专利名称：提高处理氨氮污水颗粒污泥驯化效率的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高处理氨氮污水颗粒污泥驯化效率的方法。
背景技术：
水是人类生存的基本保证，随着工业的发展，在不断获取经济效益的同时，水体的富营养化已成为国内外密切关注的焦点。而氨氮的超标排放是造成水体富营养化的主要原因之一。生物硝化作用是自然界氮循环的重要环节之一。在治理水体富营养化方面，可利用硝化作用开发硝化工艺，减少水体中氨含量，同时与反硝化作用联合用于污水生物脱氮。 国内在氨氮废水处理中使用较成熟的处理方法是生物脱氨法，其原理包括好氧硝化和厌氧反硝化两个阶段，即通过硝化菌将废水中的NH3-N转化为NO3-N,然后由反硝化菌将NO3-N 最终转化为队。其中硝化细菌属于自养性细菌，包括两种完全不同的代谢群亚硝酸菌属 (nitrosomonas)及硝酸菌属(nitrcAacter)，分别在NH3-N转化为NO2-N阶段、NO2-N氧化为 NO3-N阶段起作用。颗粒污泥技术是近年来应用比较广泛的生物法处理污水的技术，颗粒污泥特有的颗粒形态，使它具有沉降性好、生物密度高、代谢活性强等优点，尤其在处理氨氮废水方面， 颗粒污泥在曝气的情况下，外部形成好氧区，内部形成厌氧区，从而构造出外部进行好氧硝化、内部进行厌氧反硝化的微环境，达到同步硝化-反硝化的目的。同时，通过曝气量的控制、培养基的优化等手段可以将好氧硝化路线控制在NH3-N转化为NO2-N阶段，减少了 NO2-N 氧化为NO3-N过程，从而使反硝化菌直接作用NO2-N,简化了同步硝化-反硝化工艺，形成了短程硝化-反硝化路线。在通过生物法进行氨氮废水处理过程中，硝化菌种的筛选、驯化、富集非常重要， 因此目前研究的热点集中在有关菌种筛选、纯化及驯化方面。中国专利CN200610010587. X 描述了一种污水处理工程菌菌株的筛选方法及筛选用培养基，中国专利CN200710158374. 6 描述了一种筛选异养硝化菌的方法，用于高氨氮工业废水处理过程，以解决传统废水生化处理过程中自养硝化菌生长缓慢带来的高氨氮废水处理难的问题。由于生物法脱氨氮是一个由多菌种参与的、呈现阶段性特征的生化过程，因此上述这些技术仅仅对过程中部分菌种进行了筛选、纯化，对提高硝化水平的作用并不明显。中国专利200310111176. 6描述了一种在较短时间内，利用污水处理的自身工艺流程，驯化硝化菌和反硝化菌，实现有效处理焦化污水的方法。这样的驯化方法对污水的水质要求比较苛刻，如果所处理的污水水质与污泥最适生长环境差别较大，那么驯化效果不会很好。中国专利200910135717. 6描述了一种利用基因强化进行好氧颗粒污泥功能定向构建与调控的新方法。该方法将携带可移动功能基因片段的微生物作为供体菌，以半成熟或成熟的颗粒污泥作为受体菌，对供/受体菌进行系统外杂交或系统内杂交，从而使好氧颗粒污泥中的微生物获得功能基因片段而产生特殊功能。由于过程中诱导机制没有广普性，除了对特定受体菌有一定效果外，这种定向构造的方法只能是细胞水平的，而不是基因水平，其结果改造的不是受体细菌，而是活性颗粒污泥内部的细菌菌种构成。现有技术中，颗粒污泥的驯化过程一般需要较长时间，因此，如何提高驯化效率是本领域需要解决的问题。
发明内容
针对现有工艺的不足，本发明提供一种提高颗粒污泥的驯化效率的方法。本发明提高处理氨氮污水颗粒污泥驯化效率的方法包括如下内容选择具有脱氨氮能力的活化颗粒污泥，对活化颗粒污泥进行颗粒结构降解，在诱导驯化后收集污泥进行颗粒重构，颗粒重构得到的颗粒污泥用含氨氮废水进行适应性筛选驯化。本发明方法中，具有脱氨氮能力的活化颗粒污泥可以来自于任何污水生化脱氨氮过程中得到的颗粒污泥，或其它污水生化处理过程的颗粒污泥在含氨氮污水中驯化后得到，该活化颗粒污泥中具有脱氨氮功能的微生物菌群。本发明方法中，活化颗粒污泥的颗粒结构降解采用提高培养体系“NH3-N”浓度引发颗粒结构降解的方法，或者采用超声振荡方法将颗粒污泥进行结构降解。