一种定向富集不同比例的自养脱氮微生物群的方法与流程

本发明属于水处理与环保技术领域，具体涉及一种以磁铁矿、改性沸石定向富集自养脱氮微生物的方法。

背景技术：

目前，我国的水环境污染问题受到广泛关注，氨氮、总氮，有机物与新型毒害性污染物的问题层出不穷。在国家新的“水十条”中对沿海地级及以上城市实施总氮排放总量控制要求，使得对水处理的要求提升了一个更高的层次。

对于占水体总氮60％以上的污染物-氨氮而言，来源于各类含氮污染物的降解过程。一般而言，氨氮仅在氨氧化微生物的作用下发生转化，其转化时间与溶解氧浓度相关，其累积往往在污染水体造成进一步的缺氧，缺氧有进一步导致氨氮的累积。此外，氨氮是水体中的营养素，可导致水体富营养化，同时对鱼类及许多水生生物均有毒害性。因此，人们针对氨氮污染的治理进行了广泛的研究。当采用过量曝气的方法去除氨氮后，导致大量氨氮转化为硝酸盐，使水体总氮过高的问题开始浮现。水体脱氮与微量污染物去除主要通过微生物的代谢活动完成。传统微生物总氮的去除过程需要经过氨氧化、硝化再进行反硝化的过程。此过程需要大量曝气将氨氮转化为硝酸盐，然后在有机条件下利用反硝化去除硝酸盐。完全去除需要消耗大量电能与碳源(甲醇)。处理日益严重的氨氮污染，已经让不堪重负的水处理系统能耗剧增，而新型污染物的出现，将进一步加重处理的压力。目前，新型的脱氮技术一直是环境工程研究的前沿。自养脱氮工艺就是其中一种非常具有节能高效的脱氮技术。自养脱氮技术能在缺乏有机碳源的条件下去除氨氮与总氮，大大节省动力能耗与碳源消耗，因此是一种非常有前景的脱氮工艺。因此，开发一种直接适用于小区或农村污水预处理，既能去除醋氨酚又能同步脱除总氮、氨氮的新型节能环保的水处理系统，不仅有利于缓解改善无法截污的城镇水污染现状，也有助于提高水环境的安全，对未来3-5年分散式水处理技术的发展具有重要的意义。

然而，由于自养脱氮微生物群的倍增时间相当长，启动自养脱氮微生物群需要相当长的时间，让其在工程应用受到限制。如何加快其培养过程是工程实用化的关键。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能在微氧条件下去除自然水体、市政污水中的氨氮与总氮污染的定向富集不同比例的自养脱氮微生物群的方法。

本发明的定向富集不同比例的自养脱氮微生物群的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、填料的改性

磁铁矿填料的改性：将粒径0.5～1cm的磁铁矿用水清洗干净后，再用盐酸浸泡改性，最后用水冲洗盐酸改性后的磁铁矿至pH＝7中性，烘干，得到改性磁铁矿填料；

沸石填料的改性：将粒径0.5-1cm的沸石填料用水清洗干净后，再用盐酸浸泡改性，最后用水冲洗盐酸改性后的沸石填料至pH＝7中性，再用NaOH溶液浸泡改性，最后用水冲洗至pH＝7中性，烘干，得到改性沸石填料；

B、自养脱氮污泥的制备

取VSS浓度大于1mg/L的活性污泥，经过隔除杂质后，沉淀，再用M0培养液置换上清液，连续曝气和搅拌，使其溶解氧为2-3mg/L，当氨氮降解效率达到90％以上，亚硝酸盐累积率达到30％以上时，更换M0培养液继续培养，连续曝气和搅拌，使其溶解氧为2～3mg/L，直至氨氮降解效率达到90％以上，亚硝酸盐累积率达到60％以上，获得污泥A；

取污泥A移至另外一个容器中，曝气，使其溶解氧为0.5～1mg/L，当氨氮降解效率达到70～80％时，亚硝酸盐降解率达到70％以上时，更换M1培养液继续培养，连续曝气和搅拌，使其溶解氧为0.5～1mg/L，直至氨氮降解效率达到90％以上，亚硝酸盐累积率消失，获得污泥B，即为自养脱氮污泥；

所述的M0培养液每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，余量为水，pH7.0-7.5；

所述的M1培养液每升含有：NH₄Cl 0.5g，NaNO₂ 0.5g，NaHCO₃ 0.5g，余量为水，pH7.5-8.0；

C、反应装置和填料的装填

反应装置包括前后顺序相连通的预曝气区、进水区、改性沸石填料区、改性磁铁矿填料区和出水沉淀区，所述的预曝气区的前端设有进水口，所述的出水沉淀区的尾端设有出水口，在预曝气区中装有预曝气装置，所述的改性沸石填料区装有改性沸石填料，所述的改性磁铁矿填料区装有改性磁铁矿填料；

