一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法

技术领域

本发明涉及污水处理领域，更具体的，涉及一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法。

背景技术

目前，厌氧氨氧化(Anammox)技术以NO

晶核理论是厌氧颗粒形成的重要理论之一。科研人员通过加入羟基磷灰石促进厌氧氨氧化菌颗粒的形成，羟基磷灰石可以作为稳定的内核存在于颗粒中，但是加入的高浓度的磷酸盐离子对水体容易造成二次污染且不利于厌氧氨氧化菌的活性。而现有技术中，尚不存在一种区别于羟基磷灰石的能够促进厌氧氨氧化菌颗粒化的对于环境更为友好的方法。

另一方面，铁元素广泛分布于厌氧氨氧化菌中，对厌氧氨氧化菌细胞生长及血红素的形成具有重要作用。科研人员通过外源添加二价铁离子和三价铁离子，发现厌氧氨氧化反应器脱氮性能显著提升。铁基材料也被证实相较于非铁基材料对厌氧氨氧化颗粒形成的稳定性更有帮助。现有技术中，利用纳米磁铁矿和纳米零价铁可以显著促进厌氧氨氧化菌的团聚和颗粒化，但是存在纳米颗粒合成步骤繁琐、容易变质和效果不稳定的问题。

针对上述问题，亟需一种通过合适铁基材料强化氧氨氧化性能的方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法，通过向升流式厌氧污泥床反应器中添加微米级粒径的磁铁矿，以强化氧氨氧化性能。

本发明采用如下的技术方案。

本发明第一方面，涉及一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法，方法包括以下步骤：步骤1，启动升流式厌氧污泥床反应器并监测厌氧氨氧化菌的脱氮效果；步骤2，当厌氧氨氧化脱氮效果达到预设指标时，向升流式厌氧污泥床反应器中添加微米级粒径的磁铁矿，以实现对厌氧氨氧化菌的继续培养。

优选的，磁铁矿的粒径为10～20μm；并且，磁铁矿以1g/L的含量溶解于铵盐态氮、亚硝酸盐氮浓度分别为50mg/L的废水中。

优选的，升流式厌氧污泥床反应器的容积为5L；启动升流式厌氧污泥床反应器还包括：向升流式厌氧污泥床反应器中接种预先驯化的VSS为1000-1100mg/L的厌氧氨氧化污泥，通入铵盐态氮、亚硝酸盐氮浓度分别为50mg/L的废水，并吹扫体积比为95％氮气、5％二氧化碳的混合气体。

优选的，预设指标为升流式厌氧污泥床反应器的启动时长、升流式厌氧污泥床反应器的脱氮效能指标。

优选的，预设指标为升流式厌氧污泥床反应器的启动达到14天或升流式厌氧污泥床反应器中的氨氮去除率达到90％。

优选的，优先调节废水中铵盐态氮、亚硝酸盐氮的浓度，随之调节反应器的水力停留时间；当反应器的启动时间达到90天后，将废水中铵盐态氮、亚硝酸盐氮的浓度调整至200mg/L，水力停留时间调整至12小时。

优选的，方法还包括：采用对照组，添加与磁铁矿等浓度的硫酸亚铁以替代微米级粒径的磁铁矿，从而实现对厌氧氨氧化菌的培养。

优选的，方法还包括：当结束对厌氧氨氧化菌的培养后，将厌氧氨氧化污泥置于厌氧状态下进行振荡，并在每隔1～2小时后对污泥进行取样，以及采用0.45μm滤膜过滤后的上清液以进行三氮测定。

优选的，方法还包括：在1.53的折射率下采用激光衍射粒度分析仪对第0天、第57天、第71天和第95天的污泥中菌群的粒径进行测量。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法，能够通过向升流式厌氧污泥床反应器中添加微米级粒径的磁铁矿，以强化厌氧氨氧化菌的氨氧化性能。从测试结果中看出，本发明方法进一步提高厌氧氨氧化菌的活性、保持反应稳定性并且促进颗粒化。

本发明通过在UASB反应器中投加微米级磁铁矿，菌群分泌大量胞外聚合物，胞外聚合物和铁核使得菌群的粒径增大，厌氧氨氧化活性提高了39％。本发明工艺简单，可行性高，材料易于购买，且对环境无毒无害，便于污水处理工程上的应用。

附图说明

图1为本发明一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法中反应装置示意图；

附图标记：

1-出水桶，

2-升流式厌氧污泥床反应器，

3-进水泵，

4-进水桶，

5-回流泵，

6-循环泵，

7-水浴锅；

图2为本发明一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法中厌氧氨氧化污泥中氮素去除过程的示意图；

图3为本发明一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法中对照组、实验组的菌群微观结构示意图；

图4为本发明一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法中对照组、实验组的菌群分泌EPS过程的示意图；

