一种强化Anammox-DAMO耦合体系脱氮的方法

一种强化anammox-damo耦合体系脱氮的方法
技术领域
1.本发明涉及污水微生物脱氮技术领域，具体涉及的是一种强化anammox-damo耦合体系脱氮的方法。


背景技术：

2.随着人们生活水平不断提高，产生了大量含氮废水，该废水必须经过有效处理才可达标排放。现有脱氮技术主要有物理法、化学法和生物法三种。生物脱氮技术因其具有处理效果好，运行成本低，条件温和等优点备受关注。
3.厌氧氨氧化(anammox)-厌氧甲烷氧化反硝化(denitrifying anaerobic methane oxidation，damo)耦合工艺是一种先进的生物脱氮技术，可用于垃圾焚烧渗沥液等高氮废水的处理。anammox工艺可将氨氮和亚硝氮转化为氮气(如式1所示)，从而实现废水的脱氮处理，但仍有11％的氮以硝氮的形式存在于出水中，无法实现彻底脱氮。damo工艺是以ch4作为电子供体，硝氮或亚硝氮作为电子受体进行反硝化，因此anammox产生的硝氮可以通过damo古菌的作用进一步转化为亚硝氮(如式2所示)，亚硝氮再次与氨氮进行anammox反应或者通过damo细菌直接转化为氮气(如式3所示)，最终实现完全脱氮。anammox-damo耦合工艺相对于传统“硝化-反硝化”脱氮工艺具有无需曝气、无需外加碳源、温室气体(n2o)排放量少等优点。
4.anammox细菌：nh
4+
+1.32no
2-→
1.02n2+0.26no
3-+2.03h2o(1)
5.damo古菌：ch4+4no
3-→
co2+4no
2-+2h2o(2)
6.damo细菌：3ch4+8no
2-+8h
+
→
3co2+4n2+10h2o(3)
7.然而，由于甲烷在水中溶解度较低(19mg/l，35℃)，限制了damo微生物对甲烷的利用效率，从而影响damo微生物活性；此外，anammox-damo耦合工艺中主要功能微生物有anammox细菌、damo古菌和damo细菌，它们倍增时通常达到几周至几个月，并且对环境变化敏感，存在生长缓慢、富集困难等问题。基于此，提高甲烷在水中的溶解量，实现并维持anammox细菌和damo微生物的快速生长与大量富集，提高功能微生物活性，提升整体工艺反硝化速率是推动anammox-damo耦合工艺实际应用所急需解决的问题。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种强化anammox-damo耦合体系脱氮的方法，该方法采用磁铁矿负载的活性炭和生长因子为强化剂，强化anammox-damo耦合体系脱氮，具有强化剂添加量少，操作方便的优点；而且可以有效提高甲烷的利用效率，强化微生物种间电子传递过程，有利于damo微生物和anammox细菌的耦合，提高damo微生物与anammox细菌的生长速度与活性，具有良好的应用前景。本发明的方法解决了现有anammox-damo耦合体系甲烷利用效率低，功能微生物富集生长缓慢，活性较低，体系脱氮速率受限的问题。
9.本发明首先提供了一种强化anammox-damo耦合体系脱氮的方法，包括如下步骤：
10.将磁铁矿负载活性炭、含有anammox菌和damo菌群的混合污泥以及生长因子加入
到含有废水的反应器中，并通入甲烷，进行反应，对废水进行脱氮。
11.上述的方法中，所述磁铁矿负载活性炭由包括如下步骤的方法制备得到：
12.(1)将活性炭放入稀盐酸溶液中浸泡，清洗到ph为中性后烘干；
13.(2)将步骤(1)中处理后的活性炭在铁溶液中浸泡，弃去铁溶液，得到所述磁铁矿负载活性炭。
14.上述的方法中，所述活性炭的粒径为20～40目；
15.所述稀盐酸溶液的浓度为0.4～1.0mol/l；
16.步骤(1)中，所述浸泡为室温下浸泡1～5h；具体可为2h；
