一种耐受砷(III)的厌氧氨氧化颗粒污泥及其驯化方法与流程

一种耐受砷(iii)的厌氧氨氧化颗粒污泥及其驯化方法
技术领域
1.本发明涉及厌氧氨氧化颗粒污泥技术领域，具体涉及一种耐受砷(iii)(即三价砷)的厌氧氨氧化颗粒污泥及其驯化方法。


背景技术：

2.厌氧氨氧化是一种新型自养生物脱氮技术。厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐作为电子受体，将氨直接氧化成氮气。在该过程中无需曝气和外加碳源，在以节约能源为导向的污水处理中表现出极大潜力。
3.相比于传统的硝化反硝化生物脱氮工艺，厌氧氨氧化工艺减少了100％的碳源消耗，节约了60％曝气能耗。
4.此外，厌氧氨氧化工艺还具有运行成本低、占地面积小、污泥产量少、脱氮效率高等优点。
5.现今，在世界范围内已有超过100座全规模的厌氧氨氧化装置。但是厌氧氨氧化菌对环境因子的高敏感性限制了该工艺的应用，重金属、抗生素和纳米材料等已被证实是厌氧氨氧化菌的抑制因子。
6.随着人口的增加以及对食品需求的不断增加，规模化畜禽养殖在过去几十年里迅速发展，并产生了大量的畜禽养殖废水。洛克沙胂被广泛用作饲料添加剂以促进畜禽的生长。然而90％洛克沙胂无法被消化吸收，因此大量的洛克沙胂残留在畜禽排泄物中，并在厌氧条件下转化为无机砷，最后进入污水处理系统。
7.据报道三价砷在畜禽废水中的浓度可高达103.95mg l
‑1。砷进入微生物细胞后，会产生过量的活性氧并进一步导致细胞膜损伤，最终导致细胞凋亡，对生物处理系统和生态系统存在潜在威胁。
8.因此，若能开发一种耐受砷(iii)的厌氧氨氧化颗粒污泥，将对厌氧氨氧化工艺的推广以及在畜禽废水的处理中具有重要的指导意义。


