CN101205099A - 亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺 - Google Patents

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Abstract

一种亚硝化菌－厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，由亚硝化菌固定化工艺和厌氧氨氧化菌固定化工艺组成并在厌氧折流板反应器中、在20～25℃情况下，实现上述两个工艺的联合，进口污水含氮浓度在100mg·L－1以下，中间部分经过亚硝化反应生成亚硝酸盐，其余的氨再与亚硝酸盐进行厌氧氨氧化反应生成氮气逸出系统，使污水中的氮在中温的条件下高效脱除。本发明的优点是：1)载体本身的环境有利于生物细胞的增殖，可提高参加反应的微生物浓度，提高反应效率；2)在不消耗有机碳源、酸碱中和剂和减少氧气消耗量的情况下实现废水的生物脱氮，且将污水处理温度降到20～25℃，有巨大的节能效益。

Description

亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺
(一)技术领域
本发明涉及生物脱氮污水处理工艺，特别是一种亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温(20～25℃)污水处理工艺。
(二)背景技术
早在1975年Voet就发现在硝化过程中亚硝酸盐积累的现象并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮(Short cut nitrificationdenitrification，SHARON)机理，也可称为不完全或称简捷硝化-反硝化生物脱氮，其方法就是将硝化过程控制在HNO2阶段而终止，随后进行反硝化。SHARON工艺是荷兰Delft技术大学开发的脱氮新工艺，其基本原理是简捷硝化-反硝化，即将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后对亚硝酸根进行反硝化，即：NH4 +→NO2 -→N2。而这种废水处理方法的特点使氨氮的亚硝化成为可能。通过这一途径脱氮，优点是十分明显的：不仅能大大节省曝气量，而且能大大减少反硝化阶段中碳源的投加，反应器的体积也能相应减少，但是该工艺方案的运行温度为30～35℃(高温)，只适用于特定的污水处理。在中温(20～25℃)下实现亚硝酸盐的稳定积累未见报道。
近年来脱氮工艺研究中，研究人员发现了厌氧氨氧化工艺——ANAMMOX工艺(Anaerobic Ammonium Oxidation)。研究表明，NO2 -作为电子受体进行如下反应：
NH4 ++NO2 -→N2+2H2O    ΔG＝-358kJ·mol-1
根据化学热力学理论，上述反应的ΔG＜0，说明反应可自发进行。厌氧氨氧化过程的总反应是一个释放能量的反应，从理论上讲，可以提供能量供微生物生长。研究表明，厌氧氨氧化菌属光敏性微生物，光能抑制其活性，在pH6.7～8.3范围内，当温度从15℃升到30℃时，厌氧氨氧化速率随之增大，但升至35℃时，反应速率下降，最适温度在30℃左右。Jetten等认为，厌氧氨氧化反应的温度范围为20～43℃，最佳温度为40℃。而有研究认为，厌氧氨氧化菌本身不具有增殖能力。有研究人员在30℃采用生物膜法在厌氧折流板反应器中长达110d的启动运行后，获得了除氮率90％以上的处理效果。但在20～25℃的中温下实现厌氧氨氧化的快速启动未见报道。
近年来，欧洲的学者在生物脱氮方面又取得了突破性的进展，在SHARON工艺和ANAMMOX工艺基础上提出了SHARON--ANAMMOX联合工艺。
SHARON工艺的原理可用以下方程式表示：
NHX4 ++HCO3 -+0.75O2→0.5NH4 ++0.5NO2 -+CO2+1.5H2O
根据上述两方程式可以得到SHARON-ANAMMOX联合工艺的方程式：
2NH4 ++2HCO3 -+1.5O2→2CO2+N2+5H2O
污水经SHARON过程进行氨氮的亚硝化，将50％NH4 +-N转化为NO2 --N，然后出水进行ANAMMOX过程，剩余的NH4 +和生成的等摩尔量的N2 -经厌氧氨氧化菌(自养菌)作用生成N2逸出，这样就完成了污水脱氮而且无需再添加碳源。SHARON-ANAMMOX生物脱氮技术问世仅有几年的时间，目前只有荷兰鹿特丹的Dokhaven污水厂用该技术处理其泥区的废水。目前投入运行的SHARON工艺运行温度为30～35℃，但对于水量较大的城市污水和绝大多数工业废水无法达到并维持30～35℃的水温进行处理。
(三)发明内容
本发明的目的是针对上述存在的技术问题，提供一种亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，该工艺可以在不消耗有机碳源、酸碱中和剂和减少氧气消耗量的情况下实现废水的生物脱氮，与现有的SHARON-ANAMMOX工艺相比，本发明将污水处理温度降到20～25℃，有着巨大的节能效益并更适合我国污水处理环境，具有很高的应用价值。
本发明的技术方案：
