CN105236568B - 一种利用微生物固定化膜生物反应器运行厌氧氨氧化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用微生物固定化膜生物反应器运行厌氧氨氧化工艺的方法，采用膜生物反应器运行厌氧氨氧化工艺高效截留厌氧氨氧化菌，保证良好的出水水质，同时向反应器内投加一定量的微生物固定化载体减缓膜污染。该方法能高效富集厌氧氨氧化菌，快速启动反应器，减缓膜污染进程，保证反应器长期稳定运行。

Description

一种利用微生物固定化膜生物反应器运行厌氧氨氧化的方法

技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，涉及一种利用微生物固定化膜生物反应器运行厌氧氨氧化的方法。

背景技术

随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，我国含氮有机物的排放量迅猛增加，由氮素污染导致的水体污染及水体富营养化现象触目惊心，湖泊水华及近海赤潮时有发生，对饮水卫生构成了巨大威胁。

生物脱氮作为最经济有效的治理技术，近二十年来，许多国家在生物脱氮理论和技术研究上都取得了重大突破。厌氧氨氧化是一种新型的生物脱氮工艺，能以NH₄ ⁺为电子供体，以NO₂ ^-为电子受体反应生成N₂。由于厌氧氨氧化过程不需要利用有机物，曝气量减少，不需要额外投加碱度，其在污水脱氮领域具有很好的开发前景。厌氧氨氧化工艺也存在一定的问题，如厌氧氨氧化菌生长缓慢，产率低，世代时间长达11天，对环境条件要求严苛，导致厌氧氨氧化反应器的富集时间过长。

膜生物反应器(MBR)是膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术，膜的高效截留作用能将微生物完全截留在反应器内，实现污泥停留时间与水力停留时间的完全分离，易于富集污泥龄较长的微生物。本发明采用MBR运行厌氧氨氧化，能有效截留厌氧氨氧化菌，快速启动反应器，同时保证良好的出水水质。但MBR运行过程中，膜表面极易被污染物覆盖，形成膜污染，导致膜通量下降。

微生物固定化就是用物理或化学方法将微生物固定在一定的空间内，以提高微生物的浓度同时保证生物活性，并将其反复利用。本发明以改良的聚氨酯泡沫为固定化载体，能有效的减缓膜污染。

发明内容

为了克服厌氧氨氧化反应器启动时间过长，若采用膜生物反应器启动时容易产生膜污染的问题，本发明提出了一种利用微生物固定化膜生物反应器运行厌氧氨氧化的方法，该方法能快速启动反应器，有效减缓膜污染，出水水质良好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是微生物固定化膜生物反应器运行厌氧氨氧化的方法，其特征在于：采用膜生物反应器运行厌氧氨氧化工艺，能高效截留生长速率缓慢的厌氧氨氧化菌，快速启动反应器。引入微生物固定化技术，提高反应器运行性能，减缓膜污染。

本发明用到的装置由进水系统、曝气系统、膜生物反应器、出水系统、水浴循环系统5个部分组成。

进水系统包括进水瓶和进水蠕动泵。进水瓶以橡胶塞封口，胶塞上需用打孔器钻出2个孔，并插入2根玻璃管，其中一根连接一个10L的气袋(防止进水后广口瓶内产生负压，影响进水速度或导致瓶壁破裂)，另一根连接进水蠕动泵的塑料管，塑料管的另一端接膜生物反应器的进水口。蠕动泵的转速可设置为适宜的数值，以适应不同的水力停留时间。

曝气系统由曝气头、曝气管和气体流量计组成。曝气管一端连接曝气头，另一端连接流量计，曝气头置于膜生物反应器内。曝气时，气体流量计连接气瓶(气瓶只是在曝气的时候才用到)，以控制曝气流量。

膜生物反应器外形为圆柱形，反应器底部设有进水口，外层设有水浴加热夹套，维持反应器温度为37℃。反应器顶端装有搅拌浆，搅拌有利于反应器内部基质的传递及均匀反应，装置运行时搅拌速率设置为100-150rpm。向反应器内投加一定量的边长为3.6cm的正方体改性聚氨酯泡沫载体，载体在反应器内的填充比为60％。膜组件放置在反应器内，高度约为反应器3/4左右，膜组件出水口与反应器的出水管相连，压力计经三通管连接膜组件的出水管测定过膜压力。反应器采用连续进水连续出水的方式运行，水力停留时间随反应器性能的改变而改变。

