一种基于粉末活性炭联合有机物调控微生物脱氮菌群的方法与流程

本发明涉及一种基于粉末活性炭联合有机物调控微生物脱氮菌群的方法，属于废水微生物处理技术领域。

背景技术：

近年来，相比于以硝化-反硝化为基础的传统污水处理工艺，以厌氧氨氧化为核心的新型污水脱氮工艺凭借无需外加碳源、无需曝大量空气、基建成本低等优势成为各国水环境保护领域的研究热点。厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以NH4+-N为电子供体，以NO2--N为电子受体，将NH⁴⁺-N和NO^2--N转变为N2的生物过程，厌氧氨氧化过程不需要氧气的参与，属于完全自养过程，所以与传统硝化反硝化过程相比，可以节省供氧费用50％，而且不需要外加有机碳源，可以大幅度降低污水脱氮的基建投资和运行成本，同时厌氧氨氧化过程也可以使剩余污泥产生量降至最低，从而节省大量的污泥处置费用。厌氧氨氧化工艺作为一种新型生物脱氮技术备受关注，厌氧氨氧化工艺特别适合处理高氨氮、低碳源污水。厌氧氨氧化反应式为：

厌氧氨氧化菌生长缓慢，细胞产率低，因此难以维持较高生物浓度，即使经过数月的运行建立了厌氧氨氧化功能，仍然由于厌氧氨氧化菌对环境条件的敏感而难以维持反应器的稳定运行，在工业应用过程中，同样因为厌氧氨氧化菌群对实际污水的适应性差而难以维持长久稳定运行。

同时厌氧氨氧菌容易被有机物所抑制，进而导致厌氧氨氧化工艺不能稳定运行。如何调控厌氧氨氧化工艺中微生物脱氮菌群，使其能够适应并能处理有有机物的废水，对厌氧氨氧化工艺的实际应用具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于粉末活性炭联合有机物调控微生物脱氮菌群的方法。

术语说明：

活性炭：以优质木屑、椰壳、煤质为原料，经炭化加工而成，竹炭炭化温度为600℃，直径约2mm，比表面积BET为2455m²g^-1，总孔容积为1.532cm³g^-1，平均孔径为2.5386nm。具有过滤速度快、吸附性能好、脱色除味能力强、经济耐用等优点，产品广泛应用于自来水处理、污水处理领域。

本发明的技术方案如下：

一种基于粉末活性炭联合有机物调控微生物脱氮菌群的方法，包括：

(1)活性炭清洗、干燥、粉碎步骤；

(2)活性厌氧氨氧化污泥、厌氧颗粒污泥以及活性炭粉末加入SAMBR反应器步骤；

(3)通待处理废水，加有机物进行调控微生物脱氮菌群步骤；

(4)调控微生物脱氮菌验证步骤；

所述的步骤(3)通待处理废水，加有机物进行调控微生物脱氮菌群步骤是：从SAMBR反应器的顶部通入待处理废水，同时向废水中加入有机物，控制进水速度，使水力停留时间控制在40-55h；调整温度及pH，使温度维持在32-36度，pH保持在7.5±0.2；同时进行曝氮气，维持厌氧环境进行调控微生物脱氮菌群。

根据本发明优选的，所述的活性炭清洗、干燥、粉碎步骤是：将活性炭用自来水反复冲洗，然后于50℃-60℃的烘箱中干燥10-14h，研磨成粒径为1-3mm的粉末。

根据本发明优选的，活性厌氧氨氧化污泥与厌氧颗粒污泥的体积比为：1：(3-5)，活性厌氧氨氧化污泥与厌氧颗粒污泥混合污泥的含水率≥99wt％。

本发明优选的，步骤(2)中，所述的活性厌氧颗粒污泥取自淀粉厂厌氧污水处理装置排出的污泥，经过滤、冲洗后得到，活性厌氧颗粒污泥呈黑色，颗粒污泥粒径为0.5-4mm，污泥含水率大于等于98wt％。

本发明优选的，步骤(2)中，所述的活性厌氧氨氧化污泥为活性厌氧颗粒污泥在升流式厌氧反应器内经120-150d厌氧氨氧化富集培养制得；活性厌氧氨氧化污泥颜色为红色或者棕红色，含水率大于等于98wt％。

本发明优选的，步骤(3)中，所述的有机物为葡萄糖和醋酸钠的混合物，葡萄糖与醋酸钠的摩尔比为：(1-2)：(1-2)；有机物的加入量使废水中COD维持在40-60mg/L。

