一种水处理污泥菌群快速进化及功能激活的方法

1.本发明涉及水处理技术领域，涉及一种水处理污泥菌群快速进化及功能激活的方法，具体涉及一种污(废)水生物处理系统污泥菌群结构快速进化与功能激活的定向调控方法。


背景技术：

2.工业集聚区是国家生产空间和区域活动的重要载体，近几十年来，人为化学品的产量大幅增加，目前注册生产和使用的化学品和化学品混合物超过35万种。根据联合国环境规划署《2020年全球化学品展望报告》，2017年全球化学工业规模超过5万亿美元，预计到2030年将翻一番，这些化学品在生产消费过程中不可避免的产生各类工业废水。我国历经40多年的经济快速发展，国家与省级工业集聚区多达2500多家，贡献了全国50％以上工业产出。工业集聚区由于其规模和范围效应导致重化工业集中，其中化工、制药、印染等重污染行业是有毒有害化学物质和新污染物集中排放的场所，据估计2019年工业废水排放量已超过250亿吨。由于废水量大，多种污染物混杂特别是存在含有偶氮、硝基、卤素取代基的有机物，由于苯环电子云密度低、氮偶联形成空间位阻大等特点，导致降解难度大，生态风险高，使得工业集聚区已成为环境问题频发的热点区域，污染整治的重点所在。
3.由于物理法、化学法、高级氧化技术等存在较高的运行成本，潜在的二次污染风险以及高能耗等缺点，阻碍了其在污水处理厂的可持续应用。生物处理技术得到广泛应用的优势在于环境友好，经济成本低，但其不足包括启动时间长、工艺处理速度慢，效率低，停留时间长，占地面积大，基建成本高；对废水中的大分子、难生物降解特征污染物脱毒、脱卤、脱色等效能差；对废水可生化性提高程度有限，减轻后续好氧系统负荷能力有限；对微污染废水、中低浓度工业废水中低浓度难降解有机污染物处理能力有限，整体工艺出水很难达到日益严格的排放标准；操作调控困难，整体系统容易崩溃。
4.微生物和微生物群落是污水生物处理工程系统的核心组成部分。不同的微生物通过信息、能量和营养物质的交换来执行各种功能。随着高通量测序和生物信息学分析方法的发展，辨别微生物群落组成和微生物互作得到广泛应用。尽管大多数生物处理设施主要是从工程角度设计的，但人们越来越多地认识到，通过确定和操纵微生物群落结构和微生物互作可以避免许多技术问题，如何优化与调控污泥菌群组成与功能微生物互作关系、激活与强化菌群代谢功能，对提升现有生物处理系统效率、保障可持续稳定运行具有重要意义。


