CN104962505B - 污水处理过程中富集培养固定化硝化菌的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污水处理过程中富集培养固定化硝化菌的方法及装置，采用序批式生物膜活性污泥法富集培养硝化菌，在固定化硝化菌培养装置内接种脱水污泥，接种后添加富集培养液，培养过程中通过逐步提高生物膜氨氮负荷和控制pH进行硝化菌富集培养。所用的富集培养液由NH₄HCO₃和经过预处理的市政污水混合而成，氨氮浓度分别为100、300、500、700、1000mg/L，COD浓度为30～60mg/L。通过控制固定化硝化菌培养装置使反应混合物中DO为2～6mg/L，pH为6.5～8.0，挂膜驯化培养温度为10～14℃，富集纯化培养温度为15～25℃。本发明能够在低温下培养硝化菌，硝化菌含量高达40～45％；该固定化硝化菌不仅具备较强的耐低温硝化性能，而且能处理氨氮浓度达1000mg/L的废水，使废水中氨氮降到1.0mg/L以下。

Description

污水处理过程中富集培养固定化硝化菌的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种污水处理过程中富集培养固定化硝化菌的方法，以及培养方法中所使用的培养装置。培养的固定化硝化菌不仅可直接用于处理高氨氮浓度的工业废水，而且可以用于传统活性污泥污水处理厂的升级改造，属于污水处理领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展，大量生活污水和工业废水直接排入各种水体，虽然环境监管机制日趋完善，但是我国水体污染问题依旧不容乐观，在一定程度上影响经济的可持续发展。

目前污水生物脱氮是当今世界最为经济有效的污水处理技术。目前实际污水处理厂的处理工艺主要以硝化反硝化生物过程为基础，高浓度高活性的硝化菌是污水生物脱氮性能的有力保障。一旦活性污泥中的硝化细菌含量偏低或者硝化细菌活性受到低温抑制，硝化反应缓慢，污水生物脱氮就难以实现。通常污水处理厂活性污泥中硝化细菌所占的比例一般低于5％。同时硝化细菌为自养型微生物，具有世代时间长、繁殖速度慢、活性受低温影响大等特点，只有快速富集出硝化细菌占很大比例且具备耐低温特性的固定化硝化菌，才能保证污水处理厂冬季低温条件下的出水水质稳定。另外，目前国内很多污水处理厂升级改造过程中存在用地紧张和施工周期短的情况，因此无需新增用地和改造简单的移动床生物膜-活性污泥组合工艺已经成为污水处理厂升级改造项目的首选工艺，如果提高移动床生物膜工艺采用的悬浮填料上生物膜的硝化菌含量，将大大强化移动床生物膜的硝化效果，尤其是在冬季低温条件下，污水处理厂的硝化性能维持稳定。

CN10207025A公开了一种固定化耐冷硝化细菌的制备方法，以生活污水剩余污泥为原料，培养液采用微量元素培养液和生活污水混合配制，同时投加组合式纤维填料，富集的硝化菌含量只有5％，耐低温极限为12℃。CN102051356A公布了一种用于细胞固定化的无机载体及其制备的固定化硝化细菌，载体采用粘土烧制，以硫酸铵溶液为培养基富集固定化硝化菌。CN103805590A公布了一种固定化低温硝化菌处理低温氨氮废水的方法，以生活污水活性污泥为原料，在6～10℃条件下培养，培养基由葡萄糖、氯化铵、碳酸氢钠和微量元素营养液组成，固定载体为海藻酸钠、聚氨脂泡沫、氯化钙等材料。CN103319000A公开了一种耐低温自养硝化菌剂的制备方法，以低温活性污泥为原料，培养基由乙酸钠、氯化铵、氯化钙、缓冲液组成，在10℃条件下培养，富集的硝化菌剂没固定在载体上，所培养的硝化菌种类和含量没有提及。CN102559489A公开了一种快速富集氨氧化菌的方法，以生活污水活性污泥为原料，培养基由微量元素培养液、缓冲液和氨盐配制而成，氨氮浓度在100～500mg/L,所富集的氨氧化菌为亚硝化单胞菌，含量为60～65％，该专利没有在低温条件下培养驯化，所富集的氨氧化菌不是生物膜形态，容易流失。CN 101240253B公开了一种高效硝化细菌的富集方法，以含油废水或催化剂废水活性污泥为原料，氨氮浓度控制在100～1200mg/L，加入一定量葡萄糖或甲醇将COD控制在200mg/L以内，所富集的硝化细菌包括氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌。该专利中没有提到所富集的硝化细菌占总菌种的含量及具体硝化菌种。《同济大学学报》1999年第27卷第3期中，屈计宁等发表的“高效硝化细菌的富集技术研究”论文中公开了一种用氨氮浓度低于300mg/L、有机物浓度在500～1000mg/L范围的废水富集硝化细菌的培养方法。该文中所述方法不适合处理氨氮浓度高于300mg/L且有机物含量低的废水。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，而提供一种污水处理过程中富集培养固定化硝化菌的方法，该方法不仅能够处理氨氮含量高(100～1000mg/L)、有机物含量低(COD为30～60mg/L)的工业废水，并且在废水处理过程中富集培养的固定化硝化菌可以吸附于载体上形成生物膜形态不易流失；得到的硝化菌具有较强的耐低温特性(10～14℃)，其含量为40～45％，硝化菌优势菌属为亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属，与污水处理系统中菌群结构相一致。