17.步骤(2)中，所述浸泡为先超声振动1～2小时后再室温搅拌4～24小时；
18.所述超声振动的频率为30～60khz；
19.所述搅拌的转速为80～120rpm；
20.所述铁溶液为含有feso4和fecl3的溶液；具体的，所述feso4的浓度为0.01～0.03mol/l；所述fecl3的浓度为0.02～0.06mol/l；
21.每200ml铁溶液中加入4.0
±
0.1g活性炭。
22.所述超声振动后调节溶液ph为11～12然后再进行室温搅拌；具体的，所述调节ph的物质为氢氧化钠溶液。
23.上述的方法中，所述磁铁矿负载活性炭的投加量为2～6g磁铁矿负载活性炭/l液相；具体可为6g磁铁矿负载活性炭/l液相。
24.上述的方法中，所述生长因子为精胺、亚精胺、辣椒素和甜菜碱；
25.具体的，所述精胺、亚精胺、辣椒素和甜菜碱在液相中的浓度分别为100μmol/l、100μmol/l、1～10μmol/l、10～100μmol/l。更为具体的，所述精胺、亚精胺、辣椒素和甜菜碱在液相中的浓度分别为100μmol/l、100μmol/l、10μmol/l和100μmol/l。
26.上述的方法中，所述含有anammox菌和damo菌群的混合污泥的体积占液相体积的20％～40％。
27.上述液相指的是整个反应体系，包括anammox菌和damo菌群的混合污泥与废水。
28.上述的方法中，所述反应为厌氧反应；甲烷通入所述反应器的顶空；
29.所述反应的温度为35℃，搅拌速度120～160rpm，ph＝6.5～8.5。
30.上述的方法中，所述反应器为sbr反应器，按照序批次模式运行。
31.上述的方法中，所述烘干的温度均为105℃。
32.上述的方法中，所述废水为含有硝氮和氨氮的含氮废水；具体的，所述废水的总氮浓度为30～160mg/l，更具体可为40～120mg/l、60mg/l、80mg/l或100mg/l；所述废水中硝氮与氨氮的质量浓度之比为1～5:1；具体可为2～2.5:1。
33.所述废水为垃圾焚烧厂渗沥液经过“厌氧消化”处理后的含氨氮渗沥液和经过“厌氧消化+短程硝化+厌氧氨氧化”处理后的含硝氮渗沥液。本发明中所述室温为本领域技术人员公知，一般为15～35℃。
34.本发明具有如下有益效果：
35.(1)本发明以活性炭为载体，负载磁铁矿，并加入多种生长因子，开发了一种强化anammox-damo耦合体系脱氮的方法，此方法可以有效提升甲烷氧化速率和反硝化速率。
36.(2)本发明中的活性炭可以吸附甲烷，为damo微生物提供更多电子供体；此外，磁
铁矿负载在活性炭上可以缩短功能微生物与磁铁矿的空间距离，强化微生物间电子传递速率，提高功能微生物活性，强化anammox细菌与damo微生物的耦合，提高整体反硝化速率。
37.(3)本发明中采用的生长因子具有选择性抗菌作用，抑制好氧甲烷氧化菌的生长，促进damo微生物和anammox细菌的生物膜形成，强化功能菌的生长；与现有的微量元素促进方法相比，优选了更适宜的生长因子种类、组合及浓度，更有针对性。
38.(4)本发明可在磁铁矿负载的活性炭与生长因子的双重强化下，强化甲烷利用效率，提高damo微生物与anammox细菌生长速度和相对丰度，丰富了直接种间电子传递菌种，提高微生物间电子传递效率，强化anammox细菌与damo微生物的耦合，提升anammox-damo耦合体系脱氮速率。
附图说明
39.图1为强化anammox-damo耦合体系脱氮方法对氨氮、硝氮、总氮去除速率影响示意图；图1中的a为氨氮浓度随时间变化；b为每个周期氨氮转化速率；c为硝氮浓度随时间变化；d为每个周期硝氮转化速率；e为总氮浓度随时间变化；f为每个周期总氮去除速率。
