CN105712476B - 一种气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置及方法，装置包括作为水处理主体的反应器、对反应器实现气体搅拌的气体循环泵以及提供搅拌气体并虹吸排水的循环气体储存器，所述反应器的顶部设有气体收集器，侧面设有若干个排水口一，底部设有曝气头；其中：所述气体循环泵的进气端和出气端分别通过管道与所述气体收集器和所述曝气头相连接，使得所述反应器和所述气体循环泵之前形成一个封闭的循环单元；所述循环气体储存器与所述气体收集器和其中一个所述排水口一相连接，使得所述循环气体储存器和所述反应器之前形成一个封闭的循环单元。本发明通过循环气体搅拌污泥，提高了搅拌气体的利用率，利于颗粒污泥的形成。

Description

一种气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置及方法

技术领域

本发明涉及水处理过程中菌种培养驯化技术，具体涉及一种气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置及方法。

背景技术

厌氧菌属于一种缺乏完整代谢酶体系的细菌，其能量代谢以无氧发酵的方式进行。厌氧菌不但不能利用分子氧，而且游离氧对其还有毒性作用。因此在厌氧菌培养过程中降低氧分压是十分必要的。

Anammox(anaerobic ammonium oxidation,厌氧氨氧化菌)作为浮霉菌门的一类厌氧菌，通过将亚硝氮还原为NO以及进一步利用氨氮还原过程中产生的电子将NO还原成氮气，改变了传统只能通过硝化和反硝化途径脱氮的过程。作为化能自养型细菌，在将其应用于污水脱氮领域时，只需以二氧化碳作为唯一碳源而不需要添加有机碳源，运行费用低，污泥产率低，且无N₂O、CO₂等二次污染产生。但是，该类菌只能在氧分压低于5％氧饱和条件下生存，一旦氧分压超过18％氧饱和，其活性即受抑制厌，生长周期比较长(一般为11d-13d)，而且如果其在培养过程中以絮体形式存在，沉降速率较慢，污泥流失严重，增加了培养驯化的成本和难度。

颗粒污泥是由细菌构成的自凝聚体，除了具有污泥量大、沉降速度快、微生物种类丰富、抗有机负荷冲击能力强和较好地去除有毒、重金属污染物等优点，还可以降低污泥流失量，能确保生化过程稳定高效地运行。上升流提供的水利剪切力是形成颗粒污泥的一个主要原因之一。

传统的在厌氧氨氧化菌培养过程中，通常采用搅拌器搅拌或用氮气曝气来产生搅动的方式来解决污泥沉降和溶解氧控制的问题，但是采用机械搅拌的方式，会使污泥与反应器壁之间产生摩擦和碰撞，不利于污泥颗粒的形成；采用氮气曝气的方式虽然避免了溶解氧过高和污泥颗粒化问题，但其氮气利用率低，搅拌不充分而且成本明显增加。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置及方法，旨在实现循环气体对待处理原水的搅拌。

本发明采用的技术方案具体为：

一种气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置，包括作为水处理主体的反应器、对反应器实现气体搅拌的气体循环泵以及提供搅拌气体并虹吸排水的循环气体储存器，所述反应器的顶部设有气体收集器，侧面设有若干个排水口一，底部设有曝气头；其中：

所述气体循环泵的进气端和出气端分别通过管道与所述气体收集器和所述曝气头相连接，使得所述反应器和所述气体循环泵之前形成一个封闭的循环单元；

所述循环气体储存器与所述气体收集器和其中一个所述排水口一相连接，使得所述循环气体储存器和所述反应器之前形成一个封闭的循环单元。

在上述气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置中，所述反应器内设置有温控器、pH计以及溶解氧监测器；其中：

所述温控器用于维持设定的反应温度；

所述pH计用于将反应环境调控至设定的pH水平；

所述溶解氧监测器则用于实时监控反应器内的溶解氧是否处于设设定范围内。

在上述气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置中，所述循环气体储存器的顶部设有进气口，侧面设有进水口二，，所述进气口与所述进水口二分别与所述气体收集器和其中的一个所述排水口一相连接。

在上述气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置中，所述循环气体储存器的侧面设有排水口，用于排出处理达标的水。

