快速富集硝态氮还原型厌氧甲烷氧化菌的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于废水生物处理技术领域，涉及一种快速富集硝态氮还原型厌氧甲烷氧化菌的装置和方法。
【背景技术】
[0002]C、N循环是最基本的地球化学循环，甲烷对全球变暖的贡献可能达到20%，是地球大气中仅次于CO2的温室气体，引起的温室效应是等摩尔0)2的20?30倍。全球甲烷年产生量大约300Tg，其中90%由于微生物的厌氧氧化(Anaerobic Methane Oxidat1n,AMO)作用，在进入大气之前被消耗掉，减缓了温室气体排放。但是，废水生物处理过程温室气体的排放已经受到广泛的关注，除N2O外，新近研宄表明，废水厌氧处理系统产生的甲烷有50%溶解在出水中，随出水排放导致温室气体排放和低效能源回收，已经成为当前废水厌氧生物处理技术广泛应用的障碍。
[0003]废水生物脱氮是当前人类控制由于N污染引发的水体富营养化的主要措施。然而，废水中有机物不足限制硝酸盐反硝化是污水处理厂普遍面临的问题，投加甲醇或乙醇等有机物可能带来经济负担和二次污染；尽管厌氧氨氧化(Anammox)相对于传统的硝化-反硝化工艺，具有更低的能耗、更少的碳源需求和更低的污泥产量等优势，但是Anammox工艺需要精确控制亚硝化以获得亚硝酸盐和氨的特定摩尔比(1.32:1)，且无法去除产生的硝酸盐。
[0004]研宄发现，硝态氮还原型厌氧甲烷氧化(Nx-DAMO)以硝态氮(硝酸盐或亚硝酸盐)为电子受体、以甲烷为电子供体、在功能微生物的作用下实现硝态氮的反硝化和甲烷的氧化。以硝酸盐为电子受体的N-DAMO微生物是一类古菌，以亚硝酸盐电子受体的η-DAMO微生物是一类细菌。Nx-DAMO微生物参与的反应过程如下:
[0005]5CH4+8N(V+8H+— 5C0 2+4Ν2+14Η20 Δ G0' = _765kJmol ^1CH4 (I)
[0006]3CH4+8N(V+8H+— 3C0 2+4N2+10H20 Δ G?’ = -928kJmol ^1CH4 (2)
[0007]基于这一原理的废水处理技术，能够为生物脱氮提供经济、清洁的碳源；同时能够有效利用溶解性甲烷，减少废水处理过程温室气体排放，不但能节约生物脱氮的碳源成本，而且能实现甲烧资源的有效利用；古菌、M.0xyfera细菌和Anammox细菌的协同，能够处理任何三氮比例的废水。但是，Nx-DAMO微生物由于增长缓慢，其世代时间长，富集时间一般在8 - 16个月，且富集达到一定细胞密度后便停止，导致最终收获的生物量有限。难以快速大量富集培养是限制该领域广泛的科学研宄和技术开发应用的瓶颈。
[0008]目前用于Nx-DAMO微生物富集的装置主要是SBR反应器以及中空纤维膜反应器。作为最重要的基质，甲烷的低溶解度导致可利用甲烷量少是限制Nx-DAMO功能微生物快速富集的最重要的因素之一。实验证实，通过降低温度、提高气相甲烷压力和加快搅拌速度来增加014在液相中的浓度，可以提高厌氧甲烷氧化活性。因此，增大可供微生物利用的甲烷量、实现微生物的有效截留以增大微生物浓度是快速富集硝态氮还原型甲烷厌氧氧化菌的关键。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种快速富集硝态氮还原型厌氧甲烷氧化菌的装置和方法。
[0010]本发明实现其目的的技术方案如下:
