公布日：2023.12.12
申請日：2023.09.19
分類號：C02F3/28(2023.01)I;C02F1/28(2023.01)I;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本發明屬于廢水處理領域，具體涉及一種厭氧氨氧化系統的廢水處理方法。顆粒活性碳介導可以強化厭氧氨氧化在低基質環境中的適應性和恢復能力。持續暴露在極端條件下厭氧氨氧化會引發減活、凋亡和代謝異常等狀態，這些負面影響在含有顆粒活性碳的反應器中是減輕的。反硝化與異化硝酸鹽還原氨也同步出現良性發展。表明顆粒活性碳似乎擴大了完全氨氧化在工程系統中的生態位，而不是通常假設的寡營養環境。厭氧氨氧化菌群在顆粒活性碳表面微環境上衍生出更錯綜的代謝網絡與更激烈的代謝活動，為將顆粒活性碳引入厭氧氨氧化以應對實際污水底物匱乏的復雜生態的可行性提供了理論依據。
權利要求書
1.一種厭氧氨氧化系統的廢水處理方法，其特征在于，包括如下步驟：S11：向全混合厭氧反應器中加入顆粒活性碳和接種的厭氧氨氧化污泥；所述接種的厭氧氨氧化污泥包含厭氧氨氧化菌；所述顆粒活性碳占全混合厭氧反應器體積的20-30％；S12：向所述全混合厭氧反應器中通入廢水后進行持續低基質階段反應；所述持續低基質階段反應時，氨氮與亞硝態氮的濃度均為8-12mgN/L；S13：將所述全混合厭氧反應器進行解除饑餓脅迫階段反應，得到處理廢水；所述解除饑餓脅迫階段反應時，氨氮與亞硝態氮的濃度均為78-82mgN/L。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S11中，接種的厭氧氨氧化污泥加入前用水沖洗3次，去除雜質和懸浮物。
3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述全混合厭氧反應器由聚甲基丙烯酸甲酯制備得到。
4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，全混合厭氧反應器采用遮光塑料膜遮罩避光，溫度為33-37℃。
5.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S12中，廢水的pH為6.5-7.5，所述廢水包含鉀鹽、鈣鹽、鎂鹽、微量元素I和微量元素II；所述微量元素I包含FeSO4和乙二胺四乙酸，所述微量元素II包含鋅鹽、錳鹽、鎳鹽、鈷鹽、銅鹽、硼酸、鉬酸鈉、硒酸鈉和乙二胺四乙酸。
6.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S12中，全混合厭氧反應器中混合液揮發性懸浮固體濃度為20-20.3g/L。
7.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S12中，通入廢水后進行攪拌，攪拌的速度為50-70r/min。
8.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S12中，通入廢水后水力停留時間保持10-14h。
9.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S12中，持續低基質階段反應的時間為55-65天。
10.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S13中，解除饑餓脅迫階段反應的時間為55-65天。
發明內容
顆粒活性碳是厭氧氨氧化生物量定殖的良好載體，但人們對顆粒活性炭對暴露于極端饑餓壓力下的厭氧氨氧化的影響仍然知之甚少。
為此，本發明構建了極低氮強度的不利生境，以顆粒活性炭為對照，在長達60天的饑餓抑制后，梯度恢復基質供應。本發明研究的重點聚焦在顆粒活性炭介導的厭氧氨氧化系統在饑餓脅迫下的自我守衛以及解除脅迫后的快速恢復，以微生物群落的恢復及動態演替、關鍵代謝行為的強化為靶向。所揭示的顆粒活性炭介導的厭氧氨氧化系統抵抗極低基質的惡劣環境的潛在代謝機制，有望為厭氧氨氧化應對實際污水的饑餓工況提供原理性依據以及技術性方案。
為了解決上述存在的技術問題，本申請提供如下技術方案：
本發明提供一種厭氧氨氧化系統的廢水處理方法，包括如下步驟：
S11：向完全混合式厭氧(CSTR)反應器中加入顆粒活性碳和接種的厭氧氨氧化污泥；所述接種的厭氧氨氧化污泥包含厭氧氨氧化菌；所述顆粒活性碳占完全混合式厭氧反應器體積的20-30％；
