复合缓释碳材料耦合好氧反硝化菌及其在水处理中的应用

技术领域

本发明涉及一种低碳氮比污水反硝化深度脱氮的方法，具体提出了一种裸藻基缓释碳材料耦合好氧反硝化菌在水处理中的应用，属于水处理技术领域。

背景技术

随着我国水产养殖的迅速发展, 养殖尾水中所含的剩余饵料、以及富含氮、磷、有机质的养殖生物排泄物会加剧养殖邻近水域富营养化程度，导致我国养殖尾水排放所造成的环境污染等问题也越来越突出。

目前，养殖尾水的处理手段主要分为物理、化学和生物修复三种。其中，生物修复被认为是最经济合理、对环境友好的方法。生物修复又主要分为植物修复和微生物修复两种方式。但是，对于植物修复而言，其净化作用受季节因素影响明显，秋冬季净化能力较弱，且凋亡季节如果不能及时采收，反而会对水体造成二次污染。而微生物修复虽然能够最大限度的降低氮磷等污染物的浓度，但是需要解决养殖尾水碳源不足所引发的反硝化脱氮效率不高的问题，以及克服传统好氧硝化-缺氧反硝化分步骤繁琐的问题。

因此，为保证反硝化的顺利高效进行，需要投加外加碳源。目前脱氮外加碳源大多采用醇类、乙酸、葡萄糖等传统氮源，存在投加量大、运行成本高、易随水流流失的问题。为了避免投加传统甲醇、乙酸、葡萄糖等液体碳源的缺陷，当前又出现了以天然高分子聚合物（例如植物纤维素、植物淀粉）与人工合成的可生物降解聚合物（例如聚乳酸、聚已内酯、聚乙烯醇）复合的缓释碳材料，虽然和传统液体碳源或者单用天然高分子聚合物相比，当前复合的缓释碳材料的碳源释放受到了一定的控制，但是由于当前使用的天然高分子聚合物中易溶于水或易于分散在水中的部分占比很高，如植物秸秆中24.68%的有机碳极易溶于水，浸水后2天内即可全部释放到水中。因此，这种复合的缓释碳材料，其依然存在出水色度高、出水COD超标等二次污染的问题。此外，像植物秸秆这种长时间浸泡于水中会有明显松软、塌陷或破碎的缺点。

同时，传统的反硝化脱氮需要将好氧硝化与缺/厌氧反硝化单元分隔开，由不同的菌来完成，如污水处理厂常使用的A2O工艺,即厌氧-缺氧-好氧。而在自然水体原位修复中，无法做到污水处理厂这种严格的条件控制，因此反硝化氮效率也会极大的受到影响。且菌群都是自然驯化的，没有辅助强化反硝化脱氮能力更优异、适应温度范围较广的菌。

检索发现,公开号为CN114349281A的中国专利公开了低碳氮比污染水的脱氮除磷处理装置及水处理方法,将传统好氧硝化与厌氧反硝化分开,由不同的菌种分开实现,是因为好氧硝化菌为自养菌，需要减少碳源,营造碱性环境,厌氧反硝化菌为异养菌，需要增加碳源,营造弱碱性环境。该装置的生态处理室种植植物，用于吸收部分氮磷，同时曝气，营造好氧环境，促进好氧硝化菌的硝化作用；强化脱氮室采用沸石和贝壳粉的物理吸附；厌氧反硝化室营造弱碱性环境，促进厌氧反硝化在最佳的pH条件。同时，厌氧反硝化室中使用质量轻的生物碳与密度大的硅藻土交联，生物炭具有很好的吸附性和氧化性，将葡萄糖或者淀粉负载在生物碳的上面作为可利用的碳源。该专利更多的是关注脱氮除磷，而并不介意出水水质的COD含量，其出水COD均高于养殖尾水的排放标准，不适宜应用到养殖尾水净化中。而该专利为了提高脱氮除磷，采用葡萄糖和淀粉作为负载碳源，释放不易控制，容易形成短期碳源超量，因此该专利所处理原水的氮磷含量是极其高的，不适用于出水COD低的养殖尾水这种较低氮磷含量污染水体的处理。同时，由于葡萄糖和淀粉是自然界绝大部分菌群都可以利用的，而且是快速利用的碳源，不是只有厌氧反硝化菌可以利用，因此厌氧反硝化菌和其他厌氧菌碳源竞争压力较大。

