公布日：2023.12.12
申请日：2023.09.19
分类号：C02F3/28(2023.01)I;C02F1/28(2023.01)I;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本发明属于废水处理领域，具体涉及一种厌氧氨氧化系统的废水处理方法。颗粒活性碳介导可以强化厌氧氨氧化在低基质环境中的适应性和恢复能力。持续暴露在极端条件下厌氧氨氧化会引发减活、凋亡和代谢异常等状态，这些负面影响在含有颗粒活性碳的反应器中是减轻的。反硝化与异化硝酸盐还原氨也同步出现良性发展。表明颗粒活性碳似乎扩大了完全氨氧化在工程系统中的生态位，而不是通常假设的寡营养环境。厌氧氨氧化菌群在颗粒活性碳表面微环境上衍生出更错综的代谢网络与更激烈的代谢活动，为将颗粒活性碳引入厌氧氨氧化以应对实际污水底物匮乏的复杂生态的可行性提供了理论依据。
权利要求书
1.一种厌氧氨氧化系统的废水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：S11：向全混合厌氧反应器中加入颗粒活性碳和接种的厌氧氨氧化污泥；所述接种的厌氧氨氧化污泥包含厌氧氨氧化菌；所述颗粒活性碳占全混合厌氧反应器体积的20-30％；S12：向所述全混合厌氧反应器中通入废水后进行持续低基质阶段反应；所述持续低基质阶段反应时，氨氮与亚硝态氮的浓度均为8-12mgN/L；S13：将所述全混合厌氧反应器进行解除饥饿胁迫阶段反应，得到处理废水；所述解除饥饿胁迫阶段反应时，氨氮与亚硝态氮的浓度均为78-82mgN/L。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S11中，接种的厌氧氨氧化污泥加入前用水冲洗3次，去除杂质和悬浮物。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述全混合厌氧反应器由聚甲基丙烯酸甲酯制备得到。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，全混合厌氧反应器采用遮光塑料膜遮罩避光，温度为33-37℃。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，废水的pH为6.5-7.5，所述废水包含钾盐、钙盐、镁盐、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包含锌盐、锰盐、镍盐、钴盐、铜盐、硼酸、钼酸钠、硒酸钠和乙二胺四乙酸。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，全混合厌氧反应器中混合液挥发性悬浮固体浓度为20-20.3g/L。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，通入废水后进行搅拌，搅拌的速度为50-70r/min。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，通入废水后水力停留时间保持10-14h。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，持续低基质阶段反应的时间为55-65天。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S13中，解除饥饿胁迫阶段反应的时间为55-65天。
发明内容
颗粒活性碳是厌氧氨氧化生物量定殖的良好载体，但人们对颗粒活性炭对暴露于极端饥饿压力下的厌氧氨氧化的影响仍然知之甚少。
为此，本发明构建了极低氮强度的不利生境，以颗粒活性炭为对照，在长达60天的饥饿抑制后，梯度恢复基质供应。本发明研究的重点聚焦在颗粒活性炭介导的厌氧氨氧化系统在饥饿胁迫下的自我守卫以及解除胁迫后的快速恢复，以微生物群落的恢复及动态演替、关键代谢行为的强化为靶向。所揭示的颗粒活性炭介导的厌氧氨氧化系统抵抗极低基质的恶劣环境的潜在代谢机制，有望为厌氧氨氧化应对实际污水的饥饿工况提供原理性依据以及技术性方案。
为了解决上述存在的技术问题，本申请提供如下技术方案：
本发明提供一种厌氧氨氧化系统的废水处理方法，包括如下步骤：
S11：向完全混合式厌氧(CSTR)反应器中加入颗粒活性碳和接种的厌氧氨氧化污泥；所述接种的厌氧氨氧化污泥包含厌氧氨氧化菌；所述颗粒活性碳占完全混合式厌氧反应器体积的20-30％；
