一种在污水生物处理过程中快速启动微生物颗粒化的方法.pdf

本文公开了一种加快好氧颗粒生长的方法，所述方法包括步骤：将下述物质添加到活性污泥中：(a)一种或多种聚集信号化合物或其前体，和/或(b)破碎的好氧颗粒状生物质；其中：(ⅰ)所述一种或多种聚集信号化合物的量与从好氧颗粒状生物质中能够提取出来的量相等，为活性污泥中预计的总干生物质的大约1wt％到大约10wt％；并且(ⅱ)破碎的好氧颗粒状生物质的量是活性污泥中预计的总干生物质的大约1wt％到大约10wt％。

权利要求书
1.  一种加快好氧颗粒生长的方法，包括步骤：将下述物质添加到活性污泥中：
(a)一种或多种聚集信号化合物或其前体；和/或
(b)破碎的好氧颗粒状生物质；
其中，
(ⅰ)所述一种或多种聚集信号化合物的量与从好氧颗粒状生物质中提取出来的量相等，为活性污泥中预计的总干生物质的大约1wt％到大约10wt％；并且
(ⅱ)所述破碎的好氧颗粒状生物质的量为活性污泥中预计的总干生物质的大约1wt％到大约10wt％。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中，当所述方法使用一种或多种聚集信号化合物时，所述化合物选自由胞外脱氧核糖核酸、酰基高丝氨酸内酯和自诱导物-2构成的组中的一种或多种。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中，当所述方法使用聚集信号化合物的前体时，所述前体为二羟基-2,3-乙酰基丙酮。

4.  根据权利要求1或2所述的方法，其中，当所述方法使用一种一种或多种聚集信号化合物时，所述方法进一步包括步骤：从好氧颗粒状生物质中提取所述一种或多种聚集信号化合物。

5.  根据权利要求4所述的方法，其中，通过下述过程从所述好氧颗粒状生物质中提取所述一种或多种聚集信号化合物：
(a)使所述好氧颗粒状生物质悬浮于液体中以生成混合物；
(b)均质化所述混合物，可选地，通过声波降解法均质化所述混合物；
(c)浓缩所述混合物中的生物质，可选地，通过离心法浓缩所述混合物中的生物质；然后
(d)将所述混合物分离为生物质和包括所述一种或多种聚集信号化合物的液体。

6.  根据权利要求5所述的方法，其中，包括所述一种或多种聚集信号化合物的液体被直接添加到所述活性污泥中，或者在被添加到所述活性污泥中之前储存于-20℃或-20℃以下至少3个月。

7.  根据权利要求5或6所述的方法，其中，在权利要求5的步骤(a)之前，通过浓缩包含液体和所述好氧颗粒状生物质的母液中的所述好氧颗粒状生物质，然后将所述好氧颗粒状生物质与所述液体相分 离，从含有所述母液的增殖反应器中获取所述好氧颗粒状生物质，可选地，其中浓缩步骤包括离心所述母液。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中，所述增殖反应器为序批式反应器，可选地，其中所述增殖反应器的体积为所述活性污泥的体积的大约1％到10％。

9.  根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述增殖反应器初始包括前体活性污泥，然后在高选择压条件下操作所述增殖反应器以生成包含液体和所述好氧颗粒状生物质的母液。

10.  根据权利要求9所述的方法，其中，所述高选择压条件包括2到30分钟的沉淀时间和/或高剪切力。

11.  根据权利要求10所述的方法，其中，所述前体活性污泥进一步包括高疏水性的自聚集微生物物种。

12.  根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，当所述方法使用破碎的好氧颗粒状生物质时，通过获取好氧颗粒状生物质然后将其机械破碎，制备所述破碎的好氧颗粒状生物质，可选地，通过使用机械打碎机或搅拌器实现所述机械破碎。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中，在将所述破碎的好氧颗粒状生物质添加到所述活性污泥中之前，使所述破碎的好氧颗粒状生物质悬浮于液体中，然后进行均质化，可选地通过声波降解法进行均质化，可选地，其中通过去除所述液体来浓缩所述破碎的好氧颗粒状生物质。