S12：向所述完全混合式厭氧反應器中通入廢水后進行持續低基質階段反應；所述持續低基質階段反應時，氨氮(NH4+-N)與亞硝態氮(NO2--N)的濃度均為8-12mgN/L；
S13：將所述完全混合式厭氧反應器進行解除饑餓脅迫階段反應，得到處理廢水；所述解除饑餓脅迫階段反應時，氨氮與亞硝態氮的濃度均為78-82mgN/L。
優選的，所述步驟S11中，接種的厭氧氨氧化污泥加入前用水沖洗3次，去除雜質和懸浮物。
優選的，所述完全混合式厭氧反應器由聚甲基丙烯酸甲酯制備得到。
優選的，完全混合式厭氧反應器采用遮光塑料膜遮罩避光，溫度為33-37℃。
優選的，所述步驟S12中，廢水的pH為6.5-7.5，所述廢水包含鉀鹽、鈣鹽、鎂鹽、微量元素I和微量元素II；所述微量元素I包含FeSO4和乙二胺四乙酸(EDTA)，所述微量元素II包含鋅鹽、錳鹽、鎳鹽、鈷鹽、銅鹽、硼酸(H3BO4)、鉬酸鈉(NaMoO4)、硒酸鈉(NaSeO4)和乙二胺四乙酸(EDTA)。
優選的，所述步驟S12中，完全混合式厭氧反應器中混合液揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)為20-20.3g/L。
優選的，所述步驟S12中，通入廢水后進行攪拌，攪拌的速度為50-70r/min。
優選的，所述步驟S12中，通入廢水后水力停留時間(HRT)保持10-14h。
優選的，所述步驟S12中，持續低基質階段反應的時間為55-65天。
優選的，所述步驟S13中，解除饑餓脅迫階段反應的時間為55-65天。
本發明建立了兩個有/無顆粒活性炭的完全混合式饑餓厭氧反應器，以研究顆粒活性炭對厭氧氨氧化系統性能、微生物動態和代謝特征的長期影響。結果表明，顆粒活性炭對厭氧氨氧化的長期饑餓壓力(氨氮和亞硝態氮均為10mg-N/L，持續60天)具有緩沖能力。與不使用顆粒活性炭的反應器(27天)相比，使用顆粒活性炭的反應器的性能恢復滯后期(6天)更短；同時，在運行120天后，顆粒活性炭介導的厭氧反應器的總脫氮效率(84.9％)明顯高于不使用顆粒活性炭的反應器的43.2％。微生物群落分析表明，顆粒活性炭介導的反應器中優勢厭氧菌CandidatusBrocadia的豐度(2.77％)在恢復期后比非顆粒活性炭反應器中的豐度(1.04％)增加得更明顯。完全氨氧化(comammox)硝化螺旋菌(comammoxNitrospira)在非顆粒活性炭厭氧生物反應器中占主導地位，并在饑餓條件下表現出“規模效應”；這是厭氧系統恢復過程中的一個中途現象，饑餓的厭氧菌在與完全氨氧化的底物競爭中處于弱勢。
在顆粒活性炭介導的厭氧系統中，由于顆粒活性炭加速了恢復過程，完全氨氧化的豐度大大降低。代謝功能分析顯示，顆粒活性炭在饑餓過程中增強了氨基酸代謝和糖核苷酸生物合成相關基因的表達，從而產生了更多具有氧化還原特性的胞外高分子物質來包裹和保護厭氧氨氧化微生物群以抵御饑餓，這可能進一步加強了顆粒活性炭在厭氧氨氧化系統中對胞外電子傳遞的調控作用。同時顆粒活性炭還能促進微生物交叉進食，進一步增強細菌的新陳代謝，這表明顆粒活性炭在為厭氧氨氧化復合菌群觸發更多樣化的新陳代謝網絡方面具有卓越的潛力。這項發明表現了顆粒活性炭介導的氨氧化系統在不利的饑餓生境中的微生物和代謝機制，有利于將氨氧化技術廣泛應用于低底質廢水的市政處理。
本發明的技術方案相比現有技術具有以下優點：
顆粒活性炭介導可以強化厭氧氨氧化在低基質環境中的適應性和恢復能力。持續暴露在極端條件下(10mgN/L的氨氮和亞硝態氮)厭氧氨氧化會引發減活、凋亡和代謝異常等狀態，這些負面影響在含有顆粒活性炭的反應器中是減輕的。氮負荷率梯度上升期間，顆粒活性炭介導的厭氧氨氧化表現出更加穩健的復原勢頭，在第120天恢復脫氮效率至84.9％，CandidatusBrocadia成為占主導份額的厭氧氨氧化菌。顆粒活性炭介導的厭氧氨氧化菌群中的反硝化與異化硝酸鹽還原氨也同步出現良性發展。意外的發現顆粒活性炭能夠選擇性促進完全氨氧化Nitrospira代謝同時抑制典型Nitrospira。表明顆粒活性炭似乎擴大了完全氨氧化菌在工程系統中的生態位，而不是通常假設的寡營養環境。厭氧氨氧化菌屬在顆粒活性炭表面微環境上衍生出更錯綜的代謝網絡與更激烈的代謝活動，為將顆粒活性炭引入厭氧氨氧化系統以應對實際污水底物匱乏的復雜生態的可行性提供了理論依據。
（發明人：張曉秾;周力;吳鵬;宋小康;陰方芳）
