一种利用亚硝酸盐快速培养发酵型反硝化聚磷菌的方法

1.本发明涉及一种利用亚硝酸盐快速培养发酵型反硝化聚磷菌的方法，属于污水生物处理技术领域，为快速实现低c/n城市生活污水同步脱氮除磷提供了一种可行的技术方法。


背景技术：

2.目前污水厂面临的主要问题是碳源不足导致氮磷去除率低，因此寻找一种对碳源需求低且能够高效稳定去除污水中氮和磷的方法十分重要。
3.反硝化除磷技术是以反硝化聚磷菌主导的同步脱氮除磷过程，其利用有限的碳源同时实现反硝化和生物除磷，即“一碳两用”；这在一定程度上减少了对碳源的需求。除此之外，反硝化除磷工艺还具有减少曝气需求以及剩余污泥产量的特点，因此反硝化除磷技术是一种非常具有实际应用价值的工艺，也是目前生物脱氮除磷研究领域的重点。但在实际应用中反硝化除磷工艺也存在一定的问题，比如相较于好氧除磷过程，反硝化除磷速率较低，除磷量少，反硝化聚磷菌难以富集，长期运行后系统溶于失稳而导致脱氮除磷率低等。因此，如何快速富集一种反硝化聚磷菌并能维持系统稳定且高效运行是目前亟待解决的问题。
4.目前应用较多的反硝化聚磷菌多以挥发性脂肪酸vfas作为碳源，而实际污水中的挥发性脂肪酸vfas的含量较少，因此大多需要额外投加碳源，进而增加了运行成本。tetrasphaera是近些年被广泛关注的一种发酵型聚磷菌，其可利用水中含量丰富的大分子有机物(如氨基酸、葡萄糖)进行发酵和生物除磷，通过其自身的发酵性能将大分子有机物水解为氨基酸葡萄糖等供给自身生长代谢，因此对发酵型聚磷菌的广泛应用可有效缓解生活污水中碳源不足的问题。此外，传统的反硝化聚磷菌由于只能依赖挥发性脂肪酸vfas作为碳源而导致在实际应用中常出现性能不稳定的现象，但发酵型反硝化聚磷菌则由于其对碳源的广泛利用性而能更好的适应实际污水中的复杂环境，因此在实际污水处理中应用发酵型反硝化聚磷菌实现同步脱氮除磷十分有意义。
5.针对以上内容，本研究旨在开发一种利用亚硝酸盐快速培养发酵型反硝化聚磷菌的方法，并能够长期稳定维持系统的高效脱氮除磷性能。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提出一种利用亚硝酸盐快速培养发酵型反硝化聚磷菌的方法，并长期稳定维持高效脱氮除磷，从而为低c/n的实际生活污水实现同步脱氮除磷提供了可能。本方法以人工合成的蛋白质水解物酪蛋白胨模拟实际污水或剩余污泥的大分子有机物作为碳源，同时采用不同进水亚硝酸盐浓度的方式实现对反硝化除磷性能的快速驯化，为今后污水厂快速实现同步脱氮除磷并长期稳定维持高脱氮除磷率奠定基础。不同于传统反硝化除磷菌的培养方法之处在于该方法通过投加亚硝酸盐而使得培养时间短且更加稳定，此外该方法实现了一种可利用水中大分子有机物作为碳源的发酵型聚磷菌的富集与驯化，缓
解了碳源不足的难题；因此该方法具有广泛的应用前景。
7.本发明的技术原理如下：以酪蛋白胨模拟实际生活污水或剩余污泥的大分子有机物中作为碳源，发酵型反硝化聚磷菌在厌氧段可直接利用酪蛋白胨(包括氨基酸和多肽)作为碳源，将其转化为胞内氨基酸作为内碳源并伴随着磷酸盐的释放；之后在缺氧段以亚硝酸盐为电子受体，胞内氨基酸作为电子供体实现对磷酸盐和亚硝酸盐的同步去除。
8.本发明的目的是通过以下技术方案解决的：一种利用亚硝酸盐快速培养发酵型反硝化聚磷菌的方法，其特征在于，具体步骤如下：
9.(1)配制模拟废水，具体水质组成为：以cod计浓度为200～300mg/l的蛋白质水解物酪蛋白胨，25～60mg/l的kh2po4，50～80mg/l的mgso4·
7h2o，20～40mg/l的cacl2·