技术实现要素：

9.针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种耐受砷(iii)的厌氧氨氧化颗粒污泥，其优势菌为candidatus kuenenia菌，在反应器运行稳定的条件下，通过梯度提升砷(iii)浓度驯化得到，可同时实现高脱氮效率、低出水浓度和稳定的反应器性能。
10.一种耐受砷(iii)的厌氧氨氧化颗粒污泥，其驯化方法包括步骤：
11.1)在反应器内接种以candidatus kuenenia菌为优势菌的厌氧氨氧化颗粒污泥；
12.2)将反应器置于35℃恒温箱中，泵入含nh
4
‑
n、no2‑
‑
n、无机盐、微量元素和1mg l
‑1砷(iii)的进水，进水nh
4
‑
n和no2‑
‑
n的质量浓度比为1:0.9～1.1，厌氧、避光运行48天；
13.3)将进水砷(iii)浓度提高至10mg l
‑1，厌氧、避光运行30天；
14.4)将进水砷(iii)浓度提高至50mg l
‑1，厌氧、避光运行至出反应器脱氮效率连续10天高于90％且比厌氧氨氧化活性以及candidatus kuenenia的相对丰度为接种污泥的1
～1.2倍，得到耐受50mg l
‑1砷(iii)的厌氧氨氧化颗粒污泥。
15.步骤2)中，第一梯度进水的砷(iii)浓度为1mg l
‑1、驯化周期为48天，在低砷(iii)浓度、较长时间的培养下，培养出耐受砷(iii)的厌氧氨氧化颗粒污泥并没有对脱氮性能造成负面影响。
16.步骤3)中，第二梯度进水的砷(iii)浓度为10mg l
‑1、驯化周期为30天，进一步提高厌氧氨氧化颗粒污泥的耐受性。
17.步骤4)中，运行时间可为20天。
18.本发明只需要98天即可得到同时具有高脱氮效率、可耐受高达50mgl
‑1砷(iii)的以candidatus kuenenia菌为优势菌的厌氧氨氧化颗粒污泥。
19.本发明还提供了一种耐受砷(iii)的厌氧氨氧化颗粒污泥驯化方法，包括步骤：
20.(1)在反应器内接种以candidatus kuenenia菌为优势菌的厌氧氨氧化颗粒污泥；
21.(2)将反应器置于30～35℃恒温箱中，泵入含nh
4
‑
n、no2‑
‑
n、无机盐、微量元素和砷(iii)的进水，进水nh
4
‑
n和no2‑
‑
n的质量浓度比为1:0.9～1.1，厌氧、避光运行至稳定；
22.(3)梯度提升进水中砷(iii)浓度，除最后一个浓度梯度外，每一梯度的运行时间为20～48天；
23.(4)当反应器脱氮效率连续10天高于90％且比厌氧氨氧化活性以及candidatus kuenenia的相对丰度为接种污泥的1～1.2倍时，完成耐受砷(iii)的厌氧氨氧化颗粒污泥的驯化。
24.本发明可进行以下技术方案的优选：
25.所述的反应器可为升流式厌氧污泥床反应器。
26.所述的反应器接种厌氧氨氧化颗粒污泥浓度优选为20～22g vss l
‑1，有利于整个系统的稳定性。vss为挥发性悬浮物。
27.所述的优势菌candidatus kuenenia菌对重金属有较好适应性，优选地，所述的candidatus kuenenia菌丰度为厌氧氨氧化颗粒污泥中总细菌的18～25％。较高丰度的candidatus kuenenia有利于在高氮负荷下进行厌氧氨氧化过程。
28.在初次加入含砷(iii)进水的运行过程中，所述的反应器运行的水力停留时间为2.0～2.5h，在该水力停留时间下，砷(iii)可以与厌氧氨氧化颗粒污泥充分接触，以缩短驯化周期。
29.作为优选，每一梯度的进水砷(iii)浓度为上一梯度的砷(iii)浓度的5～10倍，使反应器能快速适应外界砷(iii)的添加，避免反应器产生抑制现象。
30.所述的进水中的溶解氧优选小于0.4mg l
‑1，厌氧状态抑制反应器中硝化细菌的生长。
31.在一优选例中，所述进水的组成包括：1～50mg l
‑1砷(iii)、210mg l
‑1氨氮、210mg l
‑1亚硝态氮、10mg l
‑1kh2po4、5.6mg l
‑1cacl2·
2h2o、300mg l
‑1mgso4·
7h2o、1250mg l
‑1khco3和1.25ml l
‑1微量元素i溶液、1.25ml l
‑1微量元素ii溶液。
32.所述的微量元素ⅰ储备液包括edta和feso4，微量元素ⅱ储备液包括edta、znso4、cocl2、mncl2、cuso4、namoo4、nicl2和h3bo4。
33.本发明与现有技术相比，主要优点包括：
34.本发明驯化的耐受砷(iii)的厌氧氨氧化颗粒污泥在高浓度砷(iii)存在下依然
可以保持高达90％以上的脱氮效率，适用于同时含有高浓度砷(iii)、氨盐和亚硝氮盐的废水，且污泥活性高、脱氮性能稳定，具有优异的环境效益和社会效益。
附图说明
35.图1为实施例的反应器运行性能图。
具体实施方式
36.下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
37.(1)采用有效体积1.0l的上流式厌氧污泥床反应器，接种污泥取自实验室长期运行的厌氧氨氧化颗粒污泥。反应器置于35℃恒温箱中，避光运行，初始污泥浓度20.1g vss l
‑1，水力停留时间为2.00h。
38.(2)向反应器中泵入含nh
4
‑
n和no2‑
‑
n的进水，初始进水成分组成为：砷(iii)1
‑
50mg l
‑1(各阶段具体加入量参见下文)，nah2po
4 10mg l
‑1、cacl2·
2h2o 5.6mg l
‑1、mgso4·
7h2o 5.6mg l
‑1、nahco
3 840mg l
‑1，微量元素i储备液1.25ml l
‑1、微量元素ii储备液1.25ml l
‑1、nh
4
‑
n 210mgl
‑1、no2‑
‑
n 210mg l
‑1；
39.其中，砷(iii)由naaso2的形式引入。微量元素i组成为：edta 5.00gl
‑1，feso
4 9.14g l
‑1。微量元素ii组成为：edta 15.0g l
‑1，znso4·
7h2o 0.430g l
‑1，cocl2·
6h2o 0.240g l
‑1，mncl2·
4h2o 0.990g l
‑1，cuso4·
5h2o 0.250g l
‑1，namoo4·
2h2o 0.220g l
‑1，nicl2·
6h2o 0.210g l
‑1，h3bo
4 0.014g l
‑1。
40.经过前期稳定运行后，该颗粒污泥的厌氧氨氧化活性为263.2
±
39.1mgtn g
‑1vss d
‑1，此时厌氧氨氧化的主导菌candidatus kuenenia的相对丰度为19.4％。tn为总氮。
41.(3)反应器稳定运行后开始投加砷(iii)进行驯化，根据进水中砷(iii)浓度变化，分为三个阶段，其运行时间和反应器运行性能分别见表1和图1，并分别在i～iii阶段的最后一天从反应器中取出泥样进行污泥特性分析。
42.表1进水基质浓度及运行时间
[0043][0044]
(4)第i阶段首次向进水中添加1mg l
‑1砷(iii)，运行48天后，总氮平均去除率为90.5％，参见图1，此时比厌氧氨氧化活性为342.7mg tng
‑1vss d
‑1。第ii阶段添加砷(iii)至10mg l
‑1，运行30天，总氮平均去除率为90.9％，比厌氧氨氧化活性为145.9mg tn g
‑1vss d
‑1。第iii阶段，提升砷(iii)浓度为50mg l
‑1，运行至第83天时，出水的氨氮和亚硝态氮浓度增加到30.50mg l
‑1和29.4mg l
‑1，总氮去除率低于80％，继续运行至88天，总氮去除率恢复至90％以上，比厌氧氨氧化活性为312.8mg tng
‑1vss d
‑1，此时厌氧氨氧化颗粒污泥已经对砷(iii)产生了的抗性，成功驯化出耐受砷(iii)的厌氧氨氧化颗粒污泥。
[0045]
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发
明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。