一種定向富集不同比例的自養脫氮微生物群的方法與流程

本發明屬于水處理與環保技術領域，具體涉及一種以磁鐵礦、改性沸石定向富集自養脫氮微生物的方法。

背景技術：

目前，我國的水環境污染問題受到廣泛關注，氨氮、總氮，有機物與新型毒害性污染物的問題層出不窮。在國家新的“水十條”中對沿海地級及以上城市實施總氮排放總量控制要求，使得對水處理的要求提升了一個更高的層次。

對于占水體總氮60％以上的污染物-氨氮而言，來源于各類含氮污染物的降解過程。一般而言，氨氮僅在氨氧化微生物的作用下發生轉化，其轉化時間與溶解氧濃度相關，其累積往往在污染水體造成進一步的缺氧，缺氧有進一步導致氨氮的累積。此外，氨氮是水體中的營養素，可導致水體富營養化，同時對魚類及許多水生生物均有毒害性。因此，人們針對氨氮污染的治理進行了廣泛的研究。當采用過量曝氣的方法去除氨氮后，導致大量氨氮轉化為硝酸鹽，使水體總氮過高的問題開始浮現。水體脫氮與微量污染物去除主要通過微生物的代謝活動完成。傳統微生物總氮的去除過程需要經過氨氧化、硝化再進行反硝化的過程。此過程需要大量曝氣將氨氮轉化為硝酸鹽，然后在有機條件下利用反硝化去除硝酸鹽。完全去除需要消耗大量電能與碳源(甲醇)。處理日益嚴重的氨氮污染，已經讓不堪重負的水處理系統能耗劇增，而新型污染物的出現，將進一步加重處理的壓力。目前，新型的脫氮技術一直是環境工程研究的前沿。自養脫氮工藝就是其中一種非常具有節能高效的脫氮技術。自養脫氮技術能在缺乏有機碳源的條件下去除氨氮與總氮，大大節省動力能耗與碳源消耗，因此是一種非常有前景的脫氮工藝。因此，開發一種直接適用于小區或農村污水預處理，既能去除醋氨酚又能同步脫除總氮、氨氮的新型節能環保的水處理系統，不僅有利于緩解改善無法截污的城鎮水污染現狀，也有助于提高水環境的安全，對未來3-5年分散式水處理技術的發展具有重要的意義。

然而，由于自養脫氮微生物群的倍增時間相當長，啟動自養脫氮微生物群需要相當長的時間，讓其在工程應用受到限制。如何加快其培養過程是工程實用化的關鍵。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種能在微氧條件下去除自然水體、市政污水中的氨氮與總氮污染的定向富集不同比例的自養脫氮微生物群的方法。

本發明的定向富集不同比例的自養脫氮微生物群的方法，其特征在于，包括以下步驟：

A、填料的改性

磁鐵礦填料的改性：將粒徑0.5～1cm的磁鐵礦用水清洗干凈后，再用鹽酸浸泡改性，最后用水沖洗鹽酸改性后的磁鐵礦至pH＝7中性，烘干，得到改性磁鐵礦填料；

沸石填料的改性：將粒徑0.5-1cm的沸石填料用水清洗干凈后，再用鹽酸浸泡改性，最后用水沖洗鹽酸改性后的沸石填料至pH＝7中性，再用NaOH溶液浸泡改性，最后用水沖洗至pH＝7中性，烘干，得到改性沸石填料；

B、自養脫氮污泥的制備

取VSS濃度大于1mg/L的活性污泥，經過隔除雜質后，沉淀，再用M0培養液置換上清液，連續曝氣和攪拌，使其溶解氧為2-3mg/L，當氨氮降解效率達到90％以上，亞硝酸鹽累積率達到30％以上時，更換M0培養液繼續培養，連續曝氣和攪拌，使其溶解氧為2～3mg/L，直至氨氮降解效率達到90％以上，亞硝酸鹽累積率達到60％以上，獲得污泥A；