2h2o，每升模拟废水中加入0.6ml的微量元素溶液；微量元素溶液的组成为：1.5g/l的fecl3·
6h2o，0.15g/l的h3bo3，0.03g/l的cuso4·
5h2o，0.18g/l的ki，0.12g/l的mncl2·
4h2o，0.06g/l的na2moo4·
2h2o,0.12g/l的znso4·
7h2o，0.15g/l的cocl2·
6h2o和10g/l的edta；
10.(2)以城市生活污水处理厂二沉池活性污泥为接种污泥富集培养发酵型反硝化聚磷菌，将接种污泥置于序批式反应器ⅰ中，之后加入配制的模拟废水，控制反应器中污泥浓度3000～4000mg/l；反应期间控制温度为20～25℃，ph值控制为7.0～7.5，排水比为50％；
11.(3)序批式反应器ⅰ按照厌氧/好氧模式每天运行2或3个周期，每个周期包括进模拟废水7～10min、厌氧搅拌2～3h、好氧曝气3～4h、沉淀40～50min排出上清液后进入下一个周期，好氧曝气阶段控制溶解氧浓度为3～4mg/l；
12.(4)发酵型聚磷菌在富集培养阶段定期排泥，污泥龄控制在15～20天；在富集培养的30天内控制进水磷酸盐浓度为20～30mg/l，之后在31～70天控制进水磷酸盐浓度为12～18mg/l，在经过连续运行60天以上脱氮除磷性能稳定且出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级a标准gb 18918-2002，指示发酵型聚磷菌富集培养完成；
13.(5)发酵型聚磷菌富集培养完成后进入发酵型反硝化聚磷菌的驯化阶段，首先从序批式反应器ⅰ中取富集培养的发酵型聚磷菌污泥置于序批式反应器ⅱ中，然后加入配制的模拟废水，初始接种污泥浓度为2000～3000mg/l；反应期间控制温度为20～25℃，ph值控制为7.0～7.5，排水比为50％；
14.(6)序批式反应器ⅱ按照厌氧/缺氧/好氧模式每天运行1或2个周期，每个周期包括进模拟废水7～10min，厌氧搅拌4～5h，之后投加nano2并控制反应器内亚硝酸盐氮浓度为10～20mg/l，缺氧搅拌3～4h以及好氧曝气1～2h，好氧阶段溶解氧浓度控制为1～2mg/l，最后沉淀40～50min排出上清液后进入下一个周期；
15.(7)发酵型反硝化聚磷菌在驯化过程中不排泥；在厌氧/缺氧/好氧运行模式下连续驯化10～15天后，序批式反应器出水指标稳定维持为亚硝酸盐氮浓度低于1mg/l，磷酸盐浓度低于0.5mg/l，指示发酵型反硝化聚磷菌驯化完成。
16.本发明具有以下优势和创新：
17.1)先采用厌氧/好氧模式实现富集之后更换为厌氧/缺氧/好氧模式进行驯化有利于反硝化聚磷菌的快速培养，该培养方法过程简单，培养时间短，经济成本低。
18.2)通过投加亚硝酸盐构建的反硝化除磷系统，有利于发酵型反硝化聚磷菌的快速驯化培养；
19.3)通过投加亚硝酸盐构建的反硝化除磷系统可以有效的抑制聚糖菌的活性，进而
保证了反硝化除磷系统的稳定运行。
20.4)以模拟实际生活污水/剩余污泥中常见的大分子有机物酪蛋白胨为唯一碳源对反硝化聚磷菌进行培养，有助于其更好的适应实际生活污水的水质，并能够稳定的实现实际生活污水中氮磷的同步去除；
21.5)不同于传统反硝化聚磷菌，发酵型反硝化聚磷菌可以利用大分子有机物(氨基酸、葡萄糖等)，有助于缓解实际生活污水中挥发性脂肪酸碳源vfas不足的问题。
22.综上所述，本发明提出一种利用亚硝酸盐快速培养发酵型反硝化聚磷菌不仅用时短系统更加稳定，而且还可以直接利用生活污水中含量较高的大分子有机物实现同步脱氮除磷，并满足实际污水厂对氮和磷的去除要求；此外还具有节能降耗以及减少运行成本的优点。
