基于微生物组数据库控制的污水处理组合工艺装置与方法

1.本发明涉及一种基于微生物组数据库控制的污水处理组合工艺装置与方法，属于污水生物处理领域，适用于城镇污水处理厂高效、节能和低碳的脱氮除磷过程。


背景技术：

2.随着我国城镇化率的逐年提高，城镇污水的排放量持续增长，城镇污水处理工艺面临巨大挑战。其中aao工艺有着处理效果好，能够同时脱氮除磷等优点，是城镇污水处理厂使用的最为广泛的工艺之一。但在污水处理向高效、节能和低碳发展的大背景下，aao工艺自身脱氮与除磷之间的矛盾已然限制了其发展。虽然通过变形和改进工艺流程可以优化aao工艺，减弱了在脱氮和除磷过程中配置资源的矛盾，但脱氮过程仍依赖于异养脱氮途径(硝化-反硝化)，优化效果难于进一步提高。
3.厌氧氨氧化反应是在缺氧条件下，以氨为电子供体、亚硝酸盐为电子受体产生氮气的微生物反应。厌氧氨氧化菌作为自养菌，无需有机碳源和曝气，污泥产量少，脱氮负荷高。并且厌氧氨氧化菌有聚集生长的特点，厌氧氨氧化生物膜是常见的富集策略，可以强化厌氧氨氧化菌在工艺中的持流。aao工艺缺氧区中的低溶氧、低有机物浓度、适宜的氨氮浓度等条件以及稳定的亚硝态氮产生机制，为厌氧氨氧化过程提供适宜的空间条件。
4.宏基因组学通过从环境样品中提取全部微生物的dna，构建宏基因组文库，进行高通量测序研究微生物群落多样性、种群结构、进化关系、功能活性及环境之间的相互协作关系。随着测序技术的飞速发展，dna测序的成本越来越低，周期越来越短，其在污水生物处理领域的优势也逐渐显现。实时dna测序设备能够实时监测污水生物处理工艺中关键功能基因变化情况，进而对关键菌种和整个微生物群落进行监控，工艺中的微生物参数会成为工艺运行和优化的关键指标，实现工艺更加节能高效的运行。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于通过厌氧氨氧化与活性污泥结合的方式解决传统aao活性污泥工艺中脱氮除磷的矛盾，同时利用实时测序技术为工艺高效节能的运行与优化提供支持，并提供一种基于微生物组数据库控制的污水处理组合工艺装置与方法。
6.本发明所采用的具体技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供了一种基于微生物组数据库控制的污水处理组合工艺装置，包括原水水箱、反应器、二沉池和dna测序设备；所述反应器内沿水流方向分为依次连通的厌氧区、缺氧区和好氧区，厌氧区、缺氧区和好氧区的容积比例为1:3:3；原水水箱通过设有进水泵的管路与所述厌氧区连通，厌氧区和缺氧区中均设有用于混匀污泥和水流的搅拌装置；缺氧区中均匀设有厌氧氨氧化生物膜；所述好氧区底部均匀设有用于曝气并形成上升气流的曝气装置，末端通过设有硝化液回流泵的管路与缺氧区前端相连通，出水端经溢流管与二沉池相连通；二沉池上部设有排水管，底部设有排泥管，二沉池底部通过设有污泥回流泵的管路与厌氧区前端相连通；所述dna测序设备连接有用于定期采集厌氧区末端污
泥的第一污泥采样器、用于定期采集缺氧区末端污泥的第二污泥采样器、用于定期采集好氧区末端污泥的第三污泥采样器和用于定期采集回流污泥的第四污泥采样器；dna测序设备能实时分析采集到的污泥指标，用以构建微生物组数据库，通过可视化手段描述生物变化和微生物群落的稳定性，以反馈调节工艺参数。
8.作为优选，所述缺氧区沿水流方向分为容积相同且连通的缺氧一区、缺氧二区和缺氧三区，缺氧一区与所述厌氧区相连通；所述缺氧一区、缺氧二区和缺氧三区中分别设有第二搅拌器、第三搅拌器和第四搅拌器，缺氧一区、缺氧二区和缺氧三区中均设有厌氧氨氧化生物膜；通过设置相邻区域出水管的位置，使水流呈上下交替流动的方式依次通过厌氧区、缺氧一区、缺氧二区和缺氧三区。
