CN102040281B

CN102040281B - 一种脱氮颗粒污泥的培养方法

Info

Publication number: CN102040281B
Application number: CN200910204259.7A
Authority: CN
Inventors: 高会杰; 黎元生; 李志瑞; 佟明友; 许谦; 唐似茵
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: CN102040281A

Abstract

本发明公开了一种脱氮颗粒污泥的培养方法，首先将接种污泥接入好氧反应器中，用高氨氮低COD废水进行好氧污泥的富集培养，然后分离筛选好氧反硝化菌并进行驯化培养，再将驯化培养好的好氧反硝化菌接种到硝化颗粒污泥中进行脱氮颗粒污泥培养即可获得脱氮颗粒污泥。与现有技术相比，本发明方法解决了已有短程硝化反硝化工艺中处理效果会出现波动、总氮去除率不高等问题，提供了一种脱氮颗粒污泥的培养方法，可以用于各种高氨氮有机工业废水生化处理过程，以便将SND工艺真正应用于实际工程。

Description

一种脱氮颗粒污泥的培养方法

技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，具体地说涉及一种能实现同步硝化反硝化颗粒污泥的培养方法。

背景技术

传统生物脱氮技术多根据硝化菌和反硝化菌生长条件的不同，将硝化和反硝化过程安排在两个不同的反应器内进行，或者在同一反应器内顺次进行(SBR)，所以系统复杂，能耗较大，并且管理不便。近几年国外有不少试验和报道证明硝化反应和反硝化反应可以在同一操作条件下与同一反应器内进行，称为同步硝化反硝化过程(SND)，尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种不同的生物处理系统，诸如流化床反应器、生物转盘、氧化沟、SBR、CAST工艺等过程中。这一新型脱氮工艺不仅克服了传统生物脱氮过程存在的问题，而且从能耗物耗等方面具有突出的优势，特别是以亚硝酸盐氮进行的SND工艺具有更明显的优点：(1)在硝化阶段可节约25％左右的需氧量，即减少了曝气量、降低了能耗；(2)在反硝化阶段减少了约40％的有机碳源，降低了运行费用；(3)实验表明亚硝硫氮(NO₂ ^--N)的反硝化速率通常比硝态氮(NO₃ ^--N)的反硝化速率高63％；(4)减少了50％左右的污泥量；(5)反应器容积可减少30～40％左右；(6)反硝化过程产生的碱可同时中和硝化过程产生的酸，SND能有效保持反应器内的pH，一般不需外加补充碱性物料。

目前同步硝化反硝化形成机理已经形成了三种理论解释，即宏观环境解释、微观环境理论和生物学解释，它们已经在大量不同的研究中得到证实并被普遍接受。宏观环境的SND工艺主要采用悬浮活性污泥法，由于污泥絮体中微缺氧区的形成往往会出现不稳定现象，导致SND处理效果会出现波动。从微生物理论来看，尽管某些具有脱氮功能的好氧反硝化菌被分离纯化，但是单一的菌体直接应用易随水流失，必须采取固定化或者生物膜法，然而这些工艺过程均比较复杂而且运行效果不稳定。微观环境的SND工艺主要是利用颗粒污泥进行生物脱氮，颗粒污泥是大量细菌聚集生长形成的具有良好沉降性能的颗粒状微生物聚集体，是反应器实现高效运行的关键和前提。利用颗粒污泥进行生物脱氮的优势在于：颗粒污泥具有的良好活性以及沉降性能，可维持生物反应器内较高的生物相浓度，从而提高生物脱氮的效率；与利用载体固定微生物方法比较，颗粒污泥天然的生物层分布确保了最佳的生物反应效率，保证了高效的生物脱氮。因此培养高效、高活性且性能稳定的脱氮颗粒污泥，可以增加反应器内的生物量，提高SND运行稳定性和处理效能，真正实现SND工艺应用于实际工程。特别是当条件控制不好污水处理系统受到冲击时，需要补加一定量高效颗粒污泥来稳定SND的处理效率。