附图说明
23.图1为本发明利用亚硝酸盐快速培养发酵型反硝化聚磷菌的方法的序批式反应器结构示意图。
24.图2为实施例中以厌氧/好氧运行模式对发酵型聚磷菌富集培养过程的实验结果数据图。
25.图3为实施例1中以厌氧/缺氧/好氧运行模式对发酵型聚磷菌反硝化除磷性能驯化过程的实验结果数据图。
26.图4为实施例2中以厌氧/缺氧/好氧运行模式对发酵型聚磷菌反硝化除磷性能驯化过程的实验结果数据图。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
28.本发明是提出一种利用亚硝酸盐快速培养发酵型反硝化聚磷菌的方法，首先在厌氧/好氧模式下实现对发酵型聚磷的富集培养，之后在厌氧/缺氧/好氧模式下以不同进水亚硝酸盐浓度实现对发酵型聚磷菌的反硝化除磷性能的快速驯化，在经过10～15d驯化后出水氮磷达标且维持稳定。
29.实施例1
30.(1)在有效容积为6l的序批式反应器ⅰ中接种城市生活污水处理厂二沉池活性污泥，接种后按照厌氧/好氧模式每天运行2或3个周期，每个周期包括进模拟废水10min、厌氧搅拌3h、好氧曝气4h、沉淀50min排出上清液后进入下一个周期，好氧曝气阶段控制溶解氧浓度为3～4mg/l。每个运行周期初加入3l的模拟废水，其具体组成为：以cod计浓度为300mg/l的酪蛋白胨，30mg/l的kh2po4，80mg/l的mgso4·
7h2o，20mg/l的cacl2·
2h2o和0.6ml/l的微量元素溶液，反应器中的污泥浓度为4000mg/l。反应器中的温度控制在20
±
5℃，ph值控制在7.0
±
0.5；反应器排水比为50％，污泥停留时间为15d。在运行过程中检测反应器内磷酸盐浓度变化，结果见图2。在富集培养的30天内控制进水磷酸盐浓度为23mg/l，之后在31～70天控制进水磷酸盐浓度为15mg/l，经过连续运行60天以上后除磷性能稳定且
出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级a标准gb 18918-2002，指示序批式反应器ⅰ中完成了发酵型聚磷菌的富集培养。
31.(2)发酵型聚磷菌富集培养完成后进入发酵型反硝化聚磷菌的驯化阶段，首先从序批式反应器ⅰ中取0.25l的污泥经沉淀后去除上清液，利用蒸馏水将污泥清洗3次后加入到有效容积为0.5l序批式反应器ⅱ中。反应器按照厌氧/缺氧/好氧模式每天运行1或2个周期，每个周期包括进水10min，厌氧搅拌5h，投加nano2浓缩液1min控制反应器亚硝酸浓度为10mg/l，缺氧搅拌4h以及好氧曝气2h，好氧曝气阶段控制溶解氧浓度为1～2mg/l，最后沉淀50min排出上清液后进入下一个周期；在每个运行周期初加入0.25l的模拟废水，其具体组成为：以cod计浓度为300mg/l的酪蛋白胨，30mg/l的kh2po4，80mg/l的mgso4·
7h2o，20mg/l的cacl2·
2h2o和0.6ml/l的微量元素溶液。反应器中的初始污泥浓度为2000mg/l，运行过程中不排泥，反应器中的温度控制在20
±
5℃，ph值控制在7.0
±
0.5。在亚硝酸盐投加初及投加结束后检测反应器中磷酸盐、亚硝酸盐浓度变化，结果见图3。在连续以厌氧/缺氧/好氧运行模式运行16天后，出水磷酸盐浓度低于0.5mg/l，亚硝酸盐浓度稳定维持在0mg/l，对应的磷酸盐和亚硝酸盐的去除率分别达到90％以上和100％，指示发酵型反硝化聚磷菌驯化完成。
32.实施例2