在上述气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置中，所述气体收集器和所述气体循环泵之间设有气体流量计，用于监测曝气量和曝气强度。

在上述气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置中，所述气体循环泵为通过变频来控制风量的真空泵，所述气体循环泵与所述曝气头之间的管道上接有三通，用于直接向所述反应器内充入无氧气体。

在上述气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置中，所述反应器为柱形结构，所述柱形结构的径高比介于5～10之间。

在上述气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置中，所述反应器的顶部设有进水口二，待处理的原水经所述进水口二进入所述反应器。

一种气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化方法，首先将加有接种菌种的原水充满整个反应器，同时在气体存储器中充满无氧气体，并关闭所有阀门；之后包括如下步骤：

S10、打开循环气体存储器的进水口二、进气口以及与进水口二相连接的排水口一，反应器里的液体排入循环气体存储器的同时，循环气体存储器里的无氧气体引入反应器1，待液体排至(4/5±0.01)V时，关闭排水口一和进气口；其中V为反应器的容积；

S20、开启气体循环泵，根据气体流量计的显示，通过阀门控制循环气体量的量，从而调整气体对原水的搅拌强度；以及

通过反应器内的温控器、pH计以及溶解氧监测仪调整反应器内的反应环境运行参数；

S30、从反应器的取样排水口来检验监测原水的处理情况，满足要求后用待处理的原水换处理达标的水；

换水完成后，进入下一个循环。

在上述气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化方法中，在步骤S30中，在开始换水前，先关闭气体循环泵，待污泥沉降至1/4V以下后，打开相连接的排水口一和进水口二的阀门，在将反应器内已处理达标的水排入循环气体存储器的同时，循环气体存储器里的无氧气体压回到反应器，直至放水直反应器体积1/4时，关闭阀门；以及循环气体存储器的排水口二在排水的同时会将反应器顶部的无氧气体抽回，反应器产生的真空将待处理的原水通过进水口一吸进反应器。

本发明产生的有益效果是：

本发明通过采用循环曝气的方式，通过无氧气体在反应器内的循环流动起到搅拌污泥的作用，避免了传统厌氧污泥培养过程中采用机械搅拌所带来的污泥颗粒化程度低的问题；同时如果对溶解氧有需求，就可以通过流量计添加适当的空气，既防止了污泥沉降，又避免了传统气体搅拌过程中存在的由于曝气量过大导致的溶解氧过高使得菌的活性受抑制，以及由于曝气量过小导致的污泥沉降以及反应不充分的问题，同时也提高了搅拌气体的利用率，降低了经济成本，气体升力产生的剪切力也有利于颗粒污泥的形成。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置的结构示意图。

图中：

1、反应器

2、气体循环泵

3、循环气体存储器

4、气体流量计

5、曝气头

6、排水口一

7、气体收集器

8、进水口一

9、进水口二

10、排水口

11、进气口

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示的一种气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置，主要包括作为水处理主体的反应器1、对反应器实现气体搅拌并虹吸排水的气体循环泵2以及提供搅拌气体的循环气体储存器3；其中：

柱形结构的反应器1的顶部设有气体收集器7，气体收集器7的两侧分别设有进水口一8，侧面设有若干个排水口一6，底部设有若干个曝气头5；

气体收集器7通过管道与气体循环泵2的进气端相连接，气体循环泵2的出气端通过管道与曝气头5相连接，这样一来，反应器1和气体循环泵2通过首尾相连，形成了一个封闭的循环单元；

循环气体储存器3的顶部设有进气口11，侧面的顶部和底部分别设有进水口二9底部设有排水口10，进气口11与气体收集器7相连接，进水口二9与其中的一个排水口一6相连接。

在连接气体收集器7与气体循环泵2进气端之间的管道上设有气体流量计4，气体流量计4配有流量控制阀，用于监测曝气量和曝气强度。

在进水口(8、9)以及排水口(6、10)处均设有流量控制阀，以便实时观察和调剂进、排水量。

作为一种优先，气体循环泵2选用可以通过变频来控制风量的真空泵，在连接气体循环泵2的出气端与曝气头5之间的管道上接三通，以便当反应器1出现问题维护后需要重新恢复无氧状态时，通过该口直接向反应器1内充入无氧气体，确保反应器1的稳定运行。

