專利名稱：一種利用人工濕地實現(xiàn)厭氧氨氧化生物脫氮的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種利用人工濕地實現(xiàn)厭氧氨氧化的生物脫氮方法，主要指在人工濕地中如何快速高效地培養(yǎng)和富集高活性的厭氧氨氧化細(xì)菌，實現(xiàn)人工濕地中高效的厭氧氨氧化生物脫氮的方法。
背景技術(shù)：
氮在地球表層的循環(huán)轉(zhuǎn)化，是地球最基本和最重要的物質(zhì)循環(huán)之一。目前人類活動對氮循環(huán)的干擾影響極大地加速了地球表層環(huán)境的變化。自1911年世界第一個合成氨廠在德國建成以來，合成氨數(shù)量急劇上升，由人類活動引發(fā)的全球固氮量已超過自然作用的總和，約占全部固氮量的60%。據(jù)估算，目前全球氮循環(huán)中只有10-40%的氮是通過反硝化生成氮氣的形式排放，造成氮氣固氮和以氮氣排回大氣的嚴(yán)重不平衡。氮循環(huán)失衡造成嚴(yán)重氮素污染，導(dǎo)致氮大量沉積于水體、硝酸鹽進(jìn)入地下水。目前我國東部地區(qū)水體普遍氨氮、總氮超標(biāo)，湖泊水庫富營養(yǎng)化嚴(yán)重，魚類、貝類大規(guī)模死亡；同時大量的硝酸鹽進(jìn)入地下并在地下水中富集累積，導(dǎo)致亞硝酸鹽超標(biāo)嚴(yán)重危害人類的生存健康。氮循環(huán)失衡不僅對水環(huán)境產(chǎn)生不利影響，同時引發(fā)大量N2O的釋放，促進(jìn)了全球變暖的進(jìn)程。N2O是一種強力的溫室氣體，其全球增溫潛能(GWP)高，是CO2的296倍，在大氣中的存留時間長達(dá)120年，且對臭氧同溫層有嚴(yán)重破壞。據(jù)研究報道，目前大氣中N2O的急劇增長，對總的GWP的貢獻(xiàn)將來可能增加到10%。大氣中的隊0每增加一倍，將會使全球地表氣溫平均上升0.4°C。目前研究已探明，自然濕地的氮循環(huán)和人工濕地污水生物脫氮過程是陸地生態(tài)系統(tǒng)中N2O的重要釋放源。但是目前人們對于人工濕地脫氮過程還僅限于追求比較高的脫氮效率，對于產(chǎn)生大量N2O的負(fù)面環(huán)境影響還沒有引起足夠的重視。隨著城市化的進(jìn)程速度日益加快，人工濕地污水處理系統(tǒng)在廣大農(nóng)村和鄉(xiāng)鎮(zhèn)大面積的推廣應(yīng)用，氧化亞氮(N2O)的排放量將進(jìn)一步加大。因此亟待研發(fā)一種溫室氣體減排型的人工濕地高效生物脫氮技術(shù)。厭氧氨氧化是近十幾年生物脫氮和氮循環(huán)領(lǐng)域的國際研究亮點。厭氧氨氧化是在厭氧條件下由厭氧氨氧化菌以亞硝酸鹽作為電子受體將氨氮直接氧化為氮氣的過程，并完成封閉的循環(huán)，見反應(yīng)式(NH4++N02_ — N2)。由于其在氮循環(huán)過程中避免了 N2O的產(chǎn)生，因此受到國際社會的廣泛關(guān)注。人工濕地是利用基質(zhì)_微生物_植物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物獨特而復(fù)雜的凈化作用來實現(xiàn)對廢水的高效凈化。傳統(tǒng)人工濕地系統(tǒng)中氮的去除最主要的是通過濕地中微生物的硝化和反硝化作用，其中反硝化是產(chǎn)生N2O的主要過程。研究溫室氣體N2O減排型人工濕地高效生物脫氮技術(shù)，須建立一種以厭氧氨氧化為主要轉(zhuǎn)化途徑的人工濕地生物脫氮方法。但是因為厭氧氨氧化菌生長緩慢(倍增時間11天)，細(xì)胞產(chǎn)率極低，對環(huán)境條件敏感，富集培養(yǎng)困難，嚴(yán)重制約了厭氧氨氧化的工程應(yīng)用。而將厭氧氨氧化應(yīng)用于人工濕地這樣一個復(fù)雜的人工生態(tài)系統(tǒng)，難度非常大，而且國內(nèi)外沒有研究先例，無規(guī)律和經(jīng)驗可循。