本发明优选的，步骤(3)中，通入待处理废水后，废水中MLSS污泥浓度为4000±50mg/L；粉末活性炭浓度为1000-1500mg/L。

本发明优选的，步骤(3)中，通入待处理废水后，维持液面高度在32-39cm，采用加热棒使反应器内部温度维持在35度，每隔12个小时向反应器通入氮气曝气20-30min，曝气强度为2-8mL/(L·min)，通入二氧化碳使pH保持在7.5±0.2范围内。

进一步优选的，氮气曝气时间为30min，曝气强度为5mL/(L·min)。

本发明优选的，步骤(4)所述的调控微生物脱氮菌验证步骤是：维持步骤(3)的条件，稳定运行60-104天后成功启动反应器，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入稳定阶段。

本发明优选的，所述待处理废水为含氨氮和有机物的废水，所述的含氨氮和有机物的废水选自制药废水、垃圾渗滤液或石油化工废水。

本发明优选的，所述的SAMBR反应器为现有技术。

所述的SAMBR反应器包括反应器本体，所述的反应器本体为内壁和外壁组成的双层套筒式圆柱形，内壁与外壁之间为水浴夹层，在外壁外表面包裹覆盖一层锡箔纸，以避光，为anammox菌和反硝化菌提供良好的生长环境；双层套筒的两端设置有上密封端盖和下密封端盖，在反应器本体内设置有进水管、曝气管和出水管，进水管与外界进水装置连接，曝气管与外界气源连接，出水管贯穿上端盖与盛水装置连接，在反应器本体内还设置有膜组件，所述的膜组件为中空纤维膜围城的内部空心的椭圆形，膜组件固定在上端盖上，所述的中空纤维膜长为30cm，直径为1mm，膜孔径0.1μm的中空纤维膜构成，其有效面积为0.094m²。

根据本发明优选的，曝气管和出水管均设有水封，隔绝氧气维持厌氧环境，在SAMBR反应器的底部设置有磁力搅拌装置，转子转速控制在500±50rpm，反应器内部设有液位控制器，将其与出水蠕动泵相连；SAMBR反应器侧壁设有不同高度取样口。

本发明利用粉末活性炭联合有机物调控微生物脱氮菌群，使得驯化后的活性污泥能够适应并稳定处理含有有机物的废水。

本发明具有如下优点：

1、本发明所述的方法可以驯化厌氧氨氧化菌群结构，使厌氧氨氧菌不被有机物所抑制，使得厌氧氨氧化工艺适应并处理含有有机物的废水。

2、本发明通过添加粉末活性炭和葡萄糖、醋酸钠有机物，用于驯化活性厌氧氨氧化污泥、厌氧颗粒污泥中的菌群结构，使变形菌剂拟杆菌比例及能力增大、增强，反硝化菌群增强，提高了全程反硝化及降解有机物的能力，硝酸盐中氮的去除率大大提高，厌氧氨氧化菌活性得以有效保护。

3、本发明所述的活性炭是采用常规的活性炭，常用于污水处理，成本低且绿色无污染；

4、本发明所述的反应器运行条件温和，在常温常压下就可以进行，无需特定条件；且无有毒有害物质生成，对环境安全无害；

附图说明

图1为对比例未添加粉末活性炭和有机物的反应器与本发明实施例1添加粉末活性炭和有机物的反应器中微生物群落结构的变化情况对比图；

图2为对比例未添加粉末活性炭和有机物的反应器与本发明实施例1添加粉末活性炭和有机物的反应器中与氮循环通路相关的预测基因相对含量变化情况对比图。

具体实施方式

下面通过实施例并参照附表及附图对本发明作详细描述。有必要指出的是实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。

实施例中使用化学试剂均购买于国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。蠕动泵购自保定兰格恒流泵有限公司，型号是BT100-2J。

SMABR反应器采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。

曝气所用高纯氮气购自济南德洋特种气体有限公司，规格为99.999％。

实施例1

一种基于粉末活性炭联合有机物调控微生物脱氮菌群的方法，包括步骤如下：

(1)将活性炭用自来水反复冲洗后于50℃的烘箱中烘12h，取出磨成粉末状后投加至SMABR内，将活性厌氧氨氧化活性污泥和厌氧颗粒污泥按体积比1:3投入SMABR反应器内，活性厌氧氨氧化活性污泥和厌氧颗粒污泥混合污泥含水率≥99wt％，活性厌氧颗粒污泥污泥取自淀粉厂厌氧污水处理装置排出的污泥经过滤、冲洗后制得；活性厌氧氨氧化污泥为厌氧氨氧化反应器富集培养制得。