公开号为CN114506919A的中国专利公开了一种高效净化复合生物填料及其制备方法，该方法也是将传统好氧硝化与厌氧反硝化分开，由不同的菌种分别实现。该专利将硅藻土陶粒与自然驯化的好氧生物活性污泥混合，直至微生物充分挂膜制成硅藻土生物陶粒，形成位于装置上层的好氧硝化菌群；在深度净化层添加包含石英砂、零价铁、活性炭、复合微生物菌剂以及多孔缓释性生物质碳源的复合生物填料，复合微生物菌剂采用人为添加的兼性厌氧反硝化脱氮除磷复合菌种制剂，菌种包括假单胞菌属、芽孢杆菌属和产碱杆菌属。该专利的多孔缓释性生物质碳源是以天然碳源玉米芯、稻壳、木屑或者玉米秸秆经过热碱法加工产生的多孔生物质固体碳源。植物秸秆中本身约四分之一的有机碳极易溶于水，热碱水溶液处理又进一步使约一半的不易降解的木质素分散在碱水中，这样的高色度高有机物的碱性废水如果不处理好，也会对环境造成极大的污染。且这种碱法处理后的植物秸秆长时间浸泡于水中，被微生物作用后，明显更易松软和破碎，且依然会残存难降解的物质，极易造成水流孔隙的堵塞。所使用的菌剂并未采用固定化的一些措施，很容易随水流而流失很多。且热碱法加工的这种秸秆，里面主要为纤维素、半纤维素以及残留的木质素，能以纤维素、半纤维素为碳源的菌在自然界也很广泛，这样添加的厌氧反硝化菌和其他厌氧菌之间碳源竞争压力较大。同时该专利只测定了水体中氨氮含量，而氨氮是水体氮存在的一种形式，也是生物脱氮中最容易去除的一种氮的形态，但它一部分有可能被生物直接利用掉，另一部分转化成其他形态的氮，仍然存在于水体中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提出一种复合缓释碳材料耦合好氧反硝化菌在水处理中的应用

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种裸藻基缓释碳材料耦合好氧反硝化菌，包括缓释碳载体和固定化的异养硝化-好氧反硝化菌，所述缓释碳载体由裸藻颗粒与聚己二酸丁二醇酯混匀后附着固定于弹性填料而形成，所述固定化的异养硝化-好氧反硝化菌由施氏假单胞菌和/或氧化微杆菌附着固定于弹性填料而形成。

上述技术方案中，裸藻是一种单细胞藻类，裸藻藻体的主要组分是血红裸藻(

聚己二酸丁二醇酯（PBA）具有优异的成型加工性能，不像聚乳酸和聚乙烯醇等材料长时间浸泡于水中会有明显松软或破碎的缺点。聚己二酸丁二醇酯既可以作为微生物附着的载体骨架，又能为特定反硝化菌提供碳源，有利于减少一部分其他好氧菌对碳源的消耗。而且，能够降解它的菌群范围又进一步缩小，有助于极大减少其他菌造成的碳源竞争压力。

相较于聚己二酸丁二醇酯，裸藻副淀粉更容易被菌分解利用，本发明通过PBA与裸藻的搭配，来协调碳的释放、碳的利用与好氧反硝化过程，以获得缓释碳载体较长的使用周期和较好的出水水质。

施氏假单胞菌(

氧化微杆菌 (

总之，本发明采用耐低温的异养硝化-好氧反硝化菌，使硝化和反硝化过程可以在异养和好氧条件下同时发生，且由同一个菌完成。同时采用的缓释碳载体由裸藻颗粒和聚己二酸丁二醇酯构成，其中裸藻富含副淀粉，副淀粉结构为致密的三股螺旋，导致其不溶于水；而且副淀粉结构为β-1,3糖苷链，有别于常见淀粉的直链α-1,4或支链α-1,6糖苷链，可作为具有β-1,3葡聚糖酶的反硝化菌的碳源，这样有利于减少一部分其他无β-1,3葡聚糖酶功能的好氧菌对碳源的消耗。另外，聚己二酸丁二醇酯作为缓释碳载体主体，不会因为长时间浸泡于水中出现明显松软或的破碎的缺点，而且能够降解它的菌群范围又进一步缩小，有助于极大减少其他菌造成的碳源竞争压力。

本发明进一步优化的技术方案如下：

进一步的，所述裸藻颗粒与聚己二酸丁二醇酯按照质量比1: 20～400混合均匀后附着固定于毛刷状的弹性填料；所述施氏假单胞菌和氧化微杆菌按照浓度比1～3:2～1混合均匀后附着固定于毛刷状的弹性填料。

