CN105861479A - 一种共固定化厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌的方法及其应用 - Google Patents

一种共固定化厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

一种共固定化厌氧氨氧化菌‑短程硝化细菌的方法及其应用属于污水处理技术领域，以聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭作为包埋剂对厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌进行分层包埋固定，先将等体积的厌氧氨氧化污泥和包埋剂均匀混合，固定后得到厌氧氨氧化凝胶小球，再将其投入短程硝化细菌和包埋剂的混合溶液中，固定后得到厌氧氨氧化菌‑短程硝化细菌凝胶小球，经活化后直接投加到自养脱氮反应器中。本发明利用固定化微生物技将厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌在同一载体中共固定化培养，稳定的富集高活性厌氧氨氧化和短程硝化污泥，使得两种细菌的生物效能协调发挥，实现短程硝化反应和厌氧氨氧化反应的协调运行。

Description

一种共固定化厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌的方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌共同固定化的方法，并将其应用在工艺中，属于污水处理技术领域。具体内容是利用固定化微生物技术将厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌共同固定于凝胶小球中，内含厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌的凝胶小球恢复活性后接种于自养脱氮反应器，城市生活污水经生物除碳反应器去除有机物后进入自养脱氮反应器，生活污水中的部分氨氮由短程硝化细菌转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐再经过厌氧氨氧化过程与剩余氨氮反应转化为氮气，实现城市生活污水中氮素的去除。
背景技术
为解决传统硝化-反硝化脱氮技术需要投加额外的有机物与曝气以满足脱氮的需要而导致的工艺运行成本较高、能耗巨大的问题，厌氧氨氧化工艺应运而生。
NH4 ++1.32NO2 -+0.066HCO3 -+0.13H+→1.02N2+0.26NO3 -+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O (式1)
厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，Anammox)工艺是新型高效节能的脱氮工艺，以NH4 +为电子供体，NO2 -为电子受体，将二者转变成N2的自养生物脱氮过程。通过式(1)可以看出与传统脱氮工艺相比具有以下优点：厌氧氨氧化细菌是自养微生物，反应过程不需要投加有机物，减少了运行成本；厌氧氨氧化过程不需要曝气，节约了能源减少了动力消耗；由于厌氧氨氧化是自养微生物，工艺所产生的剩余污泥较少，所需处理污泥所导致的费用也较低；但厌氧氨氧化也存在着局限性，研究表明：厌氧氨氧化菌的倍增时间长，细胞产率较低，活性容易受到温度、pH、溶解氧等影响，此外当活性好时反应产生的大量氮气使污泥悬浮于反应器内造成菌体流失。
目前，短程硝化-厌氧氨氧化工艺于2002年在荷兰鹿特丹Dukhaven污水处理厂正式运行，此外在与垃圾渗滤液厌、禽类养殖废水处理中也获得了高效的脱氮效果。实践证明短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市生活污水实现稳定化、高效化的重要条件是二者的协调运行。因为厌氧氨氧化获得亚硝酸盐的途径在低温、低碳氮比的城市生活污水中不易实现、亚硝积累率难以维持稳定，反应器中无法维持较高的Anammox细胞密度。因此如何保持厌氧氨氧化菌在反应器中的高密度，防止从反应器中流失并提高其抗性，以及短程硝化反应和厌氧氨氧化反应协调运行成为了短程硝化-厌氧氨氧化工艺进一步推广所需解决的重要问题。
本发明就是针对以上问题开发的包埋固定化技术，利用固定化微生物技术将厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌共同固定于凝胶小球中。选取亲水性和互溶性好的聚乙烯醇和海藻酸钠作为交联载体，利用活性炭的立体疏松状多孔结构为微生物提供附着点，将厌氧氨氧化菌与短程硝化细菌分层固定于凝胶小球内，厌氧氨氧化菌分布在内层，短程硝化细菌固定在外层。制作的得到的厌氧氨氧化-短程硝化凝胶小球机械强度高、沉淀性能好，厌氧氨氧化细菌在固定区域内保持较高的细胞密度，减弱或消除了菌体的流失，增加了抵抗不良环境因素的能力，从而便于厌氧氨氧化工艺的推广。
发明内容
本发明的目的在于针对实现短程硝化-厌氧氨氧化一体化工艺稳定运行存在的问题，提出了一种经济、高效、稳定的解决方法。即利用细菌包埋固定化技术制备含厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌的凝胶小球，使厌氧氨氧化菌在凝胶小球中可以保持较高的细胞密度，减轻或消除厌氧氨氧化菌的流失，提高微生物抵抗不良环境因素的能力，达到两种细菌生物效能的协调发挥，实现短程硝化反应和厌氧氨氧化反应的协调运行，从而实现短程硝化-厌氧氨氧化一体化工艺的简洁化、稳定化、高效化，为新型生物脱氮工艺的推广应用提供新的思路和途径。
为了达到上述目的，本发明通过以下方案来实现：
一、厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌的共固定化
(1)菌种的处理：取污泥浓度为8000mg/L的厌氧氨氧化污泥用pH为7-7.5的磷酸盐缓冲溶液冲洗3遍后备用，亚硝积累率＞90％的短程硝化污泥用去离子水清洗3遍后备用。