9.进一步的，所述好氧区沿水流方向分为容积相同且连通的好氧一区、好氧二区和好氧三区，好氧一区与所述缺氧三区相连通，好氧三区与所述二沉池相连通；所述好氧一区、好氧二区和好氧三区底部分别设有第一曝气器、第二曝气器和第三曝气器，第一曝气器、第二曝气器和第三曝气器分别通过设有第一流量计、第二流量计和第三流量计的管路与曝气泵相连通。
10.再进一步的，所述第一曝气装置、第二曝气装置和第三曝气装置均为曝气砂块，第一流量计、第二流量计和第三流量计均为转子流量计。
11.再进一步的，所述厌氧区、缺氧一区、缺氧二区、缺氧三区、好氧一区、好氧二区和好氧三区的容积相同。
12.作为优选，所述厌氧氨氧化生物膜负载于填料表面，通过填料固定于缺氧区中。
13.作为优选，所述dna测序设备与数据分析控制平台相连，用以构建微生物组数据库，通过可视化手段描述生物变化和微生物群落的稳定性，以反馈调节工艺参数。
14.作为优选，所述dna测序设备为实时dna测序设备，型号 nanopore-minion。
15.第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一污水处理组合工艺装置的城镇污水处理方法，具体如下：
16.s1：向厌氧区和好氧区中接种活性污泥，向缺氧区中接种厌氧氨氧化污泥与活性污泥；将待处理的城镇污水由原水水箱经进水泵进入反应器的厌氧区，同时，二沉池底部的部分污泥通过污泥回流泵进入厌氧区；控制厌氧区的水力停留时间为1-3h，使聚磷菌进行内碳源储存并发生厌氧释磷；
17.s2：经厌氧区处理后的混合液进入缺氧区，同时，好氧区末端的部分硝化液通过硝化液回流泵回流至缺氧区前端，硝化液回流比为100-300％；控制缺氧区的总水力停留时间为4-8h、厌氧氨氧化污泥浓度与活性污泥浓度的比值为0.5-2，利用经厌氧区处理后所得混合液中含有的氨氮和有机物、以及回流硝化液中含有的硝氮进行部分反硝化、厌氧氨氧化和完全反硝化反应；
18.s3：经缺氧区处理后的混合液进入好氧区，控制好氧区的溶解氧浓度为 0.8-1.5mg/l、总水力停留时间为2-4h，以进行好氧吸磷和硝化反应；
19.s4：经好氧区处理后的混合液经溢流管进入二沉池，在二沉池中进行泥水分离；二沉池中的上清液经排水管排放，底部污泥通过污泥回流泵回流至厌氧区，污泥回流比为50-150％；
20.s5：通过定期控制排泥管排泥，以使反应器内活性污泥浓度为1000-3000 mg/l、污
泥龄为8-18d；
21.s6：定期通过第一污泥采样器、第二污泥采样器、第三污泥采样器和第四污泥采样器采集污泥样品，并通过dna测序设备对采集的污泥样品实时测序，将获得的原始数据上传至数据分析控制平台，结合环境因子数据，构建微生物组数据库，监控关键菌种和整个微生物群落，通过可视化手段描述生物变化和微生物群落的稳定性，用以优化工艺参数。
22.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
23.1)本发明通过厌氧氨氧化与活性污泥结合的方式解决了传统aao活性污泥工艺中脱氮除磷的矛盾，提高工艺效能；
24.2)本发明通过实时测序技术为工艺运行和优化提供了微生物特征参数，基于微生物组数据库控制的方式可以直接、快速、系统地了解生化系统中微生物组成和状态，并据此对生化系统中微生物进行快速诊断与控制，极大的优化运行过程来节省运营成本并维护工艺的稳定运行，使工艺高效的同时更加节能低碳。