S12：向所述完全混合式厌氧反应器中通入废水后进行持续低基质阶段反应；所述持续低基质阶段反应时，氨氮(NH4+-N)与亚硝态氮(NO2--N)的浓度均为8-12mgN/L；
S13：将所述完全混合式厌氧反应器进行解除饥饿胁迫阶段反应，得到处理废水；所述解除饥饿胁迫阶段反应时，氨氮与亚硝态氮的浓度均为78-82mgN/L。
优选的，所述步骤S11中，接种的厌氧氨氧化污泥加入前用水冲洗3次，去除杂质和悬浮物。
优选的，所述完全混合式厌氧反应器由聚甲基丙烯酸甲酯制备得到。
优选的，完全混合式厌氧反应器采用遮光塑料膜遮罩避光，温度为33-37℃。
优选的，所述步骤S12中，废水的pH为6.5-7.5，所述废水包含钾盐、钙盐、镁盐、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包含锌盐、锰盐、镍盐、钴盐、铜盐、硼酸(H3BO4)、钼酸钠(NaMoO4)、硒酸钠(NaSeO4)和乙二胺四乙酸(EDTA)。
优选的，所述步骤S12中，完全混合式厌氧反应器中混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)为20-20.3g/L。
优选的，所述步骤S12中，通入废水后进行搅拌，搅拌的速度为50-70r/min。
优选的，所述步骤S12中，通入废水后水力停留时间(HRT)保持10-14h。
优选的，所述步骤S12中，持续低基质阶段反应的时间为55-65天。
优选的，所述步骤S13中，解除饥饿胁迫阶段反应的时间为55-65天。
本发明建立了两个有/无颗粒活性炭的完全混合式饥饿厌氧反应器，以研究颗粒活性炭对厌氧氨氧化系统性能、微生物动态和代谢特征的长期影响。结果表明，颗粒活性炭对厌氧氨氧化的长期饥饿压力(氨氮和亚硝态氮均为10mg-N/L，持续60天)具有缓冲能力。与不使用颗粒活性炭的反应器(27天)相比，使用颗粒活性炭的反应器的性能恢复滞后期(6天)更短；同时，在运行120天后，颗粒活性炭介导的厌氧反应器的总脱氮效率(84.9％)明显高于不使用颗粒活性炭的反应器的43.2％。微生物群落分析表明，颗粒活性炭介导的反应器中优势厌氧菌CandidatusBrocadia的丰度(2.77％)在恢复期后比非颗粒活性炭反应器中的丰度(1.04％)增加得更明显。完全氨氧化(comammox)硝化螺旋菌(comammoxNitrospira)在非颗粒活性炭厌氧生物反应器中占主导地位，并在饥饿条件下表现出“规模效应”；这是厌氧系统恢复过程中的一个中途现象，饥饿的厌氧菌在与完全氨氧化的底物竞争中处于弱势。
在颗粒活性炭介导的厌氧系统中，由于颗粒活性炭加速了恢复过程，完全氨氧化的丰度大大降低。代谢功能分析显示，颗粒活性炭在饥饿过程中增强了氨基酸代谢和糖核苷酸生物合成相关基因的表达，从而产生了更多具有氧化还原特性的胞外高分子物质来包裹和保护厌氧氨氧化微生物群以抵御饥饿，这可能进一步加强了颗粒活性炭在厌氧氨氧化系统中对胞外电子传递的调控作用。同时颗粒活性炭还能促进微生物交叉进食，进一步增强细菌的新陈代谢，这表明颗粒活性炭在为厌氧氨氧化复合菌群触发更多样化的新陈代谢网络方面具有卓越的潜力。这项发明表现了颗粒活性炭介导的氨氧化系统在不利的饥饿生境中的微生物和代谢机制，有利于将氨氧化技术广泛应用于低底质废水的市政处理。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
颗粒活性炭介导可以强化厌氧氨氧化在低基质环境中的适应性和恢复能力。持续暴露在极端条件下(10mgN/L的氨氮和亚硝态氮)厌氧氨氧化会引发减活、凋亡和代谢异常等状态，这些负面影响在含有颗粒活性炭的反应器中是减轻的。氮负荷率梯度上升期间，颗粒活性炭介导的厌氧氨氧化表现出更加稳健的复原势头，在第120天恢复脱氮效率至84.9％，CandidatusBrocadia成为占主导份额的厌氧氨氧化菌。颗粒活性炭介导的厌氧氨氧化菌群中的反硝化与异化硝酸盐还原氨也同步出现良性发展。意外的发现颗粒活性炭能够选择性促进完全氨氧化Nitrospira代谢同时抑制典型Nitrospira。表明颗粒活性炭似乎扩大了完全氨氧化菌在工程系统中的生态位，而不是通常假设的寡营养环境。厌氧氨氧化菌属在颗粒活性炭表面微环境上衍生出更错综的代谢网络与更激烈的代谢活动，为将颗粒活性炭引入厌氧氨氧化系统以应对实际污水底物匮乏的复杂生态的可行性提供了理论依据。
（发明人：张晓?;周力;吴鹏;宋小康;阴方芳）
