CN103275868B - 一种基于间歇式膜生物反应器富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于间歇式膜生物反应器富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌的装置和方法，属于污水处理技术领域。主要包括SMBR反应器、进水箱、自动控制系统和出水箱、甲烷储气罐、氩气储气罐等；SMBR反应器内有膜组件，自动控制系统能控制SMBR反应器的进水、厌氧反应、排水、排泥步骤。本发明通过优化运行参数，能获得较高纯度的富集培养物。
Description
技术领域
本发明涉及一种生长极其缓慢微生物的富集方法，尤其是基于间歇式膜生物反应器富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌的装置和方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
近期研究发现，有一类微生物能利用NO2 --N和NO3 --N作为电子受体，以CH4作为电子供体进行同时反硝化和厌氧甲烷氧化，该过程被称为反硝化型厌氧甲烷氧化，这类微生物被称为N-DAMO菌（Nitrite-driven anaerobic methaneoxidation bacteria）。N-DAMO菌参与的反应过程如下：
5CH4+8NO3 -+8H+→5CO2+4N2+14H2O ΔG0'=-765kJmol-1CH4 (1)
3CH4+8NO2 -+8H+→3CO2+4N2+10H2O ΔG0'=-928kJmol-1CH4 (2)
N-DAMO菌最早发现于淡水环境中，是隶属于NC10门中的一类细菌。在没有O2也没有光照的条件下，N-DAMO菌可以将NO2 -分解为NO和O2，然后利用生成的O2来氧化CH4，并获取用于繁殖的能量，该细菌为地球生态环境提供了第四种生物产氧的可能途径。但是N-DAMO菌由于增长缓慢，其世代时间长达一个月之久，难以富集培养，除了严格控制厌氧环境外，需要对运行参数，包括CH4通气量、进水NO2 --N浓度、pH、污泥龄和温度等参数严格控制。
本发明专利提出了一种新型的富集N-DAMO菌的生物反应系统，并通过优化运行参数，能获得较高纯度的富集培养物，为今后进一步研究其生理生态及在污水生物处理过程中的利用奠定基础。
发明内容
本发明涉及一种基于间歇式膜生物反应器富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌的装置和方法，解决了如何在污水处理反应器中快速富集长世代时间微生物的技术难题,并最终解决污水脱氮处理中有机碳源不足、C/N比偏低的矛盾。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于间歇式膜生物反应器（SMBR）富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌(N-DAMO)的装置，其特征在于：主要包括SMBR反应器（1）、进水箱（2）、自动控制系统（3）和出水箱（4），
所述进水箱（2）经进水泵（8）连通SMBR反应器（1），SMBR反应器（1）内部设有中空纤维膜组件（11），中空纤维膜组件上方的出水端经管道连通出水泵（15）并与出水箱（4）连接，使得经中空纤维膜组件过滤的出水最终进入出水箱（4）；
酸性缓冲液瓶（12）和碱性缓冲液瓶（13）分别通过蠕动泵（14）与SMBR反应器（1）连接，使得酸性缓冲液瓶（12）和碱性缓冲液瓶（13）中酸碱溶液分别经蠕动泵（14）投加至SMBR反应器（1）内，调节SMBR反应器（1）内的pH水平；
