本發(fā)明屬于廢水處理領(lǐng)域，涉及廢水處理過程中常用的微生物固定化技術(shù)，具體涉及一種能夠提高厭氧氨氧化包埋顆粒活性的方法。

背景技術(shù)：

以厭氧氨氧化為主體的脫氮過程以其脫氮效率高，能耗與成本低等優(yōu)點(diǎn)在廢水生物脫氮工藝中具有良好的應(yīng)用前景。在這一過程中，厭氧氨氧化菌以亞硝酸鹽為電子受體，將氨氮氧化為氮?dú)?。與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，厭氧氨氧化系統(tǒng)具有需氧量少，不需外加有機(jī)碳源，產(chǎn)生的剩余污泥量少的優(yōu)點(diǎn)。而相關(guān)研究表明厭氧氨氧化菌增殖速度極為緩慢，倍增時(shí)間長達(dá)11天，并且厭氧氨氧化污泥是anammox菌、厭氧菌、兼性菌和好氧菌組成的復(fù)雜微生物共生體系，因此往往導(dǎo)致難以在反應(yīng)器內(nèi)維持較高的厭氧氨氧化微生物量。為了實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化微生物的高濃度、低流失，采用微生物固定化技術(shù)將厭氧氨氧化微生物固定在限定的空間區(qū)域內(nèi)，使其保持活性并可反復(fù)利用。對各種包埋材料的性能進(jìn)行比較優(yōu)選后確定使用聚乙烯醇(PVA)和海藻酸鈉(SA)的混合材料作為厭氧氨氧化菌的包埋材料。在厭氧氨氧化菌固定化技術(shù)中存在一個(gè)瓶頸就是難以使微生物在固定區(qū)域具有較高的密度，且由于存在傳質(zhì)阻力，包埋菌厭氧氨氧化活性不高。而AHLs類信號分子可調(diào)控革蘭氏陰性菌的生理行為，影響菌群增殖速度與世代長短等指標(biāo)，影響菌群結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢菌，從而影響污泥微生態(tài)組成與功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種能夠提高厭氧氨氧化包埋菌活性及脫氮性能的方法及應(yīng)用，解決現(xiàn)有技術(shù)中難以提高厭氧氨氧化菌在固定區(qū)域的密度和活性不高導(dǎo)致包埋菌在廢水脫氮處理過程中穩(wěn)定性有限，對廢水中氮等污染物的處理效率不太理想的問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種能夠提高厭氧氨氧化包埋顆?；钚缘姆椒?，在培養(yǎng)馴化厭氧氨氧化種泥時(shí)向種泥中加入AHLs群體感應(yīng)信號分子，然后將培養(yǎng)的污泥與PVA-SA包埋劑混合，混合過程中再次加入信號分子，交聯(lián)數(shù)小時(shí)后制備成PVA-SA厭氧氨氧化包埋顆粒。具體操作步驟和工藝條件如下：

(1)種泥的培養(yǎng)：取適量種泥至SBR反應(yīng)器，加入含氨氮及亞硝氮的營養(yǎng)液，營養(yǎng)液中氨氮及亞硝氮的濃度均為4.5mmol/L，然后向SBR反應(yīng)器并加入一定濃度的信號分子，環(huán)境溫度為32～33℃，pH為7.8～8.3，DO濃度在0.15mg/L以下，進(jìn)行間歇培養(yǎng)，每次更換營養(yǎng)液時(shí)加入信號分子，間歇式培養(yǎng)30天；

(2)包埋劑的配制：稱取一定量的聚乙烯醇(PVA)和海藻酸鈉(SA)加入水中，加熱溶解，混合均勻；

為了提高機(jī)械強(qiáng)度，還可向上述溶液中再加入一定濃度的粉末活性炭，攪拌均勻，制成包埋劑；

(3)種泥與包埋劑混合：用pH為7.0的碳酸氫鉀緩沖液沖洗步驟(1)培養(yǎng)后的厭氧氨氧化種泥去除表面雜質(zhì)并補(bǔ)充無機(jī)碳源及堿度，然后進(jìn)行離心，最后與包埋劑進(jìn)行混合，混合過程中加入與步驟(1)中相同類型及濃度的信號分子；

(4)厭氧氨氧化包埋小球的制備：將步驟(3)培養(yǎng)好的厭氧氨氧化種泥與包埋劑混合均勻后，將混合液逐滴加入到2～6wt％的CaCl₂溶液中，密封避光4℃交聯(lián)12小時(shí)，得到固定化的厭氧氨氧化小球，然后用磷酸緩沖液和滅菌水清洗后備用；

