CN103435166B

CN103435166B - 序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法

Info

Publication number: CN103435166B
Application number: CN201310393383.9A
Authority: CN
Inventors: 王淑莹; 张宇坤; 董怡君
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: CN103435166A

Abstract

本发明公开了序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法。本发明在序批式反应器（SBR）中采用活性污泥法处理含氨氮废水，以ORP的移动斜率（MSC）作为氨氧化过程的指示参数，提高氨氧化菌富集速率；通过先逐渐提高进水氨氮浓度培养硝化细菌活性，再利用高游离氨（50～65mg NH₃/L）、高游离亚硝酸(2～8mgHNO₂-N/L)和适量排泥将亚硝态氮氧化菌和异养菌淘洗出系统，提高氨氧化菌富集程度。实现序批式反应器氨氧化菌富集速率和程度的快速提高。氨氧化菌富集反应器可在40天左右将氨氧化菌占细菌总数比例由3%提高到11%，第100天左右提高到90%，污泥负荷可达1.31kgNH₄ ⁺-N/(gvss·d)。本发明具有氨氧化菌富集时间短、氨氧化菌富集程度高、控制灵活等优点。

Description

序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法

技术领域

本发明涉及序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法，属于污水生物处理技术领域。

背景技术

水环境的日益恶化已经引起人们的高度关注，氮素污染是引起水体“富营养化”问题的重要原因之一。将污水采用生物脱氮技术处理具有高效、经济、环保等优点。氨氧化菌可将氨氮氧化为亚硝态氮，是硝化菌群的重要组成部分，但氨氧化菌生长速率小，不容易得到富集。在污水处理厂的传统脱氮工艺中，氨氧化菌只占细菌总数的1～5%，氨氧化能力较低。

短程硝化生物脱氮工艺作为一种新型污水脱氮工艺，主要是将传统生物硝化过程控制在氨氧化阶段，短程硝化过程可以节约25%的供氧量，生成的含有亚硝态氮污水可用于短程反硝化或厌氧氨氧化，减少反硝化所需碳源。提高氨氧化菌富集速率和程度就是让氨氧化菌成为细菌的优势菌种，将异养菌和亚硝态氮氧化细菌淘洗出系统，从而实现稳定高效的短程硝化过程，既提高了脱氮效率，又减少了能源资源消耗。

当前提高氨氧化菌富集速率和程度的方法有：采用硝化-反硝化工艺处理含氨氮污水，实现污泥的定向驯化，这样做可利用反硝化过程将亚硝态氮、硝态氮还原为氮气，硝化开始时即不存在亚硝态氮，有利于减少亚硝态氮氧化细菌，但污泥内会存在大量异养菌（反硝化细菌）；采用纯硝化工艺对低有机物浓度、含氨氮污水进行硝化处理，这样做有利于减少异养菌数量，但出水中存在的亚硝态氮会给亚硝态氮氧化细菌生长的机会，难以实现淘洗亚硝态氮氧化细菌的目的。因此，当前提高氨氧化菌富集速率和程度的方法存在氨氧化菌富集程度低（<50%）、存在大量亚硝态氮氧化细菌、存在大量异养菌、氨氧化菌富集时间长、操作不灵活等缺点，这就使得研发序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法成为迫切需求；

因此，污水处理领域急需解决的一个技术问题是：如何能够找到序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法。

发明内容

本发明的目的在于解决氨氧化菌富集程度低、氨氧化菌富集时间长的问题，提供序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法。

本发明所提供的方法是在序批式反应器（SBR）中采用活性污泥法处理含氨氮废水，以ORP的移动斜率（MSC）作为氨氧化过程的指示参数，提高氨氧化菌富集速率；通过先逐渐提高进水氨氮浓度培养硝化细菌活性，再利用高游离氨（50～65mg NH₃/L）、高游离亚硝酸(2～8mg HNO₂-N/L)和适量排泥将亚硝态氮氧化菌和异养菌淘洗出系统，提高氨氧化菌富集程度。最终实现快速提高序批式反应器内氨氧化菌的富集速率和程度的目的。