本发明的另一个目的是提供一种上述方法中使用的培养装置，在培养过程中可以自动调节pH及其他培养条件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种污水处理过程中富集培养固定化硝化菌的方法，在硝化菌培养反应器内接种污水处理厂具有硝化活性的脱水污泥，然后按照序批式生物膜活性污泥法富集培养硝化菌；

所述的序批式生物膜活性污泥法富集培养硝化菌指的是，每天按照进水、曝气、沉淀、排水和闲置工序周期性运行；

所述的进水工序时，添加的是NH₄HCO₃和经过预处理的市政污水配制而成的培养液，培养液中的氨氮浓度(NH₄ ⁺-N)在100～1000mg/L内逐步提高，从而逐步提高硝化菌培养反应器内生物膜的氨氮负荷；

所述的曝气工序时，进行pH调节，将pH控制在6.5～8.0之间。

上述技术方案中，富集培养方法包括以下具体步骤：

(1)接种污泥：在硝化菌培养反应器内接种脱水污泥，脱水污泥的可挥发性污泥浓度为2500～3500mg/L；

所述的脱水污泥为城市污水处理厂运行过程中常用的含有硝化细菌的脱水污泥，该脱水污泥具有良好硝化活性。

(2)配制富集培养液：富集培养液的主要成分是NH₄HCO₃，是由NH₄HCO₃和经过预处理的市政污水配制而成的，配制成NH₄ ⁺-N浓度分别为100、300、500、700、1000mg/L的富集培养液，不同NH₄ ⁺-N浓度的富集培养液的化学需氧量(COD)均为30～60mg/L；

所述的经过预处理的市政污水是指经过粗格栅、细格栅、曝气沉砂池和初沉池处理后的市政污水。

(3)固定化硝化菌的培养，培养过程分为挂膜驯化培养阶段和富集纯化阶段，均按照序批式生物膜活性污泥法富集培养硝化菌，即在硝化菌培养反应器内每天按照进水、曝气、沉淀、排水和闲置工序周期性运行，每天运行3个周期，每个周期8h；每个周期的曝气阶段用pH调节剂调节硝化菌培养反应器内培养混合物的pH，将pH控制在6.5～8.0；

所述的挂膜驯化培养阶段，进水的富集培养液中NH₄ ⁺-N的浓度为100mg/L，培养时间为30～40天，培养温度为10～14℃；

所述的富集纯化阶段，培养时间为60～90天，培养温度为15～25℃；该阶段以逐步提高生物膜氨氮负荷的方法进行培养，即富集培养液中NH₄ ⁺-N的浓度以300mg/L、500mg/L、700mg/L、1000mg/L的梯度逐步提高，每个梯度至少培养15天；

