CN101434915B - 一种亚硝酸菌群的培养方法及含氨氮废水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚硝酸菌群的培养方法及含氨氮废水处理方法。通过在富集过程中增加基质的氨氮浓度和pH值，维持基质中较高浓度的游离NH₃，从而逐步达到淘汰硝酸菌，富集亚硝酸菌的目的，得到一种亚硝酸菌群。然后以得到的亚硝酸菌群为种子，利用自配氨氮废水或高氨氮废水为培养液进行扩大培养，扩大培养的亚硝酸菌群接种于生化处理池用于提高生化处理脱氨氮效率，或直接用于氨氮废水的脱氨氮作用，最优选用于短程硝化与反硝化过程的好氧硝化阶段积累亚硝酸盐氮，直接作为反硝化的电子受体。本发明方法过程简单，处理含氨氮废水效果突出。

Description

一种亚硝酸菌群的培养方法及含氨氮废水处理方法

技术领域

本发明涉及一种亚硝酸菌群的培养方法，培养的硝化菌群添加到污水处理厂曝气池直接用于生活污水或工业污水中氨氮的去除，或直接用于短程硝化与反硝化的工艺过程。

背景技术

废水生物脱氮目前主要采用活性污泥法。但由于硝化菌生长缓慢，为避免其流失，取得较好的脱氮效果，往往要求污泥在反应器中停留很长时间，即需要很大的曝气池，从而限制了活性污泥系统的处理能力。虽然硝化菌几乎存在于所有生物处理系统中，但是硝化菌的自身生物特性与传统生化处理工艺存在矛盾：一是硝化菌增长速率缓慢，传统生化处理工艺泥龄相对较短；二是硝化菌是自养菌，废水BOD₅/TKN的值越高，硝化菌所占比例越低；三是NH⁺ ₄-N和NO^- ₂-N本身对硝化菌的毒性作用。因此，普通好氧硝化过程，微生物能承受的氨氮浓度和有机物浓度是非常低的。要用于处理污水，须筛选出生长速率高、硝化作用强的硝化细菌。

硝化细菌研究中的种种困难起始于将其从纯培养中分离出来。就是采用严格无机培养的平板法，也并不适于从自然环境中直接将其分离出来，因为即使自接种物中引入的有机物质也能使异养的污染微生物生长。自养硝化菌最成功的分离是预先采用了一系列广泛而仔细的增富步骤(Belser，L. W.，and E.L.Schmidt.1978.Diversity in the ammonia-oxidizing nitrifier population of a soil.Appl.Environ.Microbiol.36：584-588)。硝化细菌一经分离，其生长就缓慢，且产量也低。污水中硝化细菌的浓度与硝化速率成正比，故提高硝化细菌的浓度对生物脱氮具有十分重要的意义。中国专利200710010383.0中即提供了一种通过逐步提高基质中氨氮浓度的方法富集活性污泥中的硝化菌的方法，得到了富含硝化细菌且价格低廉的活性污泥样品。金志刚等人认为当温度为30℃、pH值＝6.5-8.0、DO＞2mg/L时，经过12-13周的富集培养，污泥中硝化菌浓度可达2.0×10⁸(MPN)/g(MLSS)，是未经富集污泥中硝化菌浓度的12.5-20倍(金志刚，何群彪，何群彪.硝化细菌富集技术分析及方法研究.1998，上海环境科学，17(8)：10-19)，但并没有区分硝化菌和亚硝化菌。

目前普遍采用的生物脱氮技术是借助硝化菌和反硝化菌的生理功能，将污水中各种形态的氮元素最终转化为气态氮。典型的传统生物脱氮工艺是A/O法、A/A/O法。尽管这些工艺在污水脱氮方面起到了重要作用，但仍然存在着以下问题：①系统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资费用；②氨氮完全硝化要消耗大量溶解氧，增加了曝气充氧的动力费用；③反硝化过程中作为电子供体的有机碳源不足时需补充投加，增加了药剂投加费用。

从硝化过程来看，氨氮(NH₃-N)被氧化成亚硝酸盐氮(NO₂-N)和硝酸盐氮(NO₃-N)是由两类独立的细菌完成的两个不同反应，应该可以分开。这两类细菌的生理特征也有明显的差异。对于反硝化过程，无论是NO₂-N还是NO₃-N均可以作为最终电子受体。因而整个生物脱氮过程可以通过NH₃-N转化为NO₂-N再转化为N₂的途径完成。短程硝化反硝化生物脱氮技术，又称亚硝酸型生物脱氮技术，就是将硝化过程控制在NO₂-N阶段而终止，随后进行反硝化。与传统生物脱氮技术相比，短程硝化-反硝化生物脱氮技术具有以下优点：①缩短水力停留反应时间；②降低硝化过程耗氧量；③减少反硝化过程所需有机碳源；④减少剩余污泥产量。因此，短程硝化-反硝化生物脱氮技术已成为污水生物脱氮领域的一个新的研究热点。

