一种强化河道底泥氮、硫共循环活性的方法与流程

1.本发明属于环境污染治理及生态修复技术领域，具体涉及一种强化河道底泥氮、硫共循环活性的方法。


背景技术：

2.随着城市化和工业化的快速发展，大量工业废水，生活污水排放到河道中，导致水体出现了严重的黑臭现象，已经严重影响人们的日常生活，黑臭水体的治理刻不容缓。导致水体黑臭的原因是难降解的以及带有颜色的有机物(主要是腐殖质类有机物)吸附在河道底泥表面。另外由于底泥长期处在厌氧条件下，有机物厌氧消化产生的硫化氢与金属离子锰，和铁反应生成硫化亚铁和硫化锰等黑色的金属化合物。致臭的原因是河流长期处在缺氧状态下，含c、n、s的有机物被厌氧微生物分解后产生大量甲烷，硫化氢，氨气等恶臭气体。
3.河道底泥修复常见的修复方法主要包括物理修复、化学修复和生物修复。其中，物理修复包括疏浚挖泥，机械除藻，引水冲於和调水。这种修复方法需要耗费大量的人力和财力，而且会对原生环境造成一定的破坏。化学修复主要包括添加化学药剂改变水体中氧化还原电位，ph以及吸附水体中的有机质。这种修复方法治标不治本，而且化学药剂添加量不宜控制，容易造成二次污染。生物修复是利用特定的生物(植物，微生物或原生动物)吸收、转化、清除或降解环境污染物。无需加入曝气设备，外源投加化学药剂，节省大量财力，物力。尤其是微生物修复技术利用河道底泥本身存在的微生物进行氮、硫循环，遵循自然发展规律，可以从根本上解决河道底泥黑臭的问题。因此生物修复技术是目前最经济有效的修复方式。
4.但是，生物修复技术存在唯一的缺点就是微生物生长缓慢。面对这样的问题，常素云向河道底泥内加入微生物菌剂来强化微生物循环氮硫的能力，这种微生物促生剂主要包括表面活性剂，电子受体和共代谢基质。这种方法虽然能够促进氮、硫的去除能力，但是会使上覆水中污染指标上升，而且生物促生剂需要定期投加。weiping li等利用低强度曝气联合硝酸钙的方式来刺激底泥中反硝化菌的活性，虽然促进了反硝化菌的增殖，但是可能存在硝酸盐氮累积的问题，异化还原成铵再次释放到水体中。相应地，之前研究者们也发明了一种修复河道底泥的方法，如专利号cn108503022a公开了一种厌氧硫酸盐还原氨氧化作用的黑臭河道修复方法，该方法利用硫酸盐型厌氧氨氧化作用同时去除氨氮和硫酸盐，实现黑臭河道的修复。但是河道中仍含有大量的硝酸盐氮以及底泥内源释放的硫化物，这些都无法去除。河水中硫化物与铁，锰金属离子同时存在的情况下，水体黑臭的现象仍然存在。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对现有技术存在的问题，本发明提供一种强化河道底泥氮、硫共循环活性的方法，利用多种微生物同时强化黑臭河道中的氮、硫污染物的去除速率，实现黑臭河道的修复。
6.本发明的目的是提供一种强化河道底泥氮、硫共循环活性的方法，包括如下步骤：
7.s1、菌群培养：在装有填料的反应器中接种城市污泥，然后连续通入含有氨氮、亚硝酸盐氮、硫酸盐、碱度以及含有金属元素的废水基质，调整基质的浓度进行厌氧氨氧化细菌的培养，直至污泥中的厌氧氨氧化菌candidatus_kuenenia的相对丰度＞8％；
8.s2、菌群耦合：进行脱氮除硫菌群耦合，菌群耦合得到污泥中的硫自养反硝化菌thiobacillus的相对丰度》1.5％，兼性反硝化菌arenimonas的相对丰度》1.5％，兼性反硝化菌truepera的相对丰度》5％，铁氨氧化菌pseudomonas的相对丰度》1％，厌氧氨氧化菌candidatuskuenenia的相对丰度＞15％；
9.s3、循环强化：取s2中填料表面的污泥进行离心得到生物膜，在模拟河道装置底部平铺一层河道底泥，河道底泥上面平铺一层生物膜，并加入生物诱导剂，重复平铺增加底泥和生物膜的厚度形成复合底泥，然后注入河水，震荡模拟河水流动，连续运行至总氮和硫化物的去除率均＞95％，即河道底泥菌群强化成功。
10.优选的，s1中，所述填料的填充高度为反应器高度的60～70％，污泥的体积为反应器体积的10～20％。
11.优选的，s1中，所述调整基质中亚硝酸盐氮与氨氮的质量比为0.9～1.1，碱度与氨氮的质量比为20～25，且碱度的浓度不大于2000mg/l，硫酸盐和氨氮的质量比为1.5～2.0，铁与氨氮的质量比为0.03～0.05，锰与氨氮的质量比为0.004～0.007。
12.优选的，s1中，所述厌氧氨氧化细菌培养后污泥的氨氮去除率＞90％，总氮去除率＞80％。
