硝酸盐型反硝化菌共生代谢强化厌氧氨氧化菌自富集的方法

本发明涉及一种硝酸盐型反硝化菌共生代谢强化厌氧氨氧化菌自富集的方法，属于污水生物处理领域。适用于在活性污泥系统中自富集厌氧氨氧化菌，以实现城市污水的深度脱氮，具有节能降耗的特点。

背景技术：

1、当前，随着城市人口的持续增长和城市化进程的加速推进，城市污水的产生量也在不断增加。此外，目前在全球范围内，城市化进程中大量淡水资源也在减少，通过污水处理可以回收再利用一部分水资源，因此城市污水处理必要而迫切。在城市污水中，氮是主要的污染因素，脱氮是城市污水处理的重点。相较于物理化学法，生物脱氮成本低、耗能少且不易产生二次污染，同时基于当前双碳的大背景，污水生物脱氮是城市污水处理的唯一选择。

2、对于生物脱氮来说，厌氧氨氧化技术因其因其高效、低能耗而成为当前最具潜力的污水脱氮工艺。在厌氧条件下厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐作为电子受体将氨氮直接氧化为氮气,可同时去除亚硝态氮、氨氮，具有无需曝气、无需外加有机碳源、剩余污泥产量少以及不产生二次污染等优点，对处理含高氨氮废水尤其是低碳氮比废水具有重大的潜在实际应用价值。然而厌氧氨氧化技术并未实现主流化应用，限制其应用的因素主要有两点，一是城市污水中缺乏稳定的基质亚硝酸盐氮来源，二是厌氧氨氧化菌生长缓慢，世代周期长，难以富集，当前的小试中厌氧氨氧化技术主要通过接种培养好的厌氧氨氧化污泥实现，然而在实际规模化应用中种泥周期长需泥量极大，接种难以实现。

3、为解决以上问题，通过实现活性污泥系统中厌氧氨氧化菌的自富集，形成短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应，不仅可以为其提供稳定的亚硝态氮来源，并且可以摆脱对厌氧氨氧化种泥的依赖性。在该耦合系统中，硝酸盐型反硝化菌和厌氧氨氧化菌共生代谢，保证适量有机物促进厌氧氨氧化菌的生长的同时，防止反硝化菌过度竞争基质与生存空间，从而促进厌氧氨氧化菌自富集；反硝化菌可以将有机物转化为可被厌氧氨氧化菌利用的底物，如乙酸、丙酸等，从而促进厌氧氨氧化菌的生长和繁殖。反硝化菌还可通过降解或合成胞外物质，分泌次级代谢物质与厌氧氨氧化细菌相互作用，进而促进厌氧氨氧化细菌的活性与生长。另外，反硝化菌的生长速率远比厌氧氨氧化菌的生长速率快，在出水中极易被反硝化菌淘洗出系统，通过在该耦合系统后串联颗粒再回收系统将有效持留厌氧氨氧化菌，从而更好地强化厌氧氨氧化菌的自富集，更好地实现深度脱氮。

技术实现思路

1、本发明提出了一种硝酸盐型反硝化菌共生代谢强化厌氧氨氧化菌自富集的方法，具体是将城市污水处理厂的剩余污泥接种至强化厌氧氨氧化菌自富集系统(密闭sbr反应器)中，以乙酸钠为碳源，首先富集硝酸盐型反硝化菌，将硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮，为厌氧氨氧化菌的生长提供充足的底物基质，随后富集厌氧氨氧化菌又可以为硝酸盐型反硝化菌提供生长所需基质硝酸盐氮。通过调节碳氮比以及缺氧搅拌时间等关键因素并串联气液分离系统与水力旋流分离系统联动，回收颗粒污泥返还强化自富集系统持留功能菌，保证硝酸盐型反硝化菌共生代谢刺激强化厌氧氨氧化菌的自富集，从而更好地实现深度脱氮。