反应器1内设置有温控器、pH计以及溶解氧监测器；其中：

温控器用于维持稳定的反应温度；

pH计用于将反应环境调控至适当的pH；

溶解氧监测器则用于实时监控反应器内溶解氧的量。

作为一种优选，柱形结构的径高比介于5～10之间，用于保证在气体循环泵2在其能够负担的范围内尽可能地提供足够的水利剪切力；曝气头5的孔径优选为100～500um，结合前述的气体流量计4以及反应器1内安装的温控器、pH计和溶解氧监测器，使得气体循环泵2出气端的气体经其曝气后能实现以下三方面的效果：

1、曝出的气泡尽可能均匀；

2、原水液面尽可能平稳；

3、气体在原水内的搅动能够提供符合要求的搅拌强度；

从而元水处理水平和效率。

本发明的装置实现厌氧菌的培养驯化的过程具体为：

首先将加有接种菌种的原水(污泥浓度控制在4000～5000mg/l，菌种为厌氧氨氧化菌(Anammox))充满整个反应器1，同时在气体存储器3中充满无氧气体(氮气)，充满氮气的方式具体为：

先在气体存储器3中加满水，再利用氮气瓶将氮气通过顶部的进气口11打入，同时打开底部的排水口10，就可以利用排水法将氮气充入气体存储器3内。

之后关闭所有阀门，以确保整套装置的密封性；

打开排水口一6、进水口二9和进气口11，在将反应器1里面的水排入循环气体存储器3的同时，循环气体存储器3里面充满的无氧气体通过进气口11经气体收集器7引入反应器1，待排水至反应器1容积的(4/5±0.01)时，关闭排水口一6和进气口11；

开启气体循环泵2，同时打开气体流量计4和气体收集器1之间的阀门，确保气体循环泵2和反应器1之间是一个气体可循环的密闭单元，通过阀门和气体流量计4控制循环气体量，调整气体对原水的搅拌强度；以及通过反应器1内的温控器、pH计以及溶解氧监测仪实时控制和调整反应器内的反应环境运行参数(对于高1m、直径为0.1m的反应器1而言，当反应器1底部的爆气盘的直径为0.1m且循环气体的流量为1～1.5l/min时即可提供满足本发明处理规模的搅拌强度，在处理过程中，保证反应器1内的温度为31±1℃，pH为7.2～8.0之间，溶解氧的浓度不超过0.2mg/l)，如此反复，确保反应持续不间断运行；

通过排水口一6(若干个排水口，其中的某一个连接的是循环气体存储器3，取样是从其他的某一个或者某几个口)取水样来检验监测反应器的运行状况和处理效果，待满足要求的处理水平后换水，通常水处理时间为4h左右。不过，在开始换水前，先关闭气体循环泵2，待处理得到的污泥沉降到反应器1的底部后，同时打开相连接的排水口一6和进水口二9的阀门，反应器1内已处理达标的水排入循环气体存储器3，同时将循环气体存储器3里面的无氧气体压回到反应器1，待放水到反应器1体积1/4时，(菌种在反应器1中)关闭排水口一6和进水口二9的阀门。

进水口一8通过管道和原水连接，打开向外排水，循环气体存储器3的排水口10在排水的同时会将反应器1顶部的无氧气体抽回，这样利用虹吸原理，反应器1产生的真空将待处理的原水通过进水口一8吸进反应器1。

控制原水的添加量，保证在反应器顶部留出1/5的体积余量时，关闭进水口一8、排水口10和进气口11，以此类推，继续第二个水处理循环。

具体的一组处理实例中，原水中的氨氮含量为70±10mg/l、亚硝氮含量为90±10mg/l，经过本发明的培养驯化处理4h后，原水质量即改善至“氨氮5mg/l以下，亚硝氮1mg/l以下”的水平。

