| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202510034899.7 | 申请日 | 2025-01-09 |
| 公开(公告)号 | CN119750776A | 公开(公告)日 | 2025-04-04 |
| 申请人 | 中国科学院生态环境研究中心; | 申请人类型 | 科研院所 |
| 发明人 | 隋倩雯; 李佳蔚; 魏源送; | 第一发明人 | 隋倩雯 |
| 权利人 | 中国科学院生态环境研究中心 | 权利人类型 | 科研院所 |
| 当前权利人 | 中国科学院生态环境研究中心 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：北京市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：北京市海淀区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：北京市海淀区双清路18号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：100085 |
| 主IPC国际分类 | C02F3/28 | 所有IPC国际分类 | C02F3/28 ; C02F3/34 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 中科专利商标代理有限责任公司 | 专利代理人 | 樊晓; |
| 摘要 | 本 发明 提供了一种基于种间 电子 传递的污 水 处理 方法，属于 污水处理 技术领域。该基于种间电子传递的污水处理方法包括：将待处理污水通入污水处理装置，污水处理装置中包括 氨 氧 化细菌、固 碳 菌和 硫酸 盐 还原菌；厌氧条件下，在污水处理装置中，氨氧化细菌以待处理污水中氨氮为电子供体发生氧化反应，固碳菌以待处理污水中无机碳为电子受体发生还原反应，利用 硫酸盐 还原菌的种间电子传递能 力 将氨氧化细菌和固碳菌结合，以通过多菌种之间的代谢互作，对待处理污水进行脱氮，得到处理后的污水。 | ||
| 权利要求 | 1.一种基于种间电子传递的污水处理方法，包括： |
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| 说明书全文 | 基于种间电子传递的污水处理方法技术领域背景技术[0002] 污水生物脱氮是污水处理厂二级处理的重要工艺环节，通常利用硝化‑反硝化反应，通过曝气，促进氨氮氧化为硝酸盐氮，并利用进水碳源，发生反硝化反应，具有运行能耗大、处理成本高等问题，同时硝化、反硝化反应中产生大量温室气体，尤其氧化亚氮，是污水处理厂碳足迹的主要贡献者。 [0003] 传统厌氧氨氧化工艺可节约曝气能耗50‑60%，不需要有机碳源，是一种节能降耗的污水处理脱氮工艺，其以氨氮作为电子供体、亚硝酸盐作为电子受体，实现脱氮反应。亚硝酸盐的稳定获取是制约传统厌氧氨氧化反应的重要因素之一，基于短程硝化或部分反硝化反应实现亚硝酸盐积累近年来开展了大量研究，但仍存在运行不稳定、控制技术复杂等问题。 发明内容[0004] 针对上述技术问题，本发明提供了一种基于种间电子传递的污水处理方法，以期至少部分地解决上述技术问题，由此本发明提供的具体技术方案如下。 [0005] 根据本发明的实施例，提供了一种基于种间电子传递的污水处理方法，包括：将待处理污水通入污水处理装置，污水处理装置中包括氨氧化细菌、固碳菌和硫酸盐还原菌；厌氧条件下，在污水处理装置中，氨氧化细菌以待处理污水中氨氮为电子供体发生氧化反应，固碳菌以待处理污水中无机碳为电子受体发生还原反应，利用硫酸盐还原菌的种间电子传递能力将氨氧化细菌和固碳菌结合，以通过多菌种之间的代谢互作，对待处理污水进行脱氮，得到处理后的污水。 [0006] 在本发明实施例中，本发明提供的基于种间电子传递的污水处理方法，利用硫酸盐还原菌的种间电子传递能力，将氨氧化细菌和固碳菌结合，通过多菌种之间的代谢互作，进行污水处理，可处理无机废水，无需额外添加有机碳源，减少污水处理成本并降低运行能耗，节能减排，不需要曝气，节约能耗，脱氮速率较快，在污水处理过程中还可发生固碳反应，实现碳减排。附图说明 [0007] 图1为本发明一实施例中污水处理装置示意图； [0008] 图2为本发明实施例1中污水中氨氮测试结果图； [0009] 图3为本发明实施例1中污水中硝态氮测试结果图； [0010] 图4为本发明实施例1中污水中无机碳测试结果图。 [0011] 附图标记说明： [0012] 100—进水单元； [0013] 200—厌氧氨氧化反应器；201—进水泵；202—回流泵； [0014] 300—出水单元； [0015] 400—集气单元。 具体实施方式[0016] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。 [0017] 针对现有污水脱氮工艺高能耗、高运行成本、高碳排放等问题，本发明提出了一种基于种间电子传递的污水处理方法。 [0018] 种间电子传递（IET）是微生物之间的一种重要交互方式，它对地球生物化学循环和环境污染修复具有重大意义。直接种间电子传递（DIET）是一种新发现的微生物间电子传递途径，其电子传递效率高于传统的种间氢气/甲酸传递，为研究微生物互营现象提供了新的视角。微生物通过胞外电子传递（EET）过程，利用氧化还原蛋白、电子介体或纳米导线将胞内产生的电子转移到胞外电子受体或将电子由胞外电子供体传递至胞内，从而获得能量。这种电子传递过程不仅对微生物的能量代谢至关重要，而且在环境修复、生物燃料生产等方面有着广泛的应用潜力。某些硫酸盐还原菌（SRB），如Desulfovibrio，具有种间电子传递功能，其利用导电鞭毛（e‑pili）、细胞色素c（Cytc）实现胞外电子转移。 [0019] 基于此，本发明提供的一种基于种间电子传递的污水处理方法，利用硫酸盐还原菌（SRB）的胞外电子传递能力，以氨氮作为电子供体、无机碳作为电子受体，实现污水脱氮的反应过程，其中涉及氨氧化细菌、硫酸盐还原菌以及固碳细菌等多种细菌的代谢互作。该方法较硝化‑反硝化及传统厌氧氨氧化反应，无需曝气、无需有机碳源，发生生物固碳反应，节约能耗、化学药剂投入，并实现碳减排，有望使污水处理厂实现负碳排放。 [0020] 具体地，根据本发明的实施例，提供的一种基于种间电子传递的污水处理方法，包括：将待处理污水通入污水处理装置，污水处理装置中包括氨氧化细菌、固碳菌和硫酸盐还原菌；厌氧条件下，在污水处理装置中，氨氧化细菌以待处理污水中氨氮为电子供体发生氧化反应，固碳菌以待处理污水中无机碳为电子受体发生还原反应，利用硫酸盐还原菌的种间电子传递能力将氨氧化细菌和固碳菌结合，以通过多菌种之间的代谢互作，对待处理污水进行脱氮，得到处理后的污水。 [0021] 在本发明实施例中，本发明提供的基于种间电子传递的污水处理方法，利用硫酸盐还原菌的种间电子传递能力，将氨氧化细菌和固碳菌结合，通过多菌种之间的代谢互作，进行污水处理，可处理无机废水，无需额外添加有机碳源，减少污水处理成本并降低运行能耗，节能减排，不需要曝气，节约能耗，脱氮速率较快，在污水处理过程中还可发生固碳反应，实现碳减排。 [0022] 具体地，利用硫酸盐还原菌的种间电子传递能力将氨氧化细菌和固碳菌结合包括：硫酸盐还原菌利用固碳菌释放的有机碳和待处理污水中的硫酸盐进行增殖，同时硫酸盐还原菌发挥种间电子传递能力，使氧化反应和还原反应协同发生，实现氨氧化细菌、固碳菌和硫酸盐还原菌的多菌种互作。其中，硫酸盐还原菌发挥种间电子传递能力包括：通过硫酸盐还原菌的导电鞭毛和细胞色素c接收氨氧化细菌发生氧化反应释放的电子，并将电子传递至固碳菌用以发生还原反应。 [0023] 根据本发明的实施例，氨氧化细菌通过厌氧氨氧化污泥引入；硫酸盐还原菌由厌氧消化污泥引入；固碳菌由厌氧氨氧化污泥和厌氧消化污泥共同引入。通过在污水处理装置中引入不同污泥从而引入不同微生物。其中，引入氨氧化细菌将待处理污水中氨氮氧化为氮气；引入固碳菌将待处理污水中无机碳转化为细胞内的有机物质，并释放在污水中进一步被其他微生物利用进行增殖；引入硫酸盐还原菌可将待处理污水中硫酸盐还原为还原态硫化物（如硫离子或硫单质），促进硫元素的循环，同时发挥种间电子传递的能力，将电子在氨氧化细菌和固碳菌之间传递，促进待处理污水的脱氮氧化反应和固碳还原反应的协同发生。 [0024] 根据本发明的实施例，污水处理装置中厌氧氨氧化污泥和厌氧消化污泥的质量比为1:1，有助于维持污水处理装置中微生物群落的平衡。厌氧氨氧化污泥中的氨氧化细菌和部分固碳菌，与厌氧消化污泥中的硫酸盐还原菌和另一部分固碳菌能够相互协作。污水处理装置中总污泥浓度为5 7g/L，能够确保有足够数量的微生物来处理待处理污水中的污染~物。在这个浓度范围内，微生物与待处理污水中的污染物有足够的接触机会。如果污泥浓度过高，可能会引起污泥膨胀，导致污泥流失，影响待处理污水的处理效果。同时，过高的污泥浓度还可能造成处理装置的堵塞，增加设备维护成本。污水处理装置中总污泥龄为30 60d，~ 对于厌氧氨氧化细菌来说，其生长速度相对较慢。较长的污泥龄能够为它们提供足够的时间来生长和繁殖。对于硫酸盐还原菌，其生长也需要一定的时间来适应污水环境并发挥功能。合适的污泥龄可以让它们在装置内完成从适应期到对数生长期的过渡，充分利用待处理污水中的硫酸盐进行代谢活动，将硫酸盐还原为硫化氢。固碳菌同样受益于较长的污泥龄。它们利用无机碳合成有机碳化合物的过程相对复杂，需要时间来积累足够的能量和物质。进一步的，污水处理装置的进水水质和水量可能会出现波动。较长的污泥龄使得微生物群落有更强的适应性。 [0025] 根据本发明的实施例，污水处理装置中溶解氧溶度≤0.05mg/L。可采用氮气吹脱预处理，使反应器进水维持低溶解氧条件（溶解氧≤0.05mg/L）。氨氧化细菌是一类严格厌氧的微生物，高浓度的溶解氧会抑制它们的活性。当溶解氧浓度≤0.05mg/L时，能够为氨氧化细菌提供适宜的生存条件，使其能够正常地将氨氮转化为氮气。对于硫酸盐还原菌，低溶解氧环境有利于其增殖的发挥种间电子传递功能。对于固碳菌，在厌氧环境下可以利用二氧化碳或其他无机碳源进行生长，低溶解氧浓度可以保证它们在自己适宜的生态位发挥作用，从而促进整个微生物生态系统的稳定。污水处理装置中氧化还原电位维持在‑140 ‑~60mV。氧化还原电位是微生物活性的一个重要指标。通过监测和维持氧化还原电位，可以直观地了解污水处理装置中微生物的生长和代谢状态。如果氧化还原电位偏离这个范围，意味着微生物群落受到了干扰，例如受到有毒有害物质的冲击或者微生物之间的平衡被打破。此时，可以通过调节进水水质、添加营养物质等方式来恢复氧化还原电位，从而保证微生物的正常活性，维持污水处理装置的稳定运行。 [0026] 根据本发明的实施例，污水处理装置的水力停留时间为1 2d，保证有足够的时间~让微生物和污水充分接触并进行反应。