13.优选的，s2中，所述脱氮除硫菌群耦合的方式为向反应器内加入硫化物，硫化物与含氮基质分开通入反应器内，并且控制流速相同。
14.优选的，所述硫化物与基质中氨氮的质量比为0.1～0.5。
15.优选的，加入硫化物的方式为加入硫化物的初始浓度与氨氮的质量比为0.1，以硫化物与基质中氨氮的质量比0.1的速率增加，当出水硝酸盐氮浓度低于2mg/l，总氮去除率＞95％且稳定运行7天以上为一个周期，重复进行周期运行实现脱氮除硫菌群耦合。
16.优选的，s3中，所述离心的转速为10000r/min，时间为5～10min，生物膜的浓度为8～10g/l。
17.优选的，s3中，每层所述底泥和生物膜的厚度比为5：1，河道底部的底泥与生物膜的干重比＞20。
18.优选的，s3中，所述振荡的转速为100～150r/min。
19.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
20.1、本发明将自养脱氮除硫耦合菌群置于黑臭河道底泥之后，底泥中的氨氮和亚氮在厌氧氨氧化菌candidatus_kuenenia的作用下转化为氮气，硫自养反硝化菌thiobacillus将黑臭河道底泥内的硫化物，硝酸盐氮以及candidatus_kuenenia生成的硝酸盐氮去除。另外，兼性反硝化菌arenimonas和truepera去除硝酸盐或亚硝酸盐，并消耗硫化物、内源有机物或者亚铁离子，铁氨氧化菌pseudomonas则可以消耗铁离子和锰离子，将氨氮氧化去除。耦合菌群中的多种功能微生物协同作用，实现氮、硫污染物的同步去除，并限制fes，mns黑色胶体的产生。
21.2、本发明在河道底泥中加入耦合菌群，并诱导底泥内相关微生物富集生长，使底
泥中不同菌群之间相互协作，反应路径相互交叉，可有效去除氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、硫化物、硫酸盐等多种氮、硫污染物，从根本上强化底泥的氮、硫循环活性。
22.3、本发明通过耦合菌群中同时含有铁、锰氨氧化菌群可实现铁锰的同步去除，从根本上解决致黑问题。
附图说明
23.图1为本发明中实施例1过程中耦合前后菌群的变化情况；
24.图2为本发明实施例1耦合菌群修复前后总氮和硫化物去除速率的变化情况以及提升倍数。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.需要说明的是，本发明中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围，除非另有特别说明，本发明以下各实施例中用到的各种原料、试剂、仪器和设备均可通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。
27.实施例1
28.一种强化河道底泥氮、硫共循环活性的方法，包括以下步骤：
29.s1、菌群培养：接种城市污水处理厂二沉池的活性污泥至加入火山岩填料的反应器，其中填料的高度占反应器有效高度的65％，活性污泥的体积占反应器有效体积的15％，然后连续通入含有氨氮、亚硝酸盐氮、硫酸盐、碱度以及钙、镁、铁、磷、锰、镍、钼等多种元素的废水基质，其中基质的氨氮浓度根据目标河道上覆水中的浓度调整，亚硝酸盐氮和氨氮的质量比值为1.0，碱度与氨氮的质量比值为24，硫酸盐和氨氮的质量比值为1.9，铁与氨氮的质量比值为0.037，锰与氨氮的质量比值为0.005的配水进行厌氧氨氧化培养；最后，氨氮去除率稳定在95％以上，总氮去除率在80％以上，厌氧氨氧化菌candidatus_kuenenia的相对丰度为8.1％；
30.s2、菌群耦合：向反应器内加入硫化物，其中硫化物与氨氮质量比分别为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5，每个周期加入硫化物的初始浓度与氨氮的质量比为0.1，以硫化物与氨氮质量比为0.1的速率增加，当一个周期出水硝酸盐氮浓度低于2mg/l，总氮去除率＞95％且稳定运行7天以上之后，不再提高硫化物的浓度，运行下个周期。硫自养反硝化菌thiobacillus，兼性反硝化菌arenimonas，兼性反硝化菌truepera和铁氨氧化菌pseudomonas所占相对丰度分别为2.0％，1.6％，8.4％和1.2％，厌氧氨氧化菌candidatus_kuenenia所占丰度为18.8％，即菌群耦合成功。耦合前后微生物相对丰度的变化情况如图1所示。
