一种基于纳米纤维碳源的超富集固相反硝化菌群的方法及其系统

技术领域

本发明涉及自然水体修复技术领域，尤其是涉及一种基于纳米纤维碳源的超富集固相反硝化菌群的方法及其系统。

背景技术

氮元素的面源污染加重水体的富营养化，使湖泊水质恶化并且危害人类健康，为此我国制定了严格的排放标准。常规的物理化学处理方法、污水处理厂的脱氮工艺本质上还是点源处理，他们造价高、设备复杂、药剂投加的二次污染都限制其对面源污染进行处理。而且面源污染水体中氮元素浓度较低、水量波动大、分布范围广，这些现实因素也决定了传统常规的污水处理厂方式不适用于面源污水脱氮。

近年来的研究表明最适用于面源污染水体脱氮的技术是固相反硝化。固相反硝化是利用固相碳源作为电子供体，以硝酸盐为电子受体，将其还原为氮气的过程。这一过程是由反硝化菌群完成的，因此为实现固相反硝化的高效率完成，对固相反硝化菌群的富集是必要的。

CN201910251288.2提供了一种富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的串联管式中空纤维膜装置及其方法，向进水罐(10)中加入悬浮态接种污泥，开启进水系统(Ⅱ)中的进水泵(11)，通过进水管(12)给串联反应器系统(Ⅰ)持续接种污泥，接种至串联管式中空纤维膜反应器(1)内的中空纤维膜束(4)表面附着一层污泥。

但是该技术的中空纤维膜束不提供碳源因而不具备释碳能力，而且不可生物降解，因此需外加液相碳源补给，这就造成了一定的药剂费用负担以及出水指标的额外负荷。该技术实质上是利用纤维上的微孔来截留菌群，纤维上的孔洞达到了微米级别，并不具备大比表面积，只是靠纤维束的外表面来附着菌群，容易膜污染导致使用效率低下，故无法实现菌群的超富集。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于纳米纤维碳源的超富集固相反硝化菌群的方法及其系统。本发明制备的固相碳源纳米纤维膜具有良好的生物可降解性，可持续稳定释放碳源为固相反硝化菌群提供电子；指数级倍增的孔隙率和比表面积又利于其作为微生物的附着载体；水流平行于纳米纤维膜，可有效削弱对生物膜的水力冲击并减少短流现象，从而实现固相反硝化菌群的超富集。

本发明的技术方案如下：

一种基于纳米纤维碳源的超富集固相反硝化菌群的方法，包括以下步骤：

S1、首先借助前置接种装置1对活性污泥进行固定：选用PHB/PBAT以不同比例进行物理共混，并利用静电纺丝方法制备成固相碳源纳米纤维膜，将固相碳源纳米纤维膜平铺于高效接种器2的孔板上，取二沉池活性污泥均匀涂布在固相碳源纳米纤维膜表面，借助真空抽滤方法对活性污泥进行初步固定与接种；

S2、将接种后的纳米纤维膜卷覆于支撑板9之上，并平行栅式间隔布置于核心富集区8，确保培养液与接种污泥的纳米纤维固相碳源充分接触；

S3、培养液借助进水泵6的提升，经进水缓冲区7均匀布水后，进入核心富集区8，水流方向与前述固相碳源纳米纤维膜及其负载的活性污泥平行，可避免短流现象并有效减少水流对生物膜的水力冲击，从而实现从活性污泥中对固相反硝化菌群的超富集。

进一步地，所述固相碳源纳米纤维膜的制备借助静电纺丝技术，选用PHB和PBAT以质量比1:1-5进行物理共混，溶剂选用体积比为1:1-10的DMF和三氯甲烷，在室温下混合均匀使其成为质量浓度为10％-15％的聚合物溶液，工作距离为20-25cm，工作电压为30-35KV，环境温度为25-30℃，环境湿度为40-45％RH，将固相碳源制成纳米纤维膜，纳米纤维直径为100nm-1um，孔隙率为80～90％。