所述的挂膜驯化培养阶段和富集纯化阶段，培养过程中固定化硝化菌培养装置内的培养混合物的溶解氧(DO)不低于2mg/L，脱水污泥的污泥沉降比(SV)不高于30％；

(4)、培养过程中，含有固定化硝化菌的活性污泥富集于硝化菌培养反应器内的悬浮填料上，脱水污泥不断从硝化菌培养反应器中淘洗出去，当反应器内脱水污泥的可挥发性污泥浓度由2500～3500mg/L下降至1500～1800mg/L、富集固定化硝化菌的活性污泥的可挥发性污泥浓度由0mg/L增长至950～1150mg/L、且反应器内培养混合物中NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时培养结束；收集悬浮填料上富集的含有固定化硝化菌的活性污泥，经宏基因组16sDNA测序分析，结果显示，固定化硝化菌的数量占活性污泥中总菌数量的40～45％，活性污泥中硝化菌的菌种结构与污水处理系统相一致，固定化硝化菌的优势菌属为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和硝化杆菌属(Nitrobacter)。

上述技术方案中，步骤(3)中，由于固定化硝化菌在生长过程中会消耗碱，因此在每个周期的曝气阶段进行pH调节，所述的pH调节剂为浓度为5mol/L的NaOH溶液，硝化菌培养反应器内的培养混合物的pH优选为7.0～8.0，培养混合物中溶解氧(DO)优选为2～6mg/L，污泥沉降比(SV)优选为30％。

上述技术方案中，步骤(3)中，按照序批式生物膜活性污泥法富集培养硝化菌具体操作为：

①、进水：向硝化菌培养反应器内通入配制好的富集培养液，进水时间为30min，富集培养液的进水量与接种的脱水污泥的体积比为1:4，即富集培养液进水量占富集培养液、脱水污泥总体积的20％，该数值通常被称为充水比，也就说富集培养液的充水比为20％；

②、曝气：进水结束的同时开始曝气计时，曝气6.5h，该阶段进行pH调节；

③、沉淀：曝气结束的同时开始沉淀计时，沉淀时间为10min；

④、排水：沉淀结束后立即排出装置内混合液，排水时间为30min，排水量与步骤①中的进水量相同；

⑤、闲置：排水结束后闲置20min，然后进入下一个周期依次循环；

上述技术方案中，步骤(3)中，所述的挂膜驯化培养阶段：每个周期曝气步骤，曝气4h时用GB7479-87纳氏试剂光度法检测硝化菌培养反应器内培养混合物的NH₄ ⁺-N浓度，当连续运行至少30天、且NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时挂膜驯化培养阶段结束，如果NH₄ ⁺-N的浓度没有达到要求则继续周期性进行。

上述技术方案中，步骤(3)中，所述的富集纯化阶段：进水的富集培养液中NH₄ ⁺-N的浓度以300mg/L、500mg/L、700mg/L、1000mg/L的梯度逐步提高，每个氨氮浓度纯化阶段至少培养15天且反应内培养混合物NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时才可以提高进水的富集培养液中的NH₄ ⁺-N至下一个浓度；直至进水NH₄ ⁺-N浓度提高为1000mg/L，此浓度下至少培养15天且曝气4h时检测硝化菌培养反应器内培养混合物NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L，富集纯化阶段结束。

进一步的，富集纯化阶段采用逐步提高生物膜氨氮负荷的方法进行硝化菌的富集培养，具体步骤为：当挂膜驯化培养阶段结束后，提高进水步骤时通入的富集培养液中NH₄ ⁺-N的浓度，使其浓度为300mg/L，曝气步骤曝气4h时用GB7479-87纳氏试剂光度法检测硝化菌培养反应器内培养混合物的NH₄ ⁺-N浓度，当连续运行15天后、且NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时，继续提高进水步骤时通入的富集培养液中NH₄ ⁺-N的浓度，使其浓度为500mg/L(如果培养混合物NH₄ ⁺-N的浓度高于1.0mg/L则继续周期性培养直至达到要求)；当连续运行15天后、且培养混合物NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时，继续提高进水步骤时通入的富集培养液中NH₄ ⁺-N的浓度，使其浓度为700mg/L(如果培养混合物NH₄ ⁺-N的浓度高于1.0mg/L则继续周期性培养直至达到要求)；当连续运行15天后、且培养混合物NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时，继续提高进水步骤时通入的富集培养液中NH₄ ⁺-N的浓度，使其浓度为1000mg/L，当连续运行15天后、且培养混合物NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时富集纯化结束。

