利用净水厂废弃泥增强沉积物中厌氧氨氧化作用的方法与流程

本发明属于水处理领域，或环境工程，或环境微生物。具体为一种利用净水厂废弃泥强化沉积物厌氧氨氧化作用的方法。

背景技术：
我国的水体污染状况严重，多数河流、湖泊、湿地等水生态环境受到富营养化的威胁，其中，尤以氨氮含量过高为最严重的问题之一。氨氮污染来源包括外源污染排入和内源污染释放。外源污染通常包含水环境周边点源和面源污染的排放。随着水环境保护意识和法规的增强，外源污染已得到有效控制，而且外源污染的处理方法和工艺多已成熟。内源污染治理成为控制水体富营养化的重点与难点。自然水体中已发现的参与脱氮的生物化学过程，最主要的是反硝化作用和厌氧氨氧化作用。其中，厌氧氨氧化作用由于不产生温室气体N2O，能同时去除氮氧化物类污染物，而获得越来越多的关注和重视。此外，由于沉积物与上覆水之间存在明显的氧化还原势梯度或溶解氧浓度差，能够为厌氧氨氧化细菌提供良好的生境。因此，改善沉积物表面厌氧氨氧化细菌的生境、增强厌氧氨氧化作用，具有重要的应用意义。厌氧氨氧化作用的主要限制因素是细菌的倍增时间长以及对生境的要求高。厌氧氨氧化细菌对溶解氧和氧化还原势的要求较高，在厌氧及缺氧条件下，厌氧氨氧化细菌活性强，而在微好氧条件下，其活性受到可逆性抑制，但在长期好氧条件下，其活性会产生不可逆的丧失。厌氧氨氧化作用在不同程度上受到磷酸盐、重金属和硫化氢的抑制作用，而Fe(III)在一定浓度范围内，会增强厌氧氨氧化作用。根据这些因素对厌氧氨氧化作用的影响特征，目前，许多研究者从环境样品或污泥中富集厌氧氨氧化菌，构建生物反应器，用于污水处理。有研究者利用外加材料提供细菌适宜生长环境，但多是采用固定材料与厌氧氨氧化污泥混合的方法进行固定，而且在投入反应器使用前需要1-2周的活化培养。如：申请(专利)号CN201110029355.X公开了～种利用活性炭固定效应强化厌氧氨氧化微生物活性的方法，固定材料活性炭首先通过一系列前处理，如酸碱处理、去粉尘、盐酸浸泡、清水冲洗、氢氧化钠浸泡、自来水蒸馏水冲洗、生理盐水浸泡以及烘干，利用其立体疏松状多孔结构为厌氧氨氧化微生物提供微环境。相似的还有申请(专利)号CN201110029658.1，其公开了一种利用聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭包埋强化厌氧氨氧化微生物活性的方法。申请(专利)号201110266476.6公布号CN102336472A公开了一种电增强厌氧氨氧化生物脱氮方法，利用铁-石墨电极外加电场，调控铁的释放，为厌氧氨氧化菌提供足够铁基质，促进厌氧氨氧化菌生长。有研究者采用接种厌氧氨氧化细菌于厌氧生物反应器系统中进行细菌富集的方法，多数是以为微生物提供更长停留时间为目的。如：申请(专利)号CN200410042793公开了一种利用混合污泥培养厌氧氨氧化颗粒污泥的方法。申请(专利)号CN201010153704.4公开了一种在向上流反应器(UASB)内，利用失活产甲烷颗粒污泥和厌氧氨氧化絮状污泥的混合污泥，实现厌氧氨氧化颗粒化的方法。申请(专利)号CN200710164839.9公开了一种利用上升流三相分离器装置高效富集厌氧氨氧化菌的装置。申请(专利)号CN200910155264.3(实用新型专利申请号200920202098.3及授权公告号CN201620166U)公开了一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化富集系统。WTRs是给水处理厂中一种安全的废弃物，富含Fe/Al。这些Fe/Al主要以无定形态存在，使WTRs具有较大的比表面积，且对各种物质有较好的吸附能力。不仅如此，WTRs对沉积物中活性P以及金属均具有较好的固定能力。基于此，我们认为将WTRs与沉积物混合，有助于改善厌氧氨氧化细菌在沉积物中的生境，能够消除天然水体沉积物内厌氧氨氧化细菌的生长障碍，进而增强沉积物中厌氧氨氧化作用。