[0011]一种快速富集硝态氮还原型厌氧甲烷氧化菌的装置，包括反应器主体，在反应器主体侧壁外设有外壳体，所述反应器主体和外壳体之间形成夹层腔，所述外壳体上设有与夹层腔相通的水浴进口和水浴出口，反应器主体上设有出液管、进液管和预留管，所述出液管、进液管和预留管伸到外壳体外；所述反应器主体的顶端设置有顶盖，所述反应器主体上端设有电极口和采气管，所述采气管上设有排气支管；所述反应器主体底部设置有进气管，所述反应器主体内侧壁的中部沿周向设置有吸附层支撑架，所述吸附层支撑架上安装有吸附层，所述吸附层沿反应器主体的径向设置，所述反应器主体内壁下部沿周向设置有曝气板支撑架，所述曝气板支撑架上安装有曝气板。
[0012]所述吸附层的材料为颗粒活性炭或活性碳纤维丝；所述曝气板上设有孔径为3?50mm的曝气孔。
[0013]当采用活性炭纤维丝作为吸附层材料时，吸附层的制作方法为:将活性碳纤维丝在150°C下烘干2h，放入干燥器冷却，然后将活性碳纤维丝平铺在一张8目?10目的圆形涤纶筛网上，再盖上一张同样大小的圆形涤纶筛网，以尼龙线固定，即制作好了吸附层；
[0014]当采用颗粒活性炭作为吸附层材料时，吸附层的制作方法为:将活性炭颗粒物在150°C下烘干，放入干燥器冷却，然后将活性炭颗粒物平铺在一张8目?10目的圆形涤纶筛网上，再盖上一张同样大小的圆形涤纶筛网，以尼龙线固定，即制作好了一层颗粒活性炭网；将多层颗粒活性炭网叠放，以细不锈钢丝连结，即制作好了吸附层。
[0015]所述水浴进口和水浴出口一下一上相对设置在外壳体上。
[0016]所述顶盖与反应器主体采用螺旋配合，所述出液管、进液管、预留管、电极口、采气管和进气管上均有与螺旋密封盖配合的螺纹。
[0017]一种快速富集硝态氮还原型厌氧甲烷氧化菌的方法，包括:
[0018]构建前述快速富集硝态氮还原型厌氧甲烷氧化菌的装置；
[0019]在反应器中投加含有硝态氮还原型厌氧甲烷氧化菌的污泥、矿物质、微量元素溶液，加蒸馏水定容；将甲烷气体通入反应器内，充分曝气后密封反应器；搅拌，控制搅拌速度为100?200rpm ;控制pH在7?7.6，控制温度在30?35°C;保持反应器内甲烷气体浓度为60?90%，压力为I?1.5个大气压；在反应器中定期加入亚硝酸盐或硝酸盐，使得反应器内NO2-浓度控制在10?20mg/L或NO ^浓度为50?200mg/L。
[0020]所述投加矿物质为每升泥水反应液中含有如下重量的下列组分:KHC03:1.0-1.5g ；KH2P04:0.06g ；CaCl 2.2H20:0.3g ；MgS04.7H20:0.2g ；
[0021 ] 所述微量元素溶液包括酸性微量元素溶液和碱性微量元素溶液:
[0022]其中酸性微量元素溶液用蒸馏水配制，每升溶液中含有2.1g FeSO4.7H20，0.07gZnSO4.7Η20，0.12g CoCl2.6Η20，0.5g MnCl2.4Η20，0.32g CuSO4,0.1g NiCl2.6Η20，0.015gH3BO3, 10mM HCl ；
[0023]碱性微量元素溶液用蒸馏水配制，每升溶液中含有0.07g SeO2,0.05gNa2WO4.2H20，0.25g Na2MoO4, 1mM NaOH。
[0024]所述污泥接种物中的污泥来源于湖泊底泥、污水处理厂厌氧污泥、稻田土沉积物的一种或多种混合物。
[0025]位于反应器内的吸附材料具有高的甲烷吸附性能，在向反应器内通入甲烷气体进行曝气的过程中，吸附层吸附大量甲烷形成高甲烷浓度区域，以增大反应器内可供硝态氮还原型厌氧甲烷氧化菌利用的甲烷量，促进该微生物的快速生长，从而实现快速富集；同时，吸附层还是微生物的载体供微生物附着而形成生物膜，实现有效截留微生物、防止微生物流失进而增大富集量。
[0026]本发明的有益效果是:1)利用一种或多种疏水性甲烷气体吸附材料制作成014吸附装置置于反应器内，在向反应器内进行甲烷曝气时，该甲烷吸附层能够大量吸附甲烷形成高浓度甲烷区域，可以有效增加反应器中可供Nx-D