40.图2为强化anammox-damo耦合体系反硝化速率的生长因子筛选示意图；图2中的a为不同精胺浓度的氮去除速率；b为不同亚精胺浓度的氮去除速率；c为不同辣椒素浓度的氮去除速率；d为不同甜菜碱浓度的氮去除速率；e为顶空为甲烷的空白组氮去除速率；f为反应器30天总氮去除速率。
41.图3为强化anammox-damo耦合体系处理垃圾焚烧渗沥液脱氮效果图。
具体实施方式
42.下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
43.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
44.以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值。
45.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
46.实施例1、磁铁矿负载活性炭和生长因子对anammox-damo耦合体系脱氮速率的影响
47.(1)anammox-damo菌群来源为：按照ding的培养方式(ding,z.w.,et al.,2017.simultaneous enrichment of denitrifying anaerobic methane-oxidizing microorganisms and anammox bacteria in a hollow-fiber membrane biofilm reactor.appl microbiol biotechnol.101,437-446.)以硝氮和氨氮为氮源培养得到活性稳定的anammox-damo菌群，其ph为7.31，tss为4.39g/l。
48.(2)磁铁矿负载活性炭的制备：将购买于sigma-aldrich公司的20-40目的颗粒活性炭用去离子水冲洗至上清液清澈透明后，放入0.4mol/l盐酸溶液中室温浸泡2小时，再用去离子水清洗到ph为中性，在105℃烘箱中烘干；取5g处理后的活性炭加到250ml铁溶液中超声浸泡1小时，其中铁溶液包含0.01mol/l feso4·
7h2o和0.02mol/l fecl3·
6h2o，超声频率为40khz；超声浸泡后，加入1.5mol/l naoh溶液调节ph＝12，在25℃恒温磁力搅拌器中100rpm转速下搅拌24小时，弃去浸泡的铁溶液，用去离子水将制得的磁铁矿负载活性炭冲
洗至中性，105℃烘箱中烘干，放入阴凉处储存备用。
49.(3)磁铁矿的处理：将磁铁矿矿石用机械粉碎机粉碎后，经过筛分得到粒径为1～2mm的磁铁矿颗粒，用1mol/l盐酸浸泡磁铁矿颗粒24小时以除去表面杂质，再用去离子水洗至中性，放入真空干燥箱干燥12h。
50.(4)生长因子浓缩液的配制：生长因子浓缩液包括如下成分：精胺10000μmol/l，亚精胺10000μmol/l，辣椒素1000μmol/l和甜菜碱10000μmol/l；溶剂为水。
51.(5)矿物培养液的配制：按照ettwig所述方法(ettwig,k.f.,et al.,2009.enrichment and molecular detection of denitrifying methanotrophic bacteria of the nc10 phylum.appl environ microbiol.75,3656-62.)配制矿物培养液，其具体组成为：0.05g/l kh2po4，0.5g/l khco3，0.3g/l cacl2·
2h2o，0.165g/l mgso4·
7h2o，0.5ml/l酸性微量元素溶液和0.2ml/l碱性微量元素溶液。
52.所述酸性微量元素溶液的组成为：100mmol/l hcl，2.085g/l feso4·
7h2o，0.068g/l znso4·
7h2o，0.12g/l cocl2·
6h2o，0.5g/l mncl2·