(5)厭氧氨氧化包埋小球的活化：在處理污水前，將厭氧氨氧化包埋小球活化培養(yǎng)一周。

所述的包埋劑中PVA的含量為6～10wt％，SA的含量為2～4wt％，粉末活性碳的含量為8～12g/L。

所述的交聯(lián)劑為CaCl₂溶液，對于CaCl₂溶液其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2～6wt％。

所述的信號分子為AHLs，對于AHLs，只有C4-HSL能提高厭氧氨氧化包埋小球的活性。

C4-HSL的濃度為0.05μM～3.0μM，優(yōu)選濃度為1.5μM時(shí)可明顯提高厭氧氨氧化包埋小球的活性，繼續(xù)增加濃度時(shí)其活性不再繼續(xù)提高。信號分子加入時(shí)，先采用有機(jī)溶劑將信號分子溶解，一般采用二甲基亞砜(DMSO)或二甲基甲酰胺(dimethyl formamide)，溶解度為20mg/mL～30mg/mL。

所述的厭氧氨氧化包埋小球包埋劑與厭氧氨氧化污泥體積比為1：0.5～1:2。

所述的厭氧氨氧化包埋小球粒徑為3～5mm。

所述的厭氧氨氧化包埋小球活化是指在32℃溫度條件下用目標(biāo)廢水批式培養(yǎng)一周，使固定化的厭氧氨氧化微生物活性得到充分恢復(fù)。

本發(fā)明方法制得的厭氧氨氧化包埋顆粒用于污泥脫氮。

本發(fā)明在取出的厭氧氨氧化種泥中加入最佳濃度(優(yōu)選濃度)的信號分子，使用營養(yǎng)液培養(yǎng)30天，然后將該厭氧氨氧化種泥經(jīng)過碳酸氫鉀緩沖液沖洗后離心，與包埋劑按照一定體積比均勻混合，混合過程中再次加入相同濃度相同類型的信號分子。用蠕動(dòng)泵將混合液逐滴加入到交聯(lián)溶液(CaCl₂溶液)中，密封避光4℃交聯(lián)12小時(shí)制得固定化厭氧氨氧化小球，將固定化小球清洗后放入4℃生理鹽水中冷藏備用。在對目標(biāo)廢水進(jìn)行處理之前，厭氧氨氧化包埋小球經(jīng)歷為期一周的活化階段。目標(biāo)廢水中亞硝酸鹽濃度不可過高(低于200mg/L)，以免對厭氧氨氧化微生物產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用。

本發(fā)明的作用原理：固定化技術(shù)是持留生物量的有效手段，但依然存在微生物在固定區(qū)域密度不高，且由于傳質(zhì)阻力，包埋菌厭氧氨氧化活性不高的問題。將信號分子C4-HSL加入到厭氧氨氧化種泥中再使用包埋材料PVA-SA將厭氧氨氧化污泥固定化，顯著提高了固定化厭氧氨氧化小球的厭氧氨氧化活性。這是因?yàn)樵谂囵B(yǎng)厭氧氨氧化種泥初期和包埋過程中均加入信號分子C4-HSL，當(dāng)C4-HSL的濃度達(dá)到閾值(本發(fā)明中C4-HSL的閾值為1.5μM)時(shí)可被微生物檢測到，此時(shí)信號分子可通過細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部到達(dá)目的位置進(jìn)而調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，控制催化厭氧氨氧化反應(yīng)的酶的合成，如亞硝酸鹽還原酶等，導(dǎo)致一個(gè)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)開始，并最終使機(jī)體行為發(fā)生改變，促使厭氧氨氧化菌的比厭氧氨氧化活性大為提高，并且厭氧氨氧化菌增值速度也得以加快。

本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果：

(1)厭氧氨氧化活性高。在厭氧氨氧化污泥中加入信號分子，利用信號分子C4-HSL對厭氧氨氧化微生物生理行為的調(diào)控作用使厭氧氨氧化微生物的厭氧氨氧化活性明顯提高。