D、反应装置的启动和运行：将污泥B接种到反应装置中的改性沸石填料和改性磁铁矿填料上，然后进行挂膜，再反应装置采用连续流方式启动运行。

所述的磁铁矿填料的改性是将粒径0.5～1cm的磁铁矿用水洗，直到上清液澄清，然后用水浸泡20～35min，再用40kHz超声30-60min，再加入盐酸至pH为3，然后浸泡20-30min，最后用水冲洗至pH＝7中性，120℃烘干，得到改性磁铁矿填料；

所述的沸石填料的改性是将粒径0.5-1cm的沸石填料用水清洗，然后采用40kHz超声30-60min，加入盐酸中浸泡20-35min后用水冲洗至pH＝7中性，再加入质量分数10％的NaOH溶液浸泡30min，pH调整至12以上，浸泡沸石填料12h，最后用水冲洗至中性pH＝7，120℃烘干，得到改性沸石填料。

所述的反应装置采用连续流方式启动运行，其具体步骤为：

反应装置分为两个阶段，第一阶段为去除氨氮阶段，第二阶段为总氮、氨氮同步去除的自养脱氮稳定运行阶段；

第一阶段培养进水为模拟污水，要求SS不超过100mg/L，起始进水氨氮不超过100mg/L、COD浓度不超过50mg/L，装置水力停留时间为5-7天，预曝气区曝气使出水溶解氧浓度控制为2-3mg/L，当出水氨氮去除率稳定到60～70％，提升进水氨氮到100-200mg/L，当出水氨氮去除率稳定到60-70％，进入第二阶段；

第二阶段进水为模拟污水与实际污水按体积比1：1混合，要求SS不超过100mg/L，氨氮、COD浓度分别不超过100mg/L、pH7.5以上，装置水力停留时间为3天，预曝气区曝气使出水溶解氧浓度控制为0.5mg/L以下，当氨氮去除率为80％以上、总氮去除率60％以上，进入稳定运行期，完成反应装置的启动；

所述的模拟污水每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，pH7.0-7.5，余量为水。

预曝气区功能在于预氧化，控制进水溶解氧；进水区则是通过沉淀去除水体悬浮物并截留大分子污染物，根据进水悬浮物浓度与原水情况，每隔1-3个月清洗。第二格为改性沸石填料区，主要吸附氨氮与阳离子，富集以氨氧化为主的自养脱氮微生物群；第三格为改性磁铁矿填料区，富集以厌氧氨氧化为主的自养脱氮微生物群，主要负责缺氧条件下氨氧化与部分的总氮去除。

本发明能通过简单的培养活污泥后，利用填料特性会加快自养脱氮污泥的形成，更进一步可选择塑造不同类型的脱氮污泥，如形成以氨氧化微生物占优的自养脱氮微生物群，高效完成氨氮转化为亚硝酸盐的工作，以及形成以厌氧氨氧化微生物占优的自养脱氮微生物群，高效完成总氮去除的工作，因此，本发明根据其选择特性设计相应填料与反应装置，定向分段选择自养脱氮微生物，使其在不同的功能填料上进行较高效附着效率，提高其活性，即对氨氧化微生物与厌氧氨氧化微生物进行选择性富集与分离，从而能在微氧条件下去除自然水体、市政污水中的氨氮与总氮污染。

附图说明：

图1是本发明的反应装置的结构图；

其中1、预曝气区；2、进水区；3、改性沸石填料区；4、改性磁铁矿填料区；5、出水沉淀区；6、进水口；7、出水口；8、预曝气装置；

图2是高通量测序改性磁铁矿填料区、改性沸石填料区氨氧化微生物相对丰度(相对数量比)，a-接种的自养脱氮污泥；ZE-改性沸石填料区；MA-改性磁铁矿填料区；

图3是高通量测序改性磁铁矿填料区、改性沸石填料区氨氧化微生物相对丰度(相对数量比)，a-接种的自养脱氮污泥；ZE-改性沸石填料区；MA-改性磁铁矿填料区；

图4是在不同填料富集段的氨氧化活性，a-接种的自养脱氮污泥；ZE-改性沸石填料区；MA-改性磁铁矿填料区。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

磁铁矿填料选择粒径0.5cm的磁铁矿，填料使用自来水清洗，直到上清液澄清。然后用清水浸泡20min，用低频40kHz超声30min，再加入体积比浓盐酸(质量分数37％)：水＝1：9的盐酸溶液浸泡30min(调整pH为3)，最后用清水冲洗至pH＝7中性，120℃烘干24h待用，得到改性磁铁矿填料。

