一种实现海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的装置与方法

1.本发明涉及一种实现海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的装置与方法，属于污水生物处理技术领域，适用于耐盐型厌氧氨氧化菌的大规模快速富集培养，可有效满足海洋水体富营养化防治对于海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的市场需求。


背景技术：

2.近海流域水体富营养化的防治一直是污水生物处理技术领域的热点。随着陆源污水和海水养殖尾水排入规模的快速增长，近海面临的由氮素污染物引发的水体富营养化风险日益突出。如果不能及时化解近海富营养化风险，将会造成海洋生物多样性急剧减少，海洋生态系统大幅度衰退，进而会严重制约沿海经济的可持续发展。
3.目前含盐废水中氮素的脱除，普遍采用以硝化、反硝化过程为主的生物处理技术。但是这些技术依赖的硝化菌、反硝化菌等功能菌群需要很长时间的耐盐强度驯化。此外耐盐驯化成功后，硝化以及反硝化的负荷依旧会处于较低的水平，使得污水处理负荷受限。另外，硝化反硝化过程需要大量的曝气能耗和碳源消耗，使得污水处理成本居高不下。
4.海洋厌氧氨氧化菌，可以在厌氧条件下以亚硝态氮为氧化剂，将氨氮氧化为氮气。与传统硝化反硝化过程相比，其脱氮快速高效，可以节省100%的曝气能耗和100%的碳源消耗，此外其还具备耐盐优势，是一种理想的耐盐型、高处理负荷、低处理成本的脱氮菌种。
5.海洋厌氧氨氧化菌在自然界中含量少，常需富集培养。目前常见富集培养手段是采用污水处理厂生化池的活性污泥（参见中国专利申请公布号为cn104450558a所公开的一种海洋厌氧氨氧化菌的富集培养方法）或者海洋沉积物（参见中国专利申请公布号为cn106966495a所公开的一种海洋厌氧氨氧化菌处理含海水污水的方法）为种泥，通过进水基质浓度以及盐度梯度增加的方式，实现海洋厌氧氨氧化菌的富集培养。上述方法需要经历厌氧氨氧化菌从无到有、从低丰度到高丰度、从低盐度耐受逐步提高至高盐度耐受的过程。此富集培养过程步骤复杂、所需时间漫长，较难满足海洋水体富营养化防治对于海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的市场需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是提供一种实现海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的装置与方法，以解决目前海洋厌氧氨氧化菌富集培养过程步骤复杂、时间漫长的技术问题。
7.本发明的技术原理如下：在海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器内投加淡水厌氧氨氧化种泥，通过高盐废水直接从种泥中筛选富集海洋厌氧氨氧化菌；当每次反应器内氨氮去除活性受到盐度抑制时，通过引入盐度梯度增加的低盐废水提高其氨氮去除活性，直至反应器内氨氮去除活性不被高盐废水抑制。本发明大幅度减少了海洋厌氧氨氧化菌富集培养的步骤和时间，可有效满足海洋水体富营养化防治对于海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的市场需求。
8.本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种实现海洋厌氧氨氧化菌快速富
集培养的装置，包括盐度母液水箱、低盐度水箱、高盐度水箱、海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器、出水箱、以及在线监测与控制系统。其中所述盐度母液水箱通过盐度母液进水泵与低盐度水箱相连接；海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器通过低盐度进水泵与低盐度水箱相连接，以及通过高盐度进水泵与高盐度水箱相连接；出水箱通过出水管与海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器相连接；所述低盐度水箱内置有第一溢流管、第一放空管、盐度传感器；所述高盐度水箱内置有第二溢流管、第二放空管；所述海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器内置有第一取样口、第二取样口、第三取样口、转刷搅拌器、三相分离器、氨氮传感器、氨氮测定仪、排气口以及出水口；所述出水箱内置有第三溢流管、第三放空管；所述在线监测与控制系统包括计算机和可编程过程控制器；可编程过程控制器内置信号转换器ad转换接口、信号转换器da转换接口、盐度数据信号接口、转刷搅拌继电器接口、氨氮数据信号接口、盐度母液进水泵继电器接口、低盐度进水泵继电器接口、高盐度进水泵继电器接口；其中，可编程过程控制器上的信号转换器ad转换接口通过电缆线与计算机相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机；计算机通过信号转换器da转换接口与可编程过程控制器相连接，将计算机的数字指令传递给可编程过程控制器；盐度数据信号接口通过传感器导线与盐度测定仪相连接；转刷搅拌继电器接口与转刷搅拌器相连接；氨氮数据信号接口与氨氮测定仪相连接；盐度母液进水泵继电器接口与盐度母液进水泵相连接；低盐度进水泵继电器接口与低盐度进水泵相连接；高盐度进水泵继电器接口与高盐度进水泵相连接。