(2)包埋固定化小球內(nèi)厭氧氨氧化微生物數(shù)量提高。信號分子C4-HSL提高了厭氧氨氧化菌的生長速率，使包埋小球內(nèi)微生物量增加。

(3)強(qiáng)化了厭氧氨氧化包埋小球內(nèi)革蘭氏陰性菌的種間合作。厭氧氨氧化污泥是多菌混配物，其中厭氧氨氧化菌為優(yōu)勢菌，也兼有硝化菌、反硝化菌等，信號分子C4-HSL不僅能調(diào)控厭氧氨氧化菌的生理行為，也可作為厭氧氨氧化菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌等的交流信號，促使其相互合作、互利共生。

(4)制備過程簡單，操作方便，性能穩(wěn)定。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1投加不同信號分子時(shí)氨氮、亞硝氮和硝氮濃度隨時(shí)間變化曲線；圖1(a)是氨氮濃度隨時(shí)間變化曲線；圖1(b)是亞硝氮濃度隨時(shí)間變化曲線；圖1(c)是硝氮濃度隨時(shí)間變化曲線。

圖2是實(shí)施例2包埋劑與污泥體積比不同時(shí)投加信號分子后氨氮、亞硝氮和硝氮濃度隨時(shí)間變化曲線；圖2(a)是氨氮濃度隨時(shí)間變化曲線；圖2(b)是亞硝氮濃度隨時(shí)間變化曲線；圖2(c)是硝氮濃度隨時(shí)間變化曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。在使用PVA-SA混合包埋材料包埋厭氧氨氧化污泥方面，能否找到適合類型的信號分子，并且該信號分子能否提高PVA-SA厭氧氨氧化包埋顆粒的活性及穩(wěn)定性尚不清楚，相關(guān)研究也屬空白。因此本研究選取三種AHLs信號分子(C4-HSL，C6-HSL和C8-HSL)人為添加到厭氧氨氧化污泥中，考察信號分子對厭氧氨氧化包埋菌活性的影響，以期能夠進(jìn)一步提高厭氧氨氧化技術(shù)在廢水脫氮中的效果。

材料：

厭氧氨氧化污泥：取自穩(wěn)定運(yùn)行2年的UASB反應(yīng)器上部絮狀污泥，取出的污泥經(jīng)PBS(0.1M，pH7.4)沖洗3次，去除污泥表面的殘留基質(zhì)，4000r·m^-1離心10min后備用。

包埋材料：所用的包埋材料為聚乙烯醇(PVA，聚合度1750±50，皂化度98.5％)和海藻酸鈉(SA，粘度150mpa·s)，均為分析純。

信號分子：N-[(3S)-tetrahydro-2-oxo-3-furanyl]-butanamide(中文名稱：N-丁?；?L-高絲氨酸內(nèi)酯，簡稱C4-HSL)；N-[(3S)-tetrahydro-2-oxo-3-furanyl]-hexanamide(中文名稱：N-己?；?L-高絲氨酸內(nèi)酯，簡稱C6-HSL)；N-[(3S)-tetrahydro-2-oxo-3-furanyl]-octanamide(中文名稱為：N-辛酰基-L-高絲氨酸內(nèi)酯，簡稱：C8-HSL)，均購自美國sigma-aldrich公司。

需要說明的是AHLs群體感應(yīng)信號分子中的AHLs指的是N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯類群體感應(yīng)信號分子。

遵從上述技術(shù)方案，以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施例，凡在本申請技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：不同信號分子對厭氧氨氧化包埋小球活性的影響

在取出的厭氧氨氧化種泥中分別加入營養(yǎng)液和不同的信號分子C4-HSL、C6-HSL、C8-HSL，三種信號分子的投加濃度分別設(shè)置為0.05μM、1.5μM和3.0μM(三種信號分子采用二甲基亞砜先進(jìn)行溶解，配制的三種信號分子溶液濃度均為20mg/mL)，使用營養(yǎng)液及信號分子溶液間歇培養(yǎng)30天(出水氨氮濃度為進(jìn)水氨氮濃度的20％時(shí)為一個(gè)周期)，然后將該厭氧氨氧化種泥經(jīng)過pH為7.0左右的碳酸氫鉀緩沖液沖洗3次后離心。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10wt％的聚乙烯醇(PVA)及2wt％海藻酸鈉(SA)混合液，加熱溶解，混合均勻。為了提高機(jī)械強(qiáng)度，再加入8g/L粉末活性炭，攪拌均勻，制成混合包埋劑。營養(yǎng)液中氨氮及亞硝氮的濃度均為4.5mmol/L。