图5为本发明一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法中对照组、实验组的菌群结构和氮循环功能基因在整个样品中的变化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，根据本发明中记载的实施例而获得的所有其它本发明中未记载的实施例，都应当属于本发明的保护范围。

本发明涉及一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法，方法包括步骤1和步骤2。

步骤1，启动升流式厌氧污泥床反应器并监测厌氧氨氧化菌的脱氮效果。

需要说明的是，本发明提供的方法，通过运行升流式厌氧污泥床(UASB，Up-flowAnaerobic Sludge Bed/Blanket)反应器和投加微米级磁铁矿，提高了厌氧氨氧化菌的脱氮性能。

图1为本发明一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法中反应装置示意图。如图1所示，反应器工作时，污水经过均匀布水进入反应器底部，污水自下而上地通过厌氧污泥床反应器。在反应器的底部可以设置有一个高浓度、高活性的污泥层，通过设置在反应器上部的三相分离器，能够完成气、液、固三相的分离。

优选的，升流式厌氧污泥床反应器的容积为5L；启动升流式厌氧污泥床反应器还包括：向升流式厌氧污泥床反应器中接种预先驯化的VSS为1000-1100mg/L的厌氧氨氧化污泥，通入铵盐态氮、亚硝酸盐氮浓度分别为50mg/L的废水，并吹扫体积比为95％氮气、5％二氧化碳的混合气体。

本发明采用图1中的方式实现污泥中厌氧氨氧化菌的培养过程。反应器始终在37±1℃的温度下进行，用水浴锅来控制反应器温度的稳定，同时保持反应器的pH维持在7.5-8.0之间，整个过程在避光条件下进行培养。

步骤2，当厌氧氨氧化脱氮效果达到预设指标时，向升流式厌氧污泥床反应器中添加微米级粒径的磁铁矿，以实现对厌氧氨氧化菌的继续培养。

优选的，预设指标为升流式厌氧污泥床反应器的启动时长、升流式厌氧污泥床反应器的脱氮效能指标。

根据升流式厌氧污泥床反应器对于厌氧氨氧化污泥的通常培养方式，可以选择在污泥中脱氮效果保持较为稳定的情况下进一步添加磁铁矿。这里的启动时长可以根据经验进行设置。当然，本发明也支持采用各类客观指标来实现脱单效能的评估。例如，可以采用现有技术中的纳氏分光光度法对于铵盐态氮的含量进行测定，也可以N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法对亚硝酸盐氮的含量进行测定等等。

本发明一实施例中，预设指标为升流式厌氧污泥床反应器的启动达到14天或升流式厌氧污泥床反应器中的氨氮去除率达到90％。在此基础上，向升流式厌氧污泥床反应器中添加微米级粒径的磁铁矿，同时联合调整并不断的调整进水氮素浓度、反应器水力停留时间等指标。

优选的，方法还包括：采用对照组，添加与磁铁矿等浓度的硫酸亚铁以替代微米级粒径的磁铁矿，从而实现对厌氧氨氧化菌的培养。

本发明中，为了观测微米级磁铁矿在厌氧氨氧化性能强化方面的优异特性，选用了对照组。并且，为了消除铁元素本身对厌氧氨氧化菌富集作用的影响，本发明也在对照组中添加了浓度相同的硫酸亚铁。

具体来说，磁铁矿的粒径为10～20μm；并且，磁铁矿以1g/L的含量溶解于铵盐态氮、亚硝酸盐氮浓度分别为50mg/L的废水中。

本发明中所采用的具有最优的菌群聚合效果的磁铁矿的粒径在10～20μm之间。另外，本发明参考了现有技术中的内容，选用了以1g/L的含量的磁铁矿，以使得总氮去除率在40天后维持在95％以上。

需要说明的是，厌氧氨氧化细胞的大小在0.8-1.2μm之间，纳米磁铁矿可以附着于厌氧氨氧化菌群表面来促进厌氧氨氧化菌群的颗粒化。而不同于纳米级的磁铁矿，本发明中，则证实微米级的磁铁矿可以作为厌氧氨氧化菌的内核，0.8-1.2μm大小的厌氧氨氧化菌可以吸附于磁铁矿的表面，这一过程就能够充分的促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的形成，同时充分规避了纳米材料的不稳定性。

现有技术中，45～75μm的磁铁矿作为载体，运行SBR(Sequencing Batch ReactorActivated Sludge Process，序列间歇式活性污泥法)反应器，发现磁铁矿促进了厌氧氨氧化菌的颗粒化，但在提高性能上没有显著作用。100μm的磁铁矿在运行3次以后对厌氧氨氧化活性仅提高了5.9％，甚至有时是抑制作用。

