CN101786763A - 一种间歇式地下水反硝化脱氮方法 - Google Patents

一种间歇式地下水反硝化脱氮方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及饮用水安全技术领域，是将膜分离技术与细胞固定化技术结合在一起进行地下水反硝化脱氮的一种方法，它包括以下步骤：①反硝化细菌的富集培养，②聚乙烯醇溶液的配制，③平板状固定细胞的制备，④固定细胞膜生物反应器的构建，⑤地下水反硝化脱氮；将地下水与乙醇水溶液分别加在固定细胞膜生物反应器不同的室内，打开搅拌器进行反硝化脱氮，当地下水中硝酸盐氮的浓度符合中国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)设定的硝酸盐限值NO3 --N≤10mg/L时终止反应；本发明的积极效果是：既可以避免地下水被反硝化细菌所污染，又可以有效地防止反硝化残留有机碳源对地下水的污染，从而保障饮用水的安全，具有良好的应用前景。

Description

一种间歇式地下水反硝化脱氮方法
【技术领域】
本发明涉及用生化方法保障人类饮用水安全的技术领域，具体的说，是一种对受硝酸污染的地下水进行反硝化脱氮制备饮用水的方法。
【技术背景】
现在，缺水是一个世界性问题，保护水资源是全世界都在努力的事情。由于江河湖泊受到不同程度的污染或地面水资源不足，许多国家和地区将地下水作为重要的饮用水水源。
然而，由于不合理地使用化肥，导致地下水受硝酸盐污染成为一种相当普遍的现象，在一些国家和地区硝酸盐的污染已相当严重，并存在日益恶化的趋势。由于硝酸盐进入人体后容易还原成亚硝酸盐，导致高铁血红蛋白症，三个月以下的婴儿受此危害最大。此外，亚硝酸盐还有致癌的危险。因此，地下水中硝酸盐含量的增加已引起一些国际组织和国家的高度重视：世界卫生组织和欧盟规定，饮用水中硝酸盐的最大允许浓度为11.3mgNO3 --N/L；美国EPA规定，饮用水中硝酸盐的最高限值为10mgNO3 --N/L；中国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)设定的硝酸盐限值也为10mgNO3 --N/L。与此同时，一些发达国家还在不断研究地下水脱硝酸盐的技术，并建立了一些地下水脱硝酸盐的工厂。
目前，脱除地下水中硝酸盐的常用方法有物理化学法和生物反硝化法两种。物理化学法主要包括膜分离法(电渗析和反渗透)及离子交换法。膜分离法会产生大量的浓缩液，而离子交换法则会产生高含盐的树脂再生废液。因浓缩液和树脂再生废液的处置都非常困难，并容易引发二次污染，因此，生物反硝化法被认为是最经济、最合乎环境要求的地下水脱硝酸盐技术。因而，生物反硝化法得到了较广泛的研究和应用。然而，生物反硝化法在脱除地下水中硝酸盐的工程化应用方面却不多，原因是以制取饮用水为目的的地下水生物反硝化法工艺还存在两个弊端：(1)反硝化过程中投加的有机碳源会有部分残留在处理过的水中，需要作进一步的处理；(2)反硝化菌会引起处理水的微生物污染，需要作灭菌处理。因此，为解决生物反硝化法处理过程中存在的问题，一些研究人员将膜生物反应器(MBR)用于地下水反硝化脱氮制备饮用水。膜生物反应器可以完全避免地下水反硝化过程中的微生物污染问题，但是，膜生物反应器仍无法有效地解决有机碳源残留的问题。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，将膜分离技术与细胞固定化技术有机地结合在一起，提供一种利用固定化细胞膜生物反应器进行地下水反硝化脱氮的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)反硝化细菌的富集培养
将城市生活污水处理厂的活性污泥接种到反硝化细菌培养液中，采用搅拌反应器进行搅拌使污泥处于悬浮状态，进行反硝化细菌的富集培养：每天搅拌反应20～22小时，静止沉淀2～4小时，用虹吸法排出上清液，然后再加入新鲜的反硝化细菌培养液进行下一轮操作，持续运行60天以上，获得反硝化细菌悬浮液；