进一步的，所述施氏假单胞菌为施氏假单胞菌(

本发明提供一种裸藻基缓释碳材料耦合好氧反硝化菌的制备方法，包括以下步骤：

第一步、制备缓释碳载体—裸藻粉末联合粘结剂的桥架作用制备出裸藻颗粒，裸藻颗粒与聚己二酸丁二醇酯混匀得到混合液，然后将毛刷状的弹性填料浸入混合液中进行附着，得到负载缓释碳材料的弹性填料；

第二步、制备固定化异养硝化-好氧反硝化菌—将施氏假单胞菌和/或氧化微杆菌加入到聚乙烯醇溶液中得到菌液，然后将毛刷状的弹性填料浸入菌液中，并向菌液中滴加饱和硼酸溶液，使得施氏假单胞菌和/或氧化微杆菌附着于弹性填料，得到负载固定化异养硝化-好氧反硝化菌的弹性填料；

第三步、将负载缓释碳材料的弹性填料与负载固定化异养硝化-好氧反硝化菌的弹性填料混合搭配，得到裸藻基缓释碳材料耦合好氧反硝化菌。

所述第一步中，收集裸藻藻体或纯培养的血红裸藻，烘干，研磨粉碎，过200目筛备用；配置4～6%的聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂；在混合造粒机中加入1kg裸藻粉末，通过高压喷嘴将粘结剂以雾状均匀喷出，形成粒径在0.3～2mm的裸藻颗粒，烘干后，过20目筛备用；将聚己二酸丁二醇酯（PBA）于75℃条件下熔融，按照质量比20：1～400：1将聚己二酸丁二醇酯与裸藻颗粒混匀得到混合液；将毛刷状的弹性填料浸入混合液中进行附着，20±5s后取出液面，室温下冷却固定成形。

所述第二步中，将聚乙烯醇（PVA）加热溶解于水中至终浓度大于6%后，冷却至低于40℃，得到聚乙烯醇溶液；将施氏假单胞菌和/或氧化微杆菌加入到聚乙烯醇溶液至菌液终浓度为1×10

上述技术方案中，施氏假单胞菌与氧化微杆菌的浓度比优选1～3:2～1。

进一步的，所述施氏假胞菌为施氏假胞菌(

本发明还提供一种裸藻基缓释碳材料耦合好氧反硝化菌在水处理中的应用。

上述裸藻基缓释碳材料耦合好氧反硝化菌在净化养殖尾水中的应用。

进一步的，将负载缓释碳材料的弹性填料与负载固定化异养硝化-好氧反硝化菌的弹性填料按照10:1的比例混合，悬挂于水面浮床支架的下面，浸没在养殖尾水中。

本发明将负载固定异养硝化-好氧反硝化菌的毛刷状弹性填料作为源源不断强化好氧反硝化菌的菌库，使得需要强化的菌不会因水流冲击而逐渐流失，而且本发明所用的两个菌具有较好的耐低温的性能。

本发明中未特殊说明的“%”是指重量百分比。

本发明有利于协调释碳速率与反硝化脱氮的过程，强化了适应温度范围较广的好氧反硝化菌，同时采用的两个菌在利用聚己二酸丁二醇酯和裸藻副淀粉方面具有优势，避免了其他好氧菌对碳源的过多利用；在处理低碳氮比的养殖尾水过程中，可获得较长的使用周期和较好的脱氮效果，并且不易出现出水COD超标的问题，有助于尾水达标排放。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明中施氏假单胞菌、氧化微杆菌以及施氏假单胞菌＋氧化微杆菌处理条件下PBA降解效果示意图。

图2为本发明中裸藻添加量对TN去除效果的影响示意图。

图3为本发明中反应器的结构示意图。

图4为本发明实施例1中养殖尾水COD处理效果示意图。

图5为本发明实施例1中养殖尾TN水处理效果示意图。

实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

本发明提供一种裸藻基缓释碳材料耦合好氧反硝化菌在净化养殖尾水中的应用，具体包括：

缓释碳载体的制备：收集裸藻藻体或纯培养的血红裸藻，烘干，研磨粉碎，过200目筛备用；配置4～6%的聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂；在混合造粒机中加入1kg裸藻粉末，通过高压喷嘴将粘结剂以雾状均匀喷出，形成粒径在0.3～2mm的裸藻颗粒，烘干后，过20目筛备用；将聚己二酸丁二醇酯（PBA）于75℃条件下熔融，按照聚己二酸丁二醇酯与裸藻颗粒20：1～400：1的质量比混匀，得到混合液；将PP材质的毛刷状的弹性填料（购自宜兴市联益环保有限公司）浸入混合液中进行附着，20±5s后取出液面，室温下冷却固定成形。