本发明还提供一种上述方法中所述的固定化硝化菌培养装置，包括装有富集培养液的培养液贮水箱(1)、装有pH调节剂的加碱桶(4)、硝化菌培养反应器(11)和可编程过程控制器(即PLC)(29)，所述培养液贮水箱、加碱桶分别通过进水管(3)、加碱管(6)与硝化菌培养反应器相连，进水管、加碱管上分别设有进水泵(2)、加碱泵(5)；所述的硝化菌培养反应器内底设有曝气管(9)，曝气管上设有曝气头(10)，曝气管的进口处与硝化菌培养反应器外部的鼓风机(7)相连，曝气管上安装有进气阀门(8)，用来调节鼓风机的进气量；所述的硝化菌培养反应器还安装有一个出水管(18)和三个取样阀门(12)，出水管上安有出水阀门(17)，硝化菌培养反应器内部填充有悬浮填料(13)；所述的硝化菌培养反应器内设置溶解氧DO传感器(14)、pH传感器(15)、温度传感器(16)，分别通过电导线与硝化菌培养反应器外部的DO测定仪(19)、pH测定仪(20)和温度测定仪(21)连接；所述的DO测定仪、pH测定仪和温度测定仪分别与PLC上的DO信号接口(22)、pH信号接口(23)、温度信号接口(24)相连；所述的PLC内设置进水继电器(27)、加碱继电器(26)、曝气继电器(28)、出水继电器(25)，分别经接口与进水泵、加碱泵、鼓风机和出水阀门相连接；所述的PLC通过手动/自动开关(30)对硝化菌培养反应器进行手动或自动控制模式进行切换，同时通过启动/停止开关(31)对硝化菌培养反应器进行自动控制。

上述技术方案中，所述的悬浮填料填充于硝化菌培养反应器内部，非工作状态时，悬浮填料位于硝化菌培养反应器底部，当曝气时，悬浮填料随着气流均匀悬浮于硝化菌培养反应器内部。

所述的悬浮填料(13)的填充比为30～50％，优选为35～45％；所述的填充比指的是，悬浮填料的体积占硝化菌培养反应器(11)容积的百分比；所述的悬浮填料为本领域常用悬浮填料。

使用上述固定化硝化菌培养装置按照序批式生物膜活性污泥法富集培养硝化菌时，包括以下步骤：

I、进水：根据进水量和进水泵(2)的流量计算具体进水时间，并通过可编程过程控制器PLC(29)设定进水泵具体的进水时间，PLC通过进水继电器(27)启动进水泵将富集培养液从培养液贮水箱(1)引入硝化菌培养反应器(11)，启动进水泵的同时PLC通过曝气继电器(28)开启鼓风机(7)，当达到设定的进水时间后，关闭进水泵；

II、曝气：进水泵关闭的同时PLC开始曝气阶段计时，达到设定的曝气时间时，鼓风机关闭，系统进入下一步工序；曝气阶段，硝化菌培养反应器内培养混合物的pH不在6.5～8.0范围时，PLC通过控制加碱继电器(26)启动加碱泵(5)自动调节pH；

III、沉淀：曝气结束之后PLC开始沉淀阶段计时，当达到预先设定的沉淀时间后，进入下一个工序；

IV、排水：沉淀结束之后PLC开始排水阶段计时，PLC通过控制出水继电器(25)打开出水阀门(17)，将处理后的水通过出水管(18)排出硝化菌培养反应器；

V、闲置：排水结束后到下一个周期开始定义为闲置期；根据经验设定闲置时间；当达到预先设定的闲置时间后，该周期结束，此时系统读取此培养液浓度下预先设定的反应周期数，若未达到预先设定的周期数，则PLC控制从工序I到工序V自动循环；当达到预先设定的整个反应的循环周期数后，此时提高培养液中氨氮浓度，系统开始进入下一个氨氮浓度培养阶段，则系统从工序I到工序V自动循环，同时系统自动记录的运行周期数清零且重新开始记录，依次类推，直到系统进入到营养液为1000mg/L NH₄ ⁺-N阶段且运行预先设定的反应周期数之后，固定化硝化菌的富集过程结束。

进一步的，步骤II中，所述的PLC通过加碱继电器(26)控制加碱泵(5)自动调节pH过程为：pH传感器(15)将采集到的pH信息传递到pH测定仪(20)，pH测定仪将测定到的pH值通过pH信号接口(23)反馈给PLC；当硝化菌培养反应器内培养混合物的pH一旦达到设定的pH范围下限时，PLC通过控制加碱继电器启动加碱泵，自动向培养混合物中投加碱液；当培养混合物的pH达到设定的pH范围上限时，PLC通过控制加碱继电器关闭加碱泵从而停止碱泵，加碱泵加碱的次数根据系统运行的实际情况自动投加。