33.(1)在有效容积为6l的序批式反应器ⅰ中接种城市生活污水处理厂二沉池活性污泥，接种后按照厌氧/好氧模式每天运行2或3个周期，每个周期包括进模拟废水10min、厌氧搅拌3h、好氧曝气4h、沉淀50min排出上清液后进入下一个周期，好氧曝气阶段控制溶解氧浓度为3～4mg/l。每个运行周期初加入3l的模拟废水，其具体组成为：以cod计浓度为300mg/l的酪蛋白胨，30mg/l的kh2po4，80mg/l的mgso4·
7h2o，20mg/l的cacl2·
2h2o和0.6ml/l的微量元素溶液，反应器中的污泥浓度为4000mg/l。反应器中的温度控制在20
±
5℃，ph值控制在7.0
±
0.5；反应器排水比为50％，污泥停留时间为15天。在运行过程中检测反应器内磷酸盐浓度变化，结果见图2。在富集培养的30天内控制进水磷酸盐浓度为23mg/l，之后在31～70天控制进水磷酸盐浓度为15mg/l，在经过连续运行60天以上后除磷性能稳定且出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级a标准gb 18918-2002，指示序批式反应器ⅰ中完成了发酵型聚磷菌的富集培养。
34.(2)发酵型聚磷菌富集培养完成后进入发酵型反硝化聚磷菌的驯化阶段，首先从序批式反应器ⅰ中取0.25l的污泥经沉淀后去除上清液，利用蒸馏水将污泥清洗3次后加入到有效容积为0.5l序批式反应器ⅱ中。反应器按照厌氧/缺氧/好氧模式每天运行1或2个周期，每个周期包括进水10min，厌氧搅拌5h，投加nano2浓缩液2min控制反应器亚硝酸浓度为20mg/l，缺氧搅拌4h以及好氧曝气2h，好氧曝气阶段控制溶解氧浓度为1～2mg/l，最后沉淀50min排出上清液后进入下一个周期。在每个运行周期初加入0.25l的模拟废水，其具体组成为：以cod计浓度为300mg/l的酪蛋白胨，30mg/l的kh2po4，80mg/l的mgso4·
7h2o，20mg/l的cacl2·
2h2o和0.6ml/l的微量元素溶液。反应器中的初始污泥浓度为2000mg/l，运行过程中不排泥，反应器中的温度控制在20
±
5℃，ph值控制在7.0
±
0.5。在亚硝酸盐投加初及投加结束后检测反应器中磷酸盐、亚硝酸盐的浓度变化，结果见图4。在连续以厌氧/缺氧/好氧运行模式运行10天后，出水磷酸盐浓度低于0.2mg/l，亚硝酸盐浓度稳定低于1.0mg/l，对应的磷酸盐和亚硝酸盐的去除率分别达到95％和95％以上，指示发酵型反硝化聚磷菌驯化
完成。相较于实例1磷酸盐去除率提高了5％，亚硝酸盐去除率下降了5％，而且驯化时间更短。
35.以上结果表明在进水cod为100～150mg/l条件下可以去除20mg/l亚硝酸以及15mg/l的磷酸盐，表明本发明驯化培养的发酵型反硝化聚磷菌具有良好的实际应用价值。此外，相较于传统型反硝化聚磷菌，本发明所驯化培养的发酵型反硝化聚磷菌由于其可利用大分子有机物而更适用于低c/n的城市生活污水，且本发明以亚硝酸盐为电子受体进行驯化用时短且性能也更加稳定，可以长期稳定维持高效脱氮除磷效率。
36.需要说明的是，以上所诉仅为本发明实施方式的一部分，依据本发明所描述的关于系统参数的简单改进均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种利用亚硝酸盐快速培养发酵型反硝化聚磷菌的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)配制模拟废水，具体水质组成为：以cod计浓度为200～300mg/l的蛋白质水解物酪蛋白胨，25～60mg/l的kh2po4，50～80mg/l的mgso4·
