过厌氧氨氧化微生物的固定实现厌氧氨氧化反应器快速启动的方法，首先通过高温高压将凝胶材料溶解在溶剂中，通过超声处理改变材料的性质和结构；然后将微生物和改性凝胶材料均质混合，通过物理化学手段形成多孔的凝胶颗粒小球—厌氧氨氧化菌固定化凝胶珠；在连续搅拌反应器CSTR中接种厌氧氨氧化菌固定化凝胶珠，在适宜的培养条件下，实现厌氧氨氧化反应器的快速启动。本发明利用少量的厌氧氨氧化菌通过凝胶固定的方式实现了厌氧氨氧化反应器的快速启动，减少了厌氧氨氧化菌的实际需要量；同时凝胶固定化材料获得了较高的传质能力以及孔隙结构，为厌氧氨氧化菌的生长、富集和稳定运行提供了保证。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过厌氧氨氧化微生物的固定实现厌氧氨氧化反应器快速启动的方法，属于废水生物脱氮技术领域。

背景技术

相对于传统的硝化——反硝化脱氮技术，厌氧氨氧化脱氮技术具有占地面积小、能耗低、不需要外加碳源、及产生的剩余污泥量少等优点。厌氧氨氧化菌是一种厌氧自养微生物，世代增殖周期约为11-17d，生长速度慢；同时，厌氧氨氧化颗粒污泥由于内部形成气囊，容易从反应器中冲刷出来，造成了其易流失的问题，导致厌氧氨氧化反应器启动持续时间很长，限制了厌氧氨氧化技术在污水处理中的应用。如何实现接种低浓度厌氧氨氧化菌反应器的快速启动，提高厌氧氨氧化菌的生物活性，是厌氧氨氧化反应器快速启动和运行的关键。

微生物固定化技术是指通过化学或物理方法将微生物固定于限定的空间区域内，使其保持生物活性并且能重复使用的一种新型技术，其主要方法有吸附法、包埋法和交联法。其中包埋法是将微生物包埋在各种不同的凝胶网格和薄膜中，从而将微生物限制在有限空间内，且底物可自由进入的一种微生物固定方法。这种处理可以避免低浓度厌氧氨氧化菌的流失，并为厌氧氨氧化菌的培养富集提供一个良好的微环境，快速提高其在反应器系统中的菌体浓度，有效地增加其截留率和细胞密度，实现厌氧氨氧化反应器的快速启动和稳定运行。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种通过厌氧氨氧化微生物的固定实现厌氧氨氧化反应器快速启动的方法，可以有效解决背景技术中存在的瓶颈问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明通过厌氧氨氧化微生物的固定实现厌氧氨氧化反应器快速启动的方法，首先通过高温高压将凝胶材料溶解在溶剂中，通过超声处理改变材料的性质和结构；然后将微生物和改性凝胶材料均质混合，通过物理化学手段形成多孔的凝胶颗粒小球(厌氧氨氧化菌固定化凝胶珠)；在连续搅拌反应器(CSTR)中接种厌氧氨氧化菌固定化凝胶珠，在适宜的培养条件下，实现厌氧氨氧化反应器的快速启动。

具体包括如下步骤：

步骤1：固定化凝胶珠的制备

1a、将聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA)溶解到水溶液中，在高温高压的条件下处理10～15min，得到PVA-SA凝胶溶液，凝胶溶液中PVA的终浓度为15％～30％，SA的终浓度为1％～4％；然后向PVA-SA凝胶溶液中加入1％～3％的活性炭颗粒和1％～3％的纳米级的四氧化三铁(以PVA-SA凝胶溶液计)，搅拌均匀，并通过超声处理实现对凝胶材料的改性；

1b、在氮气保护下，通过组织匀浆器将粒径为1～3mm的厌氧氨氧化颗粒污泥(VSS为3～5gVSS/L)破碎成粒径为50～100μm的絮状污泥，然后与1a获得的改性凝胶溶液等体积均质混合，并加入1％～4％的碳酸氢钾或碳酸氢钠(以凝胶混合污泥总体积计)；在氮气保护下，通过蠕动泵将菌液混合物滴入含有4％～6％的硼酸和3％～6％氯化钙的混合溶液中发生交联反应，最后将其置于4℃下凝固成型，获得凝胶珠。