本发明具有以下优点：

(1)本发明主要针对氨氮含量高(NH₄ ⁺-N≤1000mg/L)、有机物含量少(COD含量低于60mg/L)的特殊类型的工业废水；培养过程中采用以碳酸氢氨为主要成分的培养液，并且将pH控制在最适合硝化菌培养的6.5-8.0之间，培养过程中，硝化菌逐渐富集于悬浮填料载体上，培养液中的氨氮被富集的硝化菌氧化成亚硝酸盐，亚硝酸进一步被硝化菌氧化成硝酸盐，富集过程中亚硝酸盐积累率极低，亚硝酸盐对硝化菌的毒性降低又有利于硝化菌的富集从而保证硝化菌成为活性污泥中的优势菌群；此外，以市政预处理污水和碳酸氢氨配置富集培养液，可以简化培养步骤，大大节约富集培养的成本，便于污水处理厂就地取材，提高本发明方法的实用性，促进本发明在实际污水处理厂的推广和应用。

(2)本发明富集固定化硝化菌的培养过程中，逐步提高进水富集培养液的氨氮浓度从而强化硝化菌对高氨氮废水的耐受性，提高富集的固定化硝化菌的处理能力；得到的菌群能够耐受越来越高的氨氮浓度，最终达到处理浓度高达1000mg/L的氨氮污水，并且，处理后的水中氨氮浓度降到1.0mg/L以下，甚至检测不出。

(3)本发明在污水处理过程中投加悬浮填料，曝气时，悬浮填料随着气流均匀悬浮于反应器内部，反应器内的培养混合物与悬浮填料充分接触，从而有利于固定化硝化菌在悬浮填料富集形成生物膜，不易流失。

(4)本发明富集培养的硝化菌，在低温条件下驯化培养，水温低至10～14℃时处理系统仍能维持良好的硝化效果，具有较强的耐低温性，即使在冬季条件下也能保证出水氨氮稳定达标排放，可以强化污水处理厂冬季的硝化性能。

(5)本发明富集培养的硝化菌优势菌种为亚硝化单胞菌和硝化杆菌，微生物分析结果显示:固定化硝化菌数量占活性污泥中细菌总数量的40～45％；培养的活性污泥中的硝化菌种群结构与污水处理系统相一致。

附图说明

图1：本发明所述的固定化硝化菌培养装置的整体结构示意图；

图2：本发明实施例1中进水的富集培养液中氨氮浓度为1000mg/L时某一周期DO、pH值、温度随时间变化的变化曲线；

图3：本发明实施例1中进水的富集培养液中氨氮浓度为1000mg/L时某一周期氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐随时间变化的变化曲线；

其中：1、营养液贮水箱，2、进水泵，3、进水管，4、加碱桶，5、加碱泵，6、加碱管，7、鼓风机，8、进气阀门，9、曝气管，10、曝气头，11、硝化菌培养反应器，12、取样阀门，13、悬浮填料，14、溶解氧(DO)传感器，15、pH传感器，16、温度传感器，17、出水阀门，18、出水管，19、DO测定仪，20、pH测定仪，21、温度测定仪，22、DO信号接口，23、pH信号接口，24、温度信号接口，25、出水继电器，26、加碱继电器，27、进水继电器，28、曝气继电器，29、可编程过程控制器(PLC)，30自动/手动转换开关，31、启动/停止转换开关。