2、硝酸盐型反硝化菌共生代谢强化厌氧氨氧化菌自富集的装置，其特征在于：

3、包括进水箱(1)、强化厌氧氨氧化菌自富集系统(2)、出水箱(3)、在线实时控制系统(4)、气液分离系统(5)、水力旋流分离系统(6)。

4、强化厌氧氨氧化菌自富集系统设有第一进水口(2.1)、第一蠕动泵(2.2)、第一时控(2.3)、碳源储存装置(2.4)、碳源进水口(2.5)、第二蠕动泵(2.6)、第二时控(2.7)、搅拌装置(2.8)、第三时控(2.9)、排水口(2.10)、排水阀(2.11)、取样口(2.12)、第一探头插口(2.13)、第二探头插口(2.14)、溢流管(2.15)、回收颗粒入口(2.16)；在线实时控制系统设有显示屏(4.1)、硝酸盐氮监测探头(4.2)、氨氮监测探头(4.3)、溶解氧监测探头(4.4)；气液分离系统(5)设有气液进水口(5.1)、气相出口(5.2)、气体收集瓶(5.3)、气体流量检测计(5.4)、出水口(5.5)；水力旋流分离系统(6)设有u型管(6.1)、第一阀门(6.2)、旋流入口(6.3)、外层旋流器(6.4)、内层旋流器(6.5)、颗粒排出口(6.6)、第二阀门(6.7)、水相出口(6.8)。

5、进水箱(1)通过第一蠕动泵(2.2)与强化厌氧氨氧化菌自富集系统(2)的第一进水口(2.1)相连，该过程由第一时控控制(2.3)；碳源储存装置(2.4)通过第二蠕动泵(2.6)与强化厌氧氨氧化菌自富集系统(2)的碳源进水口(2.5)相连，该过程由第二时控(2.7)控制；搅拌装置(2.8)由在线实时控制系统(4)控制，通过电线相连；硝酸盐氮监测探头(4.2)通过第一探头插口(2.13)与强化厌氧氨氧化菌自富集系统(2)相连；氨氮监测探头(4.3)通过第二探头插口(2.14)与强化厌氧氨氧化菌自富集系统(2)相连；溶解氧监测探头(4.4)通过取样口(2.12)与强化厌氧氨氧化菌自富集系统(2)相连，溶解氧探头用于监测控制溶解氧浓度≤0.1mg/l,以保证缺氧环境。强化厌氧氨氧化菌自富集系统(2)通过排水口(2.10)、气液进水口(5.1)与气液分离系统(5)相连，该过程通过排水阀(2.11)发生，由第三时控(2.9)控制；气液分离系统(5)通过气相出口(5.2)与气体收集瓶(5.3)相连；水力旋流分离系统(6)通过u型管(6.1)与气液分离系统(5)相连，该过程由第一阀门(6.2)控制；水力旋流分离系统(6)通过回收颗粒入口(2.16)与强化厌氧氨氧化菌自富集系统(2)相连，该过程由第二阀门控制(6.7)；水力旋流分离系统(6)通过水相出口(6.8)与出水箱(3)相连。

6、硝酸盐型反硝化菌与厌氧氨氧化菌共生代谢强化厌氧氨氧化菌自富集的方法，其特征在于，包括以下步骤：

7、(1)硝酸盐型反硝化菌的富集：在强化厌氧氨氧化菌自富集系统接种城市污水处理厂剩余污泥，其污泥浓度为3000-6000mg/l，挥发性悬浮固体浓度为2000-4000mg/l；进水箱中硝酸盐氮质量浓度为50-100mg/l，以乙酸钠为外加碳源；强化厌氧氨氧化菌自富集系统运行每一周期包括进水、加碳源、缺氧搅拌、沉淀、排水、闲置过程；进水与加碳源过程后，强化厌氧氨氧化菌富集系统内的碳氮比为2.0-3.5；排水比设置为40-70％；缺氧搅拌时间为2-4h；搅拌转速为80-140r/min；在运行期间通过硝酸盐氮监测探头监测硝酸盐氮浓度，数据实时上传至在线实时控制系统；当缺氧搅拌时间达到4h且硝酸盐氮浓度>10mg/l时，在下一周期开始提高碳氮比；当缺氧搅拌时间为2h且硝酸盐氮浓度<1mg/l时，在下一周期开始降低碳氮比；硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮的转化率≥70％，且出水硝酸盐氮浓度≤3mg/l，稳定维持30天以上，采用16s rrna高通量测序技术对活性污泥种群结构进行检测分析，其中一类反硝化菌的相对丰度达到30％以上时，即认为硝酸盐型反硝化菌的富集成功。

