一种厌氧氨氧化菌的富集方法、氨氮脱除方法及装置

1.本发明涉及厌氧氨氧化技术领域，具体涉及一种电活性厌氧氨氧化菌的富集方法、氨氮脱除方法及装置。


背景技术：

2.目前在废水生物脱氮领域中，不论外加电能与否，基于微生物的电化学脱氮系统的功能菌群多为氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化菌、反硝化细菌等，其共同特点在于需要多个功能菌群的细菌互相协作才能完成废水中生物脱氮过程、反应路线长、或需曝气、或需外源添加碳源等，无法经济、节能、一步到位实现氨氮的脱除。
3.本技术开发了一种富集高浓度电活性厌氧氨氧菌的方法，该方法能够高效率的富集电活性厌氧氨氧菌，为厌氧氨氧化微生物反应体系的高效运转提供保障基础。且该方法富集的电活性厌氧氨氧菌能够在基质仅有氨氮，无亚硝酸盐的条件下，成功运行厌氧氨氧化微生物电化学反应器，实现一步到位脱除氨氮。


技术实现要素：

4.本发明的首要目的是提供一种富集高浓度电活性厌氧氨氧菌的方法。该方法能够高效率的富集电活性厌氧氨氧菌，用于厌氧氨氧化微生物反应体系的高效运转。
5.一种电活性厌氧氨氧化菌的富集方法：在基质仅有氨氮，无亚硝酸盐的条件下，添加厌氧氨氧化污泥，施加电压，运行厌氧氨氧化微生物电化学反应体系，富集得到电活性厌氧氨氧化菌。
6.所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法：富集得到电活性厌氧氨氧化菌包括：厌氧氨氧化细菌。
7.所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法：所述的厌氧氨氧化微生物电化学反应体系是在厌氧氨氧化微生物反应体系中加入了电极，优选加入三电极。
8.所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法：进入厌氧氨氧化微生物电化学反应体系中处理的废水先经过曝气，以去除废水中的溶解氧，优选：溶氧量保持在0.05mg/l以下，并且将ph调至6.8-7.2。
9.所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法：厌氧氨氧化微生物电化学反应体系置于30
±
5℃厌氧环境中。
10.所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法：所述厌氧氨氧化微生物电化学反应体系使用批次间歇运行，hrt为24-72h，8-16h更换1/2-1/4容积溶液。
11.所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法：施加电压不超过0.6v。
12.本发明反应体系全周期保持严格厌氧环境。
13.厌氧氨氧化本身就是厌氧菌，如果有溶解氧可能会使其他菌群成为优势菌，严格厌氧可以抑制其他菌群。而且电化学反应，有氧气时氧气可能会参与氧化还原反应，使反应更加复杂，减少脱氮性能，降低库仑效率。
14.进一步地，电活性厌氧氨氧化菌群的长期驯化采用人工配制的模拟废水，主要成分为：100mg l-1
nh
4+
，0.3mg l-1
mgso4·
7h2o，1.25mg l-1
khco3。其中还添加了1.25mg l-1
微量元素溶液ⅰ,1.25mg l-1
微量元素溶液ⅱ，1mg l-1
微量元素溶液ⅲ。微量元素溶液ⅰ包括5g l-1
edta和9.14g l-1
feso4·
7h2o；微量元素ⅱ包括15gl-1
na2edta、0.43gl-1
znso4·
7h2o、0.283gl-1
coso4·
7h2o、0.845gl-1
mnso4·
h2o、0.25gl-1
cuso4·
5h2o、0.19gl-1
niso4·
6h20、0.014gl-1
h3bo4；微量元素溶液ⅲ包括0.0056gl-1
cacl2·
2h2o和0.01gl-1
nah2po4·
2h2o。所有模拟废水均使用n2/co2(95/5％)曝气，以去除废水中的溶解氧。不含有机碳和亚硝酸盐。
15.本发明富集的细菌群落分析由16s rrna技术获得。
16.本发明第二个目的是提供一种氨氮脱除方法，是直接利用上述的富集方法中的厌氧氨氧化微生物电化学反应体系完成富集后，继续运行。