本发明所用的为正方体改性聚氨酯泡沫载体，所述载体与微生物细胞具有很好的亲和性，持水率高，耐生物降解，有利于微生物固定化。微生物细胞被固定在载体上，可以大大提高微生物对有毒物质的承受能力，载体对微生物、有机物质、无机物质的吸附作用可以减缓膜污染。例如：李彦锋等.改性载体固定化微生物处理高氨氮废水的研究,安徽农业科学,2008,36(7),2877-287；所述改性是经0.05mol/L重铬酸钾浸泡48h，用自来水洗至无重铬酸钾橙红色，然后用5％双氧水浸泡48h，再用自来水反复冲洗，挤去水分，80℃抽真空烘干后得到的。

出水系统包括出水蠕动泵和出水瓶。出水蠕动泵的塑料管一端连接反应器的出水管，另一端通入出水瓶内。

水浴循环系统由水浴锅和加压泵组成，恒温水流经水浴锅、加压泵与膜生物反应器水浴加热夹套构成了闭合循环回路，反应器内温度恒为37℃以确保厌氧氨氧化菌的正常生长和短程硝化的实现。水浴锅与加压泵连接，恒温水在加压泵的作用下泵入膜生物反应器水浴进水口。反应器的水浴进水口、水浴出水口与水浴加热夹套相通，水浴出水口与水浴锅连接，恒温水重新回流至水浴锅内。即水浴锅内的恒温水经加压泵、水浴进水口流至水浴夹套，再由水浴夹套流至反应器水浴出水口并回流至水浴锅内，形成循环水浴系统。

本发明所用到的厌氧氨氧化污泥不拘于此来源，凡是具有厌氧氨氧化功能的污泥均可用于启动厌氧氨氧化反应器。

本发明所用的载体经改性后具有良好的持水性及微生物负载量，有利于微生物的固定化，凡具有此作用的载体都用于微生物固定化。

利用上述的装置运行固定化厌氧氨氧化的方法为：

将改性的聚氨酯泡沫载体投加至反应器内，载体在反应器内的填充比为60％，加入厌氧氨氧化污泥并开始运行该反应器。反应器内保持厌氧环境，控制温度为37℃，进水pH在7.3-7.8之间。当进水氨氮和亚硝酸盐氮的浓度为150-170mg/L，水力停留时间为20h，出水氨氮和亚硝酸盐氮浓度低于25mg/L时，视为此反应器启动成功。所述的厌氧氨氧化污泥来自厌氧发酵罐培养的厌氧氨氧化菌，其内厌氧氨氧化菌的占比在50％-80％之间。

技术原理

本发明采用厌氧氨氧化工艺的微生物学原理是：厌氧氨氧化菌能够在无氧的条件下把氨和亚硝酸盐转化成氮气[式(1)]；由于厌氧氨氧化菌是自养型细菌，因此厌氧氨氧化反应无需外源有机物质，能够在完全无机的条件下运行。

以膜生物反应器运行厌氧氨氧化时，反应器能够保持高活性污泥浓度，截留大分子有机物质，处理效率高，出水水质好。

本发明所用载体对微生物、有机物及无机盐等物质的吸附作用是减缓膜污染的主要原因。载体对微生物也具有一定的保护作用，使反应器运行性能更稳定。

厌氧氨氧化作为新型生物脱氮技术，所需曝气量少，无需外加碳源及碱度，剩余污泥量少，废水脱氮成本大大降低，但是厌氧氨氧化菌生长速率缓慢，倍增时间长达11天，厌氧氨氧化菌的富集成为工程应用中的瓶颈问题。采用膜生物反应器运行厌氧氨氧化，能够快速启动反应器，高效截留厌氧氨氧化污泥。微生物固定化既能截留菌，又可以有效的减缓膜污染，保证反应器长期稳定的运行，出水水质良好。

本发明的微生物固定化膜生物反应器运行厌氧氨氧化的方法与现有工艺相比有如下优点：

1、该工艺与传统生物脱氮工艺相比，无需额外投加有机碳源，所需曝气量少，占地面积小，工艺流程简单，基建与运行费用低。

2、引入膜生物反应器能高效截留生长速率缓慢的厌氧氨氧化菌，可以实现反应器的快速启动，同时能保证良好的出水水质。

3、载体对微生物、有机物和无机盐离子等的吸附作用减缓了膜污染，也使反应器的运行性能更加稳定。

附图说明

图1是本装置的结构示意图。

图1中1.进水瓶，2.进水蠕动泵，3.进水口，4.反应器，5.水浴加热夹套，6.载体，7.曝气头，8.曝气管，9.搅拌浆，10.出气口，11.取样口，12.膜组件，13.气体流量计，14.压力计，15.出水蠕动泵，16.出水瓶，17.水浴进水口，18.水浴出水口，19.水浴锅，20.加压泵。