为此，本发明中合理的改进了所选用的磁铁矿的粒径。本发明一实施例中，该磁铁矿材料来自于北京贝洛生物科技有限公司，该磁铁矿原料易于购买，成本较低，且对环境无毒无害。通过合理选取反应过程中的各项指标，本发明中以10-20μm的磁铁矿作为核心，实现了对厌氧氨氧化污泥中厌氧氨氧化菌群的聚集，促进了菌群分泌大量的胞外聚合物和污泥颗粒粒径的增大。加入磁铁矿后，厌氧氨氧化污泥在厌氧氨氧化反应过程中所需要的酶活性被相对提高，经过测试发现，总氮去除率提高了39％。

优选的，优先调节废水中铵盐态氮、亚硝酸盐氮的浓度，随之调节反应器的水力停留时间；当反应器的启动时间达到90天后，将废水中铵盐态氮、亚硝酸盐氮的浓度调整至200mg/L，水力停留时间调整至12小时。

在本发明方法中，添加磁铁矿前后，随着菌群的富集程度，方法还可以根据试验的进程实时的对废水中铵盐态氮、亚硝酸盐氮的浓度、反应器中的水力停留时间进行调节。当反应器的启动时间达到试验快要结束的90天至95天之间时，则可以进一步的调高铵盐态氮、亚硝酸盐氮的浓度，并进一步的缩短水力停留时间。

优选的，方法还包括：当结束对厌氧氨氧化菌的培养后，将厌氧氨氧化污泥置于厌氧状态下进行振荡，并在每隔1～2小时后对污泥进行取样，以及采用0.45μm滤膜过滤污泥以对过滤后获得的上清液进行三氮测定。

需要说明的是，本发明中三氮测定的方法是通过将试验结束后培养的湿污泥从反应器中取出后实现的。具体来说，可以分别在混合均匀的R1和R2反应器均匀称取4g湿污泥进行活性测试。活性实验在500mL的血清瓶中进行，接种NH

图2为本发明一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法中厌氧氨氧化污泥中氮素去除过程的示意图。如图2所示，在5小时的时间内对照组R1、实验组R2中各类含氮成分的含量均有所变化。(a)中NH

优选的，方法还包括：在1.53的折射率下采用激光衍射粒度分析仪对第0天、第57天、第71天和第95天的污泥中菌群的粒径进行测量。

本发明一实施例中，采用的激光衍射粒度分析仪为马尔文Mastersizer3000。表1中对不同试验阶段下的厌氧氨氧化污泥粒径的大小进行了记录。如表1所示，表中列出了不同试验阶段下对照组、试验组的污泥粒径的相关指标。这里的Dx(10)、Dx(50)和Dx(90)分别表征测量样品中累积粒度分布数分别达到10％、50％和90％时所对应的粒径大小。从表1中可以发现，R2试验组的厌氧氨氧化污泥粒径均大于R1对照组，其中，在Dx(90)上相差最为明显。例如在第95天的样品中，R2组的Dx(90)达到了420μm。考虑粒径分布的离散度，本发明中采用公式

表1厌氧氨氧化污泥粒径表

本发明一实施例中，针对这一试验所获取的污泥颗粒，采用扫描电子显微镜结合能量色散型X射线光谱仪对污泥中菌群的元素组分进行标定，其中，铁元素占比达到12.64％。

在反应器运行第95天时分别从R1和R2的反应器中取出厌氧氨氧化污泥，采用扫描电子显微镜结合能量色散型X射线检测器(SEM-EDS，Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive Spectroscopy)对菌群的微观结构进行表征并确定元素组分和分布。

图3为本发明一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法中对照组、实验组的菌群微观结构示意图。如图3所示，R2反应器中的厌氧氨氧化污泥比R1呈现出更好的颗粒化，表面更加坚硬，形状更加规则。本发明分别在100μm和10μm的尺度上观测污泥，以及其中铁元素、碳元素和氧元素的分布情况。可以清晰的观测到，R1污泥中铁元素的分布情况十分均匀，主要是因为进水基质中添加的FeSO

需要说明的是，本发明中，在R2污泥则可以明显的观察到污泥颗粒的内部存在着10-20μm大小的磁铁矿核，元素分析结果显示铁元素的占比能够达到12.64％。通过微米量级磁铁矿核的聚集作用，R2污泥中厌氧氨氧化菌实现了菌群的聚集，从而展现出更好的颗粒化特征。

本发明另一实施例中，在R1、R2试验的进程中，每隔10到15天可以从反应器中取出污泥，并利用热提法提取污泥的胞外聚合物(EPS，Extracellular PolymericSubstances)。试验过程中，每个样品组的生物学重复设置为3个。提取出的胞外聚合物，采用BCA试剂盒测定蛋白(Proteins，PN)含量，采用蒽酮-硫酸法测定多糖(Polysacides，PS)含量。