(2)聚乙烯醇(PVA)溶液的配制
在加热状态下将固体聚乙烯醇溶解在相当于聚乙烯醇重量6.5倍的蒸馏水中，配成浓度控制在13～15％(w/v)的聚乙烯醇水溶液，再加入体积为聚乙烯醇溶液体积2～6％(v/v)的甘油作为抗冻剂，搅拌均匀后备用；
(3)平板状固定细胞的制备
将步骤(1)所得的反硝化细菌悬浮液在3000r·min-1下进行离心浓缩，弃去上清液，用生理盐水洗涤并离心2次，然后将浓缩菌体加入步骤(2)所配制的聚乙烯醇溶液中，湿菌体的加入量为10～50g/L，搅拌均匀后平铺于板框式模型里，置于-20±1℃的冰箱中冷冻12～16小时，然后再在室温下解冻2～4小时，重复冷冻-解冻4～6次，用蒸馏水充分洗涤膜表面，得平板状固定细胞；
(4)固定细胞膜生物反应器的构建
在步骤(3)所得的平板状固定细胞一侧的表面覆盖孔径为0.22或0.45μm的微孔滤膜，然后用法兰和螺栓将平板状固定细胞及微孔滤膜一起固定于反应器壳体中，即得固定细胞膜生物反应器；
(5)地下水反硝化脱氮
将地下水与乙醇水溶液分别加在固定细胞膜生物反应器不同的室内：在中间室中加入受硝酸盐污染的地下水，在两边侧室中加入乙醇水溶液，打开搅拌器进行反硝化脱氮：两边侧室中乙醇的总量(以CODCr计)与中间室中硝酸盐氮的总量之比应控制在4～6，反硝化所需的乙醇在反应开始时一次性加入；当地下水中硝酸盐氮的浓度符合中国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)设定的硝酸盐限值
Figure GSA00000006761800031
时终止反应；
然后更换地下水和乙醇水溶液，进行下一轮地下水反硝化脱氮。
步骤(1)所说的反硝化细菌培养液的组成为：KNO3 600～3600mg/L，C2H5OH 500～2500mg/L，CaCl2 100～500mg/L，MgSO4·7H2O 100～600mg/L，pH 7.2的0.2mol/L磷酸盐缓冲溶液0.2～1.0mL/L，其余为水。
步骤(4)所说的固定细胞膜生物反应器的组装方式为：反应器的中间室为地下水，反应器的两侧为碳源(乙醇水溶液)。
步骤(4)所说的固定细胞膜生物反应器的组装方式为：反应器的中间室为碳源(乙醇水溶液)，反应器的两侧为地下水。
在步骤(4)固定细胞膜生物反应器的构建中，平板状固定细胞有微孔滤膜的一侧与地下水接触，没有微孔滤膜的一侧与反硝化碳源(乙醇水溶液)接触。
在步骤(5)所说的反硝化脱氮过程中，反硝化所需的乙醇在反应开始时先加入所需乙醇总量一半的乙醇，然后在反应进行了12～24小时后再加入另一半。
在步骤(5)所说的固定细胞膜生物反应器不同的室内设置有搅拌器。
本发明在步骤(5)的固定细胞膜生物反应器内的中间室内装有受硝酸盐污染的地下水，在两边侧室内装地下水异养反硝化脱氮所必须的有机碳源(乙醇水溶液)，用表面覆盖着微孔滤膜的平板状固定化细胞将地下水与乙醇水溶液隔开，平板状固定化细胞表面覆盖着微孔滤膜的一侧与地下水接触，没有覆盖微孔滤膜的一侧与乙醇水溶液接触；在地下水反硝化脱氮过程中，地下水中的硝酸盐在浓度差的推动下扩散，通过微孔滤膜扩散进入平板状固定细胞内，同时，乙醇也在浓度差的推动下从乙醇水溶液扩散进入平板状固定细胞内；当然，地下水和乙醇水溶液中的溶解氧也会向平板状固定细胞内扩散，但由于扩散阻力的作用，平板状固定细胞内存在氧的浓度梯度，即平板状固定细胞内的溶解氧浓度由表层至里层逐渐下降，使得平板状固定细胞内存在有利于进行生物反硝化脱氮的缺氧环境；固定于平板状固定细胞内的反硝化细菌利用从乙醇水溶液扩散来的乙醇作为反硝化碳源，把从地下水中扩散来的硝酸盐还原成氮气，实现生物脱氮的目的。
在平板状固定细胞的表面覆盖微孔滤膜可以防止从平板状固定细胞中脱落下来的反硝化细菌污染地下水，而平板状固定细胞本身可以有效地防止地下水被乙醇污染。