中国专利CN1884134A公开了一种两段式同步硝化反硝化处理氨氮废水方法。该方法是筛选出对环境有较强适应能力的异养硝化细菌和好氧反硝化细菌，采用两种细菌构建同步硝化反硝化污泥体系处理含氨废水。该方法采用分别驯化然后在合并驯化的方法，过程复杂，驯化时间长，所用的细菌驯化培养液中采用琥珀酸钠作为碳源，是一种价格较高的碳源，应用于实际工程进行颗粒污泥的大规模培养势必带来成本的增加。中国专利CN1699217A公开了一种好氧亚硝化颗粒污泥的培养方法，中国专利CN1887737A公开了一种厌氧颗粒污泥的快速培养方法，中国专利CN1821122A公开了一种利用厌氧颗粒污泥培养硝化颗粒污泥的方法。目前利用自养硝化菌和好氧反硝化菌来构建同步硝化反硝化颗粒污泥的方法未见报道。

发明内容

针对已有的短程硝化反硝化工艺中由于絮体中微缺氧区的形成导致的不稳定现象，使SND处理效果会出现波动、总氮去除率不高等问题，本发明的目的是为了解决硝化和反硝化对溶解氧(DO)浓度和pH值要求不同，在实际工程中难以实现同步硝化反硝化的问题，提供一种脱氮除COD颗粒污泥的培养方法，用于各种高氨氮有机工业废水生化处理过程，具体涉及一种能进行同步硝化反硝化颗粒污泥的培养方法，以便将SND工艺真正应用于实际工程。

本发明脱氮颗粒污泥的培养方法包括以下内容：

(1)将接种污泥接入好氧反应器中，用高氨氮低COD(化学需氧量)废水进行好氧污泥的富集培养，以获得能耐受高氨氮的脱氮菌群；

(2)从步骤(1)富集菌群中分离筛选好氧反硝化菌；

(3)将步骤(2)中筛选的好氧反硝化菌进行驯化培养；

(4)将步骤(3)获得的好氧反硝化菌接种到步骤(1)的硝化颗粒污泥中进行脱氮颗粒污泥培养；当氨氮和总氮去除率达50％以上时即可获得驯化好的脱氮颗粒污泥。

步骤(1)富集脱氮污泥可以为本领域现有任何方法，优选逐渐提高基质氨氮浓度的方式进行富集。培养过程培养液氨氮初始浓度为100～600mg/L，最终氨氮浓度为700～2000mg/L，优选1000～1500mg/L，培养液COD值100～1000mg/L。当反应液氨氮浓度降低至150mg/L以下时，提高基质氨氮浓度同时补加碳源保证培养液COD浓度不低于100mg/L，每次提高氨氮浓度50～400mg/L。接种污泥可以选取本领域常用的具有硝化作用的活性污泥，优选取自炼油和催化剂污水处理厂的活性污泥。所述富集培养条件为：温度20～40℃；pH 6.0～9.0，优选6.5～8.0；DO(溶解氧)大于2mg·L^-1，优选2～10mg·L^-1。

步骤(2)采用平板稀释法或平板划线法对富集活性污泥内的菌群进行分离纯化，培养基可以是本领域常用的培养基。具体操作：取一定量的泥水混合物稀释不同的倍数后接种于含有亚硝酸盐氮的固体培养基平板中，25～35℃恒温静置培养，培养液中除了含有硝酸盐外，还含有Fe²⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺等金属离子以及磷酸根离子等，选取单菌落稀释不同的倍数后接种于同样的固体平板进行分离，重复上述操作直到获得纯化菌株。

步骤(3)将纯化的好氧反硝化菌株接种到含有亚硝氮的液体培养基中，然后在不同总氮浓度条件下进行脱氮能力驯化。具体方法：采取逐渐提高氮源和碳源的方式进行梯度驯化，从固体平板上用接菌环挑取部分菌落接入装有一定量培养液的反应器中培养，初始氮源浓度(以NO₂ ^--N计)为50～200mg/L，初始碳源浓度(以COD计)为500～1000mg/L，定期检测培养液中氮源和碳源浓度，控制生长驯化过程中反应系统的碳源和氮源的质量比(按COD浓度和氨氮浓度计)为1∶1～10∶1，如果碳源不足补加碳源，如果碳源过剩则补加氮源，直到总氮和COD浓度分别低于15mg/L和60mg/L时终止反应。培养条件为：温度为20～35℃；pH为6.5～9.8，优选7.0～8.5；DO(溶解氧)为0.5～5mg·L^-1，优选为1～3mg·L^-1。