固定化异养硝化-好氧反硝化菌的制备：将聚乙烯醇（PVA）加热溶解于水中，至终浓度大于6%，冷却至低于40℃，得到聚乙烯醇溶液；将施氏假单胞菌和氧化微杆菌加入到聚乙烯醇溶液至菌液终浓度为1×10

将附着缓释碳载体的毛刷状弹性填料与负载固定化异养硝化-好氧反硝化菌的毛刷状弹性填料按照10:1的比例搭配，悬挂在各种类型水面浮床支架的下面，浸没在养殖尾水里。

本发明所用到的化学试剂及材料均为市购。

施氏假单胞菌(

氧化微杆菌 (

本发明中，施氏假单胞菌和氧化微杆菌协同作用有利于提高PBA的降解率。具体验证方法如下：以三角瓶为容器，采用间歇式摇瓶培养，在200ml反硝化培养液（其中NaCl 2.5g/L、 MgSO

本发明中，以裸藻和PBA作为碳源有助于在一定程度上加快TN（总氮）的去除效果。具体验证方法如下：以三角瓶为容器，采用摇瓶培养，在200ml 10%Hoagland培养液中，加入1.0 g PBA。菌株采用LB培养基无菌培养，离心收集，无菌水洗涤后加入，添加终浓度为施氏假胞菌(1.8×10

实施例1

将养殖尾水输送至反应器进行净化处理。如图3所示，反应器的主体为塑料材质的长方体，其有效容积为12L。反应器主体内设置附着缓释碳载体的毛刷状弹性填料与负载固定化异养硝化-好氧反硝化菌的毛刷状弹性填料，二者的填充总体积约为反应器有效容积的30%。反应器主体的底部配有曝气头，以维持DO大于3 mg/L，环境温度25℃。每日换水率为50%。结果显示，经过20天的启动期，系统运行稳定后，进水COD浓度82.53±1.98 mg/L，出水COD浓度8.80±2.11 mg/L；进水TN浓度8.19±0.13 mg/L，出水TN浓度1.56±0.17 mg/L（见图4和图5）。出水COD和TN符合淡水养殖尾水排放一级标准（COD≤ 15mg/L，TN≤ 3mg/L）。持续补充碳源时长超过60天。

实施例2

将养殖尾水输送至反应器中进行净化处理。如图3所示，反应器的主体为塑料材质的长方体，其有效容积为12L。反应器主体内设置附着缓释碳载体的毛刷状弹性填料与负载固定化异养硝化-好氧反硝化菌的毛刷状弹性填料，二者的填充总体积约为反应器有效容积的30%。反应器主体的底部配有曝气头，以维持DO大于3 mg/L，环境温度16℃。每日换水率为40%。结果显示，经过20天的启动期，系统运行稳定后，进水COD浓度84.34±1.94 mg/L，出水COD浓度9.32±2.20 mg/L；进水TN浓度8.01±0.15 mg/L，出水TN浓度1.87±0.12 mg/L。出水COD和TN符合淡水养殖尾水排放一级标准（COD≤ 15mg/L，TN≤ 3mg/L）。

实施例3

对反应器内的养殖尾水进行净化处理。如图3所示，反应器的主体为塑料材质的长方体，其有效容积为12L。反应器主体内设置附着缓释碳载体的毛刷状弹性填料与负载固定化异养硝化-好氧反硝化菌的毛刷状弹性填料，二者的填充总体积约为反应器有效容积的30%。反应器主体的底部配有曝气头，以维持DO大于3 mg/L，环境温度8℃。每日换水率为15%。结果显示，经过25天的启动期，系统运行稳定后，进水COD浓度83.72±2.18 mg/L，出水COD浓度17.41±1.25 mg/L；进水TN浓度8.23±0.15 mg/L，出水TN浓度1.79±0.11 mg/L。出水COD符合淡水养殖尾水排放二级标准（COD≤ 25mg/L），出水TN符合淡水养殖尾水排放一级标准（TN≤ 3mg/L）。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。