附图说明
25.图1为本发明装置的结构示意图。
26.图中：1-原水水箱；1.1-进水泵；2-反应器；2.1-厌氧区；2.2.1-缺氧一区； 2.2.2-缺氧二区；2.2.3-缺氧三区；2.3.1-好氧一区；2.3.2-好氧二区；2.3.3-好氧三区；2.4.1-第一曝气器；2.4.2-第二曝气器；2.4.3-第三曝气器；2.5.1-第一流量计； 2.5.2-第二流量计；2.5.3-第三流量计；2.6-硝化液回流泵；2.7-曝气泵；2.8.1-第一搅拌器；2.8.2-第二搅拌器；2.8.3-第三搅拌器；2.8.4-第四搅拌器；2.9-溢流管； 2.10-厌氧氨氧化生物膜；2.11.1-dna测序设备；2.11.2-第一污泥采样器；2.11.3
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第二污泥采样器；2.11.4-第三污泥采样器；2.11.5-第四污泥采样器；2.11.6-数据分析控制平台；3-二沉池；3.1-排水管；3.2-污泥回流泵；3.3-排泥管。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
28.本发明提供了一种基于微生物组数据库控制的污水处理组合工艺装置，该装置主要包括原水水箱1、反应器2、二沉池3和dna测序设备2.11.1。反应器2 内沿水流方向分为依次连通的厌氧区2.1、缺氧区和好氧区，厌氧区2.1、缺氧区和好氧区的容积比例为1:3:3。原水水箱1通过设有进水泵1.1的管路与厌氧区 2.1连通，厌氧区2.1和缺氧区中均设有用于混匀污泥和水流的搅拌装置。缺氧区中均匀设有厌氧氨氧化生物膜2.10。好氧区底部均匀设有用于曝气并形成上升气流的曝气装置，末端通过设有硝化液回流泵2.6的管路与缺氧区前端相连通，出水端经溢流管2.9与二沉池3相连通。二沉池3上部设有排水管3.1，底部设有排泥管3.3，二沉池3底部通过设有污泥回流泵3.2的管路与厌氧区2.1前端相连通。dna测序设备2.11.1连接有用于定期采集厌氧区2.1末端污泥的第一污泥采样器2.11.2、用于定期采集缺氧区末端污泥的第二污泥采样器2.11.3、用于定期采集好氧区末端污泥的第三污泥采样器2.11.4和用于定期采集回流污泥的第四污泥采样器2.11.5。dna测序设备2.11.1能实时分析采集到的污泥指标，用以构建微生物组数据库，通过可视化手段描述生物变化
和微生物群落的稳定性，以反馈调节工艺参数。
29.在实际应用时，为了保证厌氧区2.1、缺氧区和好氧区的容积比例为1:3:3，可以将厌氧区、缺氧区和好氧区按照容积比分别设置为一整个区域，也可以将每个区域设置子区块。如图1所示，将缺氧区沿水流方向分为容积相同且连通的缺氧一区2.2.1、缺氧二区2.2.2和缺氧三区2.2.3，缺氧一区2.2.1与厌氧区2.1相连通；好氧区沿水流方向分为容积相同且连通的好氧一区2.3.1、好氧二区2.3.2 和好氧三区2.3.3，好氧一区2.3.1与缺氧三区2.2.3相连通，好氧三区2.3.3与二沉池3相连通；且厌氧区2.1、缺氧一区2.2.1、缺氧二区2.2.2、缺氧三区2.2.3、好氧一区2.3.1、好氧二区2.3.2和好氧三区2.3.3的容积相同，进而保证厌氧区 2.1、缺氧区和好氧区的容积比例为1:3:3，实现污水的有效处理。下面将以此为例进行具体说明。
