一种投加氧化还原活性生物炭快速提高厌氧氨氧化菌活性和丰度的方法与流程

1.本发明属于污水处理技术领域，尤其是涉及一种投加氧化还原活性生物炭快速提高厌氧氨氧化菌活性和丰度的方法。


背景技术：

2.厌氧氨氧化(anammox)技术作为一种新兴的传统硝化反硝化脱氮工艺的替代工艺，具有节省碳源、无需曝气、减少温室气体释放及降低剩余污泥产量等众多优点，为实现污水处理厂的节能降耗带来了曙光，已经成为污水脱氮处理领域的研究热点之一。
3.然而，厌氧氨氧化菌倍增时间长(2.1～12d)、细胞产率低，厌氧氨氧化反应器启动困难。此外，厌氧氨氧化菌对温度、溶解氧、进水基质浓度等环境条件敏感，给厌氧氨氧化工艺的稳定运行带来巨大困难。以上两点严重限制了厌氧氨氧化工艺的大规模推广应用。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中厌氧氨氧化工艺难以稳定运行的问题，本发明提供一种投加氧化还原活性生物炭快速提高厌氧氨氧化菌活性和丰度的方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.本发明提供一种投加氧化还原活性生物炭快速提高厌氧氨氧化菌活性和丰度的方法，在低丰度的厌氧氨氧化污泥中添加氧化还原活性生物炭，所述氧化还原活性生物炭的添加量为3～14g/l。
7.在本发明的一个实施方式中，在低丰度的厌氧氨氧化污泥中添加氧化还原活性生物炭后，利用厌氧氨氧化污泥进行污水处理。
8.在本发明的一个实施方式中，所述氧化还原活性生物炭的添加量为8～12g/l。
9.在本发明的一个实施方式中，所述氧化还原活性生物炭的添加量为10g/l。
10.在本发明的一个实施方式中，所述低丰度的厌氧氨氧化污泥中含有厌氧氨氧化菌ca.brocadia。其中，厌氧氨氧化菌ca.brocadia为本领域已知的菌种。
11.在本发明的一个实施方式中，所述低丰度的厌氧氨氧化污泥中含有厌氧氨氧化菌ca.brocadia的初始相对丰度为0.6
±
0.2％。
12.在本发明的一个实施方式中，在低丰度的厌氧氨氧化污泥中添加氧化还原活性生物炭后，厌氧氨氧化污泥中含有厌氧氨氧化菌ca.brocadia的相对丰度为1.2～10.9％，优选为5.4～10.9％。
13.在本发明的一个实施方式中，所述低丰度的厌氧氨氧化污泥的初始比厌氧氨氧化活性为0.55
±
0.02g n/g vss/d。
14.在本发明的一个实施方式中，在低丰度的厌氧氨氧化污泥中添加氧化还原活性生物炭后，所述厌氧氨氧化污泥的比厌氧氨氧化活性为0.67～0.90g n/g vss/d，优选为0.86
±
0.04g n/g vss/d。
15.在本发明的一个实施方式中，所述氧化还原活性生物炭的投加方式为一次性投加。
16.在本发明的一个实施方式中，所述厌氧氨氧化污泥的温度为35℃，ph为7.5。
17.在本发明的一个实施方式中，所述氧化还原活性生物炭选择用竹子制备的竹炭基生物炭。
18.在本发明的一个实施方式中，所述竹炭基生物炭的制备方法如下：将竹子磨成粉末后，烘干，然后碳化，得到生物炭，生物炭用去离子水洗涤，调节ph为7.50
±
0.03，干燥，即得到所述竹炭基生物炭。
19.在本发明的一个实施方式中，碳化的条件为：温度以5℃/min梯度升温，直至温度达到400℃，并维持在此温度2～3h，期间连续通入氮气以保持缺氧环境。
20.在本发明的一个实施方式中，所述竹炭基生物炭的制备方法如下：将竹子磨成粉末后，首先在电热恒温干燥箱中105℃下烘干24h。随后在多工位真空管式炉中进行碳化，具体操作为：首先让温度以5℃/min梯度升温，直至温度达到400℃，并维持在此温度2.5h后关闭管式炉，期间向管式炉中连续通入氮气以保持缺氧环境。将获得的生物炭进行筛分，分离得到20～40μm的生物炭。最后将制备所得生物炭样品用去离子水洗涤三遍，调节ph为7.50