(2)SAMBR反应器的顶部利用蠕动泵通入待处理废水，同时废水中加入摩尔比1:1的葡萄糖和醋酸钠，通过液面控制器控制反应器内液面高度维持在32-39cm范围内，有机物的加入量使废水中COD维持在50mg/L。通入待处理废水后，废水中MLSS污泥浓度为4000±50mg/L；粉末活性炭浓度为1000mg/L；通过控制蠕动泵转速控制进水速度，使反应器内水力停留时间为48h。同时采用加热棒使升流式厌氧反应器内部温度维持在35度，每隔12个小时向SMABR反应器通入氮气曝气20min，曝气强度为5mL/(L·min)，以维持厌氧环境，通入二氧化碳使pH保持在7.5±0.2范围内。

(3)保持SMABR按照上述条件稳定运行104天后成功启动反应器，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入稳定阶段。稳定运行期间总氮去除速率达到0.189KgN/(m³d)，反应器保持稳定的运行效果，氮去除效果没有出现大幅度的波动。

对比例1

一种厌氧氨氧化工艺处理含氮废水的方法，按实施例1所述的方法进行，不同之处在于：

该方法将活性厌氧氨氧化活性污泥和厌氧颗粒污泥按体积比1:3投加至SAMBR反应器的反应区内，混合污泥含水率≥99wt％，不投加活性炭和葡萄糖、醋酸钠；其他方法及步骤按实施例1进行，稳定运行104天后成功启动SAD工艺，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入稳定阶段。稳定运行期间总氮去除速率达到0.190KgN/(m³d)，反应器保持稳定的运行效果。

应用实验例:

向实施例1及对比例1的方法驯化后的反应器中中通入人工合成废水，对废水进行处理，利用蠕动泵控制连续流进水，液位控制器控制出水，使水力停留时间为48小时；所述人工合成废水具体成分为：472mg(NH4)2SO4/L(第69天增加一倍)，390mg NaNO2/L(第69天增加一倍)，500mg KHCO3/L，27.2mg KH2PO4/L，120mg MgSO4·7H2O/L，180mg CaCl2·2H2O/L，1mL微量元素/L。所述微量元素具体成分为20000mg EDTA/L，430mg ZnSO4·7H2O/L，240mgCoCl2·6H2O/L，990mg MnCl2·4H2O/L，250mg CuSO4·5H2O/L，220mg NaMoO4·2H2O/L，190mg NiCl2·6H2O/L，210mg NaSeO4·6H2O/L，14mg H3BO4/L。

每3天测定一次氮素浓度，据此评价反应器运行状态；运行第10天和第124天取污泥样进行高通量测序，据此评价反应器内微生物群落结构的变化。

当进水总氮容积负荷在38333mg N/m3/d左右时，未添加粉末活性炭和有机物的反应器脱氮速率为0.190KgN/(m³d)；当添加粉末活性炭和有机物时，反硝化菌成为优势菌种，并且反应器脱氮速率为0.189KgN/(m³d)，被驯化后的活性污泥可处理还有有机物的废水；结果见下表1所示：

表1

注释：表格里的数值为平均值。

对比例1加入活性厌氧颗粒污泥和活性厌氧氨氧化污泥的反应器运行稳定后，总氮去除效率为0.190KgN/(m³d)，且反应器内微生物群落结构中占优势地位的是浮霉菌门；而本发明实施例1加入粉末活性炭和有机物、活性厌氧颗粒污泥和活性厌氧氨氧化污泥的反应器运行稳定后，总氮去除效率为0.189KgN/(m³d)，且反应器内微生物群落结构中占优势地位的是变形菌门，被驯化后的活性污泥微生物群落变化显著，能够处理含有机物的废水；结果如图1、图2所示。

实施例2

一种基于粉末活性炭联合有机物调控微生物脱氮菌群的方法，同实施例1所述，不同之处在于：

步骤(1)活性厌氧氨氧化活性污泥与厌氧颗粒污泥的体积比1:4。

步骤(2)SAMBR反应器的顶部利用蠕动泵通入待处理废水，同时废水中加入摩尔比1:1的葡萄糖和醋酸钠，有机物的加入量使废水中COD维持在60mg/L。通入待处理废水后，粉末活性炭浓度为1200mg/L；通过控制蠕动泵转速控制进水速度，使反应器内水力停留时间为50h。每隔12个小时向SMABR反应器通入氮气曝气20min，曝气强度为5mL/(L·min)，以维持厌氧环境，通入二氧化碳使pH保持在7.5±0.2范围内。

其他同实施例1。