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種厭氧氨氧化生物脫氮的人工濕地。本發(fā)明提供的人工濕地的構(gòu)建方法包括如下在人工填料上間歇式進(jìn)水得到所述人工濕地；所述間歇式進(jìn)水步驟所用的水中的總氮濃度為144-43aiig/L。進(jìn)一步，上述水中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度如下1)或2): 1)氨態(tài)氮為100-300mg/L，硝態(tài)氮為16_48mg/L，亞硝態(tài)氮為；2)氨態(tài)氮為150mg/L，硝態(tài)氮為2%ig/L，亞硝態(tài)氮為42mg/L。具體地講，上述間歇式進(jìn)水步驟中，每次進(jìn)水4-12小時，優(yōu)選為6小時；每次出水4-12小時，優(yōu)選為6小時；水力停留時間為20-30小時，優(yōu)選是Mh ；水力負(fù)荷范圍為 14. 4-87. 6L/ (m2. d)。所述人工填料包括下層的人工基質(zhì)和鋪設(shè)在所述人工基質(zhì)上的土壤；所述人工基質(zhì)優(yōu)選是碎石，所述土壤優(yōu)選是由粘土、沙土和黑土混合而成的土壤。上述土壤鋪設(shè)的厚度可以為60-80cm ；優(yōu)選是70cm。所述粘土、沙土和黑土的質(zhì)量比為(8-10) (4-6) (5-7)，優(yōu)選的質(zhì)量比為 9:5:6;上述人工填料還包括活性污泥，所述活性污泥填埋在距所述土壤表面30-50cm處的土壤中；鋪設(shè)量為50-100kg/m2人工濕地；所述活性污泥的污泥齡為小于10天。上述人工填料可以僅有人工基質(zhì)、土壤和活性污泥組成。上述人工填料上種植有水生植物，所述水生植物優(yōu)選為挺水植物。上述的人工濕地在厭氧氨氧化生物脫氮處理中的應(yīng)用也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。在自然狀態(tài)下，濕地中的厭氧氨氧化反應(yīng)的底物亞硝酸鹽濃度很低，需要由氨氧化微生物(氨氧化細(xì)菌)來生成。但是厭氧氨氧化菌和氨氧化細(xì)菌又都以氨為共同的反應(yīng)底物和能量來源，因此，當(dāng)?shù)孜餄舛劝背蔀橄拗菩砸蜃拥那闆r下，厭氧氨氧化菌和氨氧化細(xì)菌就會發(fā)生底物競爭，而且厭氧氨氧化菌對底物氨的競爭能力低于氨氧化細(xì)菌，從而造成生長受到限制。相反在底物濃度不受限制的條件下，在氮通量較大的區(qū)域，就會發(fā)生比較顯著的厭氧氨氧化反應(yīng)。本發(fā)明是通過模擬自然濕地岸邊帶環(huán)境，采用間歇進(jìn)水在人工濕地中營造水土交接區(qū)，形成好氧/缺氧/厭氧變幅區(qū)域，產(chǎn)生多種氮化合物共存，營造適合厭氧氨氧化細(xì)菌生長的環(huán)境與條件，并形成與厭氧氨氧化菌及相關(guān)功能微生物的協(xié)同共生體系，同時通過增加進(jìn)水氮素濃度達(dá)到人工濕地中比較大的氮通量，成功在人工濕地中培養(yǎng)和富集厭氧氨氧化細(xì)菌，在人工濕地中實現(xiàn)以厭氧氨氧化為轉(zhuǎn)化途徑的生物脫氮方法。本發(fā)明方法可快速高效地培養(yǎng)和富集高活性的厭氧氨氧化細(xì)菌，實現(xiàn)人工濕地厭氧氨氧化生物脫氮，同時減少溫室氣體氧化亞氮隊0的排放，是一種既綠色環(huán)保又可高效地降低水體中氮素的含量的方法。實驗證明本發(fā)明的人工濕地中厭氧氨氧化細(xì)菌的活性為43. 16nmol N g—1 soiltT1，厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氮氣量占總生成量的42. 0-49. 3%，同時達(dá)到了 78-88%的氨氮、78-87%的硝酸鹽氮和74-85%的總氮去除率，脫氮效率高，本發(fā)明方法可廣泛用于含氮濃度高、有機物濃度低的高氨氮污水和再生水深度處理中。