±
0.03，然后在105℃下干燥24h，于干燥器中保存。
21.本发明采用低丰度的厌氧氨氧化污泥作为研究对象，通过投加不同质量的生物炭及改变进水基质浓度，确定了厌氧氨氧化体系的活性及丰度提高效果，进而提供了较优的一种投加氧化还原活性生物炭快速提高厌氧氨氧化菌活性和丰度的方法。
22.与现有技术相比，本发明具有的优点和有益效果如下：
23.1、本发明充分利用氧化还原活性生物炭能够介导微生物胞外电子传递并加速微生物代谢活性的特性，在提高厌氧氨氧化菌脱氮活性的同时提高厌氧氨氧化菌丰度，完成厌氧氨氧化工艺快速启动的目的。
24.2、本发明有助于提高厌氧氨氧化体系的总氮去除率及抵抗基质波动的能力。
25.3、本发明中生物炭制备原料廉价，仅需一次投加，具有较好的成本效益比。
26.4、本发明适用于厌氧氨氧化菌的快速富集及厌氧氨氧化工艺的快速启动。
附图说明
27.图1-1为五个厌氧氨氧化系统的脱氮性能-出水氨氮浓度结果；
28.图1-2为五个厌氧氨氧化系统的脱氮性能-出水亚硝氮浓度结果；
29.图1-3为五个厌氧氨氧化系统的脱氮性能-出水硝氮浓度结果；
30.图1-4为五个厌氧氨氧化系统的脱氮性能-总氮负荷结果；
31.图1-5为五个厌氧氨氧化系统的脱氮性能-总氮去除速率结果；
32.图1-6为五个厌氧氨氧化系统的脱氮性能-总氮去除效率结果；
33.图2为厌氧氨氧化污泥的比厌氧氨氧化活性随时间的变化关系图；
34.图3为种泥及运行40d后五个厌氧氨氧化系统中污泥的脱氮菌属组成。
具体实施方式
35.本发明提供一种投加氧化还原活性生物炭快速提高厌氧氨氧化菌活性和丰度的
方法，在低丰度的厌氧氨氧化污泥中添加氧化还原活性生物炭，所述氧化还原活性生物炭的添加量为3～14g/l，利用厌氧氨氧化污泥进行污水处理。
36.其中，生物炭的获得方式如下：取青竹，将竹子磨成粉末后，首先在电热恒温干燥箱中105℃下烘干24h。随后在多工位真空管式炉中进行碳化，具体操作为：首先让温度以5℃/min梯度升温，直至温度达到400℃，并维持在此温度2.5h后关闭管式炉，期间向管式炉中连续通入氮气以保持缺氧环境。将获得的生物炭进行筛分，分离得到20～40μm的生物炭。最后将制备所得生物炭样品用去离子水洗涤三遍，调节ph为7.50
±
0.03，然后在105℃下干燥24h，于干燥器中保存。
37.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
38.实施例1
39.制备氧化还原活性生物炭
40.取连云港当地的青竹，将竹子磨成粉末后，首先在电热恒温干燥箱中105℃下烘干24h。随后在多工位真空管式炉中进行碳化，具体操作为：首先让温度以5℃/min梯度升温，直至温度达到400℃，并维持在此温度2.5h后关闭管式炉，期间向管式炉中连续通入氮气以保持缺氧环境。将获得的生物炭进行筛分，分离得到20～40μm的生物炭。最后将制备所得生物炭样品用去离子水洗涤三遍，调节ph为7.50
±
0.03，然后在105℃下干燥24h，于干燥器中保存，得到氧化还原活性生物炭。
41.其中，洗涤用的去离子水为标准商用去离子水。
42.实施例2
43.投加氧化还原活性生物炭快速提高厌氧氨氧化菌活性和丰度的工艺研究
44.试验采用五个100ml的血清瓶，各加入8g低丰度的厌氧氨氧化湿污泥，进行水处理，于摇床35℃、150rpm避光震荡培养40d。厌氧氨氧化污泥取自本课题组长期运行的egsb反应器，厌氧氨氧化污泥中含有厌氧氨氧化菌ca.brocadia，厌氧氨氧化菌ca.brocadia的初始相对丰度为0.6
±