9.本发明还提供了一种实现海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的方法，其具体富集培养步骤如下：步骤一：将淡水厌氧氨氧化菌投加至海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器内；步骤二：将含有等比例氨氮和亚硝态氮浓度的、并且不含盐度的废水分别加入低盐度水箱和高盐度水箱；调节高盐度水箱内废水盐度为25
‰
~35
‰
并启动高盐度进水泵富集培养海洋厌氧氨氧化菌，水力停留时间控制在72小时之内，出水经出水管流入出水箱；当氨氮测定仪显示的氨氮浓度逐步增高至高盐度水箱内氨氮浓度的50%~70%时，表明此时厌氧氨氧化菌活性受到盐度抑制，停止高盐度进水泵；步骤三：开启低盐度进水泵以提高厌氧氨氧化菌活性；当氨氮测定仪显示的氨氮浓度低于低盐度水箱内氨氮浓度的20%时，停止低盐度进水泵；步骤四：启动高盐度进水泵继续富集培养海洋厌氧氨氧化菌，当氨氮测定仪显示的氨氮浓度逐步增高至高盐度水箱内氨氮浓度的50%~70%时，停止高盐度进水泵；步骤五：开启盐度母液进水泵，使得低盐度水箱内废水的盐度增加5
‰
~10
‰
，并开启低盐度进水泵提高厌氧氨氧化菌活性，当氨氮测定仪显示的氨氮浓度低于低盐度水箱内氨氮浓度的20%时，停止低盐度进水泵；重复步骤四和步骤五，直至启动高盐度进水泵富集培养海洋厌氧氨氧化菌时，氨氮测定仪显示的氨氮浓度72小时内低于高盐度水箱内氨氮浓度的20%，即表明海洋厌氧氨氧化菌富集培养成功。
10.本发明的一种实现海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的装置与方法，具有以下优点：1）选用淡水厌氧氨氧化菌为种泥，减少了传统方法中从无到有以及从低丰度到高丰度富集培养厌氧氨氧化污泥的步骤。
11.2） 对于海洋厌氧氨氧化菌富集培养的基质浓度没有特殊要求，高基质浓度、低基质浓度、基质浓度梯度增加、基质浓度梯度减少的方式都能适用。
12.3）首次提出了通过高盐度废水直接筛选富集海洋厌氧氨氧化菌、并通过盐度梯度增加的低盐度废水加速海洋厌氧氨氧化菌活性提高的方法，与采用盐度梯度增加、逐步富集培养海洋厌氧氨氧化菌的传统方法相比，富集培养周期得到了大幅度的缩短。
13.4）本发明富集培养海洋厌氧氨氧化菌的过程简单，并结合在线监测与控制系统使得运行管理方便，更加适用于海洋水体富营养化防治对于海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的市场需求。
附图说明
14.图1为本发明一种实现海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的装置的结构示意图。
15.图中1为盐度母液水箱、2为低盐度水箱、3为高盐度水箱、4为海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器、5为出水箱、6为在线监测与控制系统；2.1为盐度母液进水泵、2.2为第一溢流管、2.3为第一放空管、2.4为盐度传感器、2.5为盐度测定仪；3.1为第二溢流管、3.2为第二放空管；4.1为低盐度进水泵、4.2为高盐度进水泵、4.3为第一取样口、4.4为第二取样口、4.5为第三取样口、4.6为转刷搅拌器、4.7为三相分离器、4.8为氨氮传感器、4.9为氨氮测定仪、4.10为排气口、4.11为出水口；5.1为第三溢流管、5.2为第三放空管；6.1为计算机、6.2为可编程过程控制器、6.3为信号转换器ad转换接口、6.4为信号转换器da转换接口、6.5为盐度数据信号接口、6.6为转刷搅拌继电器接口、6.7为氨氮数据信号接口、6.8为盐度母液进水泵继电器接口、6.9为低盐度进水泵继电器接口、6.10为高盐度进水泵继电器接口。
具体实施方式