将硝化过程控制在NO₂-N阶段是实现短程硝化-反硝化生物脱氮技术的关键。虽然很多因素都会导致硝化过程中NO₂-N的积累，但目前对此现象的理论的解释还不充分。各种控制因素之间都是相互关联的，如温度、pH值、溶解氧浓度、游离NH₃浓度等的变化都会引起亚硝酸菌和硝酸菌增长速度的变化，进而引起其最小停留时间的改变。因此，根据各种废水的水质特点寻找其主要控制因素，或者如何综合考虑各种控制因素，综合控制硝化过程，使NO₂-N积累能长久稳定地维持还需要进一步的研究与探索。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种亚硝酸菌群的培养方法，以及该亚硝酸菌群的应用方法。

本发明亚硝酸菌群的培养方法包括如下内容：

(1)选取富集硝化菌；

(2)步骤(1)中所述的富集硝化菌在高氨氮浓度和高pH值下进行培养，培养液中维持较高浓度的游离NH₃，从而逐步达到淘汰硝酸菌，富集亚硝酸菌的目的，得到亚硝酸菌群。

本发明中步骤(1)中硝化菌来源于大自然的土壤、淤泥或含氮工业废水处理厂的活性污泥，以及其它一切富含硝化菌的基质。含硝化菌的基质富集处理可以为本领域现有任何方法，如CN200710010383.0所述的方法，或背景技术中金志刚等人公开的方法。

本发明步骤(2)所述的富集硝化菌在高氨氮浓度和高pH值下进行培养，使用高氨氮浓度和高pH值的培养液，培养过程培养液氨氮初始浓度为400-1200mg/L，最终氨氮浓度为1200～3000mg/L，优选1300～2000mg/L，培养液COD值低于400mg/L，优选低于200mg/L，pH值控制为7.5≤pH≤9.5。培养至上清液中形成稳定的亚硝酸盐浓度时为止，这时表明已经分离出了一种亚硝酸菌群。

为了进行工业应用，以步骤(2)得到的亚硝酸菌群为种子，利用自配氨氮废水或高氨氮废水为培养液进行扩大培养。扩大培养废水中氨氮浓度可以参照步骤(2)中富集培养时的氨氮浓度，培养液的COD及pH值等可以参照步骤(2)中的条件，扩大培养方式可以为间批次培养法或恒浊培养法。

含氨氮废水的处理方法，即上述培养的亚硝化菌群在含氨氮废水处理中的应用，将培养的亚硝化菌群直接加入到现有的生化处理体系中，可以增加生化处理体系的脱氨氮效率。亚硝化菌剂的加入量可以是现有生化处理体系中活性污泥量的10％-50％，氨氮脱除速率可以提高50％-100％，使出水能够达到污水综合排放标准(GB 8978-1996)，并降低水停留时间，增加生化处理体系的处理能力。亚硝化菌群也可以用作活性污泥直接接种到生化反应池中处理氨氮废水，接种量为反应池有效体积的10％-30％。上述培养的亚硝化菌群优选应用于短程硝化与反硝化过程结合的废水脱氮过程，即使用上述培养的亚硝化菌，采用短程硝化与反硝化工艺，对含氨氮废水进行脱氮处理。

本发明通过在富集过程中增加基质的氨氮浓度和pH值，维持基质中较高浓度的游离NH₃，从而逐步达到淘汰硝酸菌，富集亚硝酸菌的目的，得到一种亚硝酸菌群。然后以得到的亚硝酸菌群为种子，利用低/无COD的自配氨氮废水或高氨氮废水为培养液进行扩大培养，扩大培养的硝化菌群接种于生化处理池用于提高生化处理脱氨氮效率，或直接用于氨氮废水的脱氨氮作用，最优化的用途是用于短程硝化与反硝化过程的好氧硝化阶段积累亚硝酸盐氮，直接作为反硝化的电子受体。本发明方法具有过程简单，处理氨氮废水效果突出。