7h2o，20～40mg/l的cacl2·
2h2o，每升模拟废水中加入0.6ml的微量元素溶液；微量元素溶液的组成为：1.5g/l的fecl3·
6h2o，0.15g/l的h3bo3，0.03g/l的cuso4·
5h2o，0.18g/l的ki，0.12g/l的mncl2·
4h2o，0.06g/l的na2moo4·
2h2o,0.12g/l的znso4·
7h2o，0.15g/l的cocl2·
6h2o和10g/l的edta；(2)以城市生活污水处理厂二沉池活性污泥为接种污泥富集培养发酵型反硝化聚磷菌，将接种污泥置于序批式反应器ⅰ中，之后加入配制的模拟废水，控制反应器中污泥浓度3000～4000mg/l；反应期间控制温度为20～25℃，ph值控制为7.0～7.5，排水比为50％；(3)序批式反应器ⅰ按照厌氧/好氧模式每天运行2或3个周期，每个周期包括进模拟废水7～10min、厌氧搅拌2～3h、好氧曝气3～4h、沉淀40～50min排出上清液后进入下一个周期，好氧曝气阶段控制溶解氧浓度为3～4mg/l；(4)发酵型聚磷菌在富集培养阶段定期排泥，污泥龄控制在15～20天；在富集培养的30天内控制进水磷酸盐浓度为20～30mg/l，之后在31～70天控制进水磷酸盐浓度为12～18mg/l，在经过连续运行60天以上后脱氮除磷性能稳定且出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级a标准gb 18918-2002，指示发酵型聚磷菌富集培养完成；(5)发酵型聚磷菌富集培养完成后进入发酵型反硝化聚磷菌的驯化阶段，首先从序批式反应器ⅰ中取富集培养的发酵型聚磷菌污泥置于序批式反应器ⅱ中，然后加入配制的模拟废水，初始接种污泥浓度为2000～3000mg/l；反应期间控制温度为20～25℃，ph值控制为7.0～7.5，排水比为50％；(6)序批式反应器ⅱ按照厌氧/缺氧/好氧模式每天运行1或2个周期，每个周期包括进模拟废水7～10min，厌氧搅拌4～5h，之后投加nano2并控制反应器内亚硝酸盐氮浓度为10～20mg/l，缺氧搅拌3～4h以及好氧曝气1～2h，好氧阶段溶解氧浓度控制为1～2mg/l，最后沉淀40～50min排出上清液后进入下一个周期；(7)发酵型反硝化聚磷菌在驯化过程中不排泥；在厌氧/缺氧/好氧运行模式下连续驯化10～15天后，序批式反应器出水指标稳定维持为亚硝酸盐氮浓度低于1mg/l，磷酸盐浓度低于0.5mg/l，指示发酵型反硝化聚磷菌驯化完成。

技术总结
本发明公开了一种利用亚硝酸盐快速培养发酵型反硝化聚磷菌的方法。该方法以酪蛋白胨模拟生活污水/剩余污泥中的大分子有机物作为唯一碳源。首先在第一阶段，经过厌氧/好氧模式连续运行60天以上后出水磷酸盐浓度稳定达到0.5mg/L以下，指示发酵型聚磷菌富集完成。之后在第二阶段取第一阶段反应器中的污泥接种到新的序批式反应器中，增加缺氧段并投加亚硝酸盐氮浓度为10～20mg/L以构建反硝化除磷系统，经过10～15d运行后出水磷酸盐和亚硝酸盐浓度分别小于0.5mg/L和1.0mg/L并能稳定维持，指示发酵型反硝化聚磷菌驯化完成。本发明利用酪蛋白胨作为碳源，通过投加亚硝酸盐快速实现了发酵型反硝化聚磷菌的培养，稳定实现低C/N生活污水高效同步脱氮除磷。污水高效同步脱氮除磷。污水高效同步脱氮除磷。


技术研发人员：曾薇 张佳玉 孟庆安 刘宏军
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/11