优选的，步骤S1所述二沉池活性污泥为新鲜活性污泥，将其与培养液混合作为接种物，新鲜污泥和培养液的用量比例不限，可选1:1。将新鲜活性污泥按照10-50g/m

优选的，步骤S3所述的培养液包括25mg/L NaNO

上述步骤中，S1将固相碳源纳米纤维膜平铺于抽滤接种装置中，将二沉池污泥均匀涂布在固相碳源纳米纤维膜表面，并借助真空抽滤方法对活性污泥进行初步高效固定与接种；

S2将接种后的纳米纤维膜卷覆于支撑板之上，并平行栅式间隔布置于核心富集区，以确保培养液与接种污泥的纳米纤维固相碳源充分接触；

S3配制的培养液进入核心富集区后，水流方向与前述固相碳源纳米纤维膜及其负载的活性污泥平行，可避免短流现象并有效减少水流对生物膜的水力冲击，从而实现从活性污泥中对固相反硝化菌群的超富集。

本发明还提供了一种基于纳米纤维碳源的超富集固相反硝化菌群的系统，所述系统包括前置接种装置1，以及依次连接的进水池4、进水泵6、进水缓冲区7、核心富集区8、以及出水口10；

所述前置接种装置1包括高效接种器2及位于其底部的真空泵3；

所述进水池4通过进水泵6连接至所述进水缓冲区7；

所述核心富集区8中呈平行栅式间隔排布支撑板9。

所述高效接种器2上部为敞口的长方体，下部为倒四棱台形状，上部与下部以穿孔板11连接，下部底端出水管接至布氏漏斗12，布氏漏斗12与真空泵3用气管连接。

所述高效接种器2的穿孔板11穿孔分布密度为70％-90％，穿孔板长宽比为1-4:1，优选1:1。利用前置接种装置1接种时，真空泵3抽滤真空度维持为0.35bar-0.45bar。

所述进水缓冲区7长度与核心富集区8的长度之比1:15-20，进水缓冲区7后部设置一块垂直于水面的孔板5，其孔径为1-5mm。

核心富集区8有效容积为1.5-3L，核心富集区8高度为15-20cm，核心富集区内支撑板9间距为3mm-10mm，每张支撑板9的长度为20-35cm，每张支撑板9的厚度为2mm-5mm，核心富集区8内支撑板9的数量为4-10张。

核心富集区8采用水平流运行方式，水力停留时间为7-10小时，进水前的曝气时间为30-60分钟，整个系统的溶解氧保持在0.2-2mg/L。

本发明有益的技术效果在于：

1、本发明提供的利用固相碳源纳米纤维膜实现超富集固相反硝化菌群的反应系统，固相碳源纳米纤维的大比表面积和孔隙率为微生物的附着和生长提供有利条件，良好的生物可降解性以及纤维的高均匀度保证其持续释碳稳定，保证反应系统的碳源和电子供应。

2、本发明提供的利用固相碳源纳米纤维膜实现超富集固相反硝化菌群的反应系统，进水缓冲区可实现均匀布水，核心富集区中支撑板的平行栅式排布可有效避免短流现象，以提供良好的水力条件以实现从活性污泥中对反硝化菌群的超富集。

3、本发明将在前面接种过污泥的固相碳源纳米纤维膜(污泥+纤维膜)包裹在隔板上，平行栅式排布在后面的装置中，从而构成核心富集区，进水培养时纳米纤维膜作为菌群的唯一碳源，经培养后固相反硝化菌的特征菌较普通反硝化系统均有指数级倍增的效果，从而实现对固相反硝化菌群的超富集。

4、现有技术的其他方法制出的纤维膜尺寸跨度较大、不均匀，比表面积较静电纺丝技术制出的纳米纤维膜大幅降低，达不到“超富集”效果。而天然固相碳源大多为粉末、颗粒，他们的投加由于本身的形态以及释碳速率不稳定会造成二次污染的问题，导致出水中色度、浊度的问题；合成的生物可降解高聚物大多为颗粒状，释碳速率不稳定也造成了处理效果的欠佳。

以上所述的合成高聚物和天然固相碳源都受到比表面积的限制，他们的释碳效率不稳定，反应效率较低，所以无法实现“超富集”效果。而本发明使用静电纺丝技术制备的纳米纤维均匀度高，尺寸较均一，纤维直径在几百纳米到微米之间，纤维交联之后与细菌的大小吻合，更加有利于细菌的附着与利用。

