一种利用电气石提高厌氧氨氧化菌脱氮性能的方法
【专利摘要】一种利用电气石提高厌氧氨氧化菌脱氮性能的方法，属于环境工程【技术领域】。本发明的技术方案是通过向装有厌氧氨氧化污泥的反应器中投加电气石粉体，刺激厌氧氨氧化菌的生长代谢，并有效调节pH和氧化还原电位，提高厌氧氨氧化菌的反应活性与环境适应能力，处理高氨氮废水。本发明的效果和益处是能大幅度提高厌氧氨氧化菌的活性，并有利于总氮的去除，且原料易取得，成本低廉，可重复利用，无二次污染，技术操作简便，有利于降低厌氧氨氧化工艺的投资及运行成本，促进该工艺的推广和普及。
【专利说明】一种利用电气石提高厌氧氨氧化菌脱氮性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境工程【技术领域】，涉及污水处理中的新型生物脱氮技术，特别涉及一种利用电气石提高厌氧氨氧化菌脱氮性能的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国经济发展及城市化进程加快，大量的含氮化合物排放入水体环境中，氮污染形势日趋严重，已经导致我国多水域水体富营养化，对水域生态环境及人类健康造成很大危害。为了控制水体氮污染，我国提高了污水排放标准，并将氮浓度作为“十二五”期间污水处理中的重点控制指标。传统的生物脱氮工艺因能耗高、占地面积大、脱氮效率低、需外加有机碳源等不足已经无法满足高标准的污水脱氮需求，新型污水脱氮工艺的开发和应用成为水环境保护领域的研究热点。[0003]厌氧氨氧化是一种高效经济的新型生物脱氮工艺，厌氧氨氧化反应以亚硝酸氮作为电子受体，氨氮为电子供体，完成自养脱氮。该工艺具有脱氮效率高、可减少63%的氧气消耗、减少二氧化碳释放、无需有机电子供体、污泥产量低等优点，适合处理高氨氮废水，尤其在处理低碳氮比废水方面具有独特优势。然而，厌氧氨氧化菌生长极其缓慢，其世代时间长达11天，且所需的生长代谢条件十分严格，因此制约了该工艺的工程化应用。
[0004]为解决以上问题，一些研究通过提供外加能量场来提高厌氧氨氧化菌活性，例如磁场、电场和超声。本研究室采用外加电场、磁场等方法成功提高了厌氧氨氧化菌群活性，刘思彤等人2008年在J. Biotechnol.第138卷第96-102页报道称在60.0mT连续磁场作用下最大氮去除率提高30%，刘思彤在2009年大连理工大学博士论文第250页表明在电极电压为-0.05Vsec的连续电场作用下最大氮去除率提高20%。本校段秀梅等人2011年在Bioresour. Technol.第102卷第4290-4293页研究了频率为25kHz的低强度超声波对厌氧氨氧化菌群活性的作用，结果表明在超声密度为O. 3w cm—2，作用时间为4min时，总氮去除率提高25. 5%。本校张景新等人2012年在Bioresour. Technol.第114卷第102-108页报道称运用一种具有铁电极的新型厌氧氨氧化反应器来提高厌氧氨氧化菌群活性以及加速启动过程，经过125天运行，有铁电极的反应器的总氮去除率（1209. 6mg N/L/d)明显高于对照反应器（973. 3mg N/L/d)。但以上方法存在较大的额外能耗与原料成本，因此通过更简便且成本低廉的方法来提高厌氧氨氧化菌活性来实现高效脱氮对废水生物处理有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种利用电气石提高厌氧氨氧化菌脱氮性能的方法。该方法不仅能有效提高厌氧氨氧化菌的反应活性，调节环境的PH和氧化还原电位，促进细胞生长代谢，而且有利于总氮的去除。该方法原料易取得、成本低廉、操作简便、效果明显，将有利于降低厌氧氨氧化工艺的投资及运行成本，促进该工艺的推广和普及。
[0006]本发明的技术方案如下：[0007]—种利用电气石提高厌氧氨氧化菌脱氮性能的方法，具体步骤如下：
[0008]步骤I :厌氧氨氧化菌的培养：采用搅拌式连续流膜生物反应器培养厌氧氨氧化菌。步骤2 :电气石的预处理：所选电气石为黑电气石，经过粉碎、研磨、烘干制成电气石粉体，清洗备用。