本发明的厌氧菌培养驯化装置利用无氧气体作为搅拌污泥的动力，通过气体上升提供的剪切力有利于污泥颗粒的形成，减少了污泥流失；同时通过气体流量计的控制，解决了曝气量过大引起溶解氧过高以及曝气量过小导致的污泥易沉降的问题，且搅拌气体的循环利用也降低了经济成本；

且装置在水处理过程中充分利用了虹吸原理，即使在换水过程中外界的空气也不会进入反应器1内，确保反应器1一直处于无氧状态，消除了溶解氧对厌氧菌生长造成的不利影响生长，优化了厌氧菌的驯化环境。

以上结合附图对本发明的实施例进行了详细地说明，此处的附图是用来提供对本发明的进一步理解。显然，以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何对本领域的技术人员来说是可轻易想到的、实质上没有脱离本发明的变化或替换，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置，其特征在于，包括作为水处理主体的反应器、对反应器实现气体搅拌的气体循环泵以及提供搅拌气体并虹吸排水的循环气体储存器，所述反应器的顶部设有气体收集器，侧面设有若干个排水口一，底部设有曝气头；其中：

所述气体循环泵的进气端和出气端分别通过管道与所述气体收集器和所述曝气头相连接，使得所述反应器和所述气体循环泵之间形成一个封闭的循环单元；

所述循环气体储存器与所述气体收集器和其中一个所述排水口一相连接，使得所述循环气体储存器和所述反应器之间形成一个封闭的循环单元；

所述循环气体储存器的顶部设有进气口，侧面设有进水口二，所述进气口与所述进水口二分别与所述气体收集器和其中的一个所述排水口一相连接；所述循环气体储存器的侧面设有排水口，用于排出处理达标的水；

所述反应器的顶部设有进水口一，待处理的原水经所述进水口一进入所述反应器。

2.根据权利要求1所述的气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置，其特征在于，所述反应器内设置有温控器、pH计以及溶解氧监测器；其中：

所述温控器用于维持设定的反应温度；

所述pH计用于将反应环境调控至设定的pH水平；

所述溶解氧监测器则用于实时监控反应器内的溶解氧是否处于设设定范围内。

3.根据权利要求1所述的气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置，其特征在于，所述气体收集器和所述气体循环泵之间设有气体流量计，用于监测曝气量和曝气强度。

4.根据权利要求1所述的气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置，其特征在于，所述气体循环泵为通过变频来控制风量的真空泵，所述气体循环泵与所述曝气头之间的管道上接有三通，用于直接向所述反应器内充入无氧气体。

5.根据权利要求1所述的气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化装置，其特征在于，所述反应器为柱形结构，所述柱形结构的径高比介于5～10之间。

6.一种利用如权利要求1-5任一项所述的装置进行气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化方法，其特征在于，首先将加有接种菌种的原水充满整个反应器，同时在循环气体存储器中充满无氧气体，并关闭所有阀门；之后包括如下步骤：

S10、打开循环气体存储器的进水口二、进气口以及与进水口二相连接的排水口一，反应器里的液体排入循环气体存储器的同时，循环气体存储器里的无氧气体引入反应器1，待液体排至(4/5±0.01)V时，关闭排水口一和进气口；其中V为反应器的容积，关闭排水口一和进气口；

S20、开启气体循环泵，根据气体流量计的显示，通过阀门控制循环气体量的量，从而调整气体对原水的搅拌强度；以及

通过反应器内的温控器、pH计以及溶解氧监测仪调整反应器内的反应环境运行参数；

S30、从反应器的取样排水口来检验监测原水的处理情况，满足要求后用待处理的原水换处理达标的水；

换水完成后，进入下一个循环。

7.根据权利要求6所述的气体循环搅拌式厌氧菌培养驯化方法，其特征在于，在步骤S30中，在开始换水前，先关闭气体循环泵，待污泥沉降至1/4V以下后，打开相连接的排水口一和进水口二的阀门，在将反应器内已处理达标的水排入循环气体存储器的同时，循环气体存储器里的无氧气体压回到反应器，直至放水直反应器体积1/4时，关闭阀门；以及循环气体存储器的排水口二在排水的同时会将反应器顶部的无氧气体抽回，反应器产生的真空将待处理的原水通过进水口一吸进反应器。