选择粒径0.5cm的沸石填料，填料使用自来水清洗，然后采用低频40kHz超声30min。加入体积比浓盐酸(质量分数37％)：水＝1：9的盐酸溶液浸泡20min后用清水冲洗至pH＝7中性。再加入质量分数10％浓度的NaOH浸泡30min，pH调整至12，浸泡沸石填料12h。最后用清水冲洗至中性(pH＝7)，120℃烘干24h待用，得到改性沸石填料。

取1000ml的城市污水厂的活性污泥混合液，其VSS(污水中悬浮物经高温575℃煅烧后，挥发掉的有机物的浓度)浓度2mg/L。经过隔除杂质和沉淀后，倾倒上清液并加入等体积的M0培养液，连续曝气与搅拌，控制溶解氧为2-3mg/L，每隔3天测定上清液氨氮浓度。当氨氮降解效率达到92％，亚硝酸盐累积率达到50％以上，再更换等体积M0培养液，连续曝气与搅拌，控制溶解氧为2-3mg/L，培养2周，测定上清液氨氮浓度。当氨氮降解效率达到95％以上，亚硝酸盐累积率达到80％，获得污泥A；将一半污泥A转移至另外一个容器，控制曝气，使其溶解氧为1mg/L，每隔3天测定上清液氨氮浓度，氨氮降解效率达到70-80％，亚硝酸盐降解率为100％，更换等体积M1培养液，控制曝气，使其溶解氧为1mg/L，重复培养3-4周后，每隔3天测定上清液氨氮、亚硝酸盐浓度。当氨氮降解效率达到92％，亚硝酸盐累积消失，获得污泥B(自养脱氮污泥)。

如图1所示，本实施例的反应装置包括前后顺序相连通的预曝气区1、进水区2、改性沸石填料区3、改性磁铁矿填料区4和出水沉淀区5，所述的预曝气区的前端设有进水口6，所述的出水沉淀区的尾端设有出水口7，在预曝气区中装有预曝气装置8，所述的改性沸石填料区装有改性沸石填料，所述的改性磁铁矿填料区装有改性磁铁矿填料，水由进水口6进，流经预曝气区1、进水区2、改性沸石填料区3、改性磁铁矿填料区4和出水沉淀区5，从出水口7流出。

将污泥B接种到反应装置中的改性沸石填料和改性磁铁矿填料上，然后进行挂膜，再反应装置采用连续流方式启动运行：

第一阶段培养进水为模拟污水，进水SS(固体悬浮物浓度)少于100mg/L，起始进水氨氮为50mg/L、COD浓度不超过50mg/L，装置水力停留时间为5天，常温，前端预曝气区1的预曝气装置8辅助曝气使出水溶解氧浓度控制为3mg/L。当出水氨氮去除率稳定到60-70％，提升进水氨氮到100mg/L，当出水氨氮去除率稳定到70％，再提高进水氨氮至200mg/L，进入第二阶段。

第二阶段进水是模拟污水与实际污水按照体积比1：1的混合液，其SS小于100mg/L，氨氮、COD浓度分别为100mg/L、70mg/L，pH为7.5。装置水力停留时间缩短为3天，常温，辅助曝气使出水溶解氧浓度控制为0.5mg/L以下。测定第三周后氨氮去除率为80％以上、总氮去除率60％以上，进入稳定运行期。

所述的模拟污水每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，pH7.0-7.5，余量为自来水，其配制方法将其组份按其含量混合均匀即可。

所述的M0培养液每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，余量为水，其配制方法是将NH₄Cl 0.1g、NaHCO₃ 0.2g加入到水中，用NaHCO₃溶液调pH值至7.0，然后定容1L。

所述的M1培养液每升含有：NH₄Cl 0.5g，NaNO₂ 0.5g，NaHCO₃ 0.5g，余量为水，其配制方法是将NH₄Cl 0.5g，NaNO₂ 0.5g，NaHCO₃ 0.5g加入到水中，用NaHCO₃溶液调pH值至7.5，然后定容1L。

以改性磁铁矿填料区和改性沸石填料区不填充改性磁铁矿填料和改性沸石填料，只装填自养脱氮污泥作为对照。

经过1个月培养后，图2和图3通过高通量分析显示，改性磁铁矿填料区(装填有改性磁铁矿填料，下同)平均累积的好氧氨氧化微生物的量远比接种自养脱氮污泥为高，达到10％，与接种自养脱氮污泥比高出50％以上，另一方面从厌氧氨氧化微生物的相对丰度看到改性磁铁矿填料区累积的数量最多，平均达到10％，而改性沸石填料区(装填有改性沸石填料，下同)则为0.08％，均比接种污泥高出50％。通过氨氧化活性试验对比看出(图4)，改性磁铁矿填料区氨氧化活性最强，平均达到2mgN*h-1prtein*g-1(单位为：毫克氮/每毫克蛋白每小时每克填料)，而改性沸石填料区为1.48mgN*h-1prtein*g-1，接种的污泥仅有50％的活性；硝化活性则在沸石段最强，磁铁矿最弱，显示不同材料对微生物的组成与活性造成了定向选择。