1c、将1b获得的凝胶珠置于0.3～0.5M的磷酸盐溶液中进行磷酸化处理，使其磷酸化的同时增强其机械强度。

本步骤中为了增强凝胶珠的强度，采用化学双交联+冷冻交联的方法。

步骤2：厌氧氨氧化反应器的快速启动

将步骤1固定微生物后的凝胶珠以一定的填充比投入厌氧氨氧化CSTR反应器中运行。

步骤1a中，所述高温高压是指温度90～121℃、压力0.1～0.2MPa的条件。

步骤1a中，所述超声处理时的温度为40～60℃，超声功率100～150W，超声时间30～60min。

步骤1c中，所述磷酸盐溶液为磷酸二氢钾溶液，磷酸化处理时间控制在40～90min。

步骤2中，采用的厌氧氨氧化装置为2L的CSTR反应器，反应器的高径比为3:1。

步骤2中，凝胶珠的填充率为反应器体积的20～25％。

步骤2中，CSTR反应器运行过程中，水力停留时间1天，反应温度为30-35℃，反应pH控制在7.8～8.5。

步骤2中，CSTR反应器的进水预先曝氮气处理15～20min，以去除进水中的溶解氧，控制溶解氧在0.2mg/L以下；并在进水中投加氨氮、亚硝态氮、营养物质及微量元素，提供厌氧氨氧化菌生长所需要的营养条件。反应器进水泵入反应器底部，通过磁力搅拌的方式使反应器内部反应溶液充分混合均匀。出水口设置在液面位置，通过泵排出。

所述氨氮和亚硝态氮具体含量按照实施例添加，营养元素具体含量详见下表。

监测氨氮和亚硝态氮浓度、以及厌氧氨氧化菌活性，随着活性增加，根据出水参数调整反应器进水氨氮和压硝态氮浓度，实验过程约一个月，便能够成功启动厌氧氨氧化反应器，显著缩短了厌氧氨氧化反应器启动的时间。

本发明的有益效果体现在：

本发明克服了厌氧氨氧化颗粒化易流失的缺陷，利用少量的厌氧氨氧化菌通过凝胶固定的方式实现了厌氧氨氧化反应器的快速启动，减少了厌氧氨氧化菌的实际需要量；同时凝胶固定化材料获得了较高的传质能力以及孔隙结构，为后面的厌氧氨氧化菌的生长、富集和稳定运行提供了保证。

附图说明

图1为本发明凝胶珠的制备工艺流程图。

图2为厌氧氨氧化CSTR反应器装置结构示意图。其中：1配水桶，2进水泵，3厌氧氨氧化反应器，4磁力搅拌器，5温度控制器，6出水泵，7出水桶。

图3为凝胶固定厌氧氨氧化菌的照片。

图4为CSTR反应器启动过程中氨氮和亚硝态氮的变化，即进出水各物质浓度与反应时间的关系。

图5为CSTR反应器启动过程中氨氮和亚硝态氮的去除率与反应时间的关系。

图6为ASBR反应器装置结构示意图。其中：1配水桶，2进水泵，3厌氧氨氧化反应器，4机械搅拌器，5温度控制器，6pH控制器，7出水泵，8出水桶。

图7为4个SBR反应器启动过程中氨氮和亚硝态氮的变化，即进出水各物质浓度与反应时间的关系。其中(1)固定0.8g VSS的厌氧氨氧化污泥；(2)固定1.2g VSS的厌氧氨氧化污泥；(3)固定1.6g VSS的厌氧氨氧化污泥；(4)固定2g VSS的厌氧氨氧化污泥。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明技术方案作进一步分析说明。

实施例1：固定化凝胶材料比例的选择

本实施例提供一种固定化凝胶珠材料比例确定的方法，具体步骤如下：

1、将聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA)溶解在水溶液中，在温度121℃、压力0.12MPa的条件下处理15min，得到PVA-SA凝胶溶液，具体凝胶珠材料比例如下表所示：

2、将上述凝胶珠溶液与蒸馏水等体积混合均匀；通过蠕动泵以1rpm/min的转速将菌液混合物滴入含有6％的硼酸和4％氯化钙的混合溶液的中发生交联反应。

3、将1b获得的凝胶材料置于0.5M的磷酸二氢钾溶液中处理1h使其磷酸化，用蒸馏水清洗至出水无泡沫后将其放入4℃的冰箱放置一周。

4、添加不同配比的凝胶珠至烧杯中，填充率约为25％，在磁力搅拌的作用下运行30天，磁力搅拌转速为200rpm。

观察反应结束时凝胶珠结构的稳定性。略变软(+)；略变软，弹性较差(++)；变软，弹性差(+++)；结构松散，易碎(++++)。

实施例2：固定化凝胶珠的制备

如图1所示。本实施例提供一种厌氧氨氧化菌固定化凝胶珠的制备方法，具体步骤如下：

1、将聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA)溶解在水溶液中，在温度121℃、压力0.12MPa的条件下处理15min，得到PVA-SA凝胶溶液，凝胶溶液中PVA和SA的最终浓度为25％和3％；然后向PVA-SA凝胶溶液中加入1％的活性炭颗粒和2％的纳米级的四氧化三铁(活性炭和纳米级四氧化三铁的添加量以凝胶溶液体积计)，搅拌均匀，并通过超声处理实现对凝胶材料的改性；超声处理温度为50℃，超声功率140W，超声时间30min。