图4为本发明一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法中对照组、实验组的菌群分泌EPS过程的示意图。如图4所示，R2组中胞外蛋白的含量在0至71天内逐步上升，并在71天达到峰值，达到355.6±35.1mg/g TPN(Total Protein，总蛋白)，随后缓慢下降，高于R1组24.5％。而R1组中蛋白浓度则在85天左右达到峰值，且相对低于R2。类似的，R2中多糖含量在71天达到峰值，达到146.1±22.4mg/g TPN(Total Protein，总蛋白)，高于R1组63.4％。在85至95天时实验组和对照组的多糖和蛋白含量均显著下降，其中多糖的下降程度更为显著。

另外，蛋白质多糖的含量比在试验过程中逐步上升，并在第85天左右达到峰值，随后逐步降低。需要说明的是，在R1组中，这一个比率呈现出明显的波动，峰值达到25左右，而在R2组中，这一比率的峰值在10以内。此外，在反应器运行过程中大多数点显示对照组的PN/PS要显著高于对照组，且在95天时高出了56％。

污泥中总的胞外聚合物浓度也在71天达到峰值随后缓慢降低。在71天时，R2组的EPS总浓度为500mg/L左右，明显高于R1组的380mg/L左右。可见，R2组以微米粒径磁铁矿为核，确保了菌群胞外聚合物的均衡、稳定、充分的生成。

本发明在一实施例中，还运用宏基因组学技术进一步解释了厌氧氨氧化污泥在磁铁矿存在的条件下活性更高的原因。在反应器运行95天后，在R1和R2反应器中分别均匀的取0.5g的厌氧氨氧化污泥，并运用

在测序数据处理过程中，可以首先将测序获得的原始序列修剪成纯净序列，并用Sickle软件进行质控保留下质量分数超过20％或序列长度大于等于50bp的序列，随后使用IDBA-UD软件将高质量碱基组装成重叠群(Contig)和已知顺序的重叠群(Scaffold)。使用MataBAT(v0.32.5)将碱基进行基因组拼接，其中，可以采用宏基因组分箱工具Check M(v.1.0.7)来实现拼接后的bin的完整度和污染率的分析，保留完整度≥70％的bin和污染率≤10％的bin。使用Phylosift(v1.0.1)对物种进行鉴定，并用Prodigal(v.2.6.3)进行开放阅读框(ORF，Open Reading Frame)预测，此外，使用Diamand软件对蛋白文件进行KEGG、ncbi-nr等更详细精确的功能注释和物种鉴定。

其中，氮功能基因是根据Ncyc_100数据库进行比对获取的。在获取过程中，可以设置blastP的筛选阈值为1e-5。基因丰度使用BBmap软件，通过计算得到基因组覆盖度，如每百万reads中来自于某基因每千碱基长度的reads数(RPKM，Reads Per Kilobase perMillion mapped reads)。相对丰度是用整个样本的RPKM的和进行归一化获得的。

结果表明，2个样品的宏基因组数据在去除冗余后一共得到37个bin。图5为本发明一种以磁铁矿为核的强化厌氧氨氧化性能的方法中对照组、实验组的菌群结构和氮循环功能基因在整个样品中的变化图。如图5所示，(a)为经过ncbi-nr物种鉴定后获得的R1与R2中按门进行分类的菌群分布情况。(b)为按属进行分类的菌群结构分布，从图中可知，同属于anammox菌，也即是厌氧氨氧化菌的Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia的相对丰度分别从R1中的34.5％和1.65％增加至了36.6％和2.29％。微米铁粒子核充分的增强了厌氧氨氧化菌的活性。

(c)为氮循环功能的基因变化图，比对中的基因包括hzo、hdh、hzsB、nirK和nirS。其中，hzsB负责从氨和一氧化氮生产肼，hzo和hdh负责将肼氧化成氮，nirK和nirS负责将亚硝氮还原为一氧化氮。从图中可知，hzsB在R2中的占比较R1提升14％，hzo和hdh则略有提升，分别增加3.9％和5.5％，nirK和nirS相较于R1分别提高了4.5％和33.6％。可见，本发明有效激活了厌氧氨氧化反应过程中所需的酶，提高了厌氧氨氧化反应的活性。

本发明通过在UASB反应器中投加微米级磁铁矿，菌群分泌大量胞外聚合物，胞外聚合物和铁核使得菌群的粒径增大，厌氧氨氧化活性提高了39％。本发明工艺简单，可行性高，材料易于购买，且对环境无毒无害，便于污水处理工程上的应用。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。