4h2o，0.32g/l cuso4，0.095g/l nicl2·
6h2o，0.014g/l h3bo3；所述碱性微量元素溶液的组成为：10mmol/l naoh，0.114g/l na2seo4，0.05g/l na2wo4·
2h2o，0.242g/l na2moo4。
53.溶剂为水。
54.(6)实验所用500ml sbr反应器，在反应器中加入100ml(1)所述anammox-damo菌群，再加入(5)所述矿物培养液与硝氮浓缩液和氨氮浓缩液，使得液相总体积为300ml，以上所述硝氮浓缩液的浓度为3000mg/l的硝氮(18.21g nano3/l)，以上所述氨氮浓缩液的浓度为3000mg/l氨氮(16.92g nh4hco3/l)，加入浓缩液调整体系初始硝氮和氨氮浓度均为80mg/l；液相的ph为6.5～8.5。反应器r-1为只加菌的空白组；反应器r-2投加1.8g 20～40目的颗粒活性炭；反应器r-3投加1.8g经过(3)处理后的磁铁矿颗粒；反应器r-4投加1.8g磁铁矿负载活性炭；反应器r-5投加3ml生长因子浓缩液；反应器r-6投加1.8g磁铁矿负载活性炭和3ml生长因子浓缩液。6个密闭的反应器先向液相通入氮气30分钟除去氧气，再以20ml/min的流量通入甲烷10分钟，使得顶空200ml气相均为甲烷气体，甲烷可以为damo微生物提供电子供体，放入35℃恒温摇床中进行反硝化。通过分光光度法每两天测一次所有反应器中硝氮、氨氮、总氮浓度变化，每10天将6个反应器沉淀12小时后，反应器顶空通入甲烷气体并排出200ml上清液，再加入200ml矿物培养液。再通过加入浓度为1000mg/l的硝氮(6.07g nano3/l)或1000mg/l氨氮(5.64g nh4hco3/l)浓缩液调整每个周期初始硝氮、氨氮浓度均为80mg/l，并通过线性回归计算硝氮、氨氮、总氮去除速率。结果如图1所示，运行30天后，6个反应器r-1、r-2、r-3、r-4、r-5、r-6的总氮去除速率分别是4.12mg/(l
·
d)，4.03mg/(l
·
d)，5.06mg/(l
·
d)，8.39mg/(l
·
d)，4.92mg/(l
·
d)，13.19mg/(l
·
d)。可见，在30天的培养后，采用添加磁铁矿负载活性炭和生长因子共同强化的反应器r-6中总氮去除速率是空白反应器r-1的3.20倍。
55.实施例2、磁铁矿负载活性炭和生长因子对anammox-damo耦合体系功能微生物群落结构的影响
56.(1)两个500ml相同结构的sbr反应器sbr-1和sbr-2中同时加入200ml与实施例1相同的矿物培养液和与实施例1中相同的100ml anammox-damo菌群，并加入浓度为3000mg/l的硝氮(18.21g nano3/l)和3000mg/l氨氮(16.92g nh4hco3/l)浓缩液调整体系初始硝氮和
氨氮浓度均为50mg/l，液相的ph为6.5～8.5。sbr-2中投加1.8g磁铁矿负载活性炭(实施例1中所述方法制备)和生长因子，使得生长因子在液相中的浓度为精胺100μmol/l，亚精胺100μmol/l，辣椒素10μmol/l，甜菜碱100μmol/l，sbr-1中不加磁铁矿负载活性炭和生长因子，作为空白组。反应器液相通入氮气30分钟除去氧气，再以20ml/min的流量通入甲烷10分钟，使得顶空气相均为甲烷气体，为damo微生物提供电子供体，放入35℃恒温摇床中进行反硝化。摇床转动频率为155rpm，每两天测定两个反应器中硝氮、氨氮和总氮浓度，当硝氮或氨氮浓度小于5mg/l时，加入浓度为3000mg/l的硝氮(18.21g nano3/l)或3000mg/l氨氮(16.92g nh4hco3/l)浓缩液调整硝氮或氨氮浓度达到50mg/l，并以20ml/min的流量通入甲烷10分钟。