采用提高培养体系“NH3-N”浓度引发颗粒结构降解的方法时，"NH3-N"浓度一般》300mg/L,如“NH3_N” 浓度为300mg/L 1500mg/L，溶氧一般彡lmg/L，如溶氧为lmg/L 8mg/L，培养池 6h， 通过这种选择压力破坏颗粒结构的方法，其根本原理是给颗粒外缘的好氧菌(主要是硝化菌)提供了一个富养环境，从而使其快速增长，破坏了整个菌团的平衡，导致了颗粒结构的降解。但该过程时间不宜过长，硝化菌的过度增殖必然会抑制核心区域厌氧菌的生长(主要是反硝化菌)，不利于后期的颗粒重构。采用超声振荡方法将颗粒污泥进行结构降解，超声波频率为25KHz 40KHz，超声功率密度为100W/L 400W/L (体积包括反应体系及水浴的体积)，时间为:3min 15min。超声振荡方法简单，但要注意过程中体系温度升高的问题， 因此有必要将整个反应体系置于水浴中进行，控制温度低于40°C，优选低于35°C。本发明方法中，颗粒结构降解后的诱导驯化采用本领域常规的方法进行，如物理诱导驯化或化学诱导驯化等方法，可以在诱导驯化之后，增加原生质融合过程，在诱导阶段要保持微氧环境，以兼顾硝化菌群与反硝化菌群对氧的耐受。诱导驯化后的收集污泥采用离心收集方法或过滤收集方法等。本发明方法中，诱导驯化后污泥的颗粒重构方法如下诱导驯化后收集的污泥添加到培养液中，使污泥浓度为5g/L 50g/L，培养液中添加CaO或CaCl2作为诱导核，使Ca2+ 浓度为200mg/L 1000mg/L ；控制碳氮比，尽量降低“NH3_N”浓度，COD浓度彡200mg/L, “NH3-N”浓度< 30mg/L;颗粒重构阶段溶氧控制在微氧水平，一般溶氧< lmg/L，如溶氧在 0. 05mg/L lmg/L ；颗粒重构的时间为4h 16h。颗粒重构的过程中最重要的是核形成阶段，厌氧菌(主要是反硝化菌)要聚集在诱导核上，因此在该阶段要控制气量供给，在该过程的初始阶段将溶氧控制在较低水平，一般为0. ang/L，随着颗粒结构的逐渐恢复，在后期可提高反应体系的溶氧，但应控制溶氧，使其不超过lrng/L。本发明方法中，对重构颗粒污泥的筛选驯化方法主要应用特征水质，逐步提升强度，以“nh3-N”的脱除效率作为指标，具体过程和条件为本领域技术人员熟知的内容。本发明方法中，针对颗粒污泥具有较密实的颗粒结构，内部厌氧菌群不易暴露的特征，在诱导驯化之前采用超声振荡破坏颗粒结构，或提高培养体系“nh3-N”浓度引发颗粒结构自降解，从而使组成颗粒污泥的各菌属充分分散到驯化体系中，提高了诱导机率，进而提高了驯化效率。本发明方法克服了传统驯化方式中对污水水质要求过于苛刻、对极端水质得不到较好效果的弊端，同时在驯化过程中诱变的对象为参与硝化-反硝化过程的一系列菌群， 而不是一般驯化方法所针对的一种细菌，这样可以提升整个系统的生化脱氨氮效率，提高颗粒污泥的整体硝化能力。本方法结合颗粒污泥的结构特征，通过诱变机制，在分子水平上对颗粒污泥进行驯化、改造，从而为整体优化活性污泥生物效能、增强颗粒污泥对极端水质耐受能力等方面提供了借鉴及参考。与传统方法相比，本发明方法驯化强度更大、效果更明显、效率更高。在驯化过程中充分考虑到了颗粒污泥的结构特点，有目的的加入了脱颗粒结构和颗粒重构两个环节， 使诱变剂作用更加充分；同时应用诱导和原生质融合两种方法，提高了重组概率，增加了驯化强度，使驯化效果更加明显。
图1是实施例中驯化的颗粒污泥与对照组之间脱除氨氮的效果对比。
具体实施例方式本发明方法中，首先活化颗粒污泥，达到适宜污泥浓度，接入含有一定氨氮浓度的废水中，并添加适宜的微量元素保证微生物正常生长；然后收集颗粒污泥进行颗粒结构降解后进行诱变，诱变过程中通过适当的方法保证诱变过程中处于微氧环境；将诱变后的颗粒污泥进行颗粒重构后加入具有特征水质条件的污水中，同时做一组空白对照(没有经诱变的颗粒污泥)，通过两组试验中对氨氮脱除速率的比较，确定效果；对具有较好消化-反硝化能力的颗粒污泥，在具有特征水质条件的污水中进行富集培养使用或进行下一轮诱变驯化。本发明方法中，所采用的诱变手段包括物理方法和化学方法，物理诱变剂方面紫外线，X射线、Y射线、中子、β粒子、α粒子，微波、红外射线、激光、高能电子流、离子注入等；化学诱变剂方面碱基类似物、烷化剂、脱氨剂、移码诱变剂、羟化剂、金属盐类等。