14.  根据权利要求12或13所述的方法，其中，通过如下步骤获得所述好氧颗粒状生物质：母液包括液体和所述需氧颗粒状生物质，浓缩所述母液中的所述需氧颗粒状生物质；将所述好氧颗粒状生物质与所述液体相分离；从包含所述母液的增殖反应器中获取所述好氧颗粒状生物质，可选地，所述浓缩步骤包括离心所述母液。

15.  根据权利要求14所述的方法，其中，所述增殖反应器为序批式反应器，可选地，其中所述增殖反应器的体积为所述活性污泥的体积的大约1％到10％。

16.  根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述增殖反应器初始包括前体活性污泥，然后在高选择压条件下操作所述增殖反应器以生成包含液体和所述好氧颗粒状生物质的母液。

17.  根据权利要求16所述的方法，其中，所述高选择压条件包括 2到30分钟的沉淀时间和/或高剪切力。

18.  根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述前体活性污泥进一步包括高疏水性的自聚集微生物物种。

19.  根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述活性污泥包含在污水反应器中。

20.  根据权利要求19所述的方法，其中，所述污水反应器为序批式反应器或膜生物反应器。

21.  根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述活性污泥为絮状活性污泥。

说明书一种在污水生物处理过程中快速启动微生物颗粒化的方法
发明背景
本说明书中在先公开的文件的列出和讨论并不必然地看作是承认该文件为现有技术或公知常识的一部分。
好氧颗粒(aerobic granule)是一种特别的微生物团聚，已经被报道用于有效地处理各种类型的污水，其优势为具有卓越的稳定性、高生物质浓度以及由此产生的较高的系统负荷率。好氧颗粒从絮状污泥生长至紧密结合的聚集体、颗粒状污泥，最后到成熟的好氧颗粒。然而，还未充分地解释在好氧颗粒化过程的连续阶段中所涉及的精确机制。好氧颗粒的相当长的启动期和不稳定性阻碍了它在污水处理中的广泛应用。
微生物聚集的开启与群体大小和生物质密度密切相关。细菌的群体感应(QS)能力通过分泌并检测信号分子起作用，然后通过细胞密度进行调节。当信号分子的浓度达到阈值水平，细菌在全体群体规模上对基因表达和同步行为共同地作出响应。因此，为了启动微生物聚集，第一步将会是通过外部机械力和适当的操作条件提高生物质密度。用于启动颗粒化过程的操作策略已被确定为选择压，包括水力剪切力、高负荷和沉淀时间。然而，还不能够在典型地发现于污水反应器中的的规模和条件下可再生产地形成这些好氧颗粒。考虑到这点，QS的当前应用典型地集中在促进或防止生物膜形成。
已经描述了能够介导QS系统的信号分子，例如高丝氨酸内酯(AHL)、寡肽和自诱导物-2(Autoinducer-2，AI-2)。特别是，已经连同生物膜的形成研究了AHL介导的QS系统。已经证明了AHL-介导的QS对于调控胞外聚合物(EPS)和胞外DNA(eDNA)的基因表达是重要的，它们是形成生物膜的必要成分。自诱导物-2(AI-2)也是一种已知的革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都分泌的通用信号分子，在生物膜形成期间介导QS。
QS和eDNA的功能在纯培养中是众所周知的，且在充分可控的条件下是简单的混合物种的细菌群落。然而，在诸如活性污泥系统的自然和工程环境中使用QS和eDNA仍是最大的挑战之一，其中在活性污泥系统中许多不同类型的物种连同不定时发生的物理和化学干扰一起共存。对于污水处理和水再利用，当前有用的信息、或者QS在实际的多物种 培养中的作用是有限的。
发明内容