[0009]步骤3 :提高脱氮性能的处理方法
[0010](I)从反应器中取厌氧氨氧化污泥，冲洗、沉淀、离心后去除上层悬浮物，将上述厌氧氨氧化污泥装入反应瓶中。
[0011](2)合成污水组成为：氮源来自NH4+中N和N02_中N，其中NH4+中N的浓度为30-70mg/L, NO2-中 N 的浓度为 40_100mg/L ；
[0012]KHCO3 的浓度为 I. 25g/L ；
[0013]KH2PO4 的浓度为 0.025g/L ;
[0014]CaCl2. 2H20 的浓度为 O. 3g/L ;
[0015]MgSO4. 7H20 的浓度为 O. 2g/L ；
[0016]FeSO4 的浓度为 0.00625g/L ；[0017]微量元素液为I. 25mL/L ；
[0018]微量元素液成分为：EDTA的浓度为15g/L ；ZnSO4. 7H20的浓度为O. 43g/L ；CoCl2. 6H20 的浓度为 O. 24g/L ；MnCl24H20 的浓度为 O. 99g/L ；CuSO4. 5H20 的浓度为 O. 25g/L ；NaMoO4. 2H20 的浓度为 O. 22g/L ；NiCl2. 2H20 的浓度为 O. 19g/L ；NaSe04. IOH2O 的浓度为O. 21g/L ；H3BO4的浓度为0.014g/L和NaWO4. 2H20的浓度为0.050g/L ;将合成污水加入到上述反应瓶中；得到的厌氧氨氧化污泥中微生物量的浓度为lgVSS/L。
[0019](3)投加电气石：将上述步骤二中的电气石粉体加入到上述反应瓶中，电气石投加浓度范围为10-400g(gVSS · Lr1，电气石投加粒径范围为2. 5ym(d(0. I) :0.916 ；d(0. 5)：
2.250 ；d(0. 9) :4. 429)-62 μ m(d(O. I) :34. 879 ;d(O. 5) ：58. 020 ；d(0. 9) :95. 904)。（4)调节pH至5-11，曝氮气，密封，于恒温约35 °C摇床中，避光条件下培养。
[0020]本发明的效果和益处是：
[0021]电气石材料廉价易得，200目-1250目电气石价格约为4. 5_10元/千克，其材料成本远低于其他外加能量场的设备及运营成本；电气石能大幅度提高厌氧氨氧化菌活性，并有利于总氮的去除。电气石能刺激厌氧氨氧化菌的生长代谢，并有效调节PH和氧化还原电位，提高厌氧氨氧化菌的环境适应性；电气石具有较高的物理化学稳定性，可重复利用，不产生二次污染，因此一次材料投入即可实现活性提高，避免了后续连续花销；该技术操作简便，可完全避免其他方法中设备管理与维护成本。本发明通过投加电气石来提高厌氧氨氧化菌活性用于高氨氮废水处理的方法具有广泛的应用前景与极高的应用推广价值，如：缩短厌氧氨氧化工艺的启动时间，调节厌氧氨氧化菌严格的生存条件，进而提高该工艺的脱氮效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图I是电气石粉体样品扫描电子显微镜（SEM)成像。
[0023]图2是投加电气石样品与空白对照样品厌氧氨氧化活性（SAA)随时间变化情况。
[0024]图3是投加电气石样品与空白对照样品氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮浓度随时间变化情况。
[0025]图4是投加电气石样品与空白对照样品多糖、蛋白质和胞外聚合物（EPS)总产量对比。
[0026]图5是投加电气石样品与空白对照样品氧化还原电位（ORP)随时间变化情况。
[0027]图6是投加电气石样品与空白对照样品pH随时间变化情况。
【具体实施方式】
[0028]以下结合 技术方案和附图详细叙述本发明【具体实施方式】。
[0029]实施例I
[0030]I.厌氧氨氧化菌的培养：