圖1為厭氧氨氧化細(xì)菌PCR凝膠電泳圖(圖中A-I和A_2代表A人工濕地的兩塊土壤樣品，B-I和B-2代表B人工濕地的兩塊土壤樣品，marker是指DNA分子凝膠電泳時， 用來檢測瓊脂糖凝膠是否有問題，同時比對樣品DNA的片段長度；陰性對照是指不含DNA模板，以檢驗樣品是否被污染，防止出現(xiàn)假陽性結(jié)果)。圖2為厭氧氨氧化細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育樹，括號中的數(shù)字代表提交的GenBank序列號，分支節(jié)點上的數(shù)字表示每1000次bootstrap分析所支持的次數(shù)，線段表示序列差異的分支長度。圖3為人工濕地在不同水力負(fù)荷下氮素去除率。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。下述實施例中，如無特殊說明，均為常規(guī)方法。實施例1、構(gòu)建人工濕地與檢測分析一、人工濕地的構(gòu)建1、鋪設(shè)碎石和混合土壤構(gòu)建容積為IM3(200cmX50cmX 100cm)的垂直流人工濕地，將該人工濕地分為A、 B塊(均為0. 5M3)，其中A，B兩塊濕地中間用磚砌隔斷隔開，互不影響。構(gòu)建方法為在池的底部鋪設(shè)20cm厚的碎石，碎石的粒徑為l-3cm，接著在鋪設(shè)的碎石上鋪設(shè)70cm厚的混合土壤，混合土壤含量如表1所示，即粘土、沙土和黑土的質(zhì)量比為 9:5:6。表1、人工濕地中混合土壤含量配比表
混合土壤___黑土
質(zhì)量百分比(%)_45_25_30_2、添加活性污泥向A、B人工濕地的混合土壤中填埋活性污泥(北京市清河污水處理廠)，活性污泥可填埋在距人工濕地鋪設(shè)的混合土壤表面30cm-50cm處，本發(fā)明中活性污泥具體填埋在混合土壤表面下30cm處?；钚晕勰嗵砑恿繛?0kg/m2。取自非常普通的城市污水活性污泥處理廠-清河污水廠的好氧池泥水混合液(DO濃度為2. 0 士 0. 5mg/L)。清河污水廠采用Anaerobic/ Anoxic/Oxic生物脫氮除磷工藝同步進(jìn)行脫氮除磷，且常年保持良好運行工礦，COD去除率為92士3. 5%，氨氮去除率為93士3. 5%，總氮去除率85士3. 5%，總磷去除率為92士3. 5%。 污泥齡維持在8-10天。3、種植水生植物
分別向A、B兩塊人工濕地的混合土壤中種植蘆葦，蘆葦?shù)姆N植密度為10-12株/
2m 。4、進(jìn)水1)按照普通垂直流人工濕地方式運行。采用連續(xù)流方式向A塊人工濕地進(jìn)水，進(jìn)水量為300L/d，水力停留時間為48小時，每天進(jìn)水M小時，所用進(jìn)水是以無機鹽配置的進(jìn)水，氨氮用NH4Cl、(NH4)2SO4配制，硝酸鹽氮用KNO3配制，亞硝酸鹽氮用NaNO2配制，調(diào)節(jié)進(jìn)水PH為7，進(jìn)水的氮素濃度由表2所示。2)按照普通垂直流人工濕地方式運行。采用間歇式進(jìn)水的方式向B塊人工濕地進(jìn)水，每次進(jìn)水6小時，出水6小時，水力停留時間為Mh，水力負(fù)荷范圍為14. 4-87. 6L/(m2. d) (具體實驗時選取28. 6L/(m2. d))。所用進(jìn)水也是以無機鹽配置的，氨氮用NH4C1、(NH4)2SO4 配制，硝酸鹽氮用KNO3配制，亞硝酸鹽氮用NaNO2配制，調(diào)節(jié)進(jìn)水pH為7，進(jìn)水的氮素濃度由表2所示。至此，A、B兩塊人工濕地構(gòu)建完成，A、B兩塊人工濕地在進(jìn)行下述步驟二的檢測分析時是一直按照步驟4進(jìn)水方式運行的。表2、人工濕地進(jìn)水氮素濃度
權(quán)利要求