步骤(4)采取逐渐提高基质浓度的方式培养颗粒污泥，硝化颗粒污泥按照接种后反应器内污泥浓度(MLSS)为500～3000mg/L来投加，好氧反硝化菌按照反应器体积3％～25％的接种量进行接种。具体过程：将步骤(1)获得的亚硝化颗粒污泥和(3)获得的好氧反硝化菌悬液按照适宜的接种量接入含有氨氮的液体培养液中进行驯化，碳源可以是任何微生物能够利用的有机碳源。培养过程中采取菌体转接、批次换水或者批次补料的方式，并逐渐提高氮源和碳源浓度，最终达到欲处理废水中氮和碳的浓度。如果欲处理废水氨氮浓度较低，可以直接用欲处理废水进行脱氮能力驯化。驯化过程中，培养液初始氨氮浓度为100～300mg/L，最终氨氮浓度为400～1500mg/L，优选500～1000mg/L，维持碳氮质量比为1∶1～10∶1。当反应液氨氮浓度降低至100mg/L以下时，提高基质氨氮浓度同时补加碳源保证培养液COD浓度不低于100mg/L，每次提高氨氮浓度50～200mg/L。驯化温度为20～35℃；pH为6.5～10.0，优选7.5～8.5；DO(溶解氧)为0.5～5mg·L^-1，优选为1～3mg·L^-1。

上述步骤所需的氨氮可以是一切能够作为微生物氮源的化合物，如(NH₄)₂SO₄，尿素等，这里首选(NH₄)₂SO₄作为氮源；所需的亚硝态氮可以是一切亚硝酸盐，如NaNO₂、KNO₂等；所需的COD可通过加入葡萄糖、甲醇或琥珀酸钠，以及其它一些含碳有机化合物或者COD浓度较高的污水等。

上述步骤污泥培养过程中均使用生长促进剂，包含Fe²⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺这四种金属阳离子，可采用常用物质进行配置，四种金属阳离子的摩尔配置比例为1∶(4-8)∶(5-15)∶(1-5)；其中Fe²⁺是以FeSO₄·7H₂O或者FeCl₂的形式加入；Mg²⁺是以MgSO₄·7H₂O或者MgCl₂的形式加入；K⁺是以KH₂PO₄和/或K₂HPO₄的形式加入；Ca²⁺是采用CaCO₃或者CaCl₂的形式加入。

本发明方法采用高氨氮废水对接种污泥进行脱氮污泥的驯化，从驯化的好氧污泥中筛选好氧反硝化菌，再将该菌株驯化培养后与硝化颗粒污泥混合制备脱氮颗粒污泥。本发明获得的脱氮颗粒污泥中，负责硝化脱氨氮的细菌主要是自养硝化菌，负责反硝化脱氮的细菌是好氧反硝化菌，只要给予适当的条件，比如控制碳源浓度可以抑制反硝化菌生长从而顺利完成硝化脱氨氮过程，给予一定浓度的碳源可以激活反硝化菌顺利完成好氧反硝化脱氮，最终实现同步硝化反硝化。

本发明获得的颗粒污泥脱氮性能稳定，SND运行效果好，总氮去除率高，真正实现SND应用于实际工程。

具体实施方式

同步硝化与反硝化由于能够带来明显的经济效益具有广泛的应用前景。大多数文献报道硝化菌对pH值的变化十分敏感，其生长适宜的pH值为8.0～8.4之间，与此同时，对反硝化反应最适宜的pH值是6.5～7.5，pH高于8或者低于6时，反硝化速率将大为下降。但是本发明培养的反硝化菌最适pH为8～8.5，与硝化菌的最适pH一致，这保证了硝化反硝化同步进行的pH环境。同时本发明培养的硝化颗粒污泥能够耐受一定浓度的COD，这同样保证了硝化反硝化能够在同一反应器中相同条件下进行。