甲烷贮气罐（5）经由甲烷流量计（9）与SMBR反应器（1）底部的曝气头（16）连接，SMBR反应器（1）上端设置的甲烷回收管（21）与甲烷回收瓶（6）连通，使得甲烷贮气罐（5）中的甲烷经甲烷流量计（9）调节流量后从曝气头（16）进入到SMBR反应器（1），未经反应消耗的甲烷经甲烷回收管（21）进入到甲烷回收瓶（6）中；
氩气贮气罐（7）经氩气流量计（10）与SMBR反应器（1）底部的另一曝气头连接，使得氩气贮气罐（7）中的氩气经氩气流量计（10）调节后通过曝气头进入SMBR反应器（1）；
SMBR反应器（1）外部设有水浴外套（22），底部连接污泥泵（23），使得剩余的污泥经污泥泵（23）排入剩余污泥贮存器（24）；
SMBR反应器（1）内设有pH探头（17）、ORP探头（18）、温度探头（19）和甲烷探头（20），pH探头（17）、ORP探头（18）、温度探头（19）和甲烷探头（20）通过数据线（25）与自动控制系统（3）连接，使得pH探头（17）、ORP探头（18）、温度探头（19）和甲烷探头（20）采集的pH、ORP、温度和甲烷浓度数据通过数据线（25）传送至自动控制系统（3）的信号输入端，所述自动控制系统（3）的信号输出端与进水泵（8）、甲烷流量计（9）、氩气流量计（10）、酸碱投加蠕动泵（14）、出水泵（15）和污泥泵（23）的控制开关连接，并控制和调节这些设备的开关和开启大小。
自动控制系统能根据温度探头实时监测的SMBR反应器内温度大小来调控水浴外套内温度，并维持SMBR反应器内温度在30-32°C之间。
自动控制系统能控制间歇式膜生物反应器（SMBR）的进水、厌氧反应、排水、排泥步骤。
自动控制系统能根据pH探头实时监测的pH值的大小，来调控酸碱投加蠕动泵的开启，控制SMBR反应器内的pH值维持在7.0-8.0之间。
自动控制系统能根据ORP探头和甲烷探头实时监测的ORP值和甲烷浓度的大小，来调控甲烷气体流量计的开启大小，每升反应器甲烷流量控制在0.5-1mL/min，SMBR反应器内ORP维持在-100mV至-400mV之间，并保证SMBR反应器处于严格的厌氧环境。
中空纤维膜组件有效防止了N-DAMO菌的流失，并可以用来附着生长N-DAMO菌。
利用上述装置富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，将厌氧污泥消化池中的污泥和湿地底泥接种到SMBR反应器（1）内，进行菌种的间歇驯化和培养；
步骤二，将含有NO2 --N但不含COD的污水引入至SMBR反应器（1）内并与污泥充分混合；
步骤三，打开甲烷气体流量计(9)和氩气气体流量计（10）向SMBR反应器（1）通入甲烷和氩气气体，并由自动控制系统（3）实时监测并控制反硝化厌氧甲烷氧化过程中pH和ORP值的变化情况,使得pH维持在7.0-8.0之间,ORP维持在-100mV至-400mV之间，并手动取样监测SMBR反应器（1）中NO2 --N浓度，当厌氧甲烷氧化反应结束时，控制系统（3）向甲烷气体流量计(9)输出关闭控制信号，使曝气头(16)及时停止曝甲烷；
步骤四，开启出水泵（15）排除SMBR反应器（1）内经中空纤维膜组件（11）过滤后的上清液；
步骤五，开启污泥泵(22)从反应器中排出部分的剩余污泥，促使N-DAMO菌在SMBR反应器（1）内逐渐富集；
步骤六，重复步骤二至步骤五所述的操作过程，并使反硝化厌氧甲烷氧化速率逐步提高，直至反硝化型甲烷厌氧氧化菌(N-DAMO)富集结束。
所述步骤一中的SMBR反应器内的悬浮污泥浓度维持在2000mg/L-4000mg/L。
所述步骤二中的进水中NO2 --N控制在50至300mg/L之间，进水中不含有可生物降解的COD。
所述步骤三中根据甲烷厌氧氧化速率来控制厌氧反应时间，保证出水中NO2 --N浓度处于3-20mg/L之间，当NO2 --N低于3mg/L，减少厌氧反应时间，当NO2 --N高于20mg/L，延长厌氧反应时间。