1.一種厭氧氨氧化生物脫氮的人工濕地，其構(gòu)建方法包括如下在人工填料上間歇式進(jìn)水得到所述人工濕地；所述間歇式進(jìn)水步驟所用的水中的總氮濃度為144-43aiig/L。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工濕地，其特征在于所述水中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度如下1)或2):1)氨態(tài)氮為100-300mg/L，硝態(tài)氮為16_48mg/L，亞硝態(tài)氮為；2)氨態(tài)氮為150mg/L，硝態(tài)氮為2%ig/L，亞硝態(tài)氮為42mg/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的人工濕地，其特征在于所述間歇式進(jìn)水步驟中，每次進(jìn)水4-12小時，優(yōu)選為6小時；每次出水4-12小時，優(yōu)選為6小時；水力停留時間為20-30小時，優(yōu)選是24h ；水力負(fù)荷范圍為14. 4-87. 6L/(m2· d)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的人工濕地，其特征在于所述人工填料包括下層的人工基質(zhì)和鋪設(shè)在所述人工基質(zhì)上的土壤；所述人工基質(zhì)優(yōu)選是碎石，所述土壤優(yōu)選是由粘土、沙土和黑土混合而成的土壤。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的人工濕地，其特征在于所述土壤鋪設(shè)的厚度為60-80cm；優(yōu)選是70cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的人工濕地，其特征在于所述粘土、沙土和黑土的質(zhì)量比為(8-10) (4-6) (5-7)，優(yōu)選的質(zhì)量比為 9 5 6。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一所述的人工濕地，其特征在于所述人工填料還包括活性污泥，所述活性污泥填埋在距所述土壤表面30-50cm處的土壤中；鋪設(shè)量為50-100kg/m2人工濕地；所述活性污泥的污泥齡為小于10天。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一所述的人工濕地，其特征在于所述人工填料上種植有水生植物，所述水生植物優(yōu)選為挺水植物。
9.權(quán)利要求1-8中任一所述的人工濕地在厭氧氨氧化生物脫氮處理中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用人工濕地實現(xiàn)厭氧氨氧化生物脫氮的方法。該方法是用本發(fā)明提供的人工濕地進(jìn)行的，該人工濕地的構(gòu)建方法包括如下在人工填料上間歇式進(jìn)水得到所述人工濕地；所述間歇式進(jìn)水步驟所用的水中的總氮濃度為144-432mg/L。實驗證明本發(fā)明的人工濕地中厭氧氨氧化細(xì)菌的活性為43.16nmol N g-1 soil h-1，厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氮氣量占總生成量的42.0-49.3％，同時達(dá)到了78-88％的氨氮、78-87％的硝酸鹽氮和74-85％的總氮去除率，脫氮效率高，本發(fā)明方法可廣泛用于含氮濃度高、有機物濃度低的高氨氮污水和再生水深度處理中。
文檔編號C02F3/28GK102464406SQ201010539899
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者馮曉娟, 祝貴兵, 范改娜 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心