申请日2020.01.15
公开(公告)日2020.04.17
IPC分类号C02F3/12
摘要
本发明涉及一种污泥稳定运行领域，具体涉及一种定向调控好氧颗粒污泥稳定运行的方法领域。本发明的方法通过向好氧颗粒污泥反应器中周期性的加入外源AHLs信号分子，通过信号分子对微生物的直接调控，刺激微生物分泌EPS从而促进好氧颗粒污泥中微生物的聚集，提高好氧颗粒污泥的稳定性。本发明能调控好氧颗粒污泥的稳定性，解决了好氧颗粒污泥运行过程中稳定性差的问题。外源信号分子的投加使得微生物分泌EPS的含量迅速增加，使污泥污泥间斥力降低，凝聚性能提升进而使得微生物更易聚集，形成结构紧密的颗粒污泥。
权利要求书
1.一种定向调控好氧颗粒污泥稳定运行的方法，其特征是，
步骤1：接种污泥：取絮状活性污泥作为接种污泥，检测接种污泥中信号分子C4-HSL、C6-HSL、C10-HSL、C12-HSL、C14-HSL、3-oxo-C12-HSL，3-oxo-C14-HSL，将接种污泥添加至反应器内;
步骤2：通过进水泵将进水注入反应器内，反应器温度控制在30±1℃，水力停留时间为6小时，反应器按注水-曝气-沉降-排水顺序运行，每一个循环为一个周期，运行一个周期的时间为6 h，一个周期中进水5 min、曝气340 min、沉降10min、排水5 min，采用连续流进水方式，控制回流比为0.5;经过30 d的运行培养，使好氧颗粒污泥已达到成熟稳定时期;
步骤3：检测成熟稳定时期的好氧颗粒污泥中信号分子C4-HSL含量为、C6-HSL含量为、C10-HSL含量为、C12-HSL含量为、C14-HSL含量为、3-oxo-C12-HSL含量为，3-oxo-C14-HSL含量为;当信号分子浓度开始出现下降20%时投加信号分子;
步骤4：保持反应器运行条件不变，每间隔6小时，外源信号分子母液随进水进入反应器内，以使外源信号分子终浓度为100-1000nM，10 d运行，好氧颗粒污泥已经重新达到稳定状态。
2.根据权利要求1所述的一种定向调控好氧颗粒污泥稳定运行的方法，其特征是步骤4外源信号分子终浓度是100 nM。
3.根据权利要求1所述的一种定向调控好氧颗粒污泥稳定运行的方法，其特征是步骤5中外源信号分子终浓度是1000nM。
说明书
一种定向调控好氧颗粒污泥稳定运行的方法
技术领域
本发明涉及一种污泥稳定运行领域，具体涉及一种定向调控好氧颗粒污泥稳定运行的方法领域。
背景技术
好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge，AGS)是在好氧条件下，微生物通过自凝聚形成的微生物体聚团，其形成是一个包含物理，化学和生物作用的复杂过程，好氧颗粒污泥具有沉降性能好、耐容积负荷高、有机物去除率高等优点，在污水处理领域得到广泛关注。
好氧颗粒污泥在实际运行过程中存在稳定性差的问题，维持好氧颗粒污泥稳定运行的关键物质为胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)，EPS是微生物代谢过程中分泌产生包围在细胞壁外的聚合化合物，可改变微生物表面疏水性，促进微生物的聚集，主要由蛋白质(PN)及多糖(PS)组成，并且对好氧颗粒污泥聚集生长起主要作用的是PN。而好氧颗粒污泥的运行条件对EPS的分泌有很大影响，当培养条件稍有波动时EPS分泌量就会降低，使污泥表面疏水性降低，微生物细胞间静电斥力增加，凝聚性能下降，微生物由聚集变为松散，导致好氧颗粒污泥蓬松解体，沉降性能及降解性能下降，失去稳定性。这也使好氧颗粒污泥在实际工程中的应用与推广受到制约。
目前，关于提高好氧颗粒污泥稳定性方法的报道有改变运行工艺参数，如：改变水利剪切力：对好氧颗粒污泥稳定性有关键影响，但在不同反应器中，剪切力最佳适用范围也会相应改变。改变有机负荷：在2.5-19.5 kg/(m3·d)范围培养出好氧颗粒污泥，但不同有机负荷情况下，颗粒污泥的稳定性也呈现不同程度的差异。改变接种污泥：接种污泥中种群结构越丰富，颗粒污泥稳定性相对越好。以上三种方法缺少普适性，当运行条件改变时则不能确定具体准确的水力剪切力和有机负荷数值及接种污泥种类。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种定向调控好氧颗粒污泥稳定运行的方法。