本发明一种间歇式地下水反硝化脱氮方法的积极效果是：
既可以避免地下水被反硝化细菌所污染，又可以有效地防止反硝化残留有机碳源对地下水的污染，从而保障饮用水的安全，具有良好的应用前景。
【附图说明】
附图1为本发明的固定细胞膜生物反应器(中间室为地下水，两边侧室为碳源)的结构示意图；
附图2为本发明的固定细胞膜生物反应器(中间室为碳源，两边侧室为地下水)的结构示意图；
附图3制备平板状固定细胞模型的结构示意图；
附图4固定细胞膜生物反应器壳体的结构示意图；
图中所示的标号分别为：
1、地下水，     2、乙醇水溶液， 3、平板状固定细胞，4、微孔滤膜，
5、反应器壳体， 6、搅拌器，     7、底板，          8、边框，
9、法兰，       10、螺栓孔，    11、中间室，       12、左侧室，
13、右侧室。
【具体实施方式】
以下结合附图给出本发明一种间歇式地下水反硝化脱氮方法的具体实施方式，以对本发明的方法进行详细的说明，但本发明的保护范围不限于以下的实施介绍，凡依照本发明的方法所作的等效的变化或变通，都应视为本发明保护的范畴。
实施例1
参见附图1，一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，包括以下步骤：
(1)反硝化细菌的富集培养
在每升蒸馏水中分别加入KNO3 2000mg/L，C2H5OH 1500mg/L，CaCl2 350mg/L，MgSO4·7H2O 300mg/L，pH 7.2的0.2mol/L磷酸盐缓冲液0.5mL，构成反硝细菌富集培养液；把取自城市生活污水处理厂的活性污泥加入反硝化细菌培养液中，进行反硝化细菌富集培养；采用间歇操作的普通搅拌反应器每天搅拌反应20小时，静止沉淀4小时，用虹吸法排出上清液，然后再加入新鲜的反硝化细菌培养液进行下一轮操作，持续运行70天，得到反硝化细菌悬浮液。
(2)聚乙烯醇(PVA)溶液配制
将64g固体聚乙烯醇置于500mL烧杯中，加入416mL蒸馏水，然后将烧杯置于沸水浴上加热，边加热边搅拌至聚乙烯醇完全溶解；停止加热，自然冷却至室温后，补加蒸馏水将聚乙烯醇溶液定容至426mL，得到浓度为15％(w/v)的聚乙烯醇溶液，最后再在聚乙烯醇溶液中加入17mL甘油，搅拌均匀后备用。
(3)平板状固定细胞的制备
将步骤(1)所得的反硝化细菌悬浮液在3000r·min-1下离心15分钟，弃去上清液，用生理盐水洗涤并离心2次，然后称取8.5g浓缩菌体，将其加入到步骤(2)配制的聚乙烯醇溶液中，搅拌均匀后平铺于两个230mm×230mm×4mm的板框式模型中(参见附图3，板框式模型的长和宽取决于反应器壳体5的大小，板框式模型的厚度为3～5mm)，置于-20±1℃的冰箱中冷冻15小时，然后在室温下解冻3小时，重复冷冻-解冻5次，用蒸馏水充分洗涤膜表面，即得平板状固定细胞3。
(4)固定化细胞膜生物反应器的构建
在步骤(3)所得平板状固定细胞3一侧的表面覆盖上一张孔径为0.45μm的微孔滤膜4，平板状固定细胞3有微孔滤膜4的一侧与地下水1接触，没有微孔滤膜4的一侧与乙醇水溶液接触；然后用法兰9和螺栓将平板状固定细胞3及微孔滤膜4一起固定于反应器壳体5中(参见附图4)，即得固定化细胞膜生物反应器；反应器中间室11的内部尺寸与左侧室12、右侧室13的内部尺寸完全相同，其长×宽×高均为120mm×50mm×180mm；在中间室11、左侧室12和右侧室13内都设置有搅拌器6。
(5)地下水反硝化脱氮
用NaNO3和蒸馏水配制
Figure GSA00000006761800061