所述步骤四中的排水比为0.4-0.5。
所述步骤五中,排放少量的剩余污泥，控制SMBR反应器（1）内的污泥龄在40天-60天。
所述步骤六中根据厌氧甲烷氧化速率变化定期提高进水氮负荷，在起初的厌氧甲烷氧化速率较低的前2个月培养阶段，进水NO2 --N浓度控制在50至100mg/L之间，厌氧反应时间设置为2-5天，当厌氧甲烷氧化速率提高后，进水NO2 --N浓度控制在100至300mg/L之间，厌氧反应时间设置为0.5-2天，根据需要当反硝化型甲烷厌氧氧化菌(N-DAMO)占全菌的百分含量达到需要后（如30-50%等），停止步骤六，结束培养。
所述自动控制系统（3）能根据ORP探头（18）和甲烷探头（20）实时监测的ORP值和甲烷浓度的大小，来调控甲烷气体流量计（9）的开启大小，甲烷流量随反应器大小改变,每升反应器甲烷流量控制在0.5-1mL/min，SMBR反应器（1）内ORP维持在-100mV至-400mV之间，并保证SMBR反应器（1）处于严格的厌氧环境。
步骤四，开启出水泵（15）排放SMBR反应器（1）内经中空纤维膜组件（11）过滤后的上清液，在排水的同时，继续以每升反应器0.5-1mL/min的流量通入甲烷气体维持SMBR反应器（1）内严格的厌氧环境，防止空气扩散至SMBR反应器（1）内。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
随着水资源短缺及能源危机的凸现，城市污水及工业废水的高效节能处理已成为该行业发展的方向，基于反硝化型的厌氧甲烷氧化(N-DAMO)过程的实现不仅能节约曝气能耗和碳源，更能降低温室气体CH4的排放，在处理含亚硝态氮和溶解性甲烷的污水中具有明显技术优势。本发明将通过调节污水生物脱氮过程中的运行条件和控制参数，在反应器内生长和富集N-DAMO菌，并提出了N-DAMO菌的快速富集方法。本发明以节能降耗为目的，具有操作管理简易、节省人力物力，降低城市污水的曝气能耗和温室气体排放的优点，并将为最终实现厌氧甲烷氧化工艺处理污泥消化上清液等污水奠定基础。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明的控制系统和数据采集处理的基本结构示意图；
图3是本发明的方法实施步骤示意图。
附图标记：1-SMBR反应器、2-进水箱、3-自动控制系统、4-出水箱、5-甲烷贮气罐、6-甲烷回收瓶、7-氩气贮气罐、8-进水泵、9-甲烷气体流量计、10-氩气气体流量计、11-中空纤维膜组件、12-酸性缓冲液瓶、13-碱性缓冲液瓶、14-酸碱投加蠕动泵、15-出水泵、16-曝气头、17-pH探头、18-ORP探头、19-温度探头、20-甲烷探头、21-甲烷回收管、22-水浴外套、23-污泥泵、24-剩余污泥贮存器、25-数据传输线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
实施例1参见图1所示，一种基于间歇式膜生物反应器（SMBR）富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌(N-DAMO)的装置，主要设置SMBR反应器1，并配置了进水箱2、自动控制系统3和出水箱4。所述进水箱2经进水泵8连通SMBR反应器1，SMBR反应器1内部设有中空纤维膜组件11，中空纤维膜组件上端上方的出水端经管道连通出水泵15，出水最终进入出水箱4。酸性缓冲液瓶12和碱性缓冲液瓶13中酸碱溶液经酸碱投加蠕动泵14投加至SMBR反应器1内，调节SMBR反应器1内的pH水平。甲烷贮气罐5中的甲烷经甲烷流量计9调节流量后从曝气头16进入到SMBR反应器1，多余的甲烷经甲烷回收管21进入到甲烷回收瓶6中。氩气贮气罐7中的氩气经氩气流量计10调节流量后从曝气头16进入到SMBR反应器1。