一种亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：由亚硝化菌固定化工艺和厌氧氨氧化菌固定化工艺组成并在厌氧折流板反应器中、在20～25℃情况下，实现上述两个工艺的联合，进口污水含氮浓度在100mg·L-1以下，中间部分经过亚硝化反应生成亚硝酸盐，其余的氨再与亚硝酸盐进行厌氧氨氧化反应生成氮气逸出系统，使污水中的氮在中温的条件下高效脱除；所述亚硝化菌固定化工艺是指优化适合亚硝酸盐累积的条件，在配制的培养液中富集培养亚硝化菌群，采用高分子材料制成的填料实现生物膜固定亚硝化菌并得到亚硝酸盐的累积；所述厌氧氨氧化菌固定化工艺是指通过生物菌群混培法培养和驯化厌氧氨氧化菌群，采用高分子材料或无机材料来固定厌氧氨氧化菌形成球状颗粒，实现氨和亚硝酸盐的同步脱除。
一种上述亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：亚硝化菌增殖培养工艺包括加抑制剂和不加抑制剂两种；温度为20℃～25℃时，须添加抑制剂次氯酸盐，其浓度为有效氯含量3～5mg·L-1；同时控制溶解氧(DO)浓度为0.5mg·L-1；温度为25℃以上时，不添加抑制剂。
一种上述亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：厌氧氨氧化菌群是通过生物菌群混培法，经过60天的驯化培养获得；培养过程中以铵盐与亚硝酸盐做为生长基质，每20天离心分离菌种更换培养基，并采取避光、除氧、隔氧措施。
一种上述亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：亚硝化菌固定化工艺中，作为固定化载体的高分子填料为全塑性夹片维纶醛化丝。
一种上述亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：在厌氧氨氧化菌固定化工艺中选择的作为载体的高分子材料或无机盐为海藻酸钠、聚乙烯醇(PVA)、硅藻土、明胶、琼脂、活性炭和炉灰中的一种或两种以上的混合物。
一种上述亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：在厌氧氨氧化菌固定化工艺中，固定化方式采用包埋法；包埋法固定化中所用交联剂为除镁盐外的二价水溶性金属盐类、硼化物及其混合物；其重量百分比为：载体42.3～47.2％、离心分离后的菌体3.0～16.2％、交联剂0.45～0.9％、其余为水。
一种上述亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：厌氧折流板反应器的结构特征为组合单元式，可根据污水处理工艺需要调整组合单元个数。
本发明的优点是：1)载体本身的环境有利于生物细胞的增殖，可达到一个较高的菌体浓度，同时，固定化状态又不至于造成菌体流失，因此又可进一步大幅度提高参加反应的微生物浓度，提高反应效率；2)传统的生物脱氮技术耗能大，亚硝化反硝化工艺与传统工艺相比可以节约供氧25％，本发明比亚硝化反硝化还可节约供氧50％；且不消耗碳源，以CH3OH计可节约碳源40％，具有巨大的节能效益，是符合可持续发展战略的创新工艺；3)本发明为生物脱氮技术，该技术可以在不消耗有机碳源、酸碱中和剂和减少氧气消耗量的情况下实现废水的生物脱氮，与现有的SHARON-ANAMMOX高温(30～35℃)工艺比，本发明将污水处理温度降到20～25℃，反应启动周期为55天，有巨大的节能效益，更适合我国国情，有很高的应用价值。
(四)具体实施方式
实施例：
1)亚硝化菌固定化工艺：
①亚硝化菌的富集培养：将500mL的液体活性污泥加入到2L的亚硝化细菌培养基，亚硝化培养基控制温度30℃、pH 7.5～8.0，每隔7天更换一次培养基；更换培养基之前进行离心分离，将分离后的菌液加入到新培养基中，培养基中氨氮含量为100mg·L-1，富集培养的时间为3个月，将该富集培养液离心分离得到菌种。
②20℃亚硝化菌固定化：取前述菌种5g，放入装有模拟污水的折流板反应器中，内充填全塑性夹片维纶醛化丝高分子填料；控制模拟污水pH7.5～8.0、溶解氧0.5mg·L-1、温度为20℃，抑制剂为次氯酸钠，初始有效氯3mg·L-1，连续培养14天，在填料表面形成均匀的生物膜，实现亚硝酸盐的积累。
2)厌氧氨氧化菌固定化工艺：
①厌氧氨氧化菌的增殖是通过生物菌群混培法实现，即采用污水处理厂厌氧活性污泥经过60天的驯化培养得到的，培养过程中以铵盐与亚硝酸盐做为生长基质，每20天离心分离菌种更换培养基，并采取避光、除氧、隔氧措施。
②称取6g海藻酸钠，加热溶解在体积为108mL、浓度为0.9％的生理盐水中，冷却后与80mL厌氧氨氧化细菌悬浮液充分搅拌混合，用注射器滴入重量百分浓度为3％的CaCl2溶液中，冰浴、搅拌后形成小球，放置固化24小时；以上所有涉及厌氧氨氧化菌的操作均采取避光措施。
3)亚硝化-厌氧氨氧化折流板反应器联合工艺
将固定化亚硝化菌与固定化厌氧氨氧化菌分别置于由六个折流板反应器组合单元串联组成的装置中；进口通入模拟污水，模拟污水成分含无机盐，其中含氨氮量为100mg·L-1、pH调至8.0、加入抑制剂次氯酸盐，其有效氯为4mg·L-1、水力停留时间为2天。连续测量厌氧折流板反应器出水口三种氮离子浓度，测量结果表明：联合工艺运行30天后，出口氨氮浓度为1.0mgN·L-1、亚硝酸氮为2.2mgN·L-1、硝态氮为6.3mgN·L-1，氨氮脱除率为99％，总氮脱除率为90.5％。