技术实现要素：

5.为了解决以上技术缺陷，定向调控现有生物处理系统中污泥菌群结构与代谢功能，本发明的技术方案在于，提供一种水处理污泥菌群快速进化及功能激活的方法，属于通过外加电源和电极组件加速定向选择污泥菌群的方法，包括：
6.将市政污水厂生化处理工艺段中污泥接种至反应器，反应器可采用完全混合式或
者上升流式构型或者其他构型。
7.将电极组件直接植入反应器，并通过直流电源对电极组件施加小于3.0v外电压。
8.其中，电极组件由阴极、阳极和绝缘层组成。
9.可选的，所述阴极的材质为导电材料。
10.可选的，所述阴极的材质为金属材料如不锈钢。
11.可选的，所述阴极的材质为碳基材料如碳刷、碳毡。
12.可选的，所述阳极的材质为导电材料。
13.可选的，所述阳极的材质为金属材料如不锈钢。
14.可选的，所述阳极的材质为碳基材料如碳刷、碳毡。
15.可选的，所述绝缘层的材质可以为硅胶等。
16.可选的，污泥浓度(以混合液悬浮污泥浓度计算)不小于100mg/l，充电时间不少于1小时。
17.可选的，进水中含有易于生物降解的碳源(以化学需氧量cod计算)不小于10mg/l。
18.可选的，当进水缺乏易降解碳源时，可以添加葡萄糖或者乙酸钠或者其他碳源，所添加的碳源(以cod计算)不小于10mg/l。
19.可选的，外加电源的电压小于实际发生电解水的电压(一般小于3v)。
20.可选的，本发明可以采用间歇式施加外电源(小于3v)的方式进行，充电不少于1小时)、移除外电源(断电任意时间)、恢复施加外电源(再充电不少于1小时)。
21.间歇式施加外电源相对于单次持续充电，一方面微生物仍具有良好的代谢功能，另一方面能够节省外加电能。
22.可选的，电极组件选择后的污泥微生物组成包括污染物降解功能菌属和发酵功能菌属。
23.本发明可以灵活地直接植入现有生物处理构筑物，能够快速改变污泥微生物群落结构，定向富集有机污染物降解菌属，并增强污染物降解菌属与发酵功能菌属之间的互作关系，能够强化微生物的电子传递功能、污染物降解功能，能够强化含电负性基团污染物的去除，，能够强化微生物生长代谢等电子传递过程，能够强化以微生物为核心的生物处理过程，可以将电选择后的污泥微生物移植到其他生物处理构筑物。
24.本发明将污泥接种至反应器，以含硝基、偶氮、卤素取代基的有机物为目标污染物，电极组件能够加速污泥微生物群落进化，定向富集污染物降解微生物，同时强化与发酵功能微生物互作；另一方面能够激活污泥微生物电子传递活性与污染物降解功能活性，且越靠近电极区域的微生物代谢功能激活作用越显著。
25.与现有技术相比本发明的技术优势在于：
26.(1)能够加速污泥微生物群落进化，原位调控污泥微生物群落结构与功能；
27.(2)电极材料造价及运维成本低，理化性质稳定，可以长期可持续使用；
28.(3)仅需外加少量电能，无需其他化学试剂，对环境影响小且节省能耗。
附图说明
29.图1为一种电极组件及电选择污泥微生物的实施方法，电极组件件包由阴极、阳极和绝缘层组成；
30.图2为根据实施方式一的污泥微生物对模式污染物(含偶氮键、硝基)降解效能；
31.图3为根据实施方式一的污泥微生物群落结构主成分分析，示意结构与组成快速进化；
32.图4为根据实施方式二的污泥微生物对模式有机污染物(含偶氮键、硝基)的降解效能；
33.图5为根据实施方式二的污泥微生物关键功能基因转录活性差异，示意功能活性激活与强化。
34.实施方式
35.下面通过具体实施例和附图对本发明解释说明，但本发明不局限于此。
36.实施例一
37.通过直流电源控制电极组件阴阳极之间电压为0.5v，在电路具有稳定电流之后，持续施加外电源(充电)12小时，如图1。实施中反应器接种厌氧污泥(污泥浓度控制为6000mg/l左右)，进水中葡萄糖浓度为100mg/l，乙酸钠浓度为300mg/l，模式污染物茜素黄r(ayr，含偶氮键、硝基基团)的浓度为100mg/l。监测电路中电流值和污染物降解情况，电流持续稳定后，认为污泥菌群驯化成功。
38.为了更好的说明本实施例的效能，本实施例提供了一种比较例。如图2和3所示，与实施例的区别在于：比较例中仅植入电极而未施加外加电源，其余的设计和运行方式与实施例中一致。菌群驯化成功后，实施例移除外加电源测试污染物降解发现去除速率为比较例的2.5倍，实施例与比较例的污泥菌群结构存在显著差异(p《0.05)，证明电选择下污泥菌群结构与组成发生快速进化。
39.实施例二
40.在实施例1的基础上，将电极组件直接植入完全混合式水解酸化反应器，通过直流电源控制电极组件阴阳极之间电压为0.5v，在电路具有稳定电流之后，实施例2以三种条件运行，分别为施加外电源(充电24小时)、移除外电源(断电12小时)、恢复施加外电源(再充电12小时)。实施中反应器接种厌氧污泥(污泥浓度控制为6000mg/l)，进水中葡萄糖浓度为100mg/l，乙酸钠浓度为300mg/l，模式污染物茜素黄r(ayr，含偶氮键、硝基基团)的浓度为100mg/l。
41.本实施例通过一个比较例来更好的说明实施例2的效能。如图4所示，比较例与实施例2中所使用的电极组件和反应器运行参数一致，但在比较例中不施加电刺激。测试ayr降解效率发现，充电下为比较例的2.5倍，断电下与比较例相近，再充电为比较例的2.1倍。如图5所示，宏转录组测序结果表明实施例中污泥微生物降解污染物功能基因丰度、与电子传递相关的典型功能基因丰度相对比较例明显上调，证明污泥菌群功能活性被电激活与强化。
42.此处描述提供具体的实施例，但无意限制本发明的使用范围、适用性和具体结构构造，本实施为本领域普通技术人员根据已知条件来实施本发明的实施方式提供参考，可对电极组件的使用方式进行改变。因此，各种实施方式可适当的省略、取代或者添加步骤或者相关类似组件。例如，应理解可以和描述的反应器构型不同的反应器来实施方法，也可以和描述的参数不同的参数来实施方法，且可以添加、省略或组合各种步骤，可以用于其他生物处理过程。此外，相对于某些实施方式描述参数和方法，可与其他实施方式进行结合。