连续运行30天后，取出sbr-1和sbr-2中污泥5ml用于测定污泥中微生物群落结构，结果表明，经过30天的培养，sbr-1反应器中damo细菌、damo古菌和anammox细菌的相对丰度分别为23.8％、0.16％和0.59％；sbr-2反应器中damo细菌、damo古菌和anammox细菌的相对丰度分别为31.3％、0.39％、0.82％。可见添加磁铁矿负载活性炭和生长因子后有利于damo细菌、damo古菌和anammox细菌的富集生长，实验组damo细菌、damo古菌和anammox细菌的相对丰度分别是空白组的1.32倍、2.44倍和1.39倍。
57.实施例3、生长因子对anammox-damo耦合体系脱氮速率的影响
58.(1)进行筛选的生长因子分别包括：复合维生素、血红素、碱基、甜菜碱、辣椒素、精胺、亚精胺。其中，复合维生素为钴胺素、生物素、叶酸、核黄素、吡哆醇、泛酸和烟酸。经过初步厌氧小瓶实验筛选，确定甜菜碱、辣椒素、精胺和亚精胺对anammox-damo耦合体系脱氮速率有促进作用，进一步对这四个生长因子进行最佳浓度筛选，分别选择甜菜碱0.1μmol/l、1μmol/l、10μmol/l、100μmol/l、1mmol/l；辣椒素0.1μmol/l、1μmol/l、10μmol/l、100μmol/l、1mmol/l；精胺0.01μmol/l、0.1μmol/l、1μmol/l、10μmol/l、100μmol/l；亚精胺0.01μmol/l、0.1μmol/l、1μmol/l、10μmol/l、100μmol/l。以确定最优浓度。
59.(2)将(1)所述的进一步浓度筛选的生长因子固体粉末按照适宜的浓度配制成溶液，分别按照种类与浓度注入厌氧小瓶中，厌氧小瓶包括气相70ml和液相50ml，其中液相包括20ml实施例1中所述anammox-damo菌群和30ml实施例1中所述矿物培养液以及氮浓缩液，氮浓缩液分别包括浓度为4000mg/l的硝氮(24.28g nano3/l)浓缩液和浓度为4000mg/l的氨氮(22.56g nh4hco3/l)浓缩液，采用氮浓缩液调整体系初始硝氮和氨氮浓度均为80mg/l，液相的ph为6.5～8.5。除此以外，再设置只加菌的空白组，空白组的设置方式与以上相同，只是不加生长因子。厌氧小瓶先通入氮气30分钟除去氧气，再以20ml/min的流量通入甲烷5分钟，使得顶空气相均为甲烷气体，为damo菌提供电子供体，放入35℃恒温摇床中进行反硝化，摇床转动频率为155rpm。每两天测定两个反应器中硝氮、氨氮和总氮浓度，每10天以20ml/min的流量通入甲烷5分钟。通过分光光度法监测氮浓度变化，通过线性回归计算氮去除速率。结果如图2所示，运行30天后，精胺浓度为100μmol/l时有最大氮去除速率0.52mg/(l
·
d)，亚精胺浓度为100μmol/l时有最大氮去除速率0.56mg/(l
·
d)，辣椒素浓度为1mmol/l时有最大氮去除速率4.69mg/(l
·
d)，甜菜碱浓度为1mmol/l时有最大氮去除速率1.72mg/(l
·
d)，为了验证此时的脱氮过程为异养微生物反硝化作用还是damo微生物反硝化作用，补充了顶空不提供甲烷而是氮气的厌氧小瓶实验，如图2中的e所示，当辣椒素为100μmol/l、1mmol/l和甜菜碱为1mmol/l时，在不提供甲烷的情况下也发生了反硝化，说明此时反硝化为异养反硝化反应而非需要甲烷为电子供体的damo反应，且异养反硝化菌的增
多会抑制damo菌的生长。因此采用最优的生长因子组合精胺100μmol/l、亚精胺100μmol/l、辣椒素10μmol/l和甜菜碱100μmol/l。