取污泥A移至另外一個容器中，曝氣，使其溶解氧為0.5～1mg/L，當氨氮降解效率達到70～80％時，亞硝酸鹽降解率達到70％以上時，更換M1培養液繼續培養，連續曝氣和攪拌，使其溶解氧為0.5～1mg/L，直至氨氮降解效率達到90％以上，亞硝酸鹽累積率消失，獲得污泥B，即為自養脫氮污泥；

所述的M0培養液每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，余量為水，pH7.0-7.5；

所述的M1培養液每升含有：NH₄Cl 0.5g，NaNO₂ 0.5g，NaHCO₃ 0.5g，余量為水，pH7.5-8.0；

C、反應裝置和填料的裝填

反應裝置包括前后順序相連通的預曝氣區、進水區、改性沸石填料區、改性磁鐵礦填料區和出水沉淀區，所述的預曝氣區的前端設有進水口，所述的出水沉淀區的尾端設有出水口，在預曝氣區中裝有預曝氣裝置，所述的改性沸石填料區裝有改性沸石填料，所述的改性磁鐵礦填料區裝有改性磁鐵礦填料；

D、反應裝置的啟動和運行：將污泥B接種到反應裝置中的改性沸石填料和改性磁鐵礦填料上，然后進行掛膜，再反應裝置采用連續流方式啟動運行。

所述的磁鐵礦填料的改性是將粒徑0.5～1cm的磁鐵礦用水洗，直到上清液澄清，然后用水浸泡20～35min，再用40kHz超聲30-60min，再加入鹽酸至pH為3，然后浸泡20-30min，最后用水沖洗至pH＝7中性，120℃烘干，得到改性磁鐵礦填料；

所述的沸石填料的改性是將粒徑0.5-1cm的沸石填料用水清洗，然后采用40kHz超聲30-60min，加入鹽酸中浸泡20-35min后用水沖洗至pH＝7中性，再加入質量分數10％的NaOH溶液浸泡30min，pH調整至12以上，浸泡沸石填料12h，最后用水沖洗至中性pH＝7，120℃烘干，得到改性沸石填料。

所述的反應裝置采用連續流方式啟動運行，其具體步驟為：

反應裝置分為兩個階段，第一階段為去除氨氮階段，第二階段為總氮、氨氮同步去除的自養脫氮穩定運行階段；

第一階段培養進水為模擬污水，要求SS不超過100mg/L，起始進水氨氮不超過100mg/L、COD濃度不超過50mg/L，裝置水力停留時間為5-7天，預曝氣區曝氣使出水溶解氧濃度控制為2-3mg/L，當出水氨氮去除率穩定到60～70％，提升進水氨氮到100-200mg/L，當出水氨氮去除率穩定到60-70％，進入第二階段；

第二階段進水為模擬污水與實際污水按體積比1：1混合，要求SS不超過100mg/L，氨氮、COD濃度分別不超過100mg/L、pH7.5以上，裝置水力停留時間為3天，預曝氣區曝氣使出水溶解氧濃度控制為0.5mg/L以下，當氨氮去除率為80％以上、總氮去除率60％以上，進入穩定運行期，完成反應裝置的啟動；

所述的模擬污水每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，pH7.0-7.5，余量為水。

預曝氣區功能在于預氧化，控制進水溶解氧；進水區則是通過沉淀去除水體懸浮物并截留大分子污染物，根據進水懸浮物濃度與原水情況，每隔1-3個月清洗。第二格為改性沸石填料區，主要吸附氨氮與陽離子，富集以氨氧化為主的自養脫氮微生物群；第三格為改性磁鐵礦填料區，富集以厭氧氨氧化為主的自養脫氮微生物群，主要負責缺氧條件下氨氧化與部分的總氮去除。