本发明的方法通过向好氧颗粒污泥反应器中周期性的加入外源AHLs信号分子，通过信号分子对微生物的直接调控，刺激微生物分泌EPS从而促进好氧颗粒污泥中微生物的聚集，提高好氧颗粒污泥的稳定性。
本发明的技术方案如下：
(1)反应器运行过程中水力停留时间为6 h，温度控制在30±1℃，表面气体流速2.4 m/s、曝气量为0.32 m3/h，将絮状污泥接种至反应器内，待处理的废水通过进水泵从进水箱输送到反应器内，进行好氧颗粒污泥的初步培养，并在运行过程中检测污泥中C4-HSL、C6-HSL、C10-HSL、C12-HSL、C14-HSL、3-oxo-C12-HSL和3-oxo-C14-HSL的浓度。
(2)配制外源信号分子AHLs母液，所述外源信号分子AHLs纯度均为95%以上，其种类可为C4-HSL、C6-HSL、C10-HSL、C12-HSL、C14-HSL、3-oxo-C12-HSL和3-oxo-C14-HSL中的一种或几种，并在好氧颗粒污泥中一种或几种信号分子的浓度降低20%时开始投加。
说明：
步骤(1)中，反应器为自制SBAR反应器，由双层有机玻璃构成(柱体体积为5.0 L，外部管径约为8 cm，高约120 cm，内部管径约6 cm，高约90 cm);反应器按注水-曝气-沉降-排水顺序运行，运行期间，每次注水时间为5-8 min、曝气时间为329-347 min、沉降时间为5-15min、出水时间为3-8 min;接种污泥为啤酒废水处理厂二沉池中的絮状活性污泥，接种污泥的终浓度为7000-9000 mg/L;待处理废水为人工合成废水，以葡萄糖为碳源，添加微量元素1 mL/L。
步骤(2)中，要加入的外源信号分子种类根据如下条件确定：
在反应器运行过程中检测C4-HSL、C6-HSL、C10-HSL、C12-HSL、C14-HSL、3-oxo-C12-HSL和3-oxo-C14-HSL信号分子的浓度变化，当以上一种或几种信号分子中浓度下降20%时添加相应种类的信号分子。
步骤(2)中，外源信号分子AHLs的投加方式为随进水进入反应器内，外源信号分子AHLs溶于Tris-HCl缓冲液中，再将配制好混合溶液投加于进水箱内，所述Tris-HCl缓冲液pH值为7.0。
技术说明：
关键点1：信号分子的投加种类。
好氧颗粒污泥失稳过程中常伴随物质间信息交流减弱的现象。稳定性较差的好氧颗粒污泥结构松散，表面粗糙，沉降性能变差，其主要原因是微生物分泌的EPS含量降低，细胞外多糖及蛋白质含量降低，细胞间凝聚力下降，导致其不能相互黏附生长形成颗粒。
通过研究发现，当EPS含量发生改变时，某些微生物分泌的AHLs信号分子C4-HSL、C6-HSL、C10-HSL、C12-HSL、C14-HSL、3-oxo-C12-HSL和3-oxo-C14-HSL中一种或几种信号分子的含量也呈一定相关性的改变，由于信号分子与好氧颗粒污泥各种理化性质之间的关系不明了，因此能否确定AHLs信号分子C4-HSL、C6-HSL、C10-HSL、C12-HSL、C14-HSL、3-oxo-C12-HSL和3-oxo-C14-HSL中一种或几种信号分子可以调控指导微生物分泌EPS成为难点和关键点，以此为基础，只要选定已被报道的与细胞分泌EPS有关的一种或几种信号分子作为投加的信号分子即可，但是实际上，由于好氧颗粒污泥是一个微生物群落极其复杂的系统，以不同接种污泥培养的好氧颗粒污泥种群结构也是千差万别，例如有研究证明某种信号分子存在于以养殖场废水处理厂活性污泥为接种污泥培养的好氧颗粒污泥系统中，而在以某城市生活污水处理厂二沉池的活性污泥为接种污泥形成的好氧颗粒污泥系统中却并未检测出同种信号分子，因此要想选定一种适用于所有好氧颗粒污泥系统中的信号分子是几乎不可能的，本专利仅以啤酒废水处理厂二沉池的活性污泥为接种污泥培养的好氧颗粒污泥系统为例，在此系统中找出菌群分泌的一种或几种信号分子为开辟调控好氧颗粒污泥污泥的新方法提供了出路。