本发明方法中，要求驯化的水质具有充足的营养物质。由于硝化菌及反硝化菌都分为自养、异养两大类，因此要根据颗粒污泥的营养需求，提供合适的营养供给，并保证微量元素的供应。本发明在对颗粒污泥驯化的过程中主要涉及如下环节(1)选取成熟或半成熟颗粒污泥，用磷酸盐缓冲溶液(ρΗ7 8)洗涤2 3次，离心收集颗粒污泥(IOOOOrpm 30000rpm，3min 5min)；添加适量无机盐培养液(包括微量元素，Fe浓度为5mg/L 20mg/L、Mg浓度为20mg/L 100mg/L、Na浓度为200mg/L 1000mg/L、K浓度为10mg/L 50mg/L)，使颗粒污泥浓度在10g/L 15g/L范围；控制碳氮供给，使体系中COD及"NH3-N”浓度控制在较低水平(C0D浓度< 300mg/L，"NH3-N”浓度 ^ 100mg/L)。(2)对颗粒污泥进行超声预处理5min 30min，或在高“NH3_N”浓度的培养液中培养池 6h，以破坏其颗粒结构，使内部菌团充分暴露。(3)添加诱变剂，这个过程可以选择的诱变剂种类很多，目前物理诱变中常用的是紫外诱变，化学诱变剂中常用的是碱基类似物和能够与碱基反应的物质，如亚硝基胍 (NTG)、硫酸二乙酯(DES)、亚硝基乙基脲(NEU)等。诱变过程中控制DO(溶氧)小于Img/ L0(4)诱变之后对反应液进行离心处理，收集污泥(IOOOOrpm 30000rpm，3min 5min)，重复2 3次，每次均用磷酸盐缓冲液冲洗。对收集到的污泥进行颗粒重构，过程中除必要的无机盐营养成分外，还需添加诱导核(如CaO、CaCl2等钙盐)，一般将Ca2+浓度控制在200mg/L 1000mg/L。控制碳氮比，尽量降低“NH3_N”浓度，COD浓度彡200mg/L, “ NH3-N” 浓度彡 30mg/L。(5)对重构的颗粒污泥进行筛选，主要应用特征水质的污水，逐步提升强度，以 "NH3-N"的脱除效率作为指标，从而判断对颗粒污泥驯化的效果。(6)对于诱导筛选后得到的优势颗粒污泥，如果得到了两种针对不同特征水质的颗粒污泥，可以考虑进行原生质融合，从而得到对两种特征水质均有良好适应性的优势颗粒污泥。实施例针对含重金属离子的氨氮污水的颗粒污泥驯化过程(1)颗粒污泥预处理取成熟期颗粒污泥，用磷酸盐缓冲溶液(pH为7)洗涤3次， 离心收集颗粒污泥(100(K)rpm，5min)；添加适量培养液，使污泥浓度在15g/L水平，营养液包括狗、Mg、Na、K等金属元素，另外以甲醇作为碳源、氯化铵作为氮源，该培养体系中COD 为200mg/L、“NH3-N”为50mg/L ；取200mL培养的颗粒污泥置于2L水浴中，进行5min超声波(频率40KHz、功率600W)预处理，水浴温度设置为35°C。或通过提高“NH3_N”浓度的方法进行预处理，即在“NH3-N”浓度为300mg/L条件下培养池，过程中控制溶氧为1. 5mg/L。(2)对颗粒污泥进行诱变驯化该诱变过程选用化学诱变剂亚硝基胍(NTG)，将预处理过的颗粒污泥溶液进行离心(10000rpm，5min)，用磷酸盐缓冲液洗涤2次，然后用磷酸盐缓冲液加至原来体积，再向其中加入终浓度为50ul/ml的亚硝基胍(NTG)溶液，置37°C水浴30min后离心，用磷酸盐缓冲液洗涤2次。(3)对驯化后的颗粒污泥进行颗粒重建根据离心后的污泥重量添加培养液使污泥浓度为15g/L，培养液的组成与步骤(1)的基本相同，但还需添加CaO作为诱导核，使Ca2+ 浓度为400mg/L ；另外降低“NH3-N”浓度，使“NH3_N”浓度为30mg/L。过程中控制溶氧彡Img/ L,初期溶氧为0. 2mg/L, 2h后提升溶氧至0. 5mg/L,颗粒重构过程共进行他。(4)针对含Cu2+、Zn2+离子的氨氮污水，筛选能够耐受的颗粒污泥对含Cu2+、Zn2+ 离子的氨氮污水经适当稀释，使“NH3-N”浓度控制在200mg/L水平；将重建后的颗粒污泥离心(10000rpm，5min)，加入稀释后的氨氮污水中，污泥浓度达到15g/L水平，同时以一组没有进行驯化的颗粒污泥作为对照，通过两组反应过程中氨氮的脱除效果，判定诱导驯化的效果。