0.2％。厌氧氨氧化污泥的初始比厌氧氨氧化活性为0.55
±
0.02g n/g vss/d。
45.其中，一个血清瓶不添加生物炭作为空白对照，编号sck；另外四个血清瓶分别一次性投加0.3、0.7、1.0和1.4g的生物炭(生物炭最终浓度分别为3、7、10和14g/l)，并分别编号为s3、s7、s10和s14。分别在第1、3、7、10、14、17、21、25、30、35和40d时取水样测定进出水氨氮、亚硝氮和硝氮浓度以计算总氮负荷、总氮去除速率和总氮去除效率；分别在第1、7、14、21和35d沿程取水样测定氨氮和亚硝氮浓度以计算比厌氧氨氧化活性；取种泥和各血清瓶第40d的泥样测定微生物组成。
46.血清瓶每12h更换50ml的新鲜基质，基质浓度见表1。
47.本试验用水采用人工配置的合成废水。其主要成分如下(g/l)：nh4cl，按需配置；nano2，按需配置；khco3，1.25；kh2po4，0.025；cacl2，0.3；mgso4·
7h2o，0.3；feso4·
7h2o，0.00625；na2edta，0.00625和微量元素浓缩液1.5ml/l。微量元素浓缩液包括(g/l)：h3bo3，0.014；cocl2·
2h2o，0.24；cuso4·
5h2o，0.25；znso4·
7h2o，0.43，mncl2·
4h2o，0.99；nicl2·
6h2o，0.19；namoo4·
2h2o，0.22；na2wo4·
2h2o，0.050；na2seo4·
10h2o，0.21；edta，15。
48.表1各阶段工况条件及运行参数
[0049][0050]
五个厌氧氨氧化系统的脱氮性能如图1所示，图1包括1-1至1-6，由图1可知，投加3～14g/l的生物炭可显著提高厌氧氨氧化体系的总氮去除速率及总氮去除效率，分别提升0～18.0％和0.2％～11.6％。投加10g/l生物炭的厌氧氨氧化系统具有最高的总氮去除速率和总氮去除效率。
[0051]
由图1可知，投加3～14g/l的生物炭显著提高了厌氧氨氧化体系抵抗进水基质浓度波动的影响，反应器出水氮素浓度更稳定。
[0052]
厌氧氨氧化污泥的比厌氧氨氧化活性随时间的变化关系图如图2所示，由图2可知，投加3～14g/l的生物炭显著提高了厌氧氨氧化体系的比厌氧氨氧化活性。在稳定阶段，s3、s7、s10和s14的比厌氧氨氧化活性分别为0.75
±
0.08、0.81
±
0.04、0.86
±
0.04和0.79
±
0.09g n/g vss/d，显著高于对照sck的0.55
±
0.02g n/g vss/d。投加10g/l生物炭的厌氧氨氧化系统具有最高的比厌氧氨氧化活性，比对照组高出56％。
[0053]
种泥及运行40d后五个厌氧氨氧化系统中污泥的脱氮菌属组成如图3所示。由图3可知，投加3～14g/l的生物炭显著提高了厌氧氨氧化体系厌氧氨氧化菌ca.brocadia的相对丰度。运行40d后，s3、s7、s10和s14的厌氧氨氧化菌ca.brocadia的相对丰度分别为3.7
±
2.5％、7.5
±
1.1％、6.6
±
4.3和5.5
±
0.1％，显著高于对照组sck的0.6
±
0.2％。同时，投加3～14g/l的生物炭还显著降低了反硝化菌denitratisoma的相对丰度，有助于厌氧氨氧化菌保持优势地位。
[0054]
由图1～3可知，投加氧化还原活性的竹炭基生物炭可显著提高厌氧氨氧化体系的比厌氧氨氧化活性、厌氧氨氧化菌的相对丰度及反应器抵抗基质浓度波动的能力，同时，最优的生物炭投加剂量为10g/l。本发明适用于快速提高厌氧氨氧化菌的脱氮代谢活性及相对丰度。
[0055]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。