本发明的装置的外形并不受此图的限制，仅外形改变也属于本发明的保护范围。

图2是反应器进出水氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮含量变化，其中图2a是MBR进出水氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮含量变化示意图；图2b是I-MBR进出水氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮含量变化示意图。

图3是两个反应器的过膜压力变化，其中图3a是MBR过膜压力变化示意图，图3b是I-MBR过膜压力变化示意图。

图4是两个反应器膜表面的蛋白和多糖含量，其中4a是MBR膜表面的蛋白和多糖含量，4b是I-MBR膜表面的蛋白和多糖含量。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：如图1所示，一种微生物固定化膜生物反应器运行厌氧氨氧化的方法：该装置由进水系统、曝气系统、膜生物反应器、出水系统、水浴循环系统5个部分组成。

进水系统包括进水瓶(1)和进水蠕动泵(2)。进水瓶(1)以橡胶塞封口，胶塞上需用打孔器钻出2个孔，并插入2根玻璃管，其中一根连接一个10L的气袋(防止进水后广口瓶内产生负压，影响进水速度或导致瓶壁破裂)，另一根连接进水蠕动泵(2)的塑料管，塑料管的另一端接膜生物反应器(4)的进水口(3)。蠕动泵(2)的转速可设置为适宜的数值，以适应不同的水力停留时间。

曝气系统由曝气头(7)、曝气管(8)和气体流量计(13)组成，曝气管(8)一端连接曝气头(7)，另一端连接流量计(13)，曝气头(7)置于膜生物反应器(4)内，曝气时，气体流量计(13)连接曝气的气瓶，以控制曝气流量。

膜生物反应器(4)外形为圆柱形，反应器(4)底部设有进水口(3)，外层设有水浴加热夹套(5)，维持反应器(4)温度为37℃。反应器(4)顶端装有搅拌浆(9)，搅拌有利于反应器(4)内部基质的传递及均匀反应，装置运行时搅拌速率设置为100-150rpm。向反应器(4)内投加一定量的边长为3.6cm的正方体改性聚氨酯泡沫载体(6)，载体(6)在反应器(4)内的填充比为60％。膜组件(12)放置在反应器(4)内部，高度约为反应器(4)3/4左右，膜组件(12)出水口与反应器(4)的出水管相连，压力计(14)经三通管连接膜组件的出水管测定过膜压力。反应器(4)采用连续进水连续出水的方式运行，水力停留时间随反应器(4)性能的改变而改变。

本发明所用的正方体改性聚氨酯泡沫载体，所述改性是经0.05mol/L重铬酸钾浸泡48h，用自来水洗至无重铬酸钾橙红色，然后用5％双氧水浸泡48h，再用自来水反复冲洗，挤去水分，80℃抽真空烘干后得到的。

出水系统包括出水蠕动泵(15)和出水瓶(16)。出水蠕动泵(15)的塑料管一端连接反应器的出水管，另一端通入出水瓶(16)内。

水浴循环系统由水浴锅(19)和加压泵(20)组成。恒温水流经水浴锅(19)、加压泵(20)与膜生物反应器水浴加热夹套(5)构成了闭合循环回路，反应器(4)内温度恒为37℃以确保厌氧氨氧化菌的正常生长和短程硝化的实现。水浴锅(19)与加压泵(20)连接，恒温水在加压泵(20)的作用下泵入膜生物反应器水浴进水口(17)。反应器的水浴进水口(17)、水浴出水口(18)与水浴加热夹套(5)相通，水浴出水口(18)与水浴锅(19)连接，恒温水重新回流至水浴锅(19)内。即水浴锅(19)内的恒温水经加压泵(20)、水浴进水口(17)流至水浴夹套(5)，再由水浴夹套(5)流至反应器水浴出水口(18)并回流至水浴锅(19)内，形成循环水浴系统。