SMBR反应器1外部设有水浴外套22，底部连接污泥泵23，剩余的污泥经污泥泵23排入剩余污泥贮存器24。SMBR反应器1内设有pH探头17、ORP探头18、温度探头19和甲烷探头20，pH探头17、ORP探头18、温度探头19和甲烷探头20将采集的pH、ORP、温度和甲烷浓度数据通过数据线25传送至自动控制系统3的信号输入端，所述自动控制系统3的信号输出端与进水泵8、甲烷流量计9、氩气流量计10、酸碱投加蠕动泵14、出水泵15和污泥泵23的控制开关连接，并控制和调节这些设备的开关和开启大小。
参见图2所示，SMBR反应器1内设有pH探头17、ORP探头18、温度探头19和甲烷探头20，可实时监测反应器内pH、ORP、温度和甲烷变化情况。pH探头17、ORP探头18、温度探头19和甲烷探头20将采集的数据通过数据线传送至自动控制系统3的信号输入端，并存入内存储器中。所述自动控制系统3的控制器通过信号输出端与进水泵8、出水泵15、酸碱蠕动泵14、污泥泵23、甲烷流量计9和氩气流量计10的控制开关连接。按照设定的程序，所述自动控制系统3能控制间歇式膜生物反应器SMBR的进水、厌氧反应、排水、排泥和闲置阶段。所述自动控制系统3能根据pH探头17实时监测的pH值的大小，来调控酸碱投加蠕动泵14的开启，控制SMBR反应器1内的pH值维持在7.0-8.0之间。所述自动控制系统3能根据ORP探头18和甲烷探头20实时监测的ORP值和甲烷浓度的大小，来调控甲烷气体流量计9和氩气气体流量计10的开启大小，控制SMBR反应器1内ORP维持在-100mV至-400mV之间，并保证SMBR反应器1处于严格的厌氧环境。所述自动控制系统3能根据温度探头19实时监测的SMBR反应器1内温度大小来调控水浴外套内温度，并维持SMBR反应器1内温度在30-32°C之间。
实施例2参见图3所示，一种基于间歇式膜生物反应器富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌的装置的方法，步骤如下：
步骤一，将厌氧污泥消化池中的污泥和湿地底泥接种到SMBR反应器（1）内，进行菌种的间歇驯化和培养；
步骤二，将含有NO2 --N但不含COD的污水引入至SMBR反应器（1）内并与污泥充分混合；
步骤三，打开甲烷气体流量计(9)和氩气气体流量计（10）向SMBR反应器（1）通入甲烷和氩气气体，并由自动控制系统（3）实时监测并控制反硝化厌氧甲烷氧化过程中pH和ORP值的变化情况,使得pH维持在7.0-8.0之间,ORP维持在-100mV至-400mV之间，并手动取样监测SMBR反应器（1）反应器中NO2 --N浓度，当厌氧厌氧甲烷氧化反应结束时，控制系统（3）向甲烷气体流量计(9)输出关闭控制信号，使曝气头(15)及时停止曝甲烷；
步骤四，开启出水泵（15）排除SMBR反应器（1）内经中空纤维膜组件（11）过滤后的上清液；继续以每升反应器0.5-1mL/min的流量通入甲烷气体维持SMBR反应器（1）内严格的厌氧环境，防止空气扩散至SMBR反应器（1）内；
步骤五，开启污泥泵(22)从反应器中排出少量的剩余污泥，促使N-DAMO菌在SMBR反应器（1）内逐渐富集；
步骤六，重复步骤二至步骤五所述的操作过程，使反硝化厌氧甲烷氧化速率逐步提高，直至反硝化型甲烷厌氧氧化菌(N-DAMO)富集结束。
具体实施案例如下：
启动和驯化的接种污泥来自厌氧污泥消化池中的污泥和一自然湿地的底泥，接种污泥后采用了逐渐提高进水氮负荷的方式来逐渐驯化反硝化型甲烷厌氧氧化菌(N-DAMO)菌，富集驯化分为以下3个阶段。