本发明采用的装置包括（见图1）：

氨氧化菌富集反应器4连接进水管3、排水管17、曝气管11、碱液管7；进水管3上设置进水泵2；排水管17上设置排水阀16；曝气管11上设置曝气阀门10；碱液管7上设置加碱泵8；进水箱1通过进水管3连接到氨氧化菌富集反应器4；碱液箱6通过碱液管7连接到氨氧化菌富集反应器4；空气压缩机9通过曝气管11连接到氨氧化菌富集反应器4；在氨氧化菌富集反应器4内设置搅拌器5、ORP传感器13、pH传感器14、温度传感器15、曝气砂头12；搅拌器5、ORP传感器13、pH传感器14、温度传感器15、加碱泵8、进水泵2、排水阀16、曝气阀门10、空气压缩机9与可编程过程控制器连接18；可编程过程控制器18内设置搅拌继电器21、ORP传感器接口26、pH传感器接口27、温度传感器接口22、加碱继电器20、进水继电器19、排水继电器25、曝气继电器24、空气压缩机继电器23。

本发明提供了序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法，包括：

氨氧化菌富集反应器的进水比为20%～30%，进水箱内溶液氨氮浓度为50～100mg/L，启动进水泵将含氨氮污水从进水箱加入氨氧化菌富集反应器，当达到设定进水比时关闭进水泵；

2)启动氨氧化菌富集反应器内的搅拌器、加碱泵、空气压缩机和曝气阀门；可编程过程控制器实时接收pH值和温度值，当pH在8～8.5范围内，关闭加碱泵；

3)可编程过程控制器实时接收ORP传感器数值，每1～2min记录数据，对相邻5～10个ORP数值求平均值，计算ORP移动斜率（MSC），当ORP-MSC在2～6范围内，且曝气时间超过60分钟，视为出现氨氧化拐点，可编程过程控制器发出关闭空气压缩机的指令，关闭曝气阀门、搅拌器；

4)沉淀时间设定为30～60分钟；达到设定时间即启动排水阀，排水比设为20%～30%，达到设定排水比时关闭出水阀并记录周期数；

排水结束后，此周期反应结束，检测到曝气在200～300min内出现氨氧化速率的拐点，提高进水箱中溶液的氨氮浓度，每次提高氨氮浓度幅度为100mg/L；当在曝气200～300min内没有出现氨氧化速率的拐点，则系统继续循环；以此类推，直至进水箱内溶液氨氮浓度达到2000～2100mg/L，且检测到曝气200～300min出现氨氧化速率的拐点，氨氧化菌富集反应器富集过程结束。

进水箱内溶液NH₄ ⁺-N初始浓度为50～100mg/L，最终浓度为2000～2100mg/L；

进一步地，当进水箱内溶液氨氮浓度达到2000～2100mg/L时，进水结束时氨氧化菌富集反应器内游离氨浓度在50～65mg NH₃/L范围内，曝气结束时游离亚硝酸浓度在2～8mg HNO₂-N/L范围内。

氨氧化菌富集反应器富集过程结束时，所培养的氨氧化菌数量占细菌总数的比例为85～95%。

综上，本发明提供的序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法，针对传统脱氮系统中氨氧化菌富集程度低、氨氧化菌富集时间长的现状，提出序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法。

本发明的技术原理在于：在序批式反应器（SBR）采用活性污泥法处理含氨氮废水，先逐渐提高进水氨氮浓度培养硝化细菌活性，再利用高游离氨（50～65mg NH₃/L）、高游离亚硝酸(2～8mg HNO₂-N/L)和适量排泥将亚硝态氮氧化细菌和异养菌淘洗出系统，最终形成以氨氧化菌为主的菌群结构，实现快速提高氨氧化菌富集速率和程度的目的。

本发明具有以下优点：

（1）本发明克服了传统脱氮系统氨氧化菌富集时间长、富集程度低的缺点，利用高游离氨（50～65mg NH₃/L）、高游离亚硝酸(2～8mgHNO₂-N/L)和适量排泥将亚硝态氮氧化细菌和异养菌淘洗出系统，最终形成以氨氧化菌为主的菌群结构，为如何快速提高氨氧化菌富集速率和程度提供技术支持；

（2）氨氧化菌富集程度高，富集成功的氨氧化菌占细菌总数比例可达85～95%，有效的提高了氨氧化菌在活性污泥中的绝对数量和所占比例；异养菌和亚萧态氮氧化细菌所占比例小；

（3）氨氧化菌富集时间短，氨氧化菌富集反应器经过60天左右的驯化培养，氨氧化菌占细菌总数比例可由11%提高到90%；

（4）硝化过程可形成稳定的短程硝化，亚硝态氮积累率稳定在95%以上，可处理进水氨氮浓度高达2000mg/L的高氨氮废水，污泥硝化负荷可达1.31kgNH₄ ⁺-N/(gvss·d)，可实现自动化运行。