本发明一方面提供了一种加快好氧颗粒生长的方法，包括步骤：将下述物质添加到活性污泥中：
(a)一种或多种聚集信号化合物或其前体；和/或
(b)破碎的好氧颗粒状生物质，
其中：
(ⅰ)所述一种或多种聚集信号化合物的量与从好氧颗粒状生物质中提取出来的量相等，为活性污泥中预计的总干生物质的大约1wt％到大约10wt％；且
(ⅱ)所述破碎的好氧颗粒状生物质的量为活性污泥中预计的总干生物质的大约1wt％到大约10wt％。
在本发明实施例中，当所述方法使用一种或多种聚集信号化合物时，所述化合物选自由胞外核糖核酸、酰基高丝氨酸内酯和自诱导物-2构成的组中的一种或多种。
在本发明进一步实施例中，当所述方法使用聚集信号化合物的前体时，所述前体为二羟基-2，3-乙酰基丙酮。
在本发明又一实施例中，当所述方法使用一种或多种聚集信号化合物时，所述方法可以进一步包括步骤：从好氧颗粒状生物质中提取所述一种或多种聚集信号化合物。例如，可以通过下述过程从所述好氧颗粒状生物质中提取所述一种或多种聚集信号化合物：
(a)使所述好氧颗粒状生物质悬浮于液体中以生成混合物；
(b)均质化所述混合物，可选地，通过声波降解法均质化所述混合物；
(c)浓缩混合物中的生物质，可选地，通过离心法浓缩混合物中的生物质；然后
(d)将所述混合物分离为生物质和包括所述一种或多种聚集信号化合物的液体，可选地，其中包括所述一种或多种聚集信号化合物的液体直接添加到活性污泥中，或者在添加到活性污泥中之前储存于-20℃或-20℃以下至少3个月(例如6个月、1年、2年)。
在本发明又一实施例中，在上述步骤(a)之前可以为，通过浓缩包 含液体和所述好氧颗粒状生物质的母液中的所述好氧颗粒状生物质，然后将所述好氧颗粒状生物质与液体相分离，从含有所述母液的增殖反应器中获取所述好氧颗粒状生物质，可选地，其中所述浓缩步骤包括离心所述母液。例如，所述增殖反应器可以是序批式反应器，可选地，其中所述增殖反应器的体积为所述活性污泥体积的1％到10％。
在本发明进一步实施例中，增殖反应器初始可能包括前体活性污泥，然后在高选择压条件下操作以生成包含液体和所述好氧颗粒状生物质的母液。例如，高选择压条件可以包括2到30分钟的沉淀时间和/或高剪切力，可选地，其中所述前体活性污泥进一步包括高疏水性的自聚集微生物物种。
在本发明又一实施例中，当方法使用破碎的好氧颗粒状生物质时，可以通过获得(或提供)好氧颗粒状生物质然后将其机械破碎，制备所述破碎的好氧颗粒状生物质，可选地，通过使用机械打碎机或搅拌器实现机械破碎。例如，在将破碎的好氧颗粒状生物质加入到活性污泥中之前，使破碎的好氧颗粒状生物质悬浮于液体中，然后进行均质化，可选地通过声波降解法进行均质化，可选地，其中通过去除液体来浓缩所述破碎的好氧颗粒状生物质。
在另一实施例中，可以通过如下步骤获得(或提供)所述好氧颗粒状生物质：母液包括液体和好氧颗粒状生物质，浓缩母液中的好氧颗粒状生物质；将好氧颗粒状生物质与液体相分离；从包含母液的增殖反应器中获取好氧颗粒状生物质，其中可选地，浓缩步骤包括离心所述母液。例如，所述增殖反应器可以是序批式反应器，可选地，其中所述增殖反应器的体积为活性污泥体积的1％到10％。
在进一步实施例中，增殖反应器初始包括前体活性污泥，然后在高选择压条件下操作以生成包括液体和所述好氧颗粒状生物质的母液。例如，高选择压条件可以包括2到30分钟的沉淀时间和/或高剪切力，可选地，所述前体活性污泥可以进一步包括高疏水性的自聚集微生物物种。
在另一实施例中，活性污泥包含在污水反应器中，可选地，其中所述污水反应器为序批式反应器或膜生物反应器。
在又一实施例中，活性污泥为絮状活性污泥。
附图
本发明现将借助于下述附图在下文进行进一步的详细描述。
图1在污水处理反应器中加快好氧颗粒生长的方法的示意图；
图2示出了通过添加AI-2加强细胞运动的曲线图；
图3在暴露于或未暴露于AI-2的基质上的微生物定殖/聚集的生长；