第一阶段采用较低的进水氮负荷：投加NO2 --N浓度为50mg/L的人工配水到10L的SMBR反应器，进水结束后，向SMBR反应器通入10mL/min的甲烷气体，并通入氩气保证整个反应器处于厌氧环境，当厌氧反应持续12小时后，每隔2小时取样分析SMBR反应器内NO2 --N浓度，当检测结果显示NO2 --N浓度低于10mg/L时,关闭甲烷气体流量计，使曝气头及时停止曝甲烷。厌氧反应结束后，开启出水泵，通过中空纤维膜过滤后排放出水5L，并排放污泥控制污泥龄在50-60天。重复上述操作共60天，结束第一阶段的培养。
第二阶段采用较高的进水氮负荷：投加NO2 --N浓度为100mg/L的人工配水到10L的SMBR反应器，进水结束后，向SMBR反应器通入10mL/min的甲烷气体，并通入氩气保证整个反应器处于厌氧环境，当厌氧反应持续12小时后，每隔2小时取样分析SMBR反应器内NO2 --N浓度，当检测结果显示NO2 --N浓度低于10mg/L时,关闭甲烷气体流量计，使曝气头及时停止曝甲烷。厌氧反应结束后，开启出水泵，通过中空纤维膜过滤后排放出水5L，并排放污泥控制污泥龄在50-60天。重复上述操作共计60天，结束第二阶段的培养。
第三阶段进一步提高进水氮负荷：投加NO2 --N浓度为250-300mg/L的人工配水到10L的SMBR反应器，进水结束后，向SMBR反应器通入10mL/min的甲烷气体，并通入氩气保证整个反应器处于厌氧环境，当厌氧反应持续12小时后，每隔2小时取样分析SMBR反应器内NO2 --N浓度，当检测结果显示NO2 --N浓度低于10mg/L时,关闭甲烷气体流量计，使曝气头及时停止曝甲烷。厌氧反应结束后，开启出水泵，通过中空纤维膜过滤后排放出水5L，并排放污泥控制污泥龄在50-60天。重复上述操作共计120天，结束第三阶段的培养。
采用本发明的处理装置和方法，经历上述三个阶段的培养和富集N-DAMO菌后，8个月内可使SMBR反应器内N-DAMO菌占全菌的相对比例从起初的不足0.5%提高至30%以上。
Claims (4)
1.一种富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌的方法，其特征在于，所用装置基于间歇式膜生物反应器(SMBR)富集反硝化型甲烷厌氧氧化菌(N-DAMO)的装置，主要包括SMBR反应器(1)、进水箱(2)、自动控制系统(3)和出水箱(4)；
所述进水箱(2)经进水泵(8)连通SMBR反应器(1)，SMBR反应器(1)内部设有中空纤维膜组件(11)，中空纤维膜组件上方的出水端经管道连通出水泵(15)并与出水箱(4)连接，使得经中空纤维膜组件过滤的出水最终进入出水箱(4)；
酸性缓冲液瓶(12)和碱性缓冲液瓶(13)分别通过酸碱投加蠕动泵(14)与SMBR反应器(1)连接，使得酸性缓冲液瓶(12)和碱性缓冲液瓶(13)中酸碱溶液分别经酸碱投加蠕动泵(14)投加至SMBR反应器(1)内，调节SMBR反应器(1)内的pH水平；
甲烷贮气罐(5)经由甲烷流量计(9)与SMBR反应器(1)底部的曝气头(16)连接，SMBR反应器(1)上端设置的甲烷回收管(21)与甲烷回收瓶(6)连通，使得甲烷贮气罐(5)中的甲烷经甲烷流量计(9)调节流量后从曝气头(16)进入到SMBR反应器(1)，未经反应消耗的甲烷经甲烷回收管(21)进入到甲烷回收瓶(6)中；
氩气贮气罐(7)经氩气流量计(10)与SMBR反应器(1)底部的另一曝气头连接，使得氩气贮气罐(7)中的氩气经氩气流量计(10)调节后通过曝气头进入SMBR反应器(1)；
SMBR反应器(1)外部设有水浴外套(22)，底部连接污泥泵(23)，使得剩余的污泥经污泥泵(23)排入剩余污泥贮存器(24)；