本發明能通過簡單的培養活污泥后，利用填料特性會加快自養脫氮污泥的形成，更進一步可選擇塑造不同類型的脫氮污泥，如形成以氨氧化微生物占優的自養脫氮微生物群，高效完成氨氮轉化為亞硝酸鹽的工作，以及形成以厭氧氨氧化微生物占優的自養脫氮微生物群，高效完成總氮去除的工作，因此，本發明根據其選擇特性設計相應填料與反應裝置，定向分段選擇自養脫氮微生物，使其在不同的功能填料上進行較高效附著效率，提高其活性，即對氨氧化微生物與厭氧氨氧化微生物進行選擇性富集與分離，從而能在微氧條件下去除自然水體、市政污水中的氨氮與總氮污染。

附圖說明：

圖1是本發明的反應裝置的結構圖；

其中1、預曝氣區；2、進水區；3、改性沸石填料區；4、改性磁鐵礦填料區；5、出水沉淀區；6、進水口；7、出水口；8、預曝氣裝置；

圖2是高通量測序改性磁鐵礦填料區、改性沸石填料區氨氧化微生物相對豐度(相對數量比)，a-接種的自養脫氮污泥；ZE-改性沸石填料區；MA-改性磁鐵礦填料區；

圖3是高通量測序改性磁鐵礦填料區、改性沸石填料區氨氧化微生物相對豐度(相對數量比)，a-接種的自養脫氮污泥；ZE-改性沸石填料區；MA-改性磁鐵礦填料區；

圖4是在不同填料富集段的氨氧化活性，a-接種的自養脫氮污泥；ZE-改性沸石填料區；MA-改性磁鐵礦填料區。

具體實施方式：

以下實施例是對本發明的進一步說明，而不是對本發明的限制。

實施例1：

磁鐵礦填料選擇粒徑0.5cm的磁鐵礦，填料使用自來水清洗，直到上清液澄清。然后用清水浸泡20min，用低頻40kHz超聲30min，再加入體積比濃鹽酸(質量分數37％)：水＝1：9的鹽酸溶液浸泡30min(調整pH為3)，最后用清水沖洗至pH＝7中性，120℃烘干24h待用，得到改性磁鐵礦填料。

選擇粒徑0.5cm的沸石填料，填料使用自來水清洗，然后采用低頻40kHz超聲30min。加入體積比濃鹽酸(質量分數37％)：水＝1：9的鹽酸溶液浸泡20min后用清水沖洗至pH＝7中性。再加入質量分數10％濃度的NaOH浸泡30min，pH調整至12，浸泡沸石填料12h。最后用清水沖洗至中性(pH＝7)，120℃烘干24h待用，得到改性沸石填料。

取1000ml的城市污水廠的活性污泥混合液，其VSS(污水中懸浮物經高溫575℃煅燒后，揮發掉的有機物的濃度)濃度2mg/L。經過隔除雜質和沉淀后，傾倒上清液并加入等體積的M0培養液，連續曝氣與攪拌，控制溶解氧為2-3mg/L，每隔3天測定上清液氨氮濃度。當氨氮降解效率達到92％，亞硝酸鹽累積率達到50％以上，再更換等體積M0培養液，連續曝氣與攪拌，控制溶解氧為2-3mg/L，培養2周，測定上清液氨氮濃度。當氨氮降解效率達到95％以上，亞硝酸鹽累積率達到80％，獲得污泥A；將一半污泥A轉移至另外一個容器，控制曝氣，使其溶解氧為1mg/L，每隔3天測定上清液氨氮濃度，氨氮降解效率達到70-80％，亞硝酸鹽降解率為100％，更換等體積M1培養液，控制曝氣，使其溶解氧為1mg/L，重復培養3-4周后，每隔3天測定上清液氨氮、亞硝酸鹽濃度。當氨氮降解效率達到92％，亞硝酸鹽累積消失，獲得污泥B(自養脫氮污泥)。