具体实施方式

以下对本发明技术方案的具体实施方式详细描述，但本发明并不限于以下描述内容：

实施例1：

一种固定化硝化菌培养装置，包括装有富集培养液的培养液贮水箱1、装有pH调节剂的加碱桶4、硝化菌培养反应器11和可编程过程控制器(即PLC)29，培养液贮水箱、加碱桶分别通过进水管3、加碱管6与硝化菌培养反应器相连，进水管、加碱管上分别设有进水泵2、加碱泵5；硝化菌培养反应器内底设有曝气管9，曝气管上设有曝气头10，曝气管的进口处与硝化菌培养反应器外部的鼓风机7相连，曝气管上安装有进气阀门8，用来调节鼓风机的进气量；硝化菌培养反应器还安装有一个出水管18和三个取样阀门12，出水管上安有出水阀门17，硝化菌培养反应器内部填充有悬浮填料13，曝气时，悬浮填料均匀悬浮于硝化菌培养反应器内部；硝化菌培养反应器内设置溶解氧DO传感器14、pH传感器15、温度传感器16，分别通过电导线与硝化菌培养反应器外部的DO测定仪19、pH测定仪20和温度测定仪21连接；DO测定仪、pH测定仪和温度测定仪分别与PLC上的DO信号接口22、pH信号接口23、温度信号接口24相连；PLC内设置进水继电器27、加碱继电器26、曝气继电器28、出水继电器25，分别经接口与进水泵、加碱泵、鼓风机和出水阀门相连接；所述的PLC通过手动/自动开关30对硝化菌培养反应器进行手动或自动控制模式进行切换，同时通过启动/停止开关31对硝化菌培养反应器进行自动控制；悬浮填料的填充比为45％。

使用上述培养装置进行快速固定硝化菌的富集培养，方法包括以下步骤：

(1)、接种脱水污泥：在总体积为2.2m³、工作体积为1.8m³的硝化菌培养反应器内接种城市污水处理厂脱水机房的脱水污泥，接种后脱水污泥的可挥发性污泥浓度为3500mg/L；

(2)配制富集培养液：将NH₄HCO₃和经过预处理的市政污水配制而成NH₄ ⁺-N浓度分别为100、300、500、700、1000mg/L的富集培养液；不同NH₄ ⁺-N浓度的富集培养液的化学需氧量(COD)均为35～45mg/L；

(3)、固定化硝化菌的培养，培养过程分为挂膜驯化培养阶段(温度为10～14℃，培养时间为30天)和富集纯化阶段(温度为15～25℃，培养时间为60天)，均按照序批式生物膜活性污泥法富集培养硝化菌，即每天按照进水、曝气、沉淀、排水和闲置工序周期性运行，每天运行3个周期，每个周期持续8h，每个周期按照下述步骤运行：

①、进水：PLC通过进水继电器启动进水泵将富集培养液从培养液贮水箱1引入硝化菌培养反应器11内，启动进水泵的同时开启鼓风机7并计时，当达到设定的进水时间30min时关闭进水泵，进水量为400L；

②、曝气：进水泵关闭的同时开始曝气阶段计时，达到设定的曝气时间6.5h时鼓风机关闭；曝气阶段，当硝化菌培养反应器内培养混合物的pH为6.5时，PLC通过控制加碱继电器26启动加碱泵5，自动向培养混合物中投加碱液；当培养混合物的pH达到8.0时，PLC通过控制加碱继电器关闭加碱泵从而停止碱泵；

③、沉淀：曝气结束之后PLC开始沉淀阶段计时，当达到预先设定的沉淀时间10min后，进入下一个工序；

④、排水：沉淀结束之后PLC开始排水阶段计时，PLC通过控制出水继电器27打开出水阀门17，将处理后的水通过出水管18排出硝化菌培养反应器11，排水量为400L，排水时间为30min；

⑤、闲置：排水结束后闲置20min，然后进入下一个周期依次循环；

上述两个培养阶段中，每个周期，曝气步骤每隔120min用GB7479-87纳氏试剂光度法检测硝化菌培养反应器内培养混合物的NH₄ ⁺-N浓度；挂膜驯化培养阶段每个周期的进水时，通入的富集培养液中NH₄ ⁺-N的浓度均为100mg/L，运行30天、当曝气240min时硝化菌培养反应器内培养混合物的NH₄ ⁺-N浓度不高于1.0mg/L时挂膜驯化培养阶段结束；此时进入富集纯化阶段，将富集培养液NH₄ ⁺-N浓度提高为300mg/L，当连续运行15天、且NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时，将进水时富集培养液NH₄ ⁺-N浓度提高为500mg/L；继续培养15天且NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时，将富集培养液NH₄ ⁺-N浓度提高为700mg/L；再继续培养15天且NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时，将富集培养液NH₄ ⁺-N浓度提高为1000mg/L，最后培养15天且NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时，富集纯化培养结束。