2、在氮气保护下，通过组织匀浆器将1～3mm的厌氧氨氧化颗粒污泥(VSS为4g/L)破碎成粒径为50μm的絮状污泥，然后与1a获得的改性凝胶溶液等体积均质混合，并加入2％的碳酸氢钠(以污泥混合凝胶总体积计)；在氮气保护下，通过蠕动泵以1rpm/min的转速将菌液混合物滴入含有6％的硼酸和4％氯化钙的混合溶液的中发生交联反应。

3、将1b获得的凝胶材料置于0.5M的磷酸二氢钾溶液中处理1h使其磷酸化，用蒸馏水清洗至出水无泡沫后将其放入4℃的冰箱放置一周。制备出的固定厌氧氨氧化菌的凝胶珠如图3所示。

实施例3：厌氧氨氧化反应器的快速启动

厌氧氨氧化CSTR反应器装置结构示意图如图2所示。本实施例提供一种厌氧氨氧化反应器的快速启动的方法，具体步骤如下

1、采用的厌氧氨氧化装置为2L的CSTR反应器，反应器的高径比为3:1，加入实施例1制备的厌氧氨氧化菌固定化的凝胶珠到反应器中，约为反应器体积的四分之一即填充率为25％；反应过程中，反应温度控制在30-35℃，反应pH控制在7.8～8.5，水力停留时间1天。

2、在以上反应器进水中，通过曝氮气15min去除进水中的溶解氧，控制溶解氧在0.2mg/L以下；并在进水投加氨氮、亚硝态氮、营养物质及微量元素，并提供厌氧氨氧化菌生长所需要的营养条件，所述厌氧氨氧化进水中添加营养溶液，营养溶液中微量元素组分及进水中具体投加浓度按步骤2中表所示。并通过磁力搅拌的方式使反应器内部反应溶液充分混合均匀。

3、反应器进水泵入反应器底部，使进水与反应溶液混合；出水口设置在液面位置，通过泵排出。

4、厌氧氨氧化启动过程分为两个阶段：第I阶段，NH

运行过程中监测氨氮和亚硝态氮浓度、以及厌氧氨氧化菌活性，随着活性增加，逐渐调整进水中氨氮和亚硝态氮浓度，实验过程约一个月，便能够成功启动厌氧氨氧化反应器，显著缩短了厌氧氨氧化反应器启动的时间。CSTR反应器启动过程中的三氮变化和氮去除率如图4，图5所示。

实施例4：固定厌氧氨氧化污泥浓度的选择

本实施例中才用的ASBR反应器装置结构示意图如图6所示。本实施例提供一种利用低生物量浓度厌氧氨氧化菌启动厌氧氨氧化反应器的方法，具体步骤如下

1、按照实施例3的方式制备4中固定有不同浓度厌氧氨氧化污泥生物量的凝胶珠，分别记作凝胶珠1(固定有VSS为0.8g的厌氧氨氧化污泥)；凝胶珠2(固定有VSS为1.2g的厌氧氨氧化污泥)；凝胶珠3(固定有VSS为1.6g的厌氧氨氧化污泥)；凝胶珠4(固定有VSS为2.0g的厌氧氨氧化污泥)。

2、采用的厌氧氨氧化装置为4个4L的ASBR反应器，反应器高径比为6:1，将步骤1制备的4种凝胶珠分别加入到4个反应器，约为反应器体积的四分之一即填充率为25％；反应过程中，反应温度控制在30-35℃，反应pH控制在7.8～8.5，充水比0.5，水力停留时间1天。

3、SBR反应器进水泵入反应器底部，使进水与反应溶液混合；出水口设置在反应器二分之一处，通过泵排出。

4、厌氧氨氧化启动过程分为Ⅲ个阶段：第I阶段，NH

运行过程中监测氨氮和亚硝态氮浓度、以及厌氧氨氧化菌活性，随着活性增加，逐渐调整进水中氨氮和亚硝态氮浓度，整个实验过程40天。实验结果表明接种0.3gVSS/L的ASBR反应器约30天便能够成功启动厌氧氨氧化反应器。ASBR反应器启动过程中的三氮变化如图7所示。

以上只通过说明的方式描述了本发明的示范性实例，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。