附图说明

图1是培养过程的MLSS增量与氨氮消耗量之间的对应关系。

图2是硝化菌群培养过程中MLSS随时间变化关系。

图3是恒浊放大培养方法使用装置结构示意图。

图4是高氨氮废水处理装置结构示意图。

图5是高氨氮高pH处理过程中每天体系的进水氨氮和出水亚硝酸盐氮关系。

图6是A/O废处理装置结构示意图。

图7亚硝酸菌群大规模培养装置示意图。

具体实施方式

亚硝酸菌群的富集培养过程中，随时分析溶液中的氨氮浓度、亚硝酸盐氮浓度和硝酸盐氮浓度，直到氨氮浓度降低到5mg/L以下，然后停止曝气，静置沉降，弃掉上清液。重复上述过程，每次提高培养液的氨氮浓度50～500mg/L，直至上清液中形成稳定的亚硝酸盐浓度，这时表明已经分离出了一种亚硝酸菌群。

在培养过程中使用的氨氮废水可以是满足条件的工业废水或生活污水经过适当的处理(譬如经过COD降解作用处理等)后使用，也可以按需要利用铵盐搭配一些必要的无机盐溶解于水中配制而成的，就如CN200710010383.0中提供的自配氨氮废水。

本发明分离出的亚硝化菌群为黄色、浅黄色或白色，以絮状或沉淀状悬浮于水中，可沉降性能好。这种絮状悬浮液能够作为亚硝化菌群的种子接种于高氨氮废水或自配水中进行扩大培养。在硝化菌群培养过程中，由于自养硝化菌生长的能源来源来自NH₃-N→NO₂-N的氧化过程，因此亚硝化菌群的MLSS(活性污泥浓度)增量与氨氮消耗量之间应有一定的对应关系，见图1。

对图1曲线进行线性回归，得方程：y＝0.8974x+233.57    (方程1)

                               R²＝0.9821

从线性拟合的一元方程可知，体系中每消耗1mg/L的氨氮，可生长0.8974mg/L的亚硝化菌生物量。但是这样的对应关系只能在理想状态下存在，亚硝化菌群在生长过程中不断地把氨氮氧化成亚硝酸盐氮，而亚硝酸盐氮对菌体本身是有毒性的，所以，当亚硝酸盐积累到一定浓度后，就会影响硝化菌群的生长，甚至会导致细菌的自溶，降低生物量。亚硝化菌群的生长过程也如一般的异养菌一样在生长过程中存在停滞期，对数期和稳定期，见图2。因此需要建立一个能随时取走产物亚硝酸盐，又能随时补加氨氮的硝化菌群培养方法。亚硝化菌群的培养方法可以采取间批次培养法和恒浊培养法等。

上述批次培养法是指直接利用发酵罐或其它设置曝气的培养装置，可以带搅拌也可以不带搅拌；一般需设置温度控制和pH控制部件，在亚硝酸盐浓度较低的情况下，采取连续流加或分批加入铵盐溶液或含氨氮废水的形式为硝化菌的生长提供氨氮，当亚硝酸盐氮升高到能够影响硝化菌群的生长，也就是污泥浓度不再升高时，我们就把培养液抽出其中的一部分(如50％-90％)，沉降分离得到培养好的硝化菌群保藏待用，剩下部分作为种子，接入培养液后继续培养。培养的其它条件按本领域一般知识进行。这样周而复始，每批培养约需3-4天，每批培养结束生物量增加3-6倍。

上述恒浊培养的方法可以用一切可以实现恒浊培养的方法，最优化方法的流程及装置见图3。图3中A为硝化菌群培养池，B为培养增殖阶段污泥回流用的沉降池，C为出水收集池，D为培养的硝化菌群收集池。我们把整个培养过程分为两个阶段：第一个阶段为体系中污泥增殖阶段，在此过程中随时调整原水中的氨氮浓度或进水速率，使出水中的氨氮完全用于菌体的增殖，同时管线4使污泥回流，而进水2和出水3的速率相等，直到体系中的污泥浓度不再增加；第二阶段为恒浊培养阶段，在此阶段，当污泥积累足够多时，间歇排放到D池。我们根据方程1显示的消耗氨氮浓度和产生生物质量之间的对应关系，调节进水2的量和进水氨氮浓度和污泥循环的量，使得加入的氨氮刚好足够生长出水中排放的生物量。空气1通过管线进入硝化菌群培养池A，进气量按本领域一般知识确定，如控制溶解氧(DO)为2～10mg·L^-1，温度为10～35℃等。