30.反应器2顺次包括厌氧区2.1、缺氧一区2.2.1、缺氧二区2.2.2、缺氧三区 2.2.3、好氧一区2.3.1、好氧二区2.3.2、好氧三区2.3.3；原水水箱1通过进水泵 1.1与厌氧区2.1连接，厌氧区2.1与缺氧一区2.2.1连接，缺氧一区2.2.1、缺氧二区2.2.2、缺氧三区2.2.3顺次连接，缺氧三区2.2.3与好氧一区2.3.1连接，好氧一区2.3.1、好氧二区2.3.2、好氧三区2.3.3顺次连接，好氧三区2.3.3通过硝化液回流泵2.6与缺氧一区2.2.1连接，好氧三区2.3.3经溢流管2.9与二沉池3 连接；二沉池3底部通过污泥回流泵3.2与厌氧区2.1连接，二沉池3出水经排水管3.1排放，定期从排泥管3.3排泥；反应器2中厌氧区2.1装有第一搅拌器 2.8.1，缺氧一区2.2.1装有第二搅拌器2.8.2，缺氧二区2.2.2装有第三搅拌器 2.8.3，缺氧三区2.2.3装有第四搅拌器2.8.4；曝气泵2.7通过第一流量计2.5.1 与好氧一区2.3.1中第一曝气器2.4.1连接，曝气泵2.7通过第二流量计2.5.2与好氧二区2.3.2中第二曝气器2.4.2连接，曝气泵2.7通过第三流量计2.5.3与好氧四区2.3.1中第三曝气器2.4.3连接；缺氧一区2.2.1、缺氧二区2.2.2、缺氧三区2.2.3均放置有厌氧氨氧化生物膜2.10；dna测序设备2.11.1通过连接第一污泥采样器2.11.2定期采集厌氧区污泥，实时dna测序设备2.11.1通过连接第二污泥采样器2.11.3定期采集缺氧区污泥，实时dna测序设备2.11.1通过连接第三污泥采样器2.11.4定期采集好氧区污泥，实时dna测序设备2.11.1通过连接第四污泥采样器2.11.5定期采集回流污泥，实时dna测序设备2.11.1与数据分析控制平台2.11.6连接。
31.为了使污水得到更好的处理效果，还可以通过改变相邻区域出水管的位置，使水流呈上下交替流动的方式依次通过厌氧区2.1、缺氧一区2.2.1、缺氧二区 2.2.2、缺氧三区2.2.3、好氧一区2.3.1、好氧二区2.3.2和好氧三区2.3.3。
32.在实际应用时，第一曝气装置2.4.1、第二曝气装置2.4.2和第三曝气装置2.4.3 均可以采用曝气砂块，第一流量计2.5.1、第二流量计2.5.2和第三流量计2.5.3 均可以采用转子流量计。厌氧氨氧化生物膜2.10可以负载于填料表面，通过填料固定于缺氧区中。dna测序设备2.11.1为实时dna测序设备，型号为 nanopore-minion，具体是由oxford nanopore technologies(ont)提供的纳米孔测序仪minion。这项技术依赖于纳米尺度的蛋白质孔，或称“纳米孔”，作为一种生物传感器，并嵌入到抗电聚合物膜中。在电解液中，施加恒定电压以产生通过纳米孔的离子电流，使得带负电的单链dna或rna分子被驱动通过纳米孔从带负电的“顺式”侧到带正电的“反式”侧。移位速度由运动蛋白控制，运动蛋白通过纳米孔分步移动核酸分子。移位过程中离子电流的变化对应于传感区域中存在的核苷酸序
列，并使用算法进行解码，从而允许对单分子进行实时测序。除了控制转运速度，运动蛋白还具有解旋酶活性，使得双链dna或rna-dna双链可以解旋成单链分子，通过纳米孔。因此能够实现对污泥样品的实时dna测序。
33.利用上述污水处理组合工艺装置的城镇污水处理方法，具体如下：
34.s1：向厌氧区2.1和好氧区中接种活性污泥，向缺氧区中接种厌氧氨氧化污泥与活性污泥。将待处理的城镇污水由原水水箱1经进水泵1.1进入反应器2的厌氧区2.1，同时，来自二沉池3底部的部分污泥通过污泥回流泵3.2进入厌氧区2.1。控制厌氧区2.1的水力停留时间为1-3h，使聚磷菌进行内碳源储存并发生厌氧释磷。