技术实现要素：
本发明提供了一种以净水厂废弃泥(WTRs)为载体的增强富营养化水体沉积物厌氧氨氧化作用的方法。本发明通过柱状实验富集沉积物和WTRs，然后，对沉积物-WTRs混合物加入氨氮丰富的合成水进行富集。目的是模拟淡水环境沉积物富营养化的原位微环境。具体技术方案如下：1)将新鲜的WTRs自然晾干并过筛；2)按照一定比例，将步骤1)中的WTRs与沉积物均匀混合；3)将步骤2)中的混合物填装入一个柱状富集装置；4)以自下向上的方式，定期向步骤3)中装置补给富含氨氮的营养液进行培养。本发明的优点和有益效果体现在：1)本发明的原料为净水厂废弃泥，属于净水厂的安全废弃物，具有易获取的优点；2)本发明的操作流程简单；3)本发明利用净水厂废弃泥的自身特点，改善厌氧氨氧化细菌生境，强化了沉积物内厌氧氨氧化作用；4)本发明利用净水厂废弃泥，有利于实现“以废治废”的双赢效果。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限制。在附图中：图1为本发明实施例中的柱状反应器(加入WTRs富集后的沉积物)进水及出水的溶解氧含量变化。图2为本发明实施例中的富集前后沉积物内活性磷及As(III)的含量变化。图3为本发明实施例中的沉积物内厌氧氨氧化细菌富集前后的荧光原位杂交(FISH)图。图4为本发明实施例中的沉积物内厌氧氨氧化细菌富集前后的丰度变化。图5为本发明实施例中的沉积物内厌氧氨氧化细菌富集前后的活性变化。具体实施方式下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。实例一：以北京市某净水厂的废弃泥(WTRs)为原料，该废弃泥中铁和铝的含量分别为150和100mgg-1。净水厂废弃泥经自然晾干后，过100目筛。取华北地区某富营养化湖泊沉积物100g，与5g上述WTRs均匀混合，后者投加量为前者干重的10％；将混合物添加至一柱子内(内径：50mm；柱高：100mm)，柱子的底部和顶部均垫有尼龙筛，防止沉积物流出。此外，第二个柱子内对未加入WTRs的沉积物进行富集，并以此做为对照组。第三个柱子内仅加入WTRs进行富集，并以此做为空白对照。为保证系统处于厌氧状态，除去进水口和出水口外，整个柱子都处于密封态，并且使用曝过N2的去离子水配置进水。采用从下往上的方式进水，进水的流速为200mLday-1，pH值为8，以及初始PO43-、NH4+、NO2-和NO3-浓度分别为1.5mM、3.6mM、0.6mM和1.0mM，每隔3天测定出水中NH4+、NO2-和NO3-浓度。柱状反应器经50-80d富集达到增强沉积物内厌氧氨氧化作用的目的。厌氧微环境的变化：溶解氧监测结果表明(图1)，由于采用间歇式曝氮气的方式，进水水体内溶解氧含量始终维持在较低的水平，处于0.5mgL-1以下。而柱状反应器(加入WTRs富集后的沉积物)出水仅在运行初期出现高于0.2mgL-1的情况，在运行后期溶解氧含量几乎为零。沉积物中活性磷及As(III)的分析结果表明(图2)在富集后，加入WTRs的沉积物内活性磷及As(III)的含量明显低于未加WTRs富集沉积物中的含量，并低于原位沉积物中的含量。因此，WTRs有助于改善沉积物微环境，使其更加适宜厌氧氨氧化细菌的生长。厌氧氨氧化细菌分布的确定：荧光原位杂交方法(FISH)结果表明(图3)，在富集实验前后的沉积物中，厌氧氨氧化菌的存在形式不同。原位沉积物中厌氧氨氧化细菌主要以分散的形式存在，而富集后沉积物中厌氧氨氧化细菌以更为聚集的方式存在，而且这种聚团形式在含有WTRs富集后的沉积物中更加明显。实例二：同样以北京市某净水厂的废弃泥(WTRs)为原料，该废弃泥经自然晾干后，过100目筛。取华北地区某高氨氮污染河流沉积物80g，与5g上述WTRs均匀混合，后者投加量为前者干重的10％；将混合物添加至一柱子内(内径：50mm；柱高：100mm)，柱子的底部和顶部均垫有尼龙筛，防止沉积物流出。此外，第二个柱子内对未加入WTRs的沉积物进行富集，并以此做为对照组。为保证系统处于厌氧状态，除去进水口和出水口外，整个柱子都处于密封态，并且使用曝过N2的去离子水配置进水。采用从下往上的方式进水，进水的流速为200mLday-1，pH值为8，以及初始NH4+、NO2-和NO3-浓度分别为10.0mM、3.0mM和5.0mM，每隔3天测定出水中NH4+、NO2-和NO3-浓度。柱状反应器经90-150d富集达到增强沉积物内厌氧氨氧化作用的目的。厌氧氨氧化细菌丰度的确定：定量PCR结果表明(图4)，原始沉积物中厌氧氨氧化细菌的丰度为5.9×107copiesg-1，在富集实验后，厌氧氨氧化菌的丰度在不含WTRs的沉积物中提高到了8.9×107copiesg-1，在含有WTRs的沉积物中提高到1.4×108copiesg-1。因此，WTRs改善沉积物微环境，从而提高沉积物中厌氧氨氧化细菌的活性与丰度。厌氧氨氧化细菌活性的确定：15N同位素示踪实验结果表明(图5)，含有WTRs的富集后沉积物中厌氧氨氧化作用活性要高于不含WTRs的沉积物，这种差异尤其体现在同位素示踪实验的48h后。测试结果表明，在富集实验后，厌氧氨氧化活性由原始沉积物的1.9nmolNg-1h-1，分别提高到6.1nmolNg-1h-1(未加WTRs富集后)和9.2nmolNg-1h-1(加WTRs富集后)。需要强调的是，上述实施例虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些说明只是对本发明说明性的，而不是对发明的限制，任何不超出本发明实质精神内的发明创造，均落在本发明权利保护范围之内。