附图说明

图1为本发明超富集反硝化菌群的反应系统的示意图；

图2为英文名称的固相反硝化菌群实现超富集效果的示意图；

图3为中文名称的固相反硝化菌群实现超富集效果的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明提供的基于纳米纤维碳源的超富集固相反硝化菌群的系统如图1所示，包括前置接种装置1，以及依次连接的进水池4、进水泵6、进水缓冲区7、核心富集区8、以及出水口10；

其中，所述前置接种装置1包括高效接种器2及位于其底部的真空泵3；所述进水池4通过进水泵6连接至所述进水缓冲区7；所述核心富集区8中呈平行栅式间隔排布支撑板9。

所述高效接种器2上部为敞口的长方体，下部为倒四棱台形状，上部与下部以穿孔板11连接，下部底端出水管接至布氏漏斗12，布氏漏斗12与真空泵3用气管连接。

所述高效接种器2的穿孔板11穿孔分布密度为70％-90％，穿孔板长宽比为1-4:1，优选1:1。利用前置接种装置1接种时，真空泵3抽滤真空度维持为0.35bar-0.45bar。

所述进水缓冲区7长度与核心富集区8的长度之比1:15-20，进水缓冲区7后部设置一块垂直于水面的孔板5，其孔径为1-5mm。

核心富集区8有效容积为1.5-3L，核心富集区8高度为15-20cm，核心富集区内支撑板9间距为3mm-10mm，每张支撑板9的长度为20-35cm，每张支撑板9的厚度为2mm-5mm，核心富集区8内支撑板9的数量为4-10张。

核心富集区8采用水平流运行方式，水力停留时间为7-10小时，进水前的曝气时间为30-60分钟，整个系统的溶解氧保持在0.2-2mg/L。

实施例2：

本发明提供的基于纳米纤维碳源的超富集固相反硝化菌群的方法为：

S1、首先借助前置接种装置1对活性污泥进行固定：选用PHB和PBAT以质量比为1:1进行物理共混，将DMF和三氯甲烷以体积比为1:1混合作为溶剂，在室温下混合均匀使其成为10％(wt/v)的聚合物溶液。静电纺丝的工作距离为20cm，工作电压为30KV，环境温度为25℃，环境湿度为40％RH，将固相碳源制成纳米纤维膜。选用的纳米纤维直径为500nm，孔隙率为80％。

将固相碳源纳米纤维膜平铺于高效接种器2的孔板上，将新鲜的二沉池污泥与培养液按照体积比为1：1混合作为接种物，按新鲜污泥的量为10g/m

S2、将接种后的纳米纤维膜卷覆于支撑板9之上，并平行栅式间隔布置于核心富集区8；其中，核心富集区8有效容积为2.5L，核心富集区8高度为20cm，核心富集区内支撑板间距为5mm，每张支撑板的长度为25cm，每张支撑板的厚度为3mm，支撑板数量为6张。

S3、培养液借助进水泵6的提升，经进水缓冲区7均匀布水后，进入核心富集区8，与接种污泥的纳米纤维固相碳源充分接触。其中，进水缓冲区7长度与核心富集区8的长度之比1:15，进水缓冲区7后部设置一块垂直于水面的孔板5，其孔径为2mm。

进水前的曝气时间为40分钟，整个系统的溶解氧保持在0.5mg/L。在水力停留时间为7h、温度为25℃的条件下培养7天，活性污泥中固相反硝化菌群达到了指数级超富集效果。

其中，培养液配方为25mg/L NaNO

对比例：

对照组control与实施例2的反硝化菌群的富集效果如图2和图3所示。其中，对照组control与实施例2的区别在于：

对照组control的固相碳源不利用静电纺丝方法，直接将PHB与PBAT颗粒以质量比为1:1进行物理共混投加至反应系统中，污泥的投加不进行前期的挂膜操作，取相同质量的污泥投加至反应系统，保证聚合物颗粒即固相碳源以及污泥质量与实施例2相等即可。与实施例2相比，对照组control直接利用高聚物的颗粒料，没有比表面积的优势。

从图2、3中可以看到，经实施例2培养后的固相反硝化菌的富集效果较普通反硝化系统均有指数级倍增的效果。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。