Claims (7)

1.一种亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：由亚硝化菌固定化工艺和厌氧氨氧化菌固定化工艺组成并在厌氧折流板反应器中、在20～25℃情况下，实现上述两个工艺的联合，进口污水含氮浓度在100mg·L-1以下，中间部分经过亚硝化反应生成亚硝酸盐，其余的氨再与亚硝酸盐进行厌氧氨氧化反应生成氮气逸出系统，使污水中的氮在中温的条件下高效脱除；所述亚硝化菌固定化工艺是指优化适合亚硝酸盐累积的条件，在配制的培养液中富集培养亚硝化菌群，采用高分子材料制成的填料实现生物膜固定亚硝化菌并得到亚硝酸盐的累积；所述厌氧氨氧化菌固定化工艺是指通过生物菌群混培法培养和驯化厌氧氨氧化菌群，采用高分子材料或无机材料来固定厌氧氨氧化菌形成球状颗粒，实现氨和亚硝酸盐的同步脱除。
2.根据权利要求1所述的亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：亚硝化菌增殖培养工艺包括加抑制剂和不加抑制剂两种；温度为20℃～25℃时，须添加抑制剂次氯酸盐，其浓度为有效氯含量3～5mg·L-1；同时控制溶解氧(DO)浓度为0.5mg·L-1；温度为25℃以上时，不添加抑制剂。
3.根据权利要求1所述的亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：厌氧氨氧化菌群是通过生物菌群混培法，经过60天的驯化培养获得；培养过程中以铵盐与亚硝酸盐做为生长基质，每20天离心分离菌种更换培养基，并采取避光、除氧、隔氧措施。
4.根据权利要求1所述的亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：亚硝化菌固定化工艺中，作为固定化载体的高分子填料为全塑性夹片维纶醛化丝。
5.根据权利要求1所述的亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：在厌氧氨氧化菌固定化工艺中选择的作为载体的高分子材料或无机盐为海藻酸钠、聚乙烯醇(PVA)、硅藻土、明胶、琼脂、活性炭和炉灰中的一种或两种以上的混合物。
6.根据权利要求1所述的亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：在厌氧氨氧化菌固定化工艺中，固定化方式采用包埋法；包埋法固定化中所用交联剂为除镁盐外的二价水溶性金属盐类、硼化物及其混合物；其重量百分比为：载体42.3～47.2％、离心分离后的菌体3.0～16.2％、交联剂0.45～0.9％、其余为水。
7.根据权利要求1所述的亚硝化菌-厌氧氨氧化菌固定化与中温污水处理工艺，其特征在于：厌氧折流板反应器的结构特征为组合单元式，可根据污水处理工艺需要调整组合单元个数。
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