本发明颗粒污泥具有较强的耐受性和适应性，能够在同一反应器中、在相同pH和DO浓度条件下完成硝化反硝化脱氮过程；可以实现SND工艺在工业污水处理中的应用。

实施例1

(1)好氧污泥的富集培养：从某炼油污水处理厂好氧曝气池内取活性污泥，接入好氧反应器中，使得接种污泥后反应器内的MLSS为5000mg/L，采用逐渐提高基质氨氮浓度的方式进行富集，污水的初始氨氮浓度为100mg/L、COD浓度为400mg/L，培养过程中当氨氮浓度低于10mg/L时，补加氮源，使氨氮浓度比上一次氨氮浓度提高100mg/L，直至氨氮浓度提高到1000mg/L，在补充氨氮的同时补充COD维持COD浓度为400mg/L左右。富集过程中：温度为25℃；pH 7.5，DO(溶解氧)2.5mg·L^-1左右。

(2)反硝化菌的筛选纯化：取步骤(1)中得到的一定量的泥水混合物稀释不同的倍数后涂布于牛肉膏蛋白胨固体培养基平板中培养，培养液中亚硝酸盐氮浓度为150mg/L，还含有少量的Fe²⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺等金属离子以及磷酸根离子等，30℃恒温静置培养，以甲醇为碳源，按照碳氮质量比2∶1配置。培养1-2天后，选取单菌落再稀释不同的倍数后涂布于同样的固体平板进行分离，重复上述操作直到获得纯化菌株。

(3)反硝化菌的驯化培养：从固体平板上用接菌环挑取部分菌落接入装有一定量培养液的反应器中培养，培养液中初始氮源浓度为150mg/L，以甲醇作为碳源，初始碳源浓度(以COD计)为400mg/L，驯化过程中当总氮浓度低于15mg/L时，补加氮源，同时补充碳源控制碳源与氮源质量比为3∶1左右，使总氮浓度比上一次提高100mg/L，直到提高到600mg/L。培养条件为：温度为30℃；pH 8.0，DO(溶解氧)1.5mg·L^-1左右。

(4)颗粒污泥培养：将步骤(1)获得的好氧污泥和步骤(3)获得的反硝化菌菌悬液分别按照MLSS为1500mg/L和占反应器体积为5％的接种量接入含有150mL培养液的500mL摇瓶中，以纱布封口置溶解氧浓度控制为3.0mg/L的空气振动器中进行培养。初始培养液中总氮浓度为100mg/L。以甲醇作为碳源，初始碳源浓度(以COD计)为400mg/L，当氨氮和总氮去除率达到90％以上时，停止反应，自然沉降后弃上清液，然后补加同样体积的浓度提高100mg/L的新鲜培养液继续培养，重复操作直到培养液中氨氮浓度提高到600mg/L。培养过程中，碳氮质量比为3∶1，温度为28℃；pH为8.0，培养一定时间后即可获得总氮去除率达到80％以上的脱氮颗粒污泥。

实施例2

(1)好氧污泥的富集培养：从某催化剂污水处理厂好氧曝气池内取一定量的活性污泥，接入好氧反应器中，使得接种污泥后反应器内的MLSS为3000mg/L，采用逐渐提高基质氨氮浓度的方式进行富集，污水的初始氨氮浓度为200mg/L、COD浓度为600mg/L，培养过程中当氨氮浓度低于50mg/L时，补加氨氮浓度比上一次提高150mg/L，直到提高到1500mg/L，在补充氨氮的同时补充COD维持COD浓度为600mg/L左右。富集过程中：温度为30℃，pH7.8，DO(溶解氧)3mg·L^-1左右。

(2)反硝化菌的筛选纯化：取步骤(1)中得到的一定量的泥水混合物稀释不同的倍数后涂布于牛肉膏蛋白胨固体培养基平板中培养，培养液中亚硝酸盐氮浓度为200mg/L，还含有少量的Fe²⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺等金属离子以及磷酸根离子等，28℃恒温静置培养，以甲醇为碳源，按照碳氮质量比3∶1配置。培养1-2天后，选取单菌落再稀释不同的倍数后涂布于同样的固体平板进行分离，重复上述操作直到获得纯化菌株。

(3)反硝化菌的驯化培养：从固体平板上用接菌环挑取部分菌落接入装有一定量培养液的反应器中培养，培养液中初始氮源浓度为200mg/L，以甲醇作为碳源，初始碳源浓度(以COD计)为500mg/L，驯化过程中当总氮浓度低于15mg/L时，补加氮源，同时补充碳源控制碳源与氮源质量比为4∶1左右，使总氮浓度比上一次提高100mg/L，直到提高到800mg/L。培养条件为：温度为30℃；pH 8.0，DO(溶解氧)2.5mg·L^-1左右。