31.s3、取s2中填料表面的污泥进行离心得到生物膜，离心的转速为10000r/min，时间为6min，生物膜的浓度为8g/l；然后将模拟河道置于振荡器上，模拟河道流动的情况，先在模拟河道装置底部平铺一层厚度为5cm的黑臭河道底泥，上面平铺一层1cm的生物膜，并加
入微量生物诱导剂，如此两层；之后再平铺一层厚度为10cm底泥，上面平铺一层2cm厚的生物膜，并加入微量生物诱导剂，如此逐渐增加底泥和生物膜的厚度，保持比值为5：1，在复合底泥上方注入实际河水，保证底泥与河水的高度比值与目标河道接近；振荡模拟河水流动，振荡的转速为150r/min，敞口连续运行反应至总氮和硫化物的去除率均＞95％。
32.采用虹吸的方式换水，运行方式为间歇式，每天测量模拟河道中氨氮，亚硝酸盐氮，硝酸盐氮，总氮，硫化物和硫酸盐等各项水质参数，模拟河道运行30天后，河水中的各种污染物基本检测不到，水体黑臭现象消失，表明修复成功。修复前后底泥中，总氮和硫化物去除速率分别如图2所示。在未添加培养菌群的河道底泥中，总氮去除速率为0.0367mol/(g
·
d)，虽然在之后随着培养时间的延长，总氮去除能力有所提升，但始终低于添加菌群的底泥活性。添加菌群的底泥总氮去除速率为0.346mol/(g
·
d)，活性提高倍数约为8.44。没有投加耦合菌群前硫化物去除速率为0.0161mol/(g
·
d)，而加入之后硫化物的去除速率提高至0.199mol/(g
·
d)，活性大约提高了11.36倍。
33.实施例2
34.一种强化河道底泥氮、硫共循环活性的方法，包括以下步骤：
35.s1、菌群培养：接种城市污水处理厂二沉池的活性污泥至加入火山岩填料的反应器，其中填料的高度占反应器有效高度的65％，活性污泥的体积占反应器的有效体积的15％，然后连续通入含有氨氮、亚硝酸盐氮、硫酸盐、碱度以及钙、镁、铁、磷、锰、镍、钼等多种元素的废水基质，其中基质的氨氮浓度根据目标河道上覆水中的浓度调整，亚硝酸盐氮和氨氮的质量比值为0.9，碱度与氨氮的质量比值为20，硫酸盐和氨氮的质量比值为1.8，铁与氨氮的质量比值为0.03，锰与氨氮的质量比值为0.005的配水进行厌氧氨氧化培养，最后，氨氮去除率稳定在95％以上，总氮去除率在80％以上，厌氧氨氧化菌candidatus_kuenenia的相对丰度为9％；
36.s2、菌群耦合：向反应器内加入硫化物，其中硫化物与氨氮质量比分别为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5，每个周期加入硫化物的初始浓度与氨氮的质量比为0.1，以硫化物与氨氮质量比为0.1的速率增加，当一个周期出水硝酸盐氮浓度低于2mg/l，总氮去除率＞95％且稳定运行7天以上之后，不再提高硫化物的浓度，运行下个周期。硫自养反硝化菌thiobacillus，兼性反硝化菌arenimonas，兼性反硝化菌truepera和铁氨氧化菌pseudomonas所占相对丰度分别为1.8％，1.7％，7.4％和1.1％，厌氧氨氧化菌candidatus_kuenenia所占丰度为18.9％，即菌群耦合成功；
37.s3、取s2中填料表面的污泥进行离心得到生物膜，离心的转速为10000r/min，时间为8min，生物膜的浓度为9g/l；然后将模拟河道置于振荡器上，模拟河道流动的情况，先在模拟河道装置底部平铺一层厚度为5cm的黑臭河道底泥，上面平铺一层1cm的生物膜，并加入微量生物诱导剂，如此两层；之后再平铺一层厚度为10cm底泥，上面平铺一层2cm厚的生物膜，并加入微量生物诱导剂，如此逐渐增加底泥和生物膜的厚度，保持比值为5：1，在复合底泥上方注入实际河水，保证底泥与河水的高度比值与目标河道接近；振荡模拟河水流动，振荡的转速为120r/min，敞口连续运行反应至总氮和硫化物的去除率均＞95％。
38.实验证明，本实施例所获得的总氮和硫化物去除速率的表征数据与实施例1无实质性差别。
39.实施例3
40.一种强化河道底泥氮、硫共循环活性的方法，包括以下步骤：
41.s1、菌群培养：接种城市污水处理厂二沉池的活性污泥至加入火山岩填料的反应器，其中填料的高度占反应器有效高度的65％，活性污泥的体积占反应器有效体积的10％，然后连续通入含有氨氮、亚硝酸盐氮、硫酸盐、碱度以及钙、镁、铁、磷、锰、镍、钼等多种元素的废水基质，其中基质的氨氮浓度根据目标河道上覆水中的浓度调整，亚硝酸盐氮和氨氮的质量比值为1.1，碱度与氨氮的质量比值为25，硫酸盐和氨氮的质量比值为2.0，铁与氨氮的质量比值为0.04，锰与氨氮的质量比值为0.006的配水进行厌氧氨氧化培养，最后，氨氮去除率稳定在95％以上，总氮去除率在80％以上，厌氧氨氧化菌candidatus_kuenenia的相对丰度为10％；