17.本发明的无亚硝酸盐的微生物电化学系统中，在合适电压下，高富集的电活性厌氧氨氧化菌可以在阳极直接进行nh
4+
的氧化实现一步脱除氨氮(阳极最后产生氮气)，阴极产生的氢气可以通过气体回收系统进行收集。
18.本发明的第三个目的是提供上述的富集方法，或者上述的氨氮脱除方法配套的装置：包括进水系统、厌氧氨氧化微生物电化学反应器、和出水系统；
19.所述的进水系统向厌氧氨氧化微生物电化学反应器内注入经过曝气的废水以进行处理；
20.所述的厌氧氨氧化微生物电化学反应器的内部设置有包括参比电极、阳极和阴极的三电极，所述的三电极位于处理中的废水中；外部设有与内部的三电极连接的恒电位仪，底部设置有磁力搅拌系统；
21.所述的出水系统从厌氧氨氧化微生物电化学反应器内排出经过处理的废水。
22.进一步地，三电极采用石墨毡作为工作电极和辅助电极，氯化银电极作为参比电极；优选阳极石墨毡面积为4-16cm2，阴极石墨毡面积为36-64cm2，厚度均为0.5cm
±
0.05cm。
23.进一步地，所述进水系统包括厌氧补料容器，以及分别连接至厌氧补料容器的第一曝气瓶、气压稳定袋和进水蠕动泵；所述的厌氧补料容器内装有待处理的废水，所述的第一曝气瓶连接至废水中并对废水进行曝气，所述的气压稳定袋连接至废水液面之上以调整气压，所述的进水蠕动泵连接至废水中，并由进水控制器控制以输送废水至厌氧氨氧化微生物电化学反应器中。
24.进一步地，所述的厌氧氨氧化微生物电化学反应器外还设有第二曝气瓶和双阀侧边氢气收集装置，所述的第二曝气瓶连接至废水中以对废水进行曝气，所述的双阀侧边氢气收集装置连接至废水液面之上以收集处理废水所产生的气体以调整气压。
25.进一步地，所述的出水系统包括出水蠕动泵和储水桶，所述的出水蠕动泵连接至厌氧氨氧化微生物电化学反应器的废水中，并由出水控制器控制以输送废水至储水桶中。
26.本发明实现过程具体如下：
27.(1)微生物的筛选与富集：按反应器工作体积的5％左右接种厌氧氨氧化污泥，同时将不含亚硝酸盐的人工模拟氨氮废水注入反应器中。之后连通电路，打开恒电位仪，向反应器两极施加小额度电压，并控制适宜温度，且通过磁力搅拌器对反应起一定搅拌作用，进行微生物的筛选与富集，同时利用电化学工作站记录电流；
28.(2)随着筛选的微生物在电极表面富集，电流出现上升(相对于背景电流)反应器
氨氮浓度开始降低，cv图有明显的氧化还原峰，有氮气和氢气产生。并且通过tem和16srna可知微生物菌群中含有高浓度的厌氧氨氧化菌群，因此电活性厌氧氨氧化菌筛选与富集完成。之后在反应器内加入抑制其他菌群的有机物烯丙基硫脲(atu)，观察其氨氮脱除速率，发现无明显变化。
29.(3)电化学辅助生物脱氮：微生物的筛选与富集完成后，采用序批式运行方式，保持其他条件不变，开始电化学辅助电活性厌氧氨氧化菌长期脱氮过程。长期驯化培养以达到更高的脱氮效果；序批式即一次排出反应器内1/3混合液，重新注入氨氮废水，保持其它条件不变，开始电化学辅助生物脱氮过程。
30.本发明的有益效果：
31.(1)开发了一种富集高浓度电活性厌氧氨氧菌的方法，该方法能够高效率的富集电活性厌氧氨氧菌，为厌氧氨氧化微生物反应体系的高效运转提供保障基础。
32.(2)针对低氨氮废水，本发明完全不需额外添加亚硝酸盐完成厌氧氨氧化反应。可以直接将nh
4+
氧化成n2，且避免了副产物no
3-的产生，减少了后续处理工艺的压力。
33.(3)解决了“厌氧氨氧化工艺应用于实际废水处理中时，需要亚硝酸盐氮作为电子受体，也就是在厌氧氨氧化工艺的前端必须先接入短程硝化工艺或者短程反硝化工艺，利用水体中的其他氮素转化亚硝酸盐，然后结合厌氧氨氧化工艺，才可实现废水中氨氮的去除；无法在无亚硝酸盐的水体中直接一步深度脱氮”的问题。
34.(4)解决了“目前在废水生物脱氮领域中，不论外加电能与否，基于微生物的电化学脱氮系统的功能菌群多为氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化菌、反硝化细菌等，其共同特点在于需要多个功能菌群的细菌的互相协作才能完成废水中生物脱氮过程、反应路线长、或需曝气、或需外源添加碳源等，无法经济、节能、一步到位实现氨氮的脱除。”的问题。
附图说明
35.图1为本发明装置图；