附图说明

图1本发明采用的装置示意图

图1中，进水箱1，进水泵2，进水管3，氨氧化菌富集反应器4，搅拌器5，碱液箱6，碱液管7，加碱泵8，空气压缩机9，曝气阀门10，曝气管11，曝气砂头12，ORP传感器13，pH传感器14，温度传感器15，排水阀16，排水管17，可编程过程控制器18，进水继电器19，加碱继电器20，内设置搅拌继电器21、温度传感器接口22，空气压缩机继电器23，曝气继电器24，排水继电器25，ORP传感器接口26、pH传感器接口27。

图2本发明中提高氨氧化富集程度的方法流程图。

图3本发明中进水氨氮浓度为2000mg/L时氨氧化菌富集反应器典型周期中氨氮、亚硝态氮、硝态氮的变化曲线图。

图4本发明中进水氨氮浓度为2000mg/L时氨氧化菌富集反应器典型周期中pH、ORP、ORP-MSC的变化曲线图。

图5本发明中进水氨氮浓度为2000mg/L时游离氨浓度和游离亚硝酸浓度随时间的变化曲线图。

图6本发明中不同培养时间氨氧化菌、亚硝态氮氧化杆菌（Ntirobacter）、亚硝酸氧化螺旋菌（Nitrospira）占细菌总数比例的变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明：进水采用人工配置污水（pH=7.2-7.9，COD=10-20mg/L，NH₄ ⁺-N=100-2000mg/L），所用人工配制污水主要成分为碳酸氢铵、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾和微量元素液。试验装置采用有效体积为8L的小试SBR作为氨氧化菌富集反应器，每周期处理水量为2L，进水完成后反应器内NH₄ ⁺-N浓度为25-900mg/L，系统运行温度为25℃，每个周期操作步骤如下：

1)氨氧化菌富集反应器的进水比为25%，启动进水泵将含氨氮污水从进水箱加入氨氧化菌富集反应器，当达到设定进水比时关闭进水泵；

2)启动氨氧化菌富集反应器内的搅拌器、加碱泵、空气压缩机和曝气阀门；可编程过程控制器实时接收pH值和温度值，当pH在8～8.1范围内，关闭加碱泵；

3)可编程过程控制器实时接收ORP传感器数值，每1min记录数据，对相邻10个ORP数值求平均值，计算ORP移动斜率（MSC，n=5），当ORP-MSC在2～6范围内，且曝气时间超过60分钟，视为出现氨氧化拐点，可编程过程控制器发出关闭空气压缩机的指令，关闭曝气阀门、搅拌器；

4)沉淀时间设定为30分钟；达到设定时间即启动排水阀，排水比设为25%，达到设定排水比时关闭出水阀；

排水结束后，此周期反应结束，若检测到曝气在200～300min内出现氨氧化拐点，提高进水箱中溶液的氨氮浓度，每次提高氨氮浓度幅度为100mg/L；当在曝气200～300min内没有出现氨氧化拐点，则系统继续循环。以此类推，到第40天时进水箱内氨氮浓度达到500mg/L，氨氧化菌占细菌总数比例达到11%，到第103天时进水箱内溶液氨氮浓度达到2000mg/L，氨氧化菌占细菌总数比例达到90%，且检测到曝气200～300min出现氨氧化拐点，氨氧化菌富集反应器富集过程结束。

氨氧化菌富集反应器所用配制污水浓度如下：氨氮浓度由100mg/L逐渐增大到2000mg/L，每升配水中其他成分如下：1g KH₂PO₄,1.31gK₂HPO₄以及2ml的微量元素溶液；每升微量元素溶液中微量元素成分为：1.25g EDTA,0.55g ZnSO₄·7H₂O,0.4g CoCl₂·6H₂O,1.275g MnCl₂·4H₂O,0.4gCuSO₄·4H₂O,0.05g Na₂MoO₄·2H₂O,1.375g CaCl₂·2H₂O,1.25g FeCl₃·6H₂O,44.4g MgSO₄·7H₂O。

本发明实施例中采用的装置参见图1，氨氧化菌富集反应器4连接进水管3、排水管17、曝气管11、碱液管7；进水管3上设置进水泵2；排水管17上设置排水阀16；曝气管11上设置曝气阀门10；碱液管7上设置加碱泵8；进水箱1通过进水管3连接到氨氧化菌富集反应器4；碱液箱6通过碱液管7连接到氨氧化菌富集反应器4；空气压缩机9通过曝气管11连接到氨氧化菌富集反应器4；在氨氧化菌富集反应器4内设置搅拌器5、ORP传感器13、pH传感器14、温度传感器15、曝气砂头12；搅拌器5、ORP传感器13、pH传感器14、温度传感器15、加碱泵8、进水泵2、排水阀16、曝气阀门10、空气压缩机9与可编程过程控制器连接18；可编程过程控制器18内设置搅拌继电器21、ORP传感器接口26、pH传感器接口27、温度传感器接口22、加碱继电器20、进水继电器19、排水继电器25、曝气继电器24、空气压缩机继电器23。