实施例2：

磁铁矿填料选择粒径1cm的磁铁矿，填料使用自来水清洗，直到上清液澄清。然后用清水浸泡35min，用低频40kHz超声60min，再加入体积比浓盐酸(质量分数37％)：水＝1：9的盐酸溶液浸泡20min(调整pH为3)，最后用清水冲洗至pH＝7中性，120℃烘干24h待用，得到改性磁铁矿填料。

选择粒径1cm的沸石填料，填料使用自来水清洗，然后采用低频40kHz超声60min。加入体积比浓盐酸(质量分数37％)：水＝1：9的盐酸溶液浸泡35min后用清水冲洗至pH＝7中性。再加入质量分数10％浓度的NaOH浸泡30min，pH调整至12，浸泡沸石填料12h。最后用清水冲洗至中性(pH＝7)，120℃烘干48h待用，得到改性沸石填料。

取2000ml的城市污水厂活性污泥混合液，其VSS(污水中悬浮物经高温575℃煅烧后，挥发掉的有机物的浓度)浓度1.5mg/L。经过隔除杂质和沉淀后，倾倒上清液并加入等体积M0培养液，连续曝气与搅拌，控制溶解氧为2mg/L，每隔4天测定上清液氨氮浓度。当氨氮降解效率达到91％，亚硝酸盐累积率达到66％，再更换等体积M0培养液，连续曝气与搅拌，控制溶解氧为2mg/L，培养2周，测定上清液氨氮浓度。当氨氮降解效率达到95％以上，亚硝酸盐累积率达到80％，获得污泥A；将一半污泥A转移至另外一个容器，控制曝气，使其溶解氧为0.5mg/L，每隔3天测定上清液氨氮浓度，氨氮降解效率达到70-80％，亚硝酸盐降解率为100％，更换等体积M1培养液，控制曝气，使其溶解氧为0.5mg/L，重复培养3-4周后，每隔3天测定上清液氨氮、亚硝酸盐浓度。当氨氮降解效率达到92％，亚硝酸盐累积消失，获得污泥B(自养脱氮污泥)。

所述的模拟污水每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，pH7.0-7.5，余量为自来水，其配制方法将其组份按其含量混合均匀即可。

所述的M0培养液每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，余量为水，其配制方法是将NH₄Cl 0.1g、NaHCO₃ 0.2g加入到水中，用NaHCO₃溶液调pH值至7.0，然后定容1L。

所述的M1培养液每升含有：NH₄Cl 0.5g，NaNO₂ 0.5g，NaHCO₃ 0.5g，余量为水，其配制方法是将NH₄Cl 0.5g，NaNO₂ 0.5g，NaHCO₃ 0.5g加入到水中，用NaHCO₃溶液调pH值至7.5，然后定容1L。

如图1所示，本实施例的反应装置包括前后顺序相连通的预曝气区1、进水区2、改性沸石填料区3、改性磁铁矿填料区4和出水沉淀区5，所述的预曝气区的前端设有进水口6，所述的出水沉淀区的尾端设有出水口7，在预曝气区中装有预曝气装置8，所述的改性沸石填料区装有改性沸石填料，所述的改性磁铁矿填料区装有改性磁铁矿填料，水由进水口6进，流经预曝气区1、进水区2、改性沸石填料区3、改性磁铁矿填料区4和出水沉淀区5，从出水口7流出。

将污泥B接种到反应装置中的改性沸石填料和改性磁铁矿填料上，然后进行挂膜，再反应装置采用连续流方式启动运行：

第一阶段培养进水为模拟污水，进水SS少于100mg/L，起始进水氨氮、COD为50mg/L，装置水力停留时间为7天，预曝气区辅助曝气使出水溶解氧浓度控制为2mg/L。当出水氨氮去除率稳定到70％，提升进水氨氮到100mg/L，当出水氨氮去除率稳定到80％，再提高进水氨氮至150mg/L，当出水氨氮去除率稳定到60-70％时候，进入第二阶段；

第二阶段进水为模拟污水与实际污水按体积比1：1混合的混合液，控制SS小于100mg/L，氨氮、COD浓度分别为100mg/L、50mg/L，pH为7.8。装置水力停留时间缩短为5天，常温，辅助曝气使出水溶解氧浓度控制为0.5mg/L以下。测定第三周后氨氮去除率为80％以上、总氮去除率60％以上，进入稳定运行期。