[0031](I)采用实验室规模连续运行的连续流搅拌式膜生物反应器培养厌氧氨氧化菌，厌氧氨氧化培养基组成如下：NH4C1的浓度为100mg-N/mL ；NaNO2的浓度为132mg_N/mL ；KHCO3 的浓度为 I. 25g/L ；KH2PO4 的浓度为 0.025g/L ；CaCl2. 2H20 的浓度为 O. 3g/L ；MgSO4. 7H20的浓度为O. 2g/L ；FeS04的浓度为0.00625g/L ;微量元素：1. 25mL/L废水；微量元素液成分为=EDTA的浓度为15g/L ；ZnSO4. 7H20的浓度O. 43g/L ；CoCl2. 6H20的浓度为O. 24g/L ；MnCl2. 4H20 的浓度为 O. 99g/L ；CuSO4. 5H20 的浓度为 O. 25g/L ；NaMoO4. 2H20 的浓度为 O. 22g/L ；NiCl2. 2H20 的浓度为 0. 19g/L ；NaSe04. IOH2O 的浓度为 O. 21g/L ；H3BO4 的浓度为0.014g/L 和 NaffO4. 2H20 的浓度为 0.050g/L。
[0032](2)用荧光原位杂交方法对菌体纯度进行分析得出：厌氧氨氧化菌占全部菌体的90%以上,其中“Kuenenia stuttgartiensis”菌占到厌氧氨氧化菌体的70%以上。即厌氧氨氧化菌中的“Kuenenia stuttgartiensis”小种是反应器中的主体菌种。培养适宜时间至观察到稳定的脱氮性能，从反应器中取一定量厌氧氨氧化菌作为高氨氮废水处理工艺中的功能菌种。
[0033]2.电气石的选择：
[0034]( I)所用电气石来自内蒙古东部地区，属于黑电气石，经过粉碎、研磨、烘干制成电气石粉体。其化学组成（wt. %)为=NaO2 ：1. 19 ；MgO :8. 05 ；Cr2O3 :0. 22 ；Si02 : 37 . 05 ；K20 ：0.09 ；CaO ：I. 18 ；Ti02 :0. 44 ；B203 :10. 16 ;FeO :8. 33 ；Al2O3 :9. 8。
[0035](2)用激光粒度仪测量电气石粒径为62um(d(0. I) :34. 879 ;d(O. 5) :58.020;d(0. 9) ：95. 904)。通过扫描电子显微镜观察，电气石呈纤维状或柱状颗粒，以长、短柱为主，颗粒彼此相依排列，并组成团簇。
[0036](3)用纯水清洗电气石粉末以去除表面杂质，备用。
[0037]3.氨氮废水的处理方法
[0038](I)从反应器中取出IOmL厌氧氨氧化污泥，沉淀后去除上层悬浮物。再用磷酸缓冲溶液冲洗，在3500rpm条件下离心5min,冲洗和离心步骤重复3次。
[0039](2)将污泥装入IOOmL血清瓶，加入合成污水，瓶中污泥与合成污水的混合物总体积为50mL，所得厌氧氨氧化微生物量浓度为lgVSS/L。合成污水组成为=NH4Cl和NaNO2作氮源，氮源按照厌氧氨氧化反应化学计量比NH4+-N:N02_-N为I :1. 32投加，分别为NH4+中N浓度为50mg/L和NO2-中N浓度为66mg/L。其他组成为KHCO3的浓度为I. 25g/L ；KH2PO4的浓度为 0.025g/L ；CaCl2. 2H20 的浓度为 O. 3g/L ；MgS04. 7H20 的浓度为 O. 2g/L ；FeS04 的浓度为0.00625g/L ；EDTA的浓度为0.00625g/L ;微量元素:1.25mL/L。微量元素液成分为:EDTA的浓度为 15g/L ；ZnSO4.7H20 的浓度为 0.43g/L ；CoCl2.6H20 的浓度为 0.24g/L ；MnCl2.4H20 的浓度为 0.99g/L ；CuSO4.5H20 的浓度为 0.25g/L ；NaMoO4.2H20 的浓度为 0.22g/L ；NiCl2.2H20的浓度为 0.19g/L ；NaSe04.1OH2O 的浓度为 0.21g/L ；H3BO4 的浓度为 0.014g/L 和 NaWO4.2H20的浓度为0.050g/L。