具体操作方法如下：

首先将改性的聚氨酯泡沫载体(李彦锋等.改性载体固定化微生物处理高氨氮废水的研究,安徽农业科学，2008,36(7),2877-287))投加至反应器内，载体在反应器内的填充比为60％，加入厌氧氨氧化污泥(来自厌氧发酵罐培养的厌氧氨氧化菌，其内厌氧氨氧化菌的占比在50％-80％之间)并开始运行该反应器。反应器内保持厌氧环境，控制温度为37℃，进水pH在7.3-7.8之间。在反应器运行初期(0-13天)，为防止氨氮和亚硝酸盐氮浓度偏高，抑制厌氧氨氧化菌的生长，使进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度为50mg/L，出水氨氮与亚硝酸盐氮浓度逐渐降低，反应器总氮去除率由45％增至85％。在第13天，向反应器内加入50mL充分混合的厌氧氨氧化菌菌液(来自厌氧发酵罐培养的厌氧氨氧化菌，其内厌氧氨氧化菌的占比在50％-80％之间)并将进水氨氮增加到100mg/L，进水亚硝酸盐氮增加到130mg/L，出水氨氮和亚硝酸盐氮未有明显变化。第13-45天逐渐提高进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度为150和160mg/L左右，随着进水浓度的提高，出水氨氮与亚硝酸盐氮浓度并无明显提高，反应器的总氮去除负荷和性能明显升高。第45天以后，为防止进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度过高导致厌氧氨氧化菌群受到抑制，不再提高进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度，通过将水力停留时间由24h缩短为20h来增加反应器的负荷。第50天时，反应器的总氮去除速率达到328mg/(Lday)。当进水氨氮和亚硝酸盐氮的浓度为150-170mg/L，水力停留时间为20h，出水氨氮和亚硝酸盐氮浓度低于25mg/L时，视为此反应器启动成功，启动时间为50天。

对比试验

为了考察本发明中载体对反应器运行性能和膜污染的影响，同时平行启动并运行两个反应器，一个为上所述提及的添加了载体的固定化膜生物反应器(I-MBR)。另一个反应器不添加载体(MBR)，运行条件与I-MBR完全相同(如图1所示)。

测定两反应器进出水氨氮、亚硝氮与硝氮含量的变化，从图中可以看出I-MBR和MBR经50天运行均成功启动，I-MBR的反应器性能略高于MBR的反应器性能。

测试两个反应器的过膜压力。图3结果表明，MBR最终过膜压力稳定在24kPa，I-MBR过膜压力稳定在4kPa，MBR的过膜压力远高于I-MBR。过膜压力是反应膜污染程度的综合指标，本发明所用载体能够有效的减缓膜污染。

测试两个反应器膜表面的蛋白与多糖含量，由图4可知，MBR膜表面蛋白(1.34g/m²)和多糖(0.59g/m²)的含量远高于I-MBR膜表面的蛋白(0.44g/m²)和多糖(0.17g/m²)。细菌分泌的溶解性微生物代谢产物和胞外聚合物(主要成分为蛋白与多糖)是膜污染的主要成分，此结果说明载体能有效减缓膜污染。

Claims (1)

1.一种利用微生物固定化膜生物反应器运行厌氧氨氧化的方法，其特征是：采用膜生物反应器运行自养生物脱氮工艺，同时引入微生物固定化技术，所述微生物固定化膜生物反应器由进水系统、曝气系统、膜生物反应器、出水系统、水浴循环系统5个部分组成；其中微生物固定化所用的载体是正方体改性聚氨酯泡沫，载体置于反应器内部；所述改性是经0.05mol/L重铬酸钾浸泡48h，用自来水洗至无重铬酸钾橙红色，然后用5％双氧水浸泡48h，再用自来水反复冲洗，挤去水分，80℃抽真空烘干后得到的；所述的方法包括以下步骤：

首先将改性的聚氨酯泡沫投加至反应器内，加入厌氧氨氧化污泥并开始运行该反应器；反应器内保持厌氧环境，控制温度为37℃，进水pH在7.3-7.8之间；

在反应器运行初期，为防止氨氮和亚硝酸盐氮浓度偏高，抑制厌氧氨氧化菌的生长，使进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度为50mg/L，出水氨氮与亚硝酸盐氮浓度逐渐降低，反应器总氮去除率由45％增至85％；

在第13天，向反应器内加入50mL充分混合的厌氧氨氧化菌菌液并将进水氨氮增加到100mg/L，进水亚硝酸盐氮增加到130mg/L，出水氨氮和亚硝酸盐氮未有明显变化；

第13-45天逐渐提高进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度为150和160mg/L左右，随着进水浓度的提高，出水氨氮与亚硝酸盐氮浓度并无明显提高，反应器的总氮去除负荷和性能明显升高；

第45天以后，为防止进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度过高导致厌氧氨氧化菌群受到抑制，不再提高进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度，通过将水力停留时间由24h缩短为20h来增加反应器的负荷；

第50天时，反应器的总氮去除速率达到328mg/(L·day)；当进水氨氮和亚硝酸盐氮的浓度为150-170mg/L，水力停留时间为20h，出水氨氮和亚硝酸盐氮浓度低于25mg/L时，视为此反应器启动成功，启动时间为50天。