42.s2、菌群耦合：向反应器内加入硫化物，其中硫化物与氨氮质量比分别为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5，每个周期加入硫化物的初始浓度与氨氮的质量比为0.1，以硫化物与氨氮质量比为0.1的速率增加，当一个周期出水硝酸盐氮浓度低于2mg/l，总氮去除率＞95％且稳定运行7天以上之后，不再提高硫化物的浓度，运行下个周期。硫自养反硝化菌thiobacillus，兼性反硝化菌arenimonas，兼性反硝化菌truepera和铁氨氧化菌pseudomonas所占相对丰度分别为1.6％，1.7％，7.6％和1.2％，厌氧氨氧化菌candidatus_kuenenia所占丰度为20.1％，即菌群耦合成功。
43.s3、取s2中填料表面的污泥进行离心得到生物膜，离心的转速为10000r/min，时间为10min，生物膜的浓度为9.5g/l；然后将模拟河道置于振荡器上，模拟河道流动的情况，先在模拟河道装置底部平铺一层厚度为5cm的黑臭河道底泥，上面平铺一层1cm的生物膜，并加入微量生物诱导剂，如此两层；之后再平铺一层厚度为10cm底泥，上面平铺一层2cm厚的生物膜，并加入微量生物诱导剂，如此逐渐增加底泥和生物膜的厚度，保持比值为5：1，在复合底泥上方注入实际河水，保证底泥与河水的高度比值与目标河道接近；振荡模拟河水流动，振荡的转速为140r/min，敞口连续运行反应至总氮和硫化物的去除率均＞95％。
44.实验证明，本实施例所获得的总氮和硫化物去除速率的表征数据与实施例1无实质性差别。
45.实施例4
46.一种强化河道底泥氮、硫共循环活性的方法，包括以下步骤：
47.s1、菌群培养：接种城市污水处理厂二沉池的活性污泥至加入火山岩填料的反应器，其中填料的高度占反应器有效高度的65％，活性污泥的体积占反应器有效体积的20％，然后连续通入含有氨氮、亚硝酸盐氮、硫酸盐、碱度以及钙、镁、铁、磷、锰、镍、钼等多种元素的废水基质，其中基质的氨氮浓度根据目标河道上覆水中的浓度调整，亚硝酸盐氮和氨氮的质量比值为1.0，碱度与氨氮的质量比值为25，硫酸盐和氨氮的质量比值为1.8，铁与氨氮的质量比值为0.04，锰与氨氮的质量比值为0.005的配水进行厌氧氨氧化培养，最后，氨氮去除率稳定在95％以上，总氮去除率在80％以上，厌氧氨氧化菌candidatus_kuenenia的相对丰度为10％；
48.s2、菌群耦合：向反应器内加入硫化物，其中硫化物与氨氮质量比分别为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5，每个周期加入硫化物的初始浓度与氨氮的质量比为0.1，以硫化物与氨氮质量比为0.1的速率增加，当一个周期出水硝酸盐氮浓度低于2mg/l，总氮去除率＞95％且稳定运行7天以上之后，不再提高硫化物的浓度，运行下个周期。硫自养反硝化菌
thiobacillus，兼性反硝化菌arenimonas，兼性反硝化菌truepera和铁氨氧化菌pseudomonas所占相对丰度分别为2.3％，2.1％，9.6％和1.3％，厌氧氨氧化菌candidatus_kuenenia所占丰度为19.7％，即菌群耦合成功。
49.s3、取s2中填料表面的污泥进行离心得到生物膜，离心的转速为10000r/min，时间为10min，生物膜的浓度为10g/l；然后将模拟河道置于振荡器上，模拟河道流动的情况，先在模拟河道装置底部平铺一层厚度为5cm的黑臭河道底泥，上面平铺一层1cm的生物膜，并加入微量生物诱导剂，如此两层；之后再平铺一层厚度为10cm底泥，上面平铺一层2cm厚的生物膜，并加入微量生物诱导剂，如此逐渐增加底泥和生物膜的厚度，保持比值为5：1，在复合底泥上方注入实际河水，保证底泥与河水的高度比值与目标河道接近；振荡模拟河水流动，振荡的转速为150r/min，敞口连续运行反应至总氮和硫化物的去除率均＞95％。
50.实验证明，本实施例所获得的总氮和硫化物去除速率的表征数据与实施例1无实质性差别。
51.需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
52.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。