60.(3)取实施例1中所述anammox-damo菌群100ml分别注入两个500ml相同结构的sbr反应器sbr-1和sbr-2中，同时加入200ml实施例1所述矿物培养液，并加入浓度为3000mg/l的硝氮(18.21g nano3/l)和3000mg/l氨氮(16.92g nh4hco3/l)浓缩液调整体系初始硝氮和氨氮浓度均为80mg/l，液相的ph为6.5～8.5。此外，sbr-2中投加(2)所述的最适的生长因子组合(即使得生长因子在整个液相中的浓度为精胺100μmol/l、亚精胺100μmol/l、辣椒素10μmol/l和甜菜碱100μmol/l)，sbr-1中不加生长因子，作为空白组。向反应器液相中通入氮气30分钟除去氧气，再以20ml/min的流量通入甲烷10分钟，为damo微生物提供电子供体，放入35℃恒温摇床中进行反硝化。摇床转动频率为155rpm。每两天测定两个反应器中氮浓度，当硝氮或氨氮浓度小于5mg/l时，加入浓度为3000mg/l的硝氮(18.21g nano3/l)或3000mg/l氨氮(16.92g nh4hco3/l)氮浓缩液调整氮浓度达到80mg/l，并以20ml/min的流量通入甲烷10分钟，使得顶空有充足的甲烷气体。通过分光光度法测定反应器中氮浓度变化，通过线性回归计算氮去除速率。结果如图2中的f所示，运行30天后，两个反应器sbr-1、sbr-2的总氮去除速率分别是3.01mg/(l
·
d)，6.92mg/(l
·
d)。可见，在30天的培养后，采用添加生长因子组合强化的反应器sbr-2中总氮去除速率是空白反应器sbr-1的2.30倍。
61.实施例4、磁铁矿负载活性炭和生长因子对anammox-damo耦合体系处理垃圾焚烧渗沥液脱氮效能的影响
62.(1)处理对象：垃圾焚烧厂渗沥液经过“厌氧消化”处理后的含氨氮渗沥液和经过“厌氧消化+短程硝化+厌氧氨氧化”处理后的含硝氮渗沥液以体积比为1:8的比例混合后的渗沥液，此渗沥液含有总氮浓度为90～120mg/l；硝氮和氨氮的质量浓度比为2～2.5:1。
63.(2)取实施例1中所述anammox-damo菌群100ml分别注入两个500ml相同结构的sbr反应器sbr-1和sbr-2中，并加入200ml实施例1所述矿物培养液。sbr-2中投加实施例1所述1.8g磁铁矿负载的活性炭和实施例3(2)中所述的最适的生长因子组合(即使得生长因子在sbr中的初始浓度为精胺100μmol/l、亚精胺100μmol/l、辣椒素10μmol/l和甜菜碱100μmol/l)，sbr-1中不加磁铁矿负载的活性炭和生长因子，作为空白组。液相的ph为6.5～8.5。两个sbr反应器液相中通入氮气30分钟除去氧气，再以20ml/min的流量通入甲烷10分钟，使顶空充满甲烷气体，为damo微生物提供电子供体，放入35℃恒温摇床中进行反硝化。摇床转动频率为155rpm。设置两个sbr的hrt为6天。每两天为一个进出水周期，每周期包括静置沉淀48分钟，排出上清液1分钟，渗沥液进水1分钟，20ml/min通入甲烷气体曝气10分钟，放入摇床中运行47个小时。每次排出水与进水渗沥液体积相同且均为100ml。
64.(3)初期两个sbr反应器的进水为稀释后的(1)所述渗沥液(总氮＝40mg/l)，经过10个周期(20天)的运行后，两个sbr出水总氮浓度＜10mg/l。此后进入提负荷阶段，sbr-2反应器进水总氮浓度由40mg/l提升至60mg/l，80mg/l，100mg/l，120mg/l，每个负荷运行10个周期(20天)，总共运行50个周期(100天)。在进水总氮浓度为100mg/l时达到稳定，稳定期的总氮去除率在80％以上。而空白组的sbr-1反应器在进水总氮为60mg/l时去除率可以达到80％以上，继续提升进水为80mg/l时反应器去除率显著下降(见图3)。由此可见，加入磁铁矿负载活性炭和生长因子可以显著提高脱氮效能，使得anammox-damo耦合体系对垃圾焚烧渗沥液的脱氮能力提高1.67倍。