图4悬浮的活性污泥和好氧颗粒中的AI-2；
图5悬浮的活性污泥和好氧颗粒中的AHL；
图6悬浮的活性污泥和好氧颗粒中的eDNA。
说明
可以认为，在更好的理解了与颗粒化有关的细胞通讯的情况下，将有可能去控制颗粒的形成以及成熟过程。
本文描述了处理步骤，可以采用这些处理步骤使人们能够以可重复的方式在污水处理设备中加快好氧颗粒的形成过程。将会利用水力剪切力、高负荷以及沉淀时间与细胞密度、群体感应和颗粒化过程的开启之间的相关性。
QS和生物膜之间的关系的全面理解将能够使操作者出于不同的终极目的更好地控制微生物聚集的生长，即促进或抑制这样的微生物聚集体的形成。
本文所述方法利用了QS生物学和eDNA以调节絮状活性污泥中的微生物颗粒的生长。所述方法建立了用于生成信号分子的系统及这些信号分子在包含活性污泥的污水反应器中快速启动颗粒化过程的应用。所述方法将工程操作参数与过程放大和微生物活性联系在一起，并勾勒出微生物颗粒的结构性构造、QS信号表达和eDNA之间的相关性。本文所述颗粒状生物质和/或信号定量方法在颗粒化过程期间将QS信号配置到EPS的直接表达。
整个方法包括：
(1)使用操作策略和具体的反应器配置以增加微生物细胞密度；
(2)鉴定信号分子和eDNA；
(3)提取和/或添加好氧颗粒状生物质和/或信号；然后
(4)使用所述颗粒状生物质和/或信号类型(例如，信号分子)，和/或eDNA以及用量，以开启好氧颗粒的形成(例如，在原尺寸的无水处理反应器中)。
可以理解的是，为了实现所需的加快好氧颗粒的形成，最后一步是所有必要所在。
本文所公开的方法基本上包括将所鉴定的QS信号和eDNA外源添加到活性污泥系统中，以便极大地加快导致颗粒化的团聚过程。与传统过程相比，所述方法允许颗粒化过程在时间上减少了高达80％。这将显著地缩短整个过程的启动期，并因此将有助于减少操作成本。当发生颗粒分解或者污泥沉淀 不佳时，所述方法还可以用于对其进行修复，因此提供了更好的长期系统稳定性和过程回收率。
首先在较小的增殖反应器中培养颗粒状生物质，所述增值反应器能够在高选择压条件下操作。也就是有利于好氧颗粒的形成的条件。在增殖反应器中生长的颗粒状生物质将用作信号分子(例如AHL和AI-2)和eDNA的来源，如图1所示，信号分子和eDNA用于在污水处理反应器中促进生物质的颗粒化。
(a)增殖反应器：增殖反应器可以是小型序批式反应器(SBR)，体积达到污水处理反应器的10％。所述增殖反应器可以在短于惯例的较短的沉淀时间下(例如，2到30分钟)操作，这已被证明是好氧颗粒化的最有效的选择压。还可以通过用高疏水性的自聚集微生物物种增大培养来实现增殖反应器中颗粒状生物质的快速形成。可以通过停止空气供应和所有的机械混合设备来实现较短的沉淀时间。
(b)污水处理反应器：可以是SBR或者是膜生物反应器配置(MBR)，与传统系统相比，这些反应器在2-30分钟的短沉淀时间和/或高水力剪切力下操作，高水力剪切力折合为表面上升流的空气速率为0.3-3.6cm/s。在将颗粒状生物质和/或信号定量加入到SBR或MBR中之前，污泥的良好的沉降能力是必要的以促进团聚。
(c)鉴定并量化信号分子和eDNA：通过质谱(MS)提取并鉴定由增殖反应器中所培养的微生物菌群原位生成的酰基高丝氨酸内酯(AHL)和AI-2，然后通过MS/MS以及生物分析法进行确定并量化。在颗粒化过程的不同阶段通过微生物群落产生的AHL被预期从C4变动到C14。使用AI-2预报器——哈维氏弧菌(Vibrio harveyi)BB170可以检测并量化AI-2。通过使用PicoGreen dsDNA量化试剂盒可以提取并测量从增殖反应器中引进的颗粒状生物质中的eDNA。可以理解的是，这样的检测对于操作所述过程是不必要的。然而，这样的检测能够用于量化信号分子和eDNA的量。
(d)将信号分子传递到污水处理反应器的方法(图1)：
方法1-定量所提取的信号分子和eDNA