[0040](3)投加电气石:将电气石粉体加入培养瓶并使其均匀分散于污泥中,投加浓度设为200g(gVSS.Lr1，计算得到即投加IOg电气石粉体，空白对照样品不加电气石。
[0041](4)用0.5M的HCl和0.5M的NaOH调节pH至8.0±0.1，曝氮气I小时用以去除溶解氧，瓶子用胶塞密封，于恒温35°C、150rpm摇床中，避光条件下培养48小时。
[0042]4.技术方法效果测定
[0043]( 1)在培养过程中间隔一定时间测定氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮浓度以及pH值，
[0044]连续在线监测氧化还原电位，培养结束后测定样品胞外聚合物产量(EPS)。用厌氧氨氧化活性SAA评价脱氮性能。
【权利要求】
1.一种利用电气石提高厌氧氨氧化菌脱氮性能的方法，其特征在于，包括步骤如下： 步骤I :培养厌氧氨氧化菌； 步骤2 :经过粉碎，研磨，烘干，清洗，将黑电气石制成电气石粉体； 步骤3 :提高脱氮性能的处理方法 (1)从反应器中取厌氧氨氧化污泥，冲洗、沉淀、离心后去除上层悬浮物，将厌氧氨氧化污泥装入反应瓶中； (2)合成污水组成为： 氮源来自NH4+中N和NO2-中N，其中NH4+中N的浓度为30_70mg/L，N02_中N的浓度为40-100mg/L；
KHCO3 的浓度为 1. 25g/L ；
KH2PO4 的浓度为 0.025g/L ；
CaCl2. 2H20 的浓度为 O. 3g/L ；
MgSO4. 7H20 的浓度为 O. 2g/L ；
FeSO4 的浓度为 0.00625g/L ；
微量元素液为I. 25mL/L ； 微量元素液成分为=EDTA的浓度为15g/L ；ZnSO4. 7H20的浓度为O. 43g/L ；CoCl2. 6H20的浓度为 O. 24g/L ；MnCl24H20 的浓度为 O. 99g/L ；CuSO4. 5H20 的浓度为 O. 25g/L ；NaMoO4. 2H20的浓度为 O. 22g/L ；NiCl2. 2H20 的浓度为 O. 19g/L ；NaSe04. IOH2O 的浓度为 O. 21g/L ；H3BO4 的浓度为 0.014g/L 和 NaWO4. 2H20 的浓度为 0.050g/L ； 将合成污水加入到上述反应瓶中；得到的厌氧氨氧化污泥中微生物量的浓度为lgVSS/L ； (3)投加电气石：将上述步骤2中的电气石粉体加入到上述（2)得到的反应瓶中，电气石投加浓度为10-400g(gVSS · Lr1 ; (4)调节pH至5-11，曝氮气，密封，恒温35°C避光条件下培养。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电气石投加浓度为100-200g(gVSS .L)'
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的pH值为8.O。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的电气石粉末的粒径为20-60 μ m。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的电气石粉末的粒径为20-60μ m。
6.根据权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，所述的反应瓶为血清瓶。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的反应瓶为血清瓶。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的反应瓶为血清瓶。
【文档编号】C02F3/28GK103693749SQ201310691077
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】张捍民, 李义菲 申请人:大连理工大学