一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法
【专利摘要】一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，本发明属于给水处理技术领域，涉及N?酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子调控生物膜硝化作用快速启动的方法。本发明的目的是为了提供一种利用N?酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子调控生物膜硝化作用快速启动的方法，生物反应器的运行过程中水力停留时间为0.5?2.5h，溶解氧浓度高于2mg/L，生物反应器运行温度为5?30℃，给水处理填料为流化床轻质悬浮填料，其中生物反应器启动初期外源AHLs的初始浓度为0.1μmol/L?1.0μmol/L，进水中污染物氨氮浓度≤5mg/L，总有机碳浓度≤10mg/L；本发明方法通过加速生物膜的形成缩短了反应器的启动周期，调控硝化细菌的生长，促进其成为优势菌群，进而促进了水中氮的转移。
【专利说明】
一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法
技术领域
[0001] 本发明属于给水处理技术领域，涉及N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子调控 生物膜硝化作用快速启动的方法。
【背景技术】
[0002] 生物膜法处理目标污染物具有诸多显著的优点，包括生物量大、生物相丰富、去除 率高、反应器运行稳定等，因而在给水处理中得到广泛应用。然而，在目标污染物浓度相对 较低的情况下，填料表面生物膜难于在短时间内形成，反应器运行效能受到影响。另外，给 水处理中硝化细菌世代周期长，限制硝化作用的进程，不利于水中氮的转移。因此，如何实 现生物膜快速形成，以及水处理反应器，尤其是硝化反应器的快速高效运行是一个亟待解 决的热点问题。
[0003] 群体感应(Quorum sensing QS)是细菌密度达到一定阈值后，产生释放化学信号 分子，调控细菌行为，例如调控生物膜的形成过程，进而调控细菌适应周围环境变化。目前 已知3类信号分子，包括革兰氏阴性菌的N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子，革兰氏阳 性菌的小肽类信号分子，以及aut 〇indUcer-2(AI-2)信号分子，并且硝化细菌为革兰氏阴性 菌，其QS信号分子多为AHLs。反应器启动初期向体系内外源补充适量的AHLs，调控载体表面 生物膜的快速形成及硝化细菌的生理行为，促进反应器效能，尤其是硝化作用的快速实现。 利用群体感应系统的调控作用，为生物膜法去除目标污染物的快速实现提供了一种新的思 路。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了提供一种利用N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子调控 生物膜硝化作用快速启动的方法，即一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法。
[0005] -种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法：
[0006] 生物反应器的运行过程中水力停留时间为0.5-2.5h，溶解氧浓度高于2mg/L，生物 反应器运行温度为5-30Γ，给水处理填料为流化床轻质悬浮填料，其中生物反应器启动初 期外源AHLs的初始浓度为O.lymol/L-l.Oymol/L，所述外源AHLs的投加方式为直接加入生 物反应器内或者将外源AHLs负载到载体表面然后再将载体投加生物反应器内，进水中污染 物氨氮浓度< 5mg/L，总有机碳浓度< 10mg/L;
[0007] 所述外源AHLs为N-丁酰基高丝氨酸内酯（C4-HSL)、N-己酰基高丝氨酸内酯（C 6-HSL)、N-辛酰基高丝氨酸内酯(C8-HSL)、N-癸酰基高丝氨酸内酯(Ciq-HSL)、N-十二烷酰基高 丝氨酸内酯(C 12-HSL)及N-十四烷酰基高丝氨酸内酯(C14-HSL)中的一种或几种的组合。
[0008] 所述流化床轻质悬浮填料载体为聚乙烯塑料填料或聚丙烯塑料填料。
[0009] 所述溶解氧浓度为>2mg/L。
[0010] 所述外源AHLs的投加方式为直接加入生物反应器内的操作方法如下：