如图3所示，当进水箱内溶液氨氮浓度达到2000mg/L时，氨氧化菌富集反应器氨氧化过程终产物为亚硝态氮，不存在硝态氮，这说明亚硝态氮氧化细菌已基本被淘洗出系统；结合图4可以看出，当pH值降低到5.53时，氨氧化过程不能进行，氨氮浓度到达最低点，同时ORP值大幅上升，对应的ORP-MSC值在2～6范围内，与氨氧化过程终止点对应良好，ORP-MSC可以作为氨氧化过程结束点的指示参数。

如图5所示，当进水箱内溶液氨氮浓度达到2000mg/L时，进水结束时氨氧化菌富集反应器内游离氨浓度为65mg NH₃/L，曝气结束时游离亚硝酸浓度为8mg HNO₂-N/L。

如图6所示，氨氧化菌富集反应器富集过程结束时，所培养的氨氧化菌数量占细菌总数的比例约为90%。

运行效果：通过逐渐提高进水氨氮浓度，以ORP-MSC作为氨氧化拐点指示参数，利用高游离氨（50～65mg NH₃/L）、高游离亚硝酸(2～8mgHNO₂-N/L)和适量排泥，经历103天的富集培养，氨氧化菌占细菌总数比例由0.3%提高到90%，成功实现了氨氧化菌富集程度的快速提高。异养菌和亚硝态氮氧化细菌被淘洗出系统，污泥硝化负荷达1.31kgNH₄ ⁺-N/(gvss·d)。

Claims

1.序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法，采用如下装置：

氨氧化菌富集反应器连接进水管、排水管、曝气管、碱液管；进水管上设置进水泵；排水管上设置排水阀；曝气管上设置曝气阀门；碱液管上设置加碱泵；进水箱通过进水管连接到氨氧化菌富集反应器；碱液箱通过碱液管连接到氨氧化菌富集反应器；空气压缩机通过曝气管连接到氨氧化菌富集反应器；在氨氧化菌富集反应器内设置搅拌器、ORP传感器、pH传感器、温度传感器和曝气砂头；搅拌器、ORP传感器、pH传感器、温度传感器、加碱泵、进水泵、排水阀、曝气阀门、空气压缩机与可编程过程控制器连接；可编程过程控制器内设置搅拌继电器、加碱继电器、进水继电器、排水继电器、曝气继电器和空气压缩机继电器；

其特征在于，包括以下步骤：

1)氨氧化菌富集反应器的进水比为20％～30％，进水箱内溶液氨氮初始浓度为50～100mg/L，启动进水泵将含氨氮污水从进水箱加入氨氧化菌富集反应器，当达到设定进水比时关闭进水泵；

3)可编程过程控制器实时接收ORP传感器数值，每1～2min记录数据，计算ORP移动斜率MSC，当ORP-MSC在2～6范围内，且曝气时间超过60分钟，视为出现氨氧化速率的拐点，可编程过程控制器发出关闭空气压缩机的指令，关闭曝气阀门、搅拌器；

4)沉淀时间设定为30～60分钟；达到设定时间即启动排水阀，排水比设为20％～30％，达到设定排水比时关闭排水阀；

排水结束后，此周期反应结束，若检测到曝气在200～300min内出现氨氧化速率的拐点，提高进水箱中溶液的氨氮浓度，每次提高氨氮浓度幅度为100mg/L；当在曝气200～300min内没有出现氨氧化速率的拐点，则系统继续循环；以此类推，直至进水箱内溶液氨氮浓度达到2000～2100mg/L，且检测到曝气200～300min出现氨氧化速率的拐点，氨氧化菌富集反应器富集过程结束。

2.根据权利要求1所述的序批式反应器快速提高氨氧化菌富集速率和程度的方法，其特征在于当进水箱内溶液氨氮浓度达到2000～2100mg/L时，调节反应器内pH值；控制进水结束时氨氧化菌富集反应器内游离氨浓度在50～65mg NH₃/L范围内，控制曝气结束时游离亚硝酸在2～8mg HNO₂-N/L范围内。