將離心后的厭氧氨氧化種泥與包埋劑按體積比1:1混合均勻，混合過程中再次加入相同類型及濃度的信號分子。然后使用蠕動(dòng)泵將上述混合液逐滴加入到交聯(lián)劑CaCl₂溶液中，密封遮光后置于4℃冰箱中交聯(lián)12小時(shí)后得到固定化厭氧氨氧化小球(粒徑3～5mm)，用滅菌水清洗制備好的厭氧氨氧化小球后于4℃冰箱中冷藏備用。取適量固定化小球，加入目標(biāo)廢水，在32℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)一周(每天震蕩三次，每次一小時(shí))，當(dāng)出水中氨氮濃度降為進(jìn)水的20％時(shí)為一個(gè)活化周期，周期結(jié)束后換入新鮮的目標(biāo)廢水，活化一周以恢復(fù)厭氧氨氧化小球的活性。

取恢復(fù)活性后的厭氧氨氧化小球50mL，轉(zhuǎn)入500mL的帶塞血清瓶中，血清瓶用黑色反光紙包裹。加入400mL目標(biāo)廢水，放在恒溫磁力攪拌器上，通過進(jìn)氣口通高純氮?dú)?0min以吹脫反應(yīng)器內(nèi)的氧氣保證厭氧環(huán)境(溶解氧濃度低于0.15mg/L)。磁力攪拌器轉(zhuǎn)速150r/min，溫度保持32℃，不控制pH。取50mL相同條件下制備活化的未投加信號分子的厭氧氨氧化小球作為對照組進(jìn)行同步平行試驗(yàn)。廢水氨氮濃度和亞硝酸鹽濃度分別為95mg/L和125mg/L，反應(yīng)時(shí)間為48小時(shí)，每隔8小時(shí)用注射器通過進(jìn)氣口取樣，測定水樣中“三氮”濃度。

實(shí)施例2：投加1.5μM C4-HSL后包埋劑與厭氧氨氧化種泥體積比對厭氧氨氧化包埋小球活性的影響

進(jìn)行了包埋劑與厭氧氨氧化種泥體積比分別為1：0.5，1:1，1:2時(shí)的信號分子對厭氧氨氧化包埋小球活性影響的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)操作步驟同實(shí)施例1。

測試及分析方法：

氨氮測定采用納氏試劑光度法，硝氮測定采用紫外分光光度法，亞硝氮測定采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法(均采用紫外分光光度計(jì)DR5000，美國哈希公司)，DO測定采用HQ30d溶氧儀(美國哈希公司)，pH測定采用pHS-3c pH計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)。

結(jié)果與分析：

在0～16小時(shí)期間，投加1.5μM C4-HSL組中氨氮和亞硝酸鹽的濃度最低，且通過折線斜率可看出該組對氨氮和亞硝酸鹽的降解速率最快(附圖1)，說明投加1.5μM C4-HSL后厭氧氨氧化包埋小球厭氧氨氧化活性得到較大程度提高。16～48小時(shí)期間，投加1.5μM C4-HSL組對氨氮和亞硝氮的降解速度逐漸變緩最后甚至接近未投加信號分子組，這是因?yàn)榛|(zhì)濃度大幅降低，起到了限制作用。投加另外兩種信號分子C6-HSL和C8-HSL則對厭氧氨氧化包埋小球活性沒有影響。投加1.5μM C4-HSL組在48小時(shí)后的最終監(jiān)測結(jié)果為：氨氮濃度為0.97mg/L，去除率達(dá)到98.9％，亞硝氮濃度為1.55mg/L，去除率達(dá)99％，亞硝氮的去除量與氨氮去除量的比值為1.31，與理論值1.32接近。說明投加1.5μM C4-HSL后的厭氧氨氧化包埋小球表現(xiàn)出了更高的厭氧氨氧化活性，具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)圖2表明投加信號分子后包埋劑與污泥體積比對厭氧氨氧化包埋小球活性也有重要影響。包埋污泥含量較少(體積比1:0.5)時(shí)，厭氧氨氧化包埋小球活性不高，因?yàn)槲⑸飻?shù)量不足；污泥含量較高(體積比1:2)時(shí)，厭氧氨氧化包埋小球活性同樣不高，因?yàn)榇藭r(shí)厭氧氨氧化包埋小球機(jī)械強(qiáng)度低，容易溶脹、破碎，不穩(wěn)定，最佳體積比為1:1。