[0011] 将外源AHLs溶于Tris-HCl缓冲液中，再将配制好混合溶液投加于生物反应器内， 所述Tris-HCl缓冲液pH值为7.0。
[0012]所述将外源AHLs负载到载体表面的方法如下：
[0013]在30-90°C水浴的条件下，将PLA溶于二氯甲烷中，溶解时间为l-10h，然后冷却至 20-25°C，加入外源AHLs，得到混合溶液，外源AHLs投加量为在生物反应器启动初期的初始 浓度为〇. lMiol/L-l .Ομπιο?/L，将流化床轻质悬浮填料载体浸没于混合溶液中，并在通风的 条件下去除二氯甲烷，将外源AHLs与PLA沉积在流化床轻质悬浮填料载体的表面。
[0014] 所述混合溶液中PLA的质量浓度为0.01-0. lg/ml。
[0015] 本发明具有以下有益效果：
[0016] 本发明方法通过加速生物膜的形成缩短了反应器的启动周期，调控硝化细菌的生 长，促进其成为优势菌群，进而促进了水中氮的转移。
[0017] 本发明方法无需人工富集强化或外源添加功能菌及复合菌剂，操作流程简便，对 亚硝化细菌和硝化细菌的生长及其硝化功能均起到促进作用。本方法在常温、低温的启动 运行条件下均起到良好的促进作用。利用N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)调控了反应器载体上 生物膜的快速形成，通过调控生物膜上微生物种群的群体感应系统，促进硝化细菌成为优 势菌群，提高了反应器内氨氮的去除效能，缩短硝化作用的启动周期。由菌种鉴定结果可 知，添加了 AHLs的实验组增加了变形菌门（Proteobacteria)和硝化螺旋菌门 (Nitrospirae)的百分比，实验组硝化螺菌属(Nitrospira)的百分比较对照组高30 · 7 %，而 对于亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)，实验组的百分比则是对照组的2.2倍。研究表明，不 同种类的AHLs均对细菌种群产生了调控作用，同时促进硝化细菌成为优势菌群，达到了调 控生物膜快速形成的目的。
【附图说明】
[0018] 图1为实验一与对比实验对氨氮去除率的影响图，图中Λ表示实验一中投加外源 N-己酰基高丝氨酸内酯(C6-HSL)对氨氮去除率的影响图，表示对比实验中未投加外源N-己酰基高丝氨酸内酯(C 6-HSL)对氨氮去除率的影响图；
[0019] 图2为实验一与对比实验对硝化细菌的影响图，图中_表示实验一中加外源N-己酰 基高丝氨酸内酯(C6-HSL)对硝化细菌的影响图，默表示对比实验中未投加外源N-己酰基高 丝氨酸内酯(C 6-HSL)对硝化细菌的影响图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的 任意组合。
【具体实施方式】 [0021] 一：本实施方式中一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方 法：
[0022]生物反应器的运行过程中水力停留时间为0.5-2.5h，溶解氧浓度高于2mg/L，生物 反应器运行温度为5-30Γ，给水处理填料为流化床轻质悬浮填料，其中生物反应器启动初 期外源AHLs的初始浓度为0.1ym 〇l/L-1.0ym〇l/L，所述外源AHLs的投加方式为直接加入生 物反应器内或者将外源AHLs负载到载体表面然后再将载体投加生物反应器内，进水中污染 物氨氮浓度< 5mg/L，总有机碳浓度< 10mg/L;
[0023] 所述外源AHLs为N-丁酰基高丝氨酸内酯（C4-HSL)、N-己酰基高丝氨酸内酯（C6-HSL)、N-辛酰基高丝氨酸内酯(C 8-HSL)、N-癸酰基高丝氨酸内酯(C1Q-HSL)、N-十二烷酰基高 丝氨酸内酯(C12-HSL)及N-十四烷酰基高丝氨酸内酯(C14-HSL)中的一种或几种的组合。
[0024] 本实施方式中所述的外源AHLs为组合物的时候，个成份间为任意比。
【具体实施方式】 [0025] 二:本实施方式与一不同的是所述流化床轻质悬浮填 料载体为聚乙烯塑料填料或聚丙烯塑料填料。其它与一相同。
[0026]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二之一不同的是所述溶解氧浓 度为5_7mg/L。其它与【具体实施方式】一或二之一相同。
[0027]【具体实施方式】四：本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是所述外源AHLs 的投加方式为直接加入生物反应器内的操作方法如下：