应用这种诱导驯化方法，通过几个周期的诱导-筛选，通过对比试验得到比较好的试验效果。共进行了 8个批次的对比实验，每4个批次为一个周期，总计两个周期。在每个批次中，选择“NH3-N”初始浓度为200mg/L水平的氨氮污水，以实际处理过程中，两种颗粒污泥的氨氮脱除速率作为评价指标。通过对比试验可以看出(附图1)，富含Cu2+、ai2+离子的水质对没有驯化的颗粒污泥有较强的抑制作用，在每个试验周期的后期，其氨氮脱除速率明显下降，而经过诱变驯化的颗粒污泥对富含Cu2+、Zn2+离子的水质有了明显的耐受，从而在整个试验周期，氨氮脱除速率仍保持较高水平。这种驯化效果是传统压力选择驯化法无法实现的。
权利要求
1.一种提高处理氨氮污水颗粒污泥驯化效率的方法，其特征在于包括如下内容选择具有脱氨氮能力的活化颗粒污泥，对活化颗粒污泥进行颗粒结构降解，在诱导驯化后收集污泥进行颗粒重构，颗粒重构得到的颗粒污泥用含氨氮废水进行适应性筛选驯化。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于具有脱氨氮能力的活化颗粒污泥中含有脱氨氮功能的微生物菌群。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于活化颗粒污泥的颗粒结构降解采用提高培养体系“NH3-N”浓度引发颗粒结构降解的方法，“NH3-N”浓度一般> 300mg/L，溶氧> Img/ L，培养2h 6h。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于活化颗粒污泥的颗粒结构降解采用超声振荡方法将颗粒污泥进行结构降解，超声波频率为25KHz 40KHz，超声功率密度为100W/ L 400W/L,时间为 3min 15min。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于颗粒结构降解后的诱导驯化采用物理诱导驯化或化学诱导驯化。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于在诱导驯化之后，增加原生质融合过程。
7.按照权利要求5或6所述的方法，其特征在于在诱导阶段保持微氧环境，以兼顾硝化菌群与反硝化菌群对氧的耐受。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于诱导驯化后的收集污泥采用离心收集方法或过滤收集方法。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于诱导驯化后污泥的颗粒重构方法如下诱导驯化后收集的污泥添加到培养液中，使污泥浓度为5g/L 50g/L，培养液中添加CaO或 CaCl2作为诱导核，使Ca2+浓度为200mg/L 1000mg/L，控制碳氮比，尽量降低“NH3_N”浓度，COD浓度彡200mg/L，“NH3-N”浓度彡30mg/L，颗粒重构阶段溶氧控制在微氧水平，溶氧 ^ lmg/L，颗粒重构的时间为4h 16h。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于培养液中含有微量元素i^、Mg、Na和K。
全文摘要
本发明公开了一种提高处理氨氮污水颗粒污泥驯化效率的方法，选择具有脱氮能力的活化颗粒污泥，对活化颗粒污泥进行颗粒结构降解，在诱导驯化后收集污泥进行颗粒重构，颗粒重构得到的颗粒污泥用含氨氮废水进行适应性筛选驯化。与现有方法相比，本发明方法驯化强度更大、效果更明显、效率更高。在驯化过程中充分考虑到了颗粒污泥的结构特点，有目的的加入了脱颗粒结构和颗粒重构两个环节，使诱变剂作用更加充分，同时应用诱导和原生质融合两种方法，提高了重组概率，增加了驯化强度，使驯化效果更加明显。
文档编号C02F3/30GK102442725SQ20101051131
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者张霖, 李志瑞, 高会杰 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院