对于污水中的有机物分解，无论是通过厌氧消化还是其他微生物的代谢活动，都需要一定的时间。氨氧化细菌、硫酸盐还原菌和固碳菌等微生物的代谢活动都有各自的时间尺度。这个时间范围可以匹配这些微生物的生长周期和代谢反应速率，使得微生物在污水处理装置内能够正常地进行生长、繁殖和代谢，不会因为水力停留时间过短而无法完成必要的反应，也不会因为过长而导致微生物在装置内过度生长或出现其他异常情况。污水处理装置的温度为28 30℃，这是许多参与污水处理的微生物的适~ 宜生长温度。对于厌氧氨氧化细菌，这个温度范围有利于维持其较高的酶活性。硫酸盐还原菌和固碳菌在这个温度区间内也能保持良好的生长状态。保持温度在28 30℃可以使污水~ 处理过程更加稳定。当温度在这个范围内时，微生物的生长和代谢速度相对稳定，不会因为温度的剧烈波动而出现微生物大量死亡或者活性急剧下降的情况。 [0027] 根据本发明的实施例，污水处理装置包括采用升流式工艺的厌氧氨氧化反应器；厌氧氨氧化反应器的进水口位于厌氧氨氧化反应器的底部，厌氧氨氧化反应器的出水口位于厌氧氨氧化反应器的顶部。待处理污水在厌氧氨氧化反应器中自下而上流动，这种流动方式能够提供较为稳定的水力条件。与其他流动方式相比，升流式可以减少水流的短路和死区现象，还可以防止污泥的流失。由于待处理污水是向上流动的，污泥在重力的作用下更容易沉降在厌氧氨氧化反应器底部。对于厌氧氨氧化反应器中的厌氧氨氧化污泥和厌氧消化污泥来说，这有助于维持厌氧氨氧化反应器内足够的生物量，从而保证待处理污水处理的效率。从底物（待处理污水中的污染物）的角度看，进水口位于底部可以使待处理污水中的氨氮、硫酸盐等污染物与微生物在反应器底部就开始接触。从产物的角度讲，升流式工艺有助于产物（如氮气、硫化氢等）的排出。厌氧氨氧化反应器出水口与出水单元连接，出水管液封于出水单元液面以下，能够有效阻止外界空气（含有氧气）进入厌氧氨氧化反应器。同时，这种液封方式可以防止厌氧氨氧化反应器内产生的有害气体（如硫化氢等）逸出到周围环境中。液封结构有助于稳定厌氧氨氧化反应器的水力条件，防止污水出现短路流现象（待处理污水未经处理直接排出）。 [0028] 根据本发明的实施例，厌氧氨氧化反应器设置有回流管道，用于回流厌氧氨氧化反应器内的待处理污水。进一步的，回流管道的回流比为400%～600％。较高的回流比可以使待处理污水中的氨氮与微生物有更多的接触机会。回流的污水中含有各种有机物和硫酸盐，这些物质在再次经过厌氧氨氧化反应器时，可以被微生物进一步分解和转化。较高的回流比有助于稳定厌氧氨氧化反应器内的水力条件。在污水处理过程中，水力条件的稳定对于微生物的生长和反应是非常重要的。回流的污水可以缓冲进水流量和水质的变化，防止厌氧氨氧化反应器内出现水力冲击。同时，通过回流，厌氧氨氧化反应器内的微生物生态系统可以保持相对稳定。在本发明的一些实施例中，厌氧氨氧化反应器采用连续流工艺，连续流工艺使得污水能够持续不断地进入厌氧氨氧化反应器，保证了处理过程的连贯性。与间歇式工艺相比，没有了频繁的启动和停止阶段，微生物可以一直处于相对稳定的工作状态。对于微生物来说，连续流工艺提供了一个相对稳定的生长环境。微生物的生长和代谢是一个持续的过程，连续流工艺可以保持底物（污水中的污染物）浓度、温度、氧化还原电位等环境因素的相对稳定。这种稳定的环境有利于微生物的驯化。在连续流的过程中，微生物可以逐渐适应污水中的污染物成分和浓度变化。 [0029] 图1为本发明一实施例中污水处理装置示意图。 [0030] 在本发明的一些实施例中，如图1所示，污水处理装置包括： [0031] 进水单元100，引入待处理污水； [0032] 厌氧氨氧化反应器200，待处理污水在其内发生脱氮固碳等反应； [0033] 出水单元300，厌氧氨氧化反应器内排出的污水进入出水单元300内； [0034] 集气单元400，厌氧氨氧化反应器内排出的气体进入集气单元400内； [0035] 进水泵201，用于将待处理污水从厌氧氨氧化反应器底部进水口泵入； [0036] 回流泵202，连接厌氧氨氧化反应器的顶部回流出水口与底部回流进水口，用于促进污泥与待处理污水的传质、接触与反应； [0037] 厌氧氨氧化反应器200采用升流式工艺，进水口位于底部，出水口位于顶部，同时厌氧氨氧化反应器200顶部和底部存在回流出水口和回流进水口，用于回流厌氧氨氧化反应器内的污水。 [0038] 在本发明的一些实施例中，在实验室实验阶段，设置待处理污水的NH4+:HCO3‑摩尔+ 2‑ +比为1:1~1:2；待处理污水的NH4 :SO4 摩尔比为2:1；待处理污水的NH4 ‑N浓度为100~ 400mg/L。 [0039] 以下通过实施例和相关测试实验来进一步说明本发明。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。而且，在不冲突的情况下，以下各实施例中的细节可以任意组合为其它可行实施例。以下实施例中所有的仪器、耗材和试剂等，如无特殊说明均可从商业途径获得。 [0040] 实施例1 [0041] 本实施例1通过图1所示的污水处理装置对污水进行了脱氮处理。 [0042] 利用进水泵将待处理污水从厌氧氨氧化反应器底部泵入，连续流厌氧氨氧化反应器设有回流，通过回流泵从反应器上部回到底部，通过生物反应脱氮，出水通过出水口进入出水箱。 [0043] 厌氧氨氧化反应器进水为配水，其中氨氮浓度在100‑200mg/L、NH4+:HCO3‑摩尔比‑ ‑为1:2、N/S摩尔比为2:1，进水不添加NO2和NO3，进水采用硫酸铵、碳酸氢钠、硫酸钠等药剂配置，并补充所需微量元素。厌氧氨氧化反应器控制水力停留时间（HRT）为2d，厌氧氨氧化反应器温度控制在28～30℃。进水经过氮气吹脱预处理，厌氧氨氧化反应器维持厌氧环境，溶解氧浓度（DO）控制在0.05mg/L以下，氧化还原电位（ORP）在‑140 ‑60mV，pH在7.4～7.9之~ 间。厌氧氨氧化反应器回流比为500%。厌氧氨氧化反应器内接种污泥为传统厌氧氨氧化污泥和厌氧消化污泥按照污泥质量比1:1配比的混合污泥，污泥龄为30d，接种后厌氧氨氧化反应器内污泥浓度为6 7g/L； ~ [0044] 图2为本发明实施例1中污水中氨氮测试结果图；图3为本发明实施例1中污水中硝态氮测试结果图；图4为本发明实施例1中污水中无机碳测试结果图。 [0045] 如图2所示，厌氧氨氧化反应器在15d后达到平衡，说明厌氧氨氧化反应的启动期3 为6 12d，稳定运行阶段氨氮去除速率能达到0.08 0.10 kgN/(m·d)，氨氮去除率达到85~ ‑ ~‑ ‑ ‑ ~ 95%。如图3所示，测试发现出水几乎不含有NO3和NO2，出水NO2‑N和NO3‑N浓度在0.1‑1mg/L 3 之间，表明N2是主要脱氮产物。如图4所示，无机碳（IC）的去除速率为0.6~0.9 kgC/(m·d)。 进出水氨氮去除量和无机碳去除量（ΔN/ΔC）摩尔比为1.0 1.3，证明无机碳是脱氮反应的~ 电子受体。 [0046] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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