16.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：如图1所示，一种实现海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的装置，包括盐度母液水箱1、低盐度水箱2、高盐度水箱3、海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器4、出水箱5、以及在线监测与控制系统6；其中所述盐度母液水箱1通过盐度母液进水泵2.1与低盐度水箱2相连接；海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器4通过低盐度进水泵4.1与低盐度水箱2相连接，以及通过高盐度进水泵4.2与高盐度水箱3相连接；出水箱5通过出水管4.11与海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器4相连接；所述低盐度水箱2内置有第一溢流管2.2、第一放空管2.3、盐度传感器2.4；所述高盐度水箱3内置有第二溢流管3.1、第二放空管3.2；所述海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器4内置有第一取样口4.3、第二取样口4.4、第三取样口4.5、转刷搅拌器4.6、三相分离器4.7、氨氮传感器4.8、氨氮测定仪4.9、排气口4.10以及出水口4.11；
所述出水箱5内置有第三溢流管5.1、第三放空管5.2；所述在线监测与控制系统6包括计算机6.1和可编程过程控制器6.2；可编程过程控制器6.2内置信号转换器ad转换接口6.3、信号转换器da转换接口6.4、盐度数据信号接口6.5、转刷搅拌继电器接口6.6、氨氮数据信号接口6.7、盐度母液进水泵继电器接口6.8、低盐度进水泵继电器接口6.9、高盐度进水泵继电器接口6.10；其中，可编程过程控制器6.2上的信号转换器ad转换接口6.3通过电缆线与计算机6.1相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机6.1；计算机6.1通过信号转换器da转换接口6.4与可编程过程控制器6.2相连接，将计算机6.1的数字指令传递给可编程过程控制器6.2；盐度数据信号接口6.5通过传感器导线与盐度测定仪2.5相连接；转刷搅拌继电器接口6.6与转刷搅拌器4.6相连接；氨氮数据信号接口6.7与氨氮测定仪4.9相连接；盐度母液进水泵继电器接口6.8与盐度母液进水泵2.1相连接；低盐度进水泵继电器接口6.9与低盐度进水泵4.1相连接；高盐度进水泵继电器接口6.10与高盐度进水泵4.2相连接。
17.富集培养过程中，具体实验用水水质如下：1）盐度母液水箱内母液盐度为10%；2）低盐度水箱内氨氮浓度为500 mg/l，亚硝态氮浓度为500 mg/l，khco3浓度为500 mg/l、mgso4∙
7h2o浓度为300 mg/l、cacl2∙
2h2o浓度为150 mg/l、kh2po4浓度为10 mg/l，0.3 ml/l营养液，营养液组分如表1；3）高盐度水箱内盐度为35
‰
，氨氮浓度为500 mg/l，亚硝态氮浓度为500 mg/l，khco3浓度为500 mg/l、mgso4∙
7h2o浓度为300 mg/l、cacl2∙
2h2o浓度为150 mg/l、kh2po4浓度为10 mg/l，0.3 ml/l营养液，营养液组分如表1。
18.表1营养液组分试验系统如图1所示，反应器采用有机玻璃制作，海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器4有效容积为2.5l。具体富集培养步骤如下：步骤一：将淡水厌氧氨氧化菌投加至海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器4内，使反应器内污泥浓度达到10000 mg/l；步骤二：将含有等比例的氨氮和亚硝态氮浓度为500 mg/l、并且不含盐度的废水分别加入低盐度水箱2和高盐度水箱3；调节高盐度水箱3内废水盐度为35
‰
并启动高盐度进水泵4.2富集培养海洋厌氧氨氧化菌，水力停留时间控制为36小时，出水经出水管4.11流入出水箱5；当氨氮测定仪4.9显示的氨氮浓度逐步增高至250 mg/l时，表明此时厌氧氨氧化菌活性受到盐度抑制，停止高盐度进水泵4.2；步骤三：开启低盐度进水泵4.1以提高厌氧氨氧化菌活性；当氨氮测定仪4.9显示的氨氮浓度低于100 mg/l时，停止低盐度进水泵4.1；
步骤四：启动高盐度进水泵4.2继续富集培养海洋厌氧氨氧化菌，当氨氮测定仪4.9显示的氨氮浓度逐步增高至250 mg/l，停止高盐度进水泵4.2；步骤五：开启盐度母液进水泵2.1，使得低盐度水箱2内废水的盐度增加5
‰
，并开启低盐度进水泵4.1提高厌氧氨氧化菌活性，当氨氮测定仪4.9显示的氨氮浓度低于100 mg/l时，停止低盐度进水泵4.1；重复步骤四和步骤五，直至启动高盐度进水泵4.2富集培养海洋厌氧氨氧化菌时，氨氮测定仪4.9显示的氨氮浓度72小时内低于100 mg/l时停止富集培养。
19.试验结果表明：经过91天的富集培养，在进水水质盐度为35
‰
，氨氮浓度为500 mg/l，亚硝态氮浓度为500 mg/l，水力停留时间为36小时的条件下，海洋厌氧氨氧化菌富集培养上向流反应器出水中氨氮浓度＜100 mg/l，亚硝态氮浓度＜100 mg/l，表明海洋厌氧氨氧化菌得到成功富集。与专利cn201410594389.7（180天富集培养时间）、cn201710290519.1（189天富集培养时间）相比，本发明大幅度减少了海洋厌氧氨氧化菌富集培养的步骤和时间，有望满足海洋水体富营养化防治对于海洋厌氧氨氧化菌快速富集培养的市场需求。