上述扩大培养的硝化菌群最优选的应用是用于短程硝化与反硝化过程。短程硝化反硝化生物脱氮技术，又称亚硝酸型生物脱氮技术，就是将硝化过程控制在NO₂-N阶段而终止，随后进行反硝化。与传统生物脱氮技术相比，短程硝化-反硝化生物脱氮技术具有以下优点：①缩短水力停留反应时间；②降低硝化过程耗氧量；③减少反硝化过程所需有机碳源；④减少剩余污泥产量。本发明培养的硝化菌能够氧化氨氮生成NO₂-N结束，不再氧化成NO₃-N。在A/O工艺的好氧阶段直接利用本发明培养的硝化菌群作为好氧污泥把废水中的高浓度的NH₃-N氧化成NO₂-N，厌氧段则利用一般的脱氮污泥直接把NO₂-N反硝化生成N₂。好氧段接种培养的亚硝化菌群的接种量为反应器容积的10％-30％。好氧段和厌氧段的操作条件按本领域一般知识确定。经过本发明方法，出水中的总氮脱除率大于99％，达到污水综合排放标准(GB 8978-1996)。

实施例1富集亚硝酸菌群

采用如图4所示的装置进行富集，装置中反应器的有效体积为3.5L，设置停留时间为24h，反应温度室温，曝气搅拌，DO＞2.0mg/L，利用pH控制器流加30-100g/L的NaHCO₃控制7.5≤pH≤9.5。

硝化菌来源于炼油厂的污水处理车间的活性污泥，富集亚硝酸菌群之前先采用CN200710010383.0中实施例1的方法进行硝化菌的富集，获得含有高浓度亚硝酸菌和硝酸菌的活性污泥。

硝化菌按CN200710010383.0方法富集后，进行亚硝化菌培养步骤。进水为按与CN200710010383.0(下同)方法配制，COD值低于150mg/L，见图5。初始进入氨氮479mg/L，最终进水氨氮浓度为1400mg/L。图5中显示，刚开始进水为532mg/L时，开始有亚硝酸盐氮的积累，但是并没有形成稳定的亚硝酸盐氮浓度，之后逐渐增加进水中的氨氮浓度，在氨氮浓度为1396mg/L时形成了较为稳定的亚硝酸盐氮浓度，在此条件下运行了近2个月，淘汰了硝化菌群中的硝酸菌，把得到的亚硝酸菌群冷冻保藏作为种子备用。

实施例2批次培养扩大亚硝酸菌群

直接利用10L发酵罐进行培养，培养液采用实施例1中提到的自配废水。在亚硝酸盐浓度较低的情况下，采取分批加入硫酸氨的形式为硝化菌的生长提供氨氮，当亚硝酸盐氮升高到能够影响硝化菌群的生长，也就是污泥浓度不再升高时，我们就把培养液抽出3/4左右，沉降分离得到培养好的硝化菌群保藏待用，剩下的1/4作为种子，接入培养液后继续下一批培养，亚硝酸菌群的生长趋势见图2，最终污泥浓度增加为2650mg/L，比初始污泥浓度538mg/L增加了4倍多。

实施例3恒浊培养亚硝酸菌群

恒浊培养流程见图3，A为硝化菌群培养池，有效体积为3.5L，B为污泥沉降池，C为出水收集池，D为培养的硝化菌群收集池。我们把整个培养过程分为两个阶段：增殖阶段和恒浊培养阶段。培养液为自配废水。增殖阶段基质中的氨氮浓度为3000mg/L，接种量为1％，初始污泥浓度为592mg/L，通气搅拌，DO≥2mg/L，温度保持室温32℃，经过78h培养后，氨氮基本消耗完毕，体系中的污泥浓度增加为2700mg/L，比初始污泥浓度增加了4倍多。恒浊培养阶段继增殖阶段后，采用连续进水。为了使进水中的氨氮浓度能够足够生长出排水中带走的亚硝酸菌群，根据方程(1)计算，选择进水的氨氮浓度为2748mg/L。调节水停留时间为12h，这样亚硝酸菌群的生物量每12h增加一倍，即2700mg/L，折合A池的有效体积，每12h生产亚硝酸菌群生物量9.48g干重。

实施例4大规模培养亚硝酸菌群

大规模培养流程见图7，A为硝化菌群培养池，有效体积为24m³，B为硝化菌群沉降池2m³，当连续进出水时，两池的停留时间比为12∶1。采用恒浊培养，培养液为自配废水。增殖阶段基质中的氨氮浓度为3000mg/L，接种量为1％，初始污泥浓度为600mg/L，通气搅拌，DO≥2mg/L，温度保持室温32℃，经过7d培养后，氨氮基本消耗完毕，体系中的污泥浓度增加为2700mg/L，比初始污泥浓度增加了4倍多。恒浊培养阶段继增殖阶段后，采用连续进出水。进水氨氮浓度为2748mg/L。调节水停留时间为12h，这样亚硝酸菌群的生物量每12h增加一倍，即2700mg/L，折合A池的有效体积，每12h生产亚硝酸菌群生物量64.8kg干重。