[0028] 将外源AHLs溶于Tris-HCl缓冲液中，再将配制好混合溶液投加于生物反应器内， 所述Tris-HCl缓冲液pH值为7.0。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
【具体实施方式】 [0029] 五:本实施方式与一至四之一不同的是所述将外源 AHLs负载到载体表面的方法如下：
[0030] 在30-90°C水浴的条件下，将PLA溶于二氯甲烷中，溶解时间为l-10h，然后冷却至 20-25°C，加入外源AHLs，得到混合溶液，外源AHLs投加量为在生物反应器启动初期的初始 浓度为〇. lMiol/L-l .Ομπιο?/L，将流化床轻质悬浮填料载体浸没于混合溶液中，并在通风的 条件下去除二氯甲烷，将外源AHLs与PLA沉积在流化床轻质悬浮填料载体的表面。其它与具 体实施方式一至四之一相同。
【具体实施方式】 [0031] 六:本实施方式与一至五之一不同的是所述混合溶液 中PLA的质量浓度为0.01-0. lg/ml。其它与一至五之一相同。
【具体实施方式】 [0032] 七:本实施方式与一至六之一不同的是所述生物反应 器的运行过程中水力停留时间为〇. 5-2.5h。其它与一至六之一相同。
【具体实施方式】 [0033] 八:本实施方式与一至七之一不同的是所述生物反应 器运行温度为20_25°C。其它与一至七之一相同。
【具体实施方式】 [0034] 九:本实施方式与一至八之一不同的是所述生物反应 器启动初期外源AHLs的初始浓度为0.2-0.9ymol/L。其它与一至八之一相同。
【具体实施方式】 [0035]十：
[0036]本实施方式与【具体实施方式】一至九之一不同的是所述生物反应器启动初期外源 AHLs的初始浓度为0.3-0.8ymol/L。其它与【具体实施方式】一至九之一相同。
[0037]采用下述实验验证本发明效果：
[0038]实验一：
[0039]本实验一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法按下列步骤实现：
[0040] -、给水处理填料负载N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs):
[0041] 将2% (w/v)的聚乳酸(PLA)溶于100mL二氯甲烷中，得到浓度为2% (w/v)的聚乳酸 (PLA)二氯甲烷溶液，然后在60 °C水浴中加热5h至PLA完全溶解，然后将PLA溶液冷却至20-25°C，向此溶液中加入N-己酰基高丝氨酸内酯(C6-HSL),其投加量在生物反应器启动初期 的初始浓度为〇.5ymol/L。
[0042] 将填充生物反应器的流化床轻质悬浮填料置于IL烧杯中，然后将混有C6-HSL与 PLA的二氯甲烷溶液倒入烧杯内，快速搅拌流化床轻质悬浮填料以确保C6-HSL与PLA均匀地 负载于填料表面。将烧杯置于通风处24h用以去除填料表面易于挥发的二氯甲烷。
[0043]二、给水处理反应器的启动：
[0044]将负载有N-己酰基高丝氨酸内酯(C6-HSL)的流化床轻质悬浮填料填充于生物反 应器内，空气栗曝气保证溶解氧浓度为5-7mg/L，进水污染物浓度为微污染水源水或受污染 水源水的一般浓度范围，其中氨氮(NH 3-N)浓度彡5mg/L，总有机碳(TOC)浓度彡10mg/L，反 应器运行过程中温度范围为20-25°C。
[0045] 对比实验：
[0046] 对比实验与实验一不同之处在于，在生物反应器启动及运行过程中不添加外源N-己酰基高丝氨酸内酯(C 6-HSL),只在填料表面负载聚乳酸(PLA)作为添加 AHLs的空白对照。 [0047]本发明采用纳氏试剂法测定水中NH3-N的浓度，菌种鉴定及微生物种群分析采用 I Ilumina高通量测序法。
[0048]生物反应器启动过程中投加外源C6-HSL对氨氮去除效果的影响如图1所示。反应 器启动过程中投加外源C6-HSL对硝化细菌占总菌百分比的影响如图2所示。
[0049] 由图1可知，外源C6-HSL的投加提高了生物反应器启动过程中氨氮的去除率，在反 应器启动第1、6、10、11天，实验组氨氮去除率与对照组比较分别高出14.29%、15.72%、 15.65%、25%。第12天反应器进入稳定运行期，实验组保持稳定、高效的去除效果。由实验 结果可知，外源C 6-HSL的投加调控了生物膜硝化作用的快速启动，提高了反应器内氨氮的 去除效果，达到了缩短启动周期的有益效果。