35.s2：经厌氧区2.1处理后的混合液进入缺氧一区2.2.1，部分好氧混合液从好氧三区2.3.3通过硝化液回流泵2.6回流至缺氧一区2.2.1，硝化液回流比为 100-300％，缺氧一区2.2.1的混合液顺次流经缺氧二区2.2.2与缺氧三区2.2.3；控制缺氧一区2.2.1、缺氧二区2.2.2、缺氧三区2.2.3总水力停留时间在4-8h，在缺氧一区2.2.1、缺氧二区2.2.2、缺氧三区2.2.3均放置有已富集完成的厌氧氨氧化生物膜2.10，控制缺氧一区2.2.1、缺氧二区2.2.2、缺氧三区2.2.3中厌氧氨氧化污泥浓度与活性污泥浓度的比值在0.5-2，利用厌氧区2.1混合液中含有的氨氮、有机物和好氧三区2.3.3回流硝化液含有的硝氮进行部分反硝化、厌氧氨氧化和完全反硝化。
36.s3：经缺氧区处理后的混合液从缺氧三区2.2.3顺次流经好氧一区2.3.1、好氧二区2.3.2、好氧三区2.3.3，通过第一流量计2.5.1、第二流量计2.5.2、第三流量计2.5.3控制好氧一区2.3.1、好氧二区2.3.2、好氧三区2.3.3溶解氧浓度均为 0.8-1.5mg/l，控制好氧一区2.3.1、好氧二区2.3.2、好氧三区2.3.3总水力停留时间为2-4h，进行好氧吸磷和硝化反应。
37.s4：经好氧区处理后的混合液从好氧三区2.3.3通过溢流管2.9进入二沉池3，进行泥水分离，二沉池3中的上清液经排水管3.1排放，二沉池3底部污泥通过污泥回流泵3.2回流至厌氧区2.1，污泥回流比为50-150％。
38.s5：通过定期控制排泥管3.3排泥，以使反应器2内活性污泥浓度为 1000-3000mg/l、污泥龄为8-18d。
39.s6：dna测序设备2.11.1通过连接第一污泥采样器2.11.2定期采集厌氧区污泥，dna测序设备2.11.1通过连接第二污泥采样器2.11.3定期采集缺氧区污泥，dna测序设备2.11.1通过连接第三污泥采样器2.11.4定期采集好氧区污泥， dna测序设备2.11.1通过连接第四污泥采样器2.11.5定期采集回流污泥。
40.dna测序设备2.11.1对采集的污泥样品实时测序，将原始数据上传至数据分析控制平台2.11.6，结合环境因子数据，构建工艺的微生物组数据库，监控关键菌种和整个微生物群落，通过可视化手段描述生物变化和微生物群落的稳定性。操作者或者控制端通过采集得到的相关数据，还可以根据实际需要生成预警机制，通过分析结果调整工艺水力停留时间、溶解氧、污泥浓度等关键工艺参数，优化污泥龄和调控工艺的关键功能菌群结构，通过极大的优化运行过程来节省运营成本并维护工艺的稳定运行。
41.本发明以传统aao装置为原型，构建aao-厌氧氨氧化组合工艺，缺氧区固定膜上的厌氧氨氧化菌与活性污泥中的反硝化菌耦合脱氮，实现氮素的自养异养耦合去除，减少脱氮过程的碳源消耗，缓和传统aao工艺中脱氮除磷的碳源需求矛盾；实时dna测序设备定时
监测厌氧区污泥、缺氧区污泥、好氧区污泥和回流污泥中关键功能基因变化情况，通过数据分析控制平台构建工艺的微生物组数据库数据库，对关键菌种和整个微生物群落进行监控，建立预警机制并精准反馈，便于快速调整工艺运行参数，优化调控工艺的关键功能菌群结构，保证工艺的稳定运行。本发明为城镇污水高效、节能和低碳的脱氮除磷提供了一种新方法。
42.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。