SMBR反应器(1)内设有pH探头(17)、ORP探头(18)、温度探头(19)和甲烷探头(20)，pH探头(17)、ORP探头(18)、温度探头(19)和甲烷探头(20)通过数据传输线(25)与自动控制系统(3)连接，使得pH探头(17)、ORP探头(18)、温度探头(19)和甲烷探头(20)采集的pH、ORP、温度和甲烷浓度数据通过数据传输线(25)传送至自动控制系统(3)的信号输入端，所述自动控制系统(3)的信号输出端与进水泵(8)、甲烷流量计(9)、氩气流量计(10)、酸碱投加蠕动泵(14)、出水泵(15)和污泥泵(23)的控制开关连接，并控制和调节这些设备的开关和开启大小；
包括如下步骤：
步骤一，将厌氧污泥消化池中的污泥和湿地底泥接种到SMBR反应器(1)内，进行菌种的间歇驯化和培养；
步骤二，将含有NO2 --N但不含COD的污水引入至SMBR反应器(1)内并与污泥充分混合；
步骤三，打开甲烷气体流量计(9)和氩气气体流量计(10)向SMBR反应器(1)通入甲烷和氩气气体，并由自动控制系统(3)实时监测并控制反硝化厌氧甲烷氧化过程中pH和ORP值的变化情况,使得pH维持在7.0-8.0之间,ORP维持在-100mV至-400mV之间，并手动取样监测SMBR反应器(1)中NO2 --N浓度，当厌氧甲烷氧化反应结束时，控制系统(3)向甲烷气体流量计(9)输出关闭控制信号，使曝气头(16)及时停止曝甲烷；
步骤四，开启出水泵(15)排除SMBR反应器(1)内经中空纤维膜组件(11)过滤后的上清液；
步骤五，开启污泥泵(23)从反应器中排出部分的剩余污泥，促使N-DAMO菌在SMBR反应器(1)内逐渐富集；
步骤六，重复步骤二至步骤五所述的操作过程，并使反硝化厌氧甲烷氧化速率逐步提高，直至反硝化型甲烷厌氧氧化菌(N-DAMO)富集结束；
步骤一中的SMBR反应器内悬浮污泥浓度维持在2000mg/L-4000mg/L；
步骤二中的进水中NO2 --N控制在50至300mg/L之间，进水中不含有可生物降解的COD；
步骤三中根据甲烷厌氧氧化速率来控制厌氧反应时间，保证出水中NO2 --N浓度处于3-20mg/L之间；
所述步骤四中的排水比为0.4-0.5；开启出水泵(15)排放SMBR反应器(1)内经中空纤维膜组件(11)过滤后的上清液，在排水的同时，继续以每升反应器0.5-1mL/min的流量通入甲烷气体维持SMBR反应器(1)内严格的厌氧环境，防止空气扩散至SMBR反应器(1)内；
步骤五中排放少量的剩余污泥，控制SMBR反应器(1)内的污泥龄在40天-60天；
步骤六中根据厌氧甲烷氧化速率变化定期提高进水氮负荷，在起初的厌氧甲烷氧化速率较低的前2个月培养阶段，进水NO2 --N浓度控制在50至100mg/L之间，厌氧反应时间设置为2-5天，当厌氧甲烷氧化速率提高后，进水NO2 --N浓度控制在100至300mg/L之间，厌氧反应时间设置为0.5-2天，根据需要当反硝化型甲烷厌氧氧化菌(N-DAMO)占全菌的百分含量达到需要后，停止步骤六，结束培养。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述自动控制系统(3)能根据ORP探头(18)和甲烷探头(20)实时监测的ORP值和甲烷浓度的大小，来调控甲烷气体流量计(9)的开启大小，甲烷流量随反应器大小改变,每升反应器甲烷流量控制在0.5-1mL/min，SMBR反应器(1)内ORP维持在-100mV至-400mV之间，并保证SMBR反应器(1)处于严格的厌氧环境。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，自动控制系统能根据温度探头实时监测的SMBR反应器内温度大小来调控水浴外套内温度，并维持SMBR反应器内温度在30-32℃之间。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，自动控制系统能控制间歇式膜生物反应器(SMBR)的进水、厌氧反应、排水、排泥步骤。
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