36.其中1-恒电位仪；2-双阀侧边氢气收集装置；3-进水口；4-参比电极；5-阳极电极；6-阴极电极；7-进水控制器1；8-进水蠕动泵；9-第一曝气瓶；10-气压稳定袋；11-厌氧补料容器；12-搅拌子；13-磁力搅拌器；14-厌氧氨氧化污泥；15-第二曝气瓶；16-出水控制器2；17-出水蠕动泵；18-储水桶；19-出水口；20-厌氧氨氧化微生物电化学反应器。
37.图2为微生物群落结构变化(属水平)；
38.b1为未驯化阶段，a1为驯化两月的，c1为加了atu的。
39.图3为反应器驯化过程氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐脱除情况图。
40.图4为反应器驯化后期cv图。
41.图5为atu对厌氧氨氧化-微生物电化学系统氨氮脱除影响图。
42.图6为驯化后的厌氧氨氧化-微生物电化学系统氨氮脱除情况图。
43.图7为厌氧氨氧化菌在电极表面附着情况图。
44.图8为驯化前后的厌氧氨氧化菌cv图。
具体实施方式
45.以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
46.实施例1
47.本发明装置包括进水系统、厌氧氨氧化微生物电化学反应器、和出水系统。
48.所述的进水系统向厌氧氨氧化微生物电化学反应器内注入经过曝气的废水以进行处理；所述的厌氧氨氧化微生物电化学反应器的内部设置有包括参比电极、阳极和阴极的三电极，所述的三电极位于处理中的废水中；外部设有与内部的三电极连接的恒电位仪(兼具数据采集器功能，用于采集电流)，底部设置有磁力搅拌系统；所述的出水系统从厌氧氨氧化微生物电化学反应器内排出经过处理的废水。三电极采用石墨毡作为工作电极和辅助电极，氯化银电极作为参比电极；阳极石墨毡面积为4-16cm2，阴极石墨毡面积为36-64cm2，厚度均为0.5cm
±
0.05cm。所述进水系统包括厌氧补料容器，以及分别连接至厌氧补料容器的第一曝气瓶(保持进水补料瓶内部严格厌氧)、气压稳定袋(维持内部气压稳定)和进水蠕动泵；所述的厌氧补料容器内装有待处理的废水，所述的第一曝气瓶连接至废水中并对废水进行曝气，所述的气压稳定袋连接至废水液面之上以调整气压，所述的进水蠕动泵连接至废水中，并由进水控制器控制以输送废水至厌氧氨氧化微生物电化学反应器中。所述的厌氧氨氧化微生物电化学反应器外还设有第二曝气瓶(反应器内部曝气，保持厌氧状态)和双阀侧边氢气收集装置(维持内部气压稳定并收集氢气和氮气)，所述的第二曝气瓶连接至废水中以对废水进行曝气，所述的双阀侧边氢气收集装置连接至废水液面之上以收集处理废水所产生的气体以调整气压。所述的出水系统包括出水蠕动泵和储水桶，所述的出水蠕动泵连接至厌氧氨氧化微生物电化学反应器的废水中，并由出水控制器控制以输送废水至储水桶中。装置构成见附图1。
49.实施例2
50.本发明厌氧氨氧化微生物电化学反应器为500ml(φ80*110mm)圆柱型亚克力容器；氨氮人工模拟废水(注入500ml)主要成分为：100mg l-1
nh
4+
，0.3mg l-1
mgso4·
7h2o，1.25mg l-1
khco3。其中还添加了1.25mg l-1
微量元素溶液ⅰ,1.25mg l-1
微量元素溶液ⅱ，1mg l-1
微量元素溶液ⅲ。微量元素溶液ⅰ包括5g l-1
edta和9.14g l-1
feso4·
7h2o；微量元素ⅱ包括15gl-1
na2edta、0.43gl-1
znso4·
7h2o、0.283gl-1
coso4·
7h2o、0.845gl-1
mnso4·
h2o、0.25gl-1
cuso4·
5h2o、0.19gl-1
niso4·
6h20、0.014gl-1
h3bo4；微量元素溶液ⅲ包括0.0056gl-1
cacl2·
2h2o和0.01gl-1
nah2po4·
2h2o。所有模拟废水均使用n2/co2(95/5％)曝气，以去除废水中的溶解氧，使得溶氧量保持在0.05mg/l以下，并且将ph调至7左右。不含有机碳和亚硝酸盐。
51.按反应器工作体积的5％左右接种厌氧氨氧化污泥。其菌落相对丰度排序前三的菌门是浮霉菌门、变形菌门和绿弯菌门。在属水平上检测到了两种厌氧氨氧化菌属candidatus jettenia和candidatus brocadia。
52.进一步地，所述反应器全周期置于30
±