8、(2)厌氧氨氧化菌原位自富集：强化厌氧氨氧化菌自富集系统进水调整为实际城市污水与合成硝酸盐废水，其中硝酸盐氮质量浓度为50-100mg/l，城市污水中氨氮质量浓度为30-80mg/l，调节碳氮比到2.0-2.8；强化厌氧氨氧化菌自富集系统缺氧搅拌时间延长为6-10h；当亚硝酸盐氮去除率大于80％，氨氮去除率大于60％，且出水硝酸盐氮低于5mg/l，进一步通过pcr手段检测到厌氧氨氧化菌功能基因的拷贝数>104时即认为成功实现厌氧氨氧化菌自富集。在强化厌氧氨氧化菌富集系统后设置气液分离系统与水力旋流分离系统联动，对出水中排出的颗粒污泥回收返还至强化自富集系统以持留厌氧氨氧化菌；排水首先进入气液分离系统，根据不同相所受离心力不同，气体向上排出进入收集瓶，通过气体流量计可检测气体生成速率；打开第一阀门，液相通过u型管进入水力旋流分离系统，由于惯性不同，絮体污泥随轻质水相进入内旋流分离器，由上部排出进入出水箱；颗粒污泥进入外旋流分离器，由底部流出，打开第二阀门，使之回收返还到强化厌氧氨氧化自富集系统中。

9、(3)硝酸盐型反硝化菌与厌氧氨氧化菌共生代谢强化厌氧氨氧化菌自富集：此时厌氧氨氧化菌过渡到强化自富集阶段，进水硝酸盐氮质量浓度调整为80-200mg/l，氨氮质量浓度调整为60-120mg/l，碳氮比调节至2.0-2.5，缺氧搅拌时间缩短为3-8h，当氨氮与硝酸盐氮监测探头监测到氨氮浓度≥5mg/l，硝酸盐氮浓度≤1mg/l，于下一周期开始提高进水硝酸盐氮的质量浓度直至总无机氮浓度＜5mg/l；当监测到氨氮浓度与硝酸盐氮浓度均≥3mg/l，于下一周期开始延长缺氧搅拌时间直至总无机氮浓度＜5mg/l；基于此对碳氮比与缺氧搅拌时间的调控，以保证硝酸盐型反硝化菌可充分利用有机物为厌氧氨氧化菌生长提供足够的底物亚硝酸盐氮，同时厌氧氨氧化菌又可以为硝酸盐型反硝化菌提供生长所需基质硝酸盐氮。此外该阶段仍通过气液分离系统与水力旋流分离系统联动，回收出水中的颗粒污泥返还强化自富集系统以持留厌氧氨氧化菌。当出水总无机氮＜5mg/l，且通过pcr手段检测到厌氧氨氧化菌功能基因的拷贝数>107时即认为厌氧氨氧化菌自富集得到强化。

10、本发明提供的硝酸盐型反硝化菌与厌氧氨氧化菌共生代谢强化厌氧氨氧化菌自富集的方法，具有以下特点和优势：

11、(1)短程反硝化易于控制，所需碳源少，污泥产量低，降低了剩余污泥的处置费用，且可以稳定提供厌氧氨氧化菌生长所需的亚硝酸盐氮，为厌氧氨氧化菌自富集提供了理想条件。

12、(2)通过短程反硝化系统富集厌氧氨氧化菌，短程反硝化可以为厌氧氨氧化菌生长提供稳定的基质亚硝酸盐氮，厌氧氨氧化反应产生的硝酸盐氮也可被反硝化菌利用，此外短程反硝化消耗有机物，消除了有机碳对厌氧氨氧化菌的影响，其共生代谢为厌氧氨氧化菌提供了有利的生长环境，从而大大有利于厌氧氨氧化菌的自富集。

13、(3)通过在短程反硝化系统中原位富集厌氧氨氧化菌，摆脱了对厌氧氨氧化种泥的依赖，且厌氧氨氧化活性更稳定，脱氮效果更好。

14、(4)短程反硝化耦合厌氧氨氧化无需曝气，所需碳源少，同时以部分污泥发酵液为碳源，实现了剩余污泥的资源化利用，节约运行成本，降低能耗；仅通过改变碳氮比、缺氧搅拌时间等关键参数，即可强化厌氧氨氧化菌的自富集，调控措施简单。此外无需控制温度和ph，操作简单；在不同范围的进水浓度均可有效富集厌氧氨氧化菌，并达到较好的脱氮效果，应用广泛。

15、(5)通过在强化自富集系统后串联气液分离系统与水力旋流分离系统联动，可实现排水中气、液、固三相分离，从而有效实现了颗粒的有效持留，有效防止了功能菌的流失，也避免了在自富集系统中产生的气体引发污泥上浮问题。此外通过长期监测气体生成速率可有效了解反应中功能菌的代谢情况，以便及时调整自富集条件，从而保证了厌氧氨氧化菌的高效富集。