在富集纯化培养过程中，图2显示的是进水的富集培养液中氨氮浓度为1000mg/L时某一周期DO、pH值、温度随时间变化的变化曲线，由图2可知，硝化菌培养反应器内温度稳定控制在20℃左右，溶解氧稳定控制在4～6mg/L，pH值稳定控制在6.5～8.0范围内，此时，富集培养污泥中的固定化硝化菌已经能够耐受1000mg/L的氨氮浓度，并且可以处理浓度高达1000mgNH₄ ⁺-N/L氨氮废水。图3显示的是进水的富集培养液中氨氮浓度为1000mg/L时某一周期氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐随时间变化的变化曲线，由图3可知：氨氮被固定化硝化菌快速氧化成亚硝酸盐，然后亚硝酸盐被亚硝酸盐氧化菌氧化成硝酸盐，富集过程中亚硝酸盐的积累率很低，富集过程中存在少量的亚硝酸盐的积累，氨氮的比降解速率为12.1mgNH₄ ⁺-N.gVSS^-1.h^-1，氨氮的去除率为99.9％以上。

(4)、培养90天，当硝化菌培养反应器11中的脱水污泥的可挥发性污泥浓度由3500mg/L下降至1700mg/L，富集固定化硝化菌的活性污泥的可挥发性污泥浓度由0mg/L增长至1050mg/L，固体停留时间(SRT)为35天、水力停留时间(HRT)为36小时，且培养混合物中NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时培养结束。

收集悬浮填料上富集的含有固定化硝化菌的活性污泥，经宏基因组16sDNA测序，结果显示，活性污泥中的细菌中含有丰富的硝化菌，这些硝化菌属包括亚硝化单胞菌属、亚硝化螺旋菌属、硝化杆菌属、硝化螺旋菌属，活性污泥中富集的硝化菌的菌种结构与常规城市污水生物脱氮系统中的硝化菌的菌种结构基本一致；其中，亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属是硝化菌属中的的优势菌种，亚硝化单胞菌属的细菌数占活性污泥中的细菌总菌数的25％，硝化杆菌属的细菌数占活性污泥中的细菌总菌数的15％，也就是说，富集得到的固定化硝化菌的数量占活性污泥中总菌数的40％(然而常规城市污水生物脱氮系统中的硝化菌数量仅为活性污泥中总菌数量的1％～5％)，能用于处理高氨氮含量、低有机物含量的市政污水或生活污水。

实施例2：

本实施例装置以及装置的使用方法与实施例1均相同，方法包括以下步骤：

(1)、接种脱水污泥：在总体积为2.2m³、工作体积为1.8m³的硝化菌培养反应器内接种城市污水处理厂脱水机房的脱水污泥，接种后脱水污泥的可挥发性污泥浓度为2500mg/L；

(2)配制富集培养液：将NH₄HCO₃和经过预处理的市政污水配制而成NH₄ ⁺-N浓度分别为100、300、500、700、1000mg/L的富集培养液；不同NH₄ ⁺-N浓度的富集培养液的化学需氧量(COD)均为45～55mg/L；

(3)、固定化硝化菌的培养，挂膜驯化培养阶段(温度为10～14℃，培养时间为30天)和富集纯化阶段(温度为15～25℃，培养时间为60天)均按照序批式生物膜活性污泥法富集培养硝化菌，即每天按照进水、曝气、沉淀、排水和闲置工序周期性运行，培养过程均与实施例1相同；

(4)、培养90天，当硝化菌培养反应器11中的脱水污泥的可挥发性污泥浓度由2500mg/L下降至1500mg/L，富集固定化硝化菌的活性污泥的VSS由0mg/L增长至950mg/L，固体停留时间(SRT)为35天、水力停留时间(HRT)为36小时，且培养混合物中NH₄ ⁺-N的浓度不高于1.0mg/L时培养结束；收集悬浮填料上富集的含有固定化硝化菌的活性污泥，经宏基因组16sDNA测序，结果显示：

活性污泥中硝化菌属包括亚硝化单胞菌属、亚硝化螺旋菌属、硝化杆菌属、硝化螺旋菌属，活性污泥中富集的硝化菌的菌种结构与常规城市污水生物脱氮系统中的硝化菌的菌种结构基本一致；其中，亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属是硝化菌属中的的优势菌种，亚硝化单胞菌属的细菌数占活性污泥中的细菌总菌数的25％，硝化杆菌属的细菌数占活性污泥中的细菌总菌数的20％，也就是说，富集得到的固定化硝化菌的数量占活性污泥中总菌数的45％，能用于处理高氨氮含量、低有机物含量的市政污水或生活污水。