5℃温室中，其反应器全周期保持严格厌氧环境，转速控制在100r/min左右。长期电压供应由上海昕瑞仪器公司的djs-292d恒电位仪提供，阳极石墨毡面积为8cm2，阴极石墨毡面积为36cm2，施加电压为0v-0.6v，进行微生物的筛选和富集。经恒电位仪控制电压强度为0.4v、0.2v、0v。逐步驯化富集电活性厌氧氨氧化菌。电压0.4v驯化富集25天，hrt为36h时nh
4+
的去除基本上维持在30-50％左右，紧接着0.2v驯化富集15天左右，最后施加0v，hrt为36h时nh
4+
的去除基本上为40％以上。两个月驯化后，这时厌氧氨氧化菌富集程度可占70％以上。
53.hrt(水力停留时间)是指待处理污水在反应器内的平均停留时间。氨根离子去除率：进水氨氮浓度减去出水中氨氮浓度再除以进水氨氮浓度。
54.之后在反应器内加入抑制其他菌群反应的有机物烯丙基硫脲(atu)，观察其氨氮脱除速率无明显变化。这代表电活性厌氧氨氧化菌驯化富集成功。结果见图2。图3为0.4，0.2，0v时的脱氮情况。
55.驯化阶段以及后期运转阶段采用“hrt为36h，12h更换1/3容积溶液”操作。
56.实施例3
57.实施例3与实施例2的系统构成与工艺相同。不同之处在于其恒定电压数据由辰华电化学工作站供应；对不同电压下驯化结束的反应器进行cv曲线扫描，看起是否有可逆的氧化还原反应存在。由cv图(图4)可知有明显的氧化还原峰，该处氧化还原峰应为细胞色素c产生的氧化还原峰。
58.实施例4
59.实施例4与实施例2的系统构成与工艺相同。不同之处在于驯化2个月后，对反应器中添加可抑制aob菌的烯丙基硫脲(atu)，探索排除其他菌群的干扰后，厌氧氨氧化菌是否还具有在电压作用下脱除氨氮的功能。结果见图5。可见在atu的作用下，体系内仍发生氨氮的脱除，即可认定是厌氧氨氧化菌的作用。图5中展现了nh
4+
和no
3-浓度随时间变化的趋势；δnh
4+
是代表两个相邻值的差值。
60.实施例5
61.实施例5与实施例1的系统构成与工艺相同。不同之处在于驯化后期，施加电压0v时，低压条件下探究其深度脱氮性能。图6表明在无亚硝酸存在时，富集的电活性厌氧氨氧化菌可以直接将nh
4+
直接转化成n2，少部分转化为no
3-。
62.实施例6
63.本发明通过对比絮状污泥和颗粒污泥在反应器中的富集程度、驯化后期的厌氧氨氧化菌电活性强度以及脱氮性能，发现絮状污泥更易附着在电极表面，颗粒污泥几乎不附着在电极板上。絮状污泥与电极板接触面积更大，电子传递更活跃，脱氮性能(提高30％)以及生长状态也更好。
64.实施例7
65.本发明通过对比石墨棒和石墨毡作为电极在反应器中的富集程度、驯化后期的厌氧氨氧化菌电活性强度以及脱氮性能，发现石墨毡作为电极板接触面积更大，电子传递更活跃，脱氮性能(提高50％)以及污泥生长状态也更好，见图7。
66.实施例8
67.为了确定是阳极/阴极为工作电极的影响，本发明体系还进行了-0.1v,+0.1v的实验对比，发现施加正压时即工作电极为阳极时，氨氮脱除速率更加稳定，整体脱除效果更好，硝酸盐富集更少，有利于氨氮的脱除。
68.实施例9
69.本发明体系还进行了有亚硝酸盐和无亚硝酸在施加电压和不施加电压条件的区别。
70.反应器内有亚硝酸盐(亚硝酸盐100mg/l，nh
4+
为100mg/l)，施加电压(0.4v)时，整体氨氮脱除效果变低。说明电压可能抑制了其正常厌氧氨氧化进程。
71.反应器内无亚硝酸盐，不施加电压正常厌氧氨氧化细菌不会脱除氨氮。施加电压后会有10％左右的氨氮脱除。后期随着驯化时间增加，氨氮去除效率逐渐升高。
72.实施例10
73.本发明还对比了驯化两个月的厌氧氨氧化菌和未驯化的厌氧氨氧化菌cv图(图8)，可见本发明驯化后的厌氧氨氧化菌的电活性更好。

技术特征：