(4)颗粒污泥培养：将步骤(1)获得的好氧污泥和步骤(3)获得的反硝化菌菌悬液分别按照MLSS为1800mg/L和反应器体积15％的接种量接入含有500mL培养液的1000mL摇瓶中，以纱布封口置溶解氧浓度控制为3.0mg/L的空气振动器中进行培养。初始培养液中总氮浓度为150mg/L。以COD浓度较高的污水作为碳源，按照初始碳源浓度(以COD计)为600mg/L确定污水的体积，当氨氮和总氮去除率达到90％以上时补加氮源，补加氨氮浓度比上一次提高150mg/L，直到提高到900mg/L。培养过程中，碳氮质量比为4∶1，温度为30℃；pH为8.2，培养一定时间后即可获得总氮去除率达到70％以上的脱氮颗粒污泥。

Claims

1.一种脱氮颗粒污泥的培养方法，其特征在于包括以下内容：

(1)将接种污泥接入好氧反应器中，用高氨氮低COD废水进行好氧污泥的富集培养，以获得能耐受高氨氮脱氮菌群的好氧污泥；

(2)从步骤(1)富集菌群中分离筛选好氧反硝化菌；

(3)将步骤(2)中筛选的好氧反硝化菌进行驯化培养；

(4)将步骤(3)获得的好氧反硝化菌接种到步骤(1)的好氧污泥中进行脱氮颗粒污泥培养，当氨氮和总氮去除率达50％以上时即可获得驯化好的脱氮颗粒污泥；

其中步骤(1)的富集培养采用逐渐提高基质氨氮浓度的方式进行富集，培养过程培养液氨氮初始浓度为100～600mg/L，最终氨氮浓度为700～2000mg/L，培养液COD值100～1000mg/L；当培养液氨氮浓度降低至150mg/L以下时，提高基质氨氮浓度同时补加碳源保证培养液COD浓度不低于100mg/L，每次提高氨氮浓度50～400mg/L；步骤(1)中接种污泥选取炼油或催化剂污水处理厂的活性污泥，富集培养条件为：温度20～40℃，pH6.0～9.0，溶解氧2mg·L^-1以上；

其中步骤(4)培养颗粒污泥的过程为，培养液初始氨氮浓度为100～300mg/L，最终氨氮浓度为400～1500mg/L，维持碳氮质量比为1∶1～10∶1；当反应液氨氮浓度降低至100mg/L以下时，提高基质氨氮浓度同时补加碳源保证培养液COD浓度不低于100mg/L，每次提高氨氮浓度50～200mg/L；驯化温度为20～35℃，pH为6.5～10.0，溶解氧为0.5～5mg·L^-1。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)富集培养条件为：pH6.5～8.0；溶解氧为2～10mg·L^-1。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)采用平板稀释法或平板划线法对富集活性污泥内的菌群进行分离纯化。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中好氧反硝化菌驯化培养过程为：将纯化的好氧反硝化菌株接种到含有亚硝氮的液体培养基中，然后采取逐渐提高氮源和碳源的方式进行梯度驯化。

5.按照权利要求1或4所述的方法，其特征在于：步骤(3)中好氧反硝化菌驯化培养过程为：从固体平板上用接菌环挑取部分菌落接入装有培养液的反应器中培养，以NO₂ ^--N计初始氮源浓度为50～200mg/L，以COD计初始碳源浓度为500～1000mg/L，控制生长驯化过程中反应系统的碳源和氮源的质量比为1∶1～10∶1，直到总氮和COD浓度分别低于15mg/L和60mg/L时终止反应。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：好氧反硝化菌培养条件为：温度为20～35℃，pH为6.5～9.8，溶解氧为0.5～5mg·L^-1。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)采取逐渐提高基质浓度的方式培养颗粒污泥，硝化颗粒污泥按照接种后反应器内污泥浓度为500～3000mg/L来投加，好氧反硝化菌按照反应器体积3％～25％的接种量进行接种；过程包括：将步骤(1)获得的好氧污泥和(3)获得的好氧反硝化菌悬液接入含有氨氮的液体培养液中进行驯化，培养过程中采取菌体转接、批次换水或者批次补料的方式，并逐渐提高氮源和碳源浓度，最终达到欲处理废水中氮和碳的浓度。