浓缩(例如，离心)来自增殖反应器的颗粒状生物质。将所获取的生物质再悬浮于新鲜水中，然后使用诸如声波降解法的物理方法进行均质化。均质化的生物质进一步被浓缩(例如，离心)以回收浓缩液(centrate)(或者悬浮液)，在浓缩液(或者悬浮液)中富集有信号分子AHL和AI-2及eDNA。 具有信号分子的浓缩液(或者悬浮液)可以直接添加到污水处理反应器中以促进微生物颗粒化，然而也可以储存在-20℃至少3个月。储存允许大批量生产富集信号分子和eDNA的悬浮液以应用到各种污水处理系统中，例如提升活性污泥过程中的污泥沉降能力，及通过促进污泥团聚和聚集减少MBR中的膜生物污损。尽管也可以使用悬浮液，但应该注意的是，使用充足用量的一种或多种信号化合物或eDNA将充分催化团聚过程。
方法2-直接定量破碎的颗粒状生物质
从增殖反应器中获取的颗粒状生物质将首先被机械破碎，且破碎的颗粒状生物质进一步经受声波降解法以进行均质化。然后可以通过蒸发液体浓缩均质化的混合物。可以使用机械打碎机或搅拌器进行颗粒状生物质的机械破碎。这样预处理的生物质将直接添加到污水处理反应器中以促进微生物聚集。
可以理解的是，为了使用方法1或方法2从增殖反应器中获得颗粒状生物质，可以如本文所述在高选择压下处理前体活性污泥。
(e)用量：在确定所提取的信号分子和eDNA的用量之前可以是筛选方法。典型地，增补的信号分子和eDNA的有效性首先受到对EPS(由微生物群落所产生的)的量的正面影响的指示，随后受到对微生物的絮状粒径的影响的指示。关于直接添加破碎的颗粒状生物质，从增殖反应器中引进的破碎的生物质的用量可以根据生物质的浓度和污水处理反应器中生物质的体积来评估。可以理解的是，上述催化团聚的试剂的精确量将随着微生物群落和污水本身的特征而不同。
本文所公开的方法可应用在污水处理有收益的地方，该污水处理中，团聚的污泥达到了形成颗粒的程度。当前现有技术中使用颗粒状生物质的污水处理通常面临由团聚的生物质的分解所导致的不稳定的性能。本文所公开的方法意图能够使污水处理设备实现快速启动，之后保持稳定的充分团聚的生物质。所述方法既可以用于污泥和工业污水处理，也可以用于新设备和现有设施中。所述方法还可以用于减少新设备的占地面积以及扩展现有设施的处理能力(通过增加MLSS浓度)，然后因此避免了对基础设施的大量附加投入的需求。所述方法还可用于在控制MBR中膜生物污损有收益的地方，该MBR中，充分絮凝的污泥达到了颗粒状生物质的程度。膜生物污损是MBR在污水处理和水再利用中的当前应用中最具挑战的阻碍之一。通过将所提取的信号分子-AI-2和AHL以及eDNA添加到MBR中，本发明能够使生物污泥快速絮凝，然后因此减少微生物附着到膜表面上，由此减少膜生物污损的发生。
实验部分
实施例1
图2示出了大肠杆菌的纯培养，与对照组相比，在添加了0.5到10μm范围内的4,5-二羟基-2,3-乙酰基丙酮后，细胞运动增加了6-17倍。结果是，开启的聚集速率相应地增加了，导致了快速的微生物聚集。这证实了细菌运动驱动细菌聚到一起以形成聚集体。
实施例2
好氧颗粒通过细菌到细菌的粘附而形成，且被认为是生物膜的特殊类型。为了进一步证实在纯培养中获得的发现(实施例1)，首先将AI-2固定到固体表面上，该固体表面随后与混合物种的细菌接触1hr。图3中显微镜图像清楚地示出了，与未暴露于AI-2的对照组相比，在暴露于AI-2的情况下，大量的微生物定殖/聚集快速生长。这提供了可视化的证据，表明将信号分子添加到培养媒介中能够产生快速的微生物聚集。
实施例3
图4到图6示出了，AHL和eDNA对于实现好氧颗粒化是必要的，并且还示出了在增殖反应器中所培养的好氧颗粒中存在高浓度的这样的信号分子(AL-2、AHL)和eDNA。可以期望的是，提取自或存在于颗粒的、与污水处理反应器中生物质的至少1-10％相等的信号分子(AI-2和AHL)和eDNA，将是在污水处理反应器中快速启动微生物聚集所必需的。