1.一种电活性厌氧氨氧化菌的富集方法，其特征在于，在基质仅有氨氮，无亚硝酸盐的条件下，添加厌氧氨氧化污泥，施加电压，运行厌氧氨氧化微生物电化学反应体系，富集得到电活性厌氧氨氧化菌。2.根据权利要求1所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法，其特征在于，富集得到电活性厌氧氨氧化菌包括：厌氧氨氧化细菌。3.根据权利要求1所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法，其特征在于，所述的厌氧氨氧化微生物电化学反应体系是在厌氧氨氧化微生物反应体系中加入了电极，优选加入三电极。4.根据权利要求1所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法，其特征在于，进入厌氧氨氧化微生物电化学反应体系中处理的废水先经过曝气，以去除废水中的溶解氧，优选：溶氧量保持在0.05mg/l以下，并且将ph调至6.8-7.2。5.根据权利要求1所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法，其特征在于，厌氧氨氧化微生物电化学反应体系置于30
±
5℃厌氧环境中。6.根据权利要求1所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法，其特征在于，所述厌氧氨氧化微生物电化学反应体系使用批次间歇运行，hrt为24-72h，8-16h更换1/2-1/4容积溶液。7.根据权利要求1所述的电活性厌氧氨氧化菌的富集方法，其特征在于，施加电压不超过0.6v。8.一种氨氮脱除方法，其特征在于，是直接利用权利要求1-7任一项所述的富集方法中的厌氧氨氧化微生物电化学反应体系完成富集后，继续运行。9.权利要求1-7任一项所述的富集方法，或者权利要求8所述的氨氮脱除方法配套的装置，其特征在于：包括进水系统、厌氧氨氧化微生物电化学反应器、和出水系统；所述的进水系统向厌氧氨氧化微生物电化学反应器内注入经过曝气的废水以进行处理；所述的厌氧氨氧化微生物电化学反应器的内部设置有包括参比电极、阳极和阴极的三电极，所述的三电极位于处理中的废水中；外部设有与内部的三电极连接的恒电位仪，底部设置有磁力搅拌系统；所述的出水系统从厌氧氨氧化微生物电化学反应器内排出经过处理的废水。10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，三电极采用石墨毡作为工作电极和辅助电极，氯化银电极作为参比电极；优选阳极石墨毡面积为4-16cm2，阴极石墨毡面积为36-64cm2，厚度均为0.5cm
±
0.05cm。11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述进水系统包括厌氧补料容器，以及分别连接至厌氧补料容器的第一曝气瓶、气压稳定袋和进水蠕动泵；所述的厌氧补料容器内装有待处理的废水，所述的第一曝气瓶连接至废水中并对废水进行曝气，所述的气压稳定袋连接至废水液面之上以调整气压，所述的进水蠕动泵连接至废水中，并由进水控制器控制以输送废水至厌氧氨氧化微生物电化学反应器中。12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的厌氧氨氧化微生物电化学反应器外还设有第二曝气瓶和双阀侧边氢气收集装置，所述的第二曝气瓶连接至废水中以对废水进行曝气，所述的双阀侧边氢气收集装置连接至废水液面之上以收集处理废水所产生的气体以调整气压。
13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的出水系统包括出水蠕动泵和储水桶，所述的出水蠕动泵连接至厌氧氨氧化微生物电化学反应器的废水中，并由出水控制器控制以输送废水至储水桶中。

技术总结
本发明公开了一种电活性厌氧氨氧化菌的富集方法、氨氮脱除方法及装置。具体是在基质仅有氨氮，无亚硝酸盐的条件下，内部添加厌氧氨氧化污泥，施加电压，运行厌氧氨氧化微生物电化学反应体系，富集得到电活性厌氧氨氧化菌。继续在该体系下进行运转脱除氨氮。该方法能够高效率的富集电活性厌氧氨氧菌，用于厌氧氨氧化微生物反应体系的高效运转。解决了“厌氧氨氧化工艺应用于实际废水处理中时，需要亚硝酸盐氮作为电子受体，也就是在厌氧氨氧化工艺的前端必须先接入短程硝化工艺或者短程反硝化工艺，利用水体中的其他氮素转化亚硝酸盐，然后结合厌氧氨氧化工艺，才可实现废水中氨氮的去除；无法在无亚硝酸盐的水体中直接一步深度脱氮”的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：唐溪 吴筱筱 赵江伟 唐崇俭 姚福兵 王云燕
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8