因此在选取投加外源信号分子种类时，需选取在好氧颗粒污泥培养过程中信号分子分泌量先增加后降低的种类，选取此类信号分子是由于其只在好氧颗粒污泥稳定期出现或稳定期分泌量明显增加说明此时此类信号分子对微生物起主要调控作用，使好氧颗粒污泥中微生物分泌EPS的量增加，进而保持好氧颗粒污泥的稳定性，保证其对好氧颗粒污泥中微生物的调控作用。
关键点2：信号分子的投加时间及投加量。
投加信号分子的作用就是在好氧颗粒污泥结构松散，沉降性能变差时，使其能发挥调控作用，已知每种信号分子对群体感应的作用在其分泌量达到阈值时才会起作用，且当好氧颗粒污泥稳定运行时，其细胞间的物质作用也一定是处于动态平衡的状态，即细胞分泌的某种信号分子的量是可以刺激微生物分泌EPS的量，因此此时若添加信号分子对系统的作用并不明显且浪费资源，但是好氧颗粒污泥何时失稳并无规律可循，因此并不能规定当好氧颗粒污泥系统运行至具体第多少天开始添加，且连续添加多少天可使其恢复稳定状态。
若不能仅是依据运行时间来选取投加时间，可考虑依据系统运行的状态判断，由此想到可以根据AHLs信号分子C4-HSL、C6-HSL、C10-HSL、C12-HSL、C14-HSL、3-oxo-C12-HSL和3-oxo-C14-HSL中一种或几种信号分子浓度开始出现下降或下降20%时投加。此时的好氧颗粒污泥虽稳定性有所下降，但对颗粒污泥本身性能的影响还没有达到最恶化的时期，因此在此时添加既对好氧颗粒污泥的性能没有较大影响，又能使好氧颗粒污泥在最短的时间恢复稳定的状态。
信号分子投加量的选取应确保在阈值范围内，每种信号分子有其特定的作用阈值范围，故应确保投加量在阈值范围内。通过理论可知在阈值范围内确定某个浓度的投加量可使好氧颗粒污泥系统恢复稳定状态，但在实际应用中，若选取阈值最低值可能效果显效慢，就会延长投加的时间，若选取阈值最高值，又可能出现虽能达到预期效果但大材小用的弊端，故选取适当投加量及投加时间应结合系统中的污泥浓度，优势种群种类及数量等实际情况。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用外源投加信号分子AHLs的方式，在好氧颗粒污泥不稳定时投加，使降解性能，沉降性能或凝聚性能降低的好氧颗粒污泥重新形成稳定的好氧颗粒污泥，其中降解性能方面，与未投加信号分子(即空白组)的好氧颗粒污泥相比，连续投加信号分子10 d后的好氧颗粒污泥COD去除率在90%以上，提高了20%左右，与空白组相比高出近40%，TP去除率在95%以上，提高了近30%，与未投加相比高出45%左右;凝聚性能方面，EPS含量达到140 mg/g，分泌量增加近30 mg/g，与未投加相比增加了50 mg/g左右;沉降性能方面，SVI值由50左右下降到30以下，与空白组相比减少了40多，说明此时的好氧颗粒污泥结构紧实，颗粒密度大。投加信号分子后的好氧颗粒污泥无论是降解性能，沉降性能还是凝聚性能都有快速的提高，且达到好氧颗粒污泥稳定时期的状态，因此本发明能调控好氧颗粒污泥的稳定性，解决了好氧颗粒污泥运行过程中稳定性差的问题。
(2)本发明采用投加外源投加信号分子AHLs的方式调控好氧颗粒污泥的稳定性，外源信号分子的投加使得微生物分泌EPS的含量迅速增加，使污泥的疏水性增加，污泥间斥力降低，凝聚性能提升进而使得微生物更易聚集，形成结构紧密的颗粒污泥。
(3)本发明中投加外源信号分子后，EPS含量的增加主要贡献者为蛋白质，即EPS含量增加时，多糖含量无明显变化，蛋白质含量增加趋势与EPS增加趋势相同，说明EPS中的蛋白质对污泥的疏水性及好氧颗粒污泥中微生物的聚集有促进作用。（发明人宋志伟;张晴;邓文婧;潘宇）