如圖1所示，本實施例的反應裝置包括前后順序相連通的預曝氣區1、進水區2、改性沸石填料區3、改性磁鐵礦填料區4和出水沉淀區5，所述的預曝氣區的前端設有進水口6，所述的出水沉淀區的尾端設有出水口7，在預曝氣區中裝有預曝氣裝置8，所述的改性沸石填料區裝有改性沸石填料，所述的改性磁鐵礦填料區裝有改性磁鐵礦填料，水由進水口6進，流經預曝氣區1、進水區2、改性沸石填料區3、改性磁鐵礦填料區4和出水沉淀區5，從出水口7流出。

將污泥B接種到反應裝置中的改性沸石填料和改性磁鐵礦填料上，然后進行掛膜，再反應裝置采用連續流方式啟動運行：

第一階段培養進水為模擬污水，進水SS(固體懸浮物濃度)少于100mg/L，起始進水氨氮為50mg/L、COD濃度不超過50mg/L，裝置水力停留時間為5天，常溫，前端預曝氣區1的預曝氣裝置8輔助曝氣使出水溶解氧濃度控制為3mg/L。當出水氨氮去除率穩定到60-70％，提升進水氨氮到100mg/L，當出水氨氮去除率穩定到70％，再提高進水氨氮至200mg/L，進入第二階段。

第二階段進水是模擬污水與實際污水按照體積比1：1的混合液，其SS小于100mg/L，氨氮、COD濃度分別為100mg/L、70mg/L，pH為7.5。裝置水力停留時間縮短為3天，常溫，輔助曝氣使出水溶解氧濃度控制為0.5mg/L以下。測定第三周后氨氮去除率為80％以上、總氮去除率60％以上，進入穩定運行期。

所述的模擬污水每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，pH7.0-7.5，余量為自來水，其配制方法將其組份按其含量混合均勻即可。

所述的M0培養液每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，余量為水，其配制方法是將NH₄Cl 0.1g、NaHCO₃ 0.2g加入到水中，用NaHCO₃溶液調pH值至7.0，然后定容1L。

所述的M1培養液每升含有：NH₄Cl 0.5g，NaNO₂ 0.5g，NaHCO₃ 0.5g，余量為水，其配制方法是將NH₄Cl 0.5g，NaNO₂ 0.5g，NaHCO₃ 0.5g加入到水中，用NaHCO₃溶液調pH值至7.5，然后定容1L。

以改性磁鐵礦填料區和改性沸石填料區不填充改性磁鐵礦填料和改性沸石填料，只裝填自養脫氮污泥作為對照。

經過1個月培養后，圖2和圖3通過高通量分析顯示，改性磁鐵礦填料區(裝填有改性磁鐵礦填料，下同)平均累積的好氧氨氧化微生物的量遠比接種自養脫氮污泥為高，達到10％，與接種自養脫氮污泥比高出50％以上，另一方面從厭氧氨氧化微生物的相對豐度看到改性磁鐵礦填料區累積的數量最多，平均達到10％，而改性沸石填料區(裝填有改性沸石填料，下同)則為0.08％，均比接種污泥高出50％。通過氨氧化活性試驗對比看出(圖4)，改性磁鐵礦填料區氨氧化活性最強，平均達到2mgN*h-1prtein*g-1(單位為：毫克氮/每毫克蛋白每小時每克填料)，而改性沸石填料區為1.48mgN*h-1prtein*g-1，接種的污泥僅有50％的活性；硝化活性則在沸石段最強，磁鐵礦最弱，顯示不同材料對微生物的組成與活性造成了定向選擇。

實施例2：

磁鐵礦填料選擇粒徑1cm的磁鐵礦，填料使用自來水清洗，直到上清液澄清。然后用清水浸泡35min，用低頻40kHz超聲60min，再加入體積比濃鹽酸(質量分數37％)：水＝1：9的鹽酸溶液浸泡20min(調整pH為3)，最后用清水沖洗至pH＝7中性，120℃烘干24h待用，得到改性磁鐵礦填料。