的模拟地下水，在反应器的中间室11中加入900mL模拟地下水1，在左侧室12和右侧室13中各加入900mL蒸馏水和45mg 95％的乙醇(乙醇水溶液2的CODCr浓度约为99mg/L)，打开搅拌器6，开始反硝化脱氮；搅拌反应36小时后，中间室11中NO3 --N和CODMn的浓度分别为9.5mg/L和2.0mg/L，即硝酸盐氮和CODMn都符合中国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)设定的硝酸盐限值(
Figure GSA00000006761800062
)和CODMn≤3mg/L的要求；同时，左侧室12和右侧室13中的NO3 --N的浓度都小于0.3mg/L，且反应系统中没有出现亚硝酸盐的积累，中间室11及左侧室12、右侧室13中的NO2 --N均小于0.1mg/l，这说明地下水中硝酸盐氮的减少是生物反硝化作用将其还原为N2的结果；由此可见，用本发明的方法处理受硝酸盐污染的地下水是完全可行的。
实施例2
一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，基本步骤同实施例1，所不同的是(参见附图1)：
将实施例1中反应器中间室11内的模拟地下水1及左侧室12和右侧室13内的乙醇水溶液2倒干净，在中间室11中重新加入900mL 
Figure GSA00000006761800063
的模拟地下水1，在左侧室12和右侧室13中各加入900mL蒸馏水和60mg 95％的乙醇(乙醇水溶液2的CODCr浓度约为132mg/L)，重复实施例1的各步骤操作。
反应36小时后，中间室11中NO3 --N和CODMn的浓度分别为8.9mg/L和2.9mg/L，即硝酸盐氮和CODMn都符合中国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求。同时，左侧室12和右侧室13中的NO3 --N的浓度都小于0.2mg/L，且反应系统中没有出现亚硝酸盐的积累，中间室11及左侧室12和右侧室13中的NO3 --N均小于0.1mg/l，这说明地下水中硝酸盐氮的减少是生物反硝化作用将其还原为N2的结果，由此可见，用本发明的方法处理受硝酸盐污染的地下水是完全可行的。
实施例3
参见附图2，一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，其具体操作步骤为：
步骤(1)至(3)同实施例1。
(4)固定化细胞膜生物反应器的构建
在步骤(3)所得每张平板状固定细胞3一侧的表面覆盖上一张孔径为0.45μm的微孔滤膜4，然后用法兰9与螺栓将平板状固定细胞3及微孔滤膜4一起固定于附图2所示反应器壳体5中，即得平板状固定细胞生物反应器。
(5)地下水反硝化脱氮
用NaNO3和蒸馏水配制
Figure GSA00000006761800071
的模拟地下水1，在图2所示反应器的左侧室12和右侧室13中各加入900mL模拟地下水，中间室11中加入900mL蒸馏水和130mg 95％的乙醇(此乙醇水溶液2的CODCr浓度约为286mg/L)，打开搅拌器6，开始反硝化脱氮；搅拌反应24小时后，再向中间室11中加入130mg 95％的乙醇，继续搅拌反应24小时后，左侧室12和右侧室13中NO3 --N的浓度分别为8.8mg/L和9.2mg/L，左侧室12和右侧室13中CODMn的浓度分别为2.6mg/L和2.8mg/L，即左侧室12和右侧室13中硝酸盐氮和CODMn都符合中国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求。
同时，中间室11中的NO3 --N的浓度小于0.6mg/L，且反应系统中没有出现亚硝酸盐的积累，左侧室12和右侧室13及中间室11中的NO2 --N均小于0.2mg/l，这说明地下水中硝酸盐氮的减少是生物反硝化作用将其还原为N2的结果，由此可见，用本发明的方法处理受硝酸盐污染的地下水是完全可行的。

Claims (7)

1.一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)反硝化细菌的富集培养