[0050] 由图2可知，外源投加 C6-HSL对生物膜上菌群结构具有调控作用，作为硝化作用的 功能菌硝化螺菌属(附1：1'0 8卩；[抑)和亚硝化单胞菌属(附1：1'0 8011101^8)，〇6-1131^均促进其生 长，进而提高了硝化细菌占总菌的百分比，其中C6-HSL调控的实验组硝化螺菌属 (Nitrospira)的百分比较对照组高30·7%，而对于亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)，实验 组的百分比则是对照组的2.2倍。由实验结果可知，外源C 6-HSL的投加对于革兰氏阴性菌硝 化细菌的生长具有促进作用，说明该方法的提出为生物膜法去除目标污染物的快速启动提 供了新思路，对缩短硝化作用启动周期、促进给水处理中氮转移的快速实现具有重要意义。
【主权项】
1. 一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，其特征在于处理方法如下： 生物反应器的运行过程中水力停留时间为0.5-2.5h，溶解氧浓度高于2mg/L，生物反应 器运行温度为5-30°C，给水处理填料为流化床轻质悬浮填料，其中生物反应器启动初期外 源AHLs的初始浓度为O.lymol/L-l.Oymol/L，所述外源AHLs的投加方式为直接加入生物反 应器内或者将外源AHLs负载到载体表面然后再将载体投加生物反应器内，进水中污染物氨 氮浓度< 5mg/L，总有机碳浓度< I Omg/L; 所述外源AHLs为N-丁酰基高丝氨酸内酯、N-己酰基高丝氨酸内酯、N-辛酰基高丝氨酸 内酯、N-癸酰基高丝氨酸内酯、N-十二烷酰基高丝氨酸内酯及N-十四烷酰基高丝氨酸内酯 中的一种或几种的组合。2. 根据权利要求1所述一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，其特征在于 所述流化床轻质悬浮填料载体为聚乙烯塑料填料或聚丙烯塑料填料。3. 根据权利要求1所述一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，其特征在于 所述溶解氧浓度为5_7mg/L。4. 根据权利要求1所述一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，其特征在于 所述外源AHLs的投加方式为直接加入生物反应器内的操作方法如下： 将外源AHLs溶于Tris-HCl缓冲液中，再将配制好混合溶液投加于生物反应器内，所述 Tris-HCl缓冲液pH值为7.0。5. 根据权利要求1所述一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，其特征在于 所述将外源AHLs负载到载体表面的方法如下： 在30-90°C水浴的条件下，将PLA溶于二氯甲烷中，溶解时间为I-IOh，然后冷却至20-25 °C，加入外源AHLs，得到混合溶液，外源AHLs投加量为在生物反应器启动初期的初始浓度为 0. lymol/L-l .Ομπιο?/L，将流化床轻质悬浮填料载体浸没于混合溶液中，并在通风的条件下 去除二氯甲烷，将外源AHLs与PLA沉积在流化床轻质悬浮填料载体的表面。6. 根据权利要求5所述一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，其特征在于 所述混合溶液中PLA的质量浓度为0.01-0. lg/ml。7. 根据权利要求5所述一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，其特征在于 所述生物反应器的运行过程中水力停留时间为0.5-2.5h。8. 根据权利要求1所述一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，其特征在于 所述生物反应器运行温度为20-25 °C。9. 根据权利要求1所述一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，其特征在于 所述生物反应器启动初期外源AHLs的初始浓度为0.2-0.9ymol/L。10. 根据权利要求1所述一种调控生物膜硝化作用快速启动的水处理方法，其特征在于 所述生物反应器启动初期外源AHLs的初始浓度为0.3-0.8ymol/L。
【文档编号】C02F3/10GK105923744SQ201610457844
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】冯惠, 王威, 崔福义, 杜茂安, 张欣桐, 刘元仁
【申请人】哈尔滨工业大学