实施例5亚硝酸菌群加入到生化处理体系，提高处理氨氮的效率

采用如图4所示生化处理装置对高氨氮自配废水进行处理，生化反应池有效体积3.5L，从炼油厂取活性污泥，以30％(以反应池有效溶积为基准)的污泥接种量接入，处理氨氮浓度为500mg/L的自配废水，曝气搅拌，DO≥2.0，反应温度32℃，水停留时间24h，稳定运行一个星期后氨氮去除率40％-60％。一直持续运行了一个月，氨氮去除率变化不大。然后加入实施例2培养的亚硝酸菌群的絮状悬浮液100mL，稳定运行2天后，体系的氨氮去除率即达到100％。

实施例6亚硝酸菌群直接接种生化处理反应池处理高氨氮自配水

采用如图4所示生化处理装置对800mg/L氨氮自配废水进行处理，生化反应池有效体积3.5L，接种实施例3培养的亚硝酸菌群的絮状悬浮液350mL，处理氨氮浓度为500mg/L的自配废水，曝气搅拌，DO≥2.0，反应温度32℃，水停留时间24h，稳定运行3天后，体系的氨氮去除率即达到100％。

实施例7亚硝酸菌群接种到好氧/厌氧(A/O)工艺，实现短程硝化-反硝化

采用如图6所示处理装置处理1300mg/L氨氮自配水，整个工艺流程分好氧反应段(A)，有效体积为4L，和厌氧反应段(O)，有效体积同样是4L，A反应池中接入实施例2培养的亚硝酸菌群，接种量为400mL亚硝酸菌群的絮状悬浮液，机械搅拌，DO≥2.0，反应温度32℃，O反应池中接入厌氧的脱氮活性污泥，接种量为30％，机械搅拌，不通气。采用批次换水，每24h停止通气和搅拌，沉降30min，O池中换下的水除取样分析外直接通入下水道，A池中换下的水进入到O池，进行脱氮处理。稳定运行4天后，氨氮脱除率100％，总氮脱除率99％以上。

Claims (8)

1.一种亚硝酸菌群的培养方法，包括如下内容：

(1)选取富集硝化菌；

(2)步骤(1)中所述的富集硝化菌在高氨氮浓度和高pH值下进行培养，逐步达到淘汰硝酸菌，富集亚硝酸菌，得到亚硝酸菌群；

步骤(2)所述的富集硝化菌在高氨氮浓度和高pH值下进行培养，使用高氨氮浓度和高pH值的培养液，培养过程培养液氨氮初始浓度为400-1200mg/L，最终氨氮浓度为1200～3000mg/L；培养液COD值低于400mg/L，培养过程pH值控制为7.5≤pH≤9.5，培养至上清液中形成稳定的亚硝酸盐浓度时为止。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中硝化菌来源于土壤、淤泥或含氮工业废水处理厂的活性污泥。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)所述的培养液氨氮最终浓度为1300～2000mg/L。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于以步骤(2)得到的亚硝酸菌群为种子，进行扩大培养，扩大培养废水中氨氮浓度、COD和pH值按照步骤(2)中富集培养时条件，扩大培养方式为间批次培养法或恒浊培养法。

5.一种含氨氮废水的处理方法，使用权利要求1至4任一权利要求所述方法培养的亚硝化菌群；其中亚硝酸菌群的培养方法，包括如下内容：

(1)选取富集硝化菌；

(2)步骤(1)中所述的富集硝化菌在高氨氮浓度和高pH值下进行培养，逐步达到淘汰硝酸菌，富集亚硝酸菌，得到亚硝酸菌群；

步骤(2)所述的富集硝化菌在高氨氮浓度和高pH值下进行培养，使用高氨氮浓度和高pH值的培养液，培养过程培养液氨氮初始浓度为400-1200mg/L，最终氨氮浓度为1200～3000mg/L；培养液COD值低于400mg/L，培养过程pH值控制为7.5≤pH≤9.5，培养至上清液中形成稳定的亚硝酸盐浓度时为止。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于将权利要求1至4任一权利要求所述方法培养的含亚硝化菌群直接加入到现有的生化处理体系中，增加生化处理体系的脱氨氮效率。

7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于所述的将权利要求1至4任一权利要求所述方法培养的含亚硝化菌群直接接种到生化反应池中处理氨氮废水。

8.按照权利要求5所述的方法，其特征在于采用权利要求1至4任一权利要求所述方法培养的亚硝化菌群，使用短程硝化与反硝化结合的废水脱氮过程，处理含氨氮废水。

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