将城市生活污水处理厂的活性污泥接种到反硝化细菌培养液中，采用搅拌反应器进行搅拌使污泥处于悬浮状态，进行反硝化细菌的富集培养：每天搅拌反应20～22小时，静止沉淀2～4小时，用虹吸法排出上清液，然后再加入新鲜的反硝化细菌培养液进行下一轮操作，持续运行60天以上，获得反硝化细菌悬浮液；
(2)聚乙烯醇溶液的配制
在加热状态下将固体聚乙烯醇溶解在相当于聚乙烯醇重量6.5倍的蒸馏水中，配成浓度控制在13～15％(w/v)的聚乙烯醇水溶液，再加入体积为聚乙烯醇溶液体积2～6％(v/v)的甘油作为抗冻剂，搅拌均匀后备用；
(3)平板状固定细胞的制备
将步骤(1)所得的反硝化细菌悬浮液在3000r·min-1下进行离心浓缩，弃去上清液，用生理盐水洗涤并离心2次，然后将浓缩菌体加入步骤(2)所配制的聚乙烯醇溶液中，湿菌体的加入量为10～50g/L，搅拌均匀后平铺于板框式模型里，置于-20±1℃的冰箱中冷冻12～16小时，然后再在室温下解冻2～4小时，重复冷冻-解冻4～6次，用蒸馏水充分洗涤膜表面，得平板状固定细胞；
(4)固定细胞膜生物反应器的构建
在步骤(3)所得的平板状固定细胞一侧的表面覆盖孔径为0.22或0.45μm的微孔滤膜，然后用法兰和螺栓将平板状固定细胞及微孔滤膜一起固定于反应器壳体中，即得固定细胞膜生物反应器；
(5)地下水反硝化脱氮
将地下水与乙醇水溶液分别加在固定细胞膜生物反应器不同的室内：在中间室中加入受硝酸盐污染的地下水，在两边侧室中加入乙醇水溶液，打开搅拌器进行反硝化脱氮，两边侧室中乙醇的总量(以CODCr计)与中间室中硝酸盐氮的总量之比应控制在4～6，反硝化所需的乙醇在反应开始时一次性加入；当地下水中硝酸盐氮的浓度符合硝酸盐限值NO3 --N≤10mg/L时终止反应。
2.根据权利要求1所述的一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，其特征在于，步骤(1)所说的反硝化细菌培养液的组成为：KNO3600～3600mg/L，C2H5OH500～2500mg/L，CaCl2100～500mg/L，MgSO4·7H2O 100～600mg/L，pH 7.2的0.2mol/L磷酸盐缓冲溶液0.2～1.0mL/L，其余为水。
3.根据权利要求1所述的一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，其特征在于，步骤(4)所说的固定细胞膜生物反应器的组装方式为：反应器的中间室为地下水，反应器的两侧为乙醇水溶液。
4.根据权利要求1所述的一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，其特征在于，步骤(4)所说的固定细胞膜生物反应器的组装方式为：反应器的中间为乙醇水溶液，反应器的两侧为地下水。
5.根据权利要求1所述的一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，其特征在于，在步骤(4)固定细胞膜生物反应器的构建中，平板状固定细胞有微孔滤膜的一侧与地下水接触，没有微孔滤膜的一侧与乙醇水溶液接触。
6.根据权利要求1所述的一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，其特征在于，在步骤(5)所说的反硝化脱氮过程中，反硝化所需的乙醇在反应开始时先加入所需乙醇总量一半的乙醇，然后在反应进行了12～24小时后再加入另一半。
7.根据权利要求1所述的一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，其特征在于，在步骤(5)所说的固定细胞膜生物反应器不同的室内设置有搅拌器。
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