上述实例只是为说明本发明的技术构思以及技术特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种污水处理过程中富集培养固定化硝化菌的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、接种污泥：在硝化菌培养反应器内接种城市污水处理厂运行过程中含有硝化细菌的脱水污泥，接种后脱水污泥的可挥发性污泥浓度为2500～3500mg/L；

(2)、配制富集培养液：以NH₄HCO₃和经过预处理的市政污水配制成氨氮浓度分别为100、300、500、700、1000mg/L的富集培养液，不同氨氮浓度的富集培养液的COD均为30～60mg/L；

所述的经过预处理的市政污水是指经过粗格栅、细格栅、曝气沉砂池和初沉池处理后的市政污水；

(3)、固定化硝化菌的培养：分为挂膜驯化培养阶段和富集纯化阶段，均按照序批式生物膜活性污泥法富集培养硝化菌，即在硝化菌培养反应器内每天按照进水、曝气、沉淀、排水和闲置工序周期性运行，每天运行3个周期，每个周期持续8h；每个周期的曝气阶段用pH调节剂调节反应器内培养混合物的pH，将pH控制在6.5～8.0；

所述的挂膜驯化培养阶段，进水的富集培养液中氨氮的浓度为100mg/L，培养时间为30～40天，培养温度为10～14℃；

所述的富集纯化阶段，培养时间为60～90天，培养温度为15～25℃；该阶段以逐步提高生物膜氨氮负荷的方法进行培养，即富集培养液中氨氮的浓度以300mg/L、500mg/L、700mg/L、1000mg/L的梯度逐步提高，每个梯度至少培养15天；

所述的两个培养阶段，培养过程中反应器内的培养混合物的溶解氧不低于2mg/L，脱水污泥的污泥沉降比不高于30％；

(4)、收集固定化硝化菌：当反应器内脱水污泥的可挥发性污泥浓度由2500～3500mg/L下降至1500～1800mg/L、富集固定化硝化菌的活性污泥的可挥发性污泥浓度由0mg/L增长至950～1150mg/L、且富集培养液中氨氮的浓度不高于1.0mg/L时培养结束，收集反应器内的悬浮填料上富集的活性污泥，即得固定化硝化菌。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的pH调节剂为浓度为5mol/L的NaOH溶液，硝化菌培养反应器内的培养混合物的pH为7.0～8.0，溶解氧为2～6mg/L，污泥沉降比为30％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的固定化硝化菌，数量占活性污泥中总菌数量的40～45％；固定化硝化菌的优势菌属为亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)按照序批式生物膜活性污泥法富集培养硝化菌，每个周期按照下述步骤运行：

①进水：向固定化硝化菌培养装置内通入配制好的富集培养液，进水时间为30min，富集培养液进水量为富集培养液、脱水污泥总体积的20％；

②曝气：进水结束的同时开始曝气计时，曝气6.5h，曝气阶段进行所述的pH调节；

③沉淀：曝气结束的同时开始沉淀计时，沉淀时间为10min；

④排水：沉淀结束后立即排出装置内混合液，排水时间为30min，排水量与步骤①中的进水量相同；

⑤闲置：排水结束后闲置20min，然后进入下一个周期依次循环。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的挂膜驯化培养阶段每个周期进水时，通入富集培养液中的氨氮浓度均为100mg/L，曝气4h时检测硝化菌培养反应器内培养混合物的氨氮浓度，当运行至少30天、且氨氮浓度不高于1.0mg/L时培养结束；

所述的富集纯化阶段进水的富集培养液中氨氮浓度以300mg/L、500mg/L、700mg/L、1000mg/L的梯度逐步提高，每个氨氮浓度梯度至少培养15天、且曝气4h时检测硝化菌培养反应器内培养混合物氨氮的浓度不高于1.0mg/L时，该培养阶段结束提高进水氨氮；直至进水氨氮浓度提高为1000mg/L，此浓度下至少培养15天且曝气4h时检测硝化菌培养反应器内培养混合物氨氮的浓度不高于1.0mg/L，富集纯化阶段结束。