選擇粒徑1cm的沸石填料，填料使用自來水清洗，然后采用低頻40kHz超聲60min。加入體積比濃鹽酸(質量分數37％)：水＝1：9的鹽酸溶液浸泡35min后用清水沖洗至pH＝7中性。再加入質量分數10％濃度的NaOH浸泡30min，pH調整至12，浸泡沸石填料12h。最后用清水沖洗至中性(pH＝7)，120℃烘干48h待用，得到改性沸石填料。

取2000ml的城市污水廠活性污泥混合液，其VSS(污水中懸浮物經高溫575℃煅燒后，揮發掉的有機物的濃度)濃度1.5mg/L。經過隔除雜質和沉淀后，傾倒上清液并加入等體積M0培養液，連續曝氣與攪拌，控制溶解氧為2mg/L，每隔4天測定上清液氨氮濃度。當氨氮降解效率達到91％，亞硝酸鹽累積率達到66％，再更換等體積M0培養液，連續曝氣與攪拌，控制溶解氧為2mg/L，培養2周，測定上清液氨氮濃度。當氨氮降解效率達到95％以上，亞硝酸鹽累積率達到80％，獲得污泥A；將一半污泥A轉移至另外一個容器，控制曝氣，使其溶解氧為0.5mg/L，每隔3天測定上清液氨氮濃度，氨氮降解效率達到70-80％，亞硝酸鹽降解率為100％，更換等體積M1培養液，控制曝氣，使其溶解氧為0.5mg/L，重復培養3-4周后，每隔3天測定上清液氨氮、亞硝酸鹽濃度。當氨氮降解效率達到92％，亞硝酸鹽累積消失，獲得污泥B(自養脫氮污泥)。

所述的模擬污水每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，pH7.0-7.5，余量為自來水，其配制方法將其組份按其含量混合均勻即可。

所述的M0培養液每升含有：NH₄Cl 0.1g，NaHCO₃ 0.2g，余量為水，其配制方法是將NH₄Cl 0.1g、NaHCO₃ 0.2g加入到水中，用NaHCO₃溶液調pH值至7.0，然后定容1L。

所述的M1培養液每升含有：NH₄Cl 0.5g，NaNO₂ 0.5g，NaHCO₃ 0.5g，余量為水，其配制方法是將NH₄Cl 0.5g，NaNO₂ 0.5g，NaHCO₃ 0.5g加入到水中，用NaHCO₃溶液調pH值至7.5，然后定容1L。

如圖1所示，本實施例的反應裝置包括前后順序相連通的預曝氣區1、進水區2、改性沸石填料區3、改性磁鐵礦填料區4和出水沉淀區5，所述的預曝氣區的前端設有進水口6，所述的出水沉淀區的尾端設有出水口7，在預曝氣區中裝有預曝氣裝置8，所述的改性沸石填料區裝有改性沸石填料，所述的改性磁鐵礦填料區裝有改性磁鐵礦填料，水由進水口6進，流經預曝氣區1、進水區2、改性沸石填料區3、改性磁鐵礦填料區4和出水沉淀區5，從出水口7流出。

將污泥B接種到反應裝置中的改性沸石填料和改性磁鐵礦填料上，然后進行掛膜，再反應裝置采用連續流方式啟動運行：

第一階段培養進水為模擬污水，進水SS少于100mg/L，起始進水氨氮、COD為50mg/L，裝置水力停留時間為7天，預曝氣區輔助曝氣使出水溶解氧濃度控制為2mg/L。當出水氨氮去除率穩定到70％，提升進水氨氮到100mg/L，當出水氨氮去除率穩定到80％，再提高進水氨氮至150mg/L，當出水氨氮去除率穩定到60-70％時候，進入第二階段；

第二階段進水為模擬污水與實際污水按體積比1：1混合的混合液，控制SS小于100mg/L，氨氮、COD濃度分別為100mg/L、50mg/L，pH為7.8。裝置水力停留時間縮短為5天，常溫，輔助曝氣使出水溶解氧濃度控制為0.5mg/L以下。測定第三周后氨氮去除率為80％以上、總氮去除率60％以上，進入穩定運行期。