(2)包埋剂的获取：选取木质粉状活性炭，先经冲洗去除杂质和粉尘，依次用质量百分比浓度为10％的盐酸、2％的氢氧化钠、生理盐水浸泡24小时。按照15g/L、2g/L、2g/L的浓度配制500ml聚乙烯醇(PVA)-海藻酸钠(SA)-活性炭混合溶液①，在120℃中加热20min使其加速溶解；按照50g/L和2g/L的质量-体积百分浓度配制1000ml硝酸钠(NaNO3)和氯化钙(CaCl2)的混合固定液②。
(3)厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌的分层包埋固定：
第一次包埋：将第(1)步的厌氧氨氧化菌种和第(2)步的混合溶液①按照体积1:1比例均匀混合得到500ml菌-胶混合液，然后利用注射器将其逐滴加到500ml混合固定液②中，在室温下充分接触12h对其固定化交联，结束后用去除氧后的去离子水清洗厌氧氨氧化固定化小球3-5次。
第二次包埋：将第(1)步的短程硝化污泥和第(2)步的混合溶液①按照体积1.5:1比例均匀混合得到300ml菌-胶混合液,再投入第一次包埋获得的厌氧氨氧化固定小球，混合后用直径0.4-0.6cm的玻璃吸管吸取混有菌液的固定化小球，滴入500ml混合固定液②中，在室温下充分接触12h对其固定化交联，结束后用去离子水清洗厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球3-5次。
(4)包埋小球的活化：将制备好的厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球在30-35℃和pH＝7.5的条件下用配水活化培养6-8天，使固定化小球内部的微生物活性得到恢复，活化后可直接放入反应器直接使用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明首次实现了厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌在同一载体中的共固定化培养，能稳定的富集高活性的厌氧氨氧化污泥，提供一个缺氧环境以保护厌氧氨氧化微生物，增强抵抗不良因素的能力，减弱污泥流失率。重要的是将厌氧氨氧化菌和短程细菌分层固定实现两种细菌生物效能的协调发挥，实现短程硝化反应和厌氧氨氧化反应的协调运行。
(2)制备共固定化小球的方法简便，制作过程易于控制，得到的共固定化小球含水率高、机械强度高、可重复利用，包埋载体聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭对细菌细胞损害作用小。
二、将厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球应用在处理城市生活污水的自养脱氮系统中，其装置特征在于：
该系统由城市污水原水水箱、生物除碳反应器、中间水箱和全程自养脱氮反应器串联而成；城市污水原水水箱通过第一进水泵与生物除碳反应器进水管相连；生物除碳反应器设有第一空压机、第一曝气头、第一搅拌器、第一放空阀和出水阀；生物除碳反应器出水阀通过出水管与中间水箱相连；中间水箱通过第二进水泵与全程自养脱氮反应器进水阀相连；全程自养脱氮反应器设有第二空压机、第二曝气头、第二放空阀、第二出水阀、第二搅拌器、气体转子流量计及pH和DO测定仪；
三、利用包埋固定化得到的厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球实现全程自养脱氮的方法，包括以下步骤：
步骤一：生物除碳反应器接种城市污水处理厂二沉池回流污泥，使污泥浓度在2000-4000mg/L；全程自养脱氮反应器接种厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球，固定化小球填充比为40％-50％。
步骤二：城市污水原水水箱通过第一进水泵进水15min，厌氧搅拌15min恢复活性污泥的吸附能力，再进行好氧曝气25-30min达到去除有机物的目的。最后沉淀30min，由出水阀将上清液排入中间水箱。上清液经中间水箱经沉淀后通过第二进水泵与进入全程自养脱氮反应器，通过气体转子流量计控制反应器溶解氧浓度在1-2mg/L，处理完成后经过沉淀得到的上清液通过排水阀排出。
附图说明
图1是共固定化厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌凝胶小球的示意图。
图2是全程自养脱氮装置示意图。
图2中：城市污水原水水箱-1、生物除碳反应器-2、中间水箱-3、全程自养脱氮反应器-4；第一空压机-5、第一进水泵-6、第一搅拌器-7、第一曝气头-8、第一出水阀-9、第一放空阀-10、第二空压机-11、第二进水泵-12、气体转子流量计-13、第二搅拌器-14、第二曝气头-15、第二出水阀-16、第二放空阀-17、pH和DO测定仪-18。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌凝胶小球的制备
选污泥浓度为8000mg/L的厌氧氨氧化污泥用pH为7-7.5的磷酸盐缓冲溶液冲洗3遍后备用，亚硝积累率＞90％的短程硝化污泥用去离子水清洗3遍后备用；选取木质粉状活性炭，先经冲洗去除杂质和粉尘，依次用质量百分比浓度为10％的盐酸、2％的氢氧化钠、生理盐水浸泡24小时。按照15g/L、2g/L、2g/L的浓度配制500ml聚乙烯醇(PVA)-海藻酸钠(SA)-活性炭混合溶液①，在120℃中加热20min使其加速溶解；按照50g/L和2g/L的质量-体积百分浓度配制1000ml硝酸钠(NaNO3)和氯化钙(CaCl2)的混合固定液②。第一次包埋：将第(1)步的厌氧氨氧化菌种和第(2)步的混合溶液①按照体积1:1比例均匀混合得到500ml菌-胶混合液，然后利用注射器将其逐滴加到500ml混合固定液②中，在室温下充分接触12h对其固定化交联，结束后用去除氧后的去离子水清洗厌氧氨氧化固定化小球3-5次；第二次包埋：将第(1)步的短程硝化污泥和第(2)步的混合溶液①按照体积1.5:1比例均匀混合得到300ml菌-胶混合液,再投入第一次包埋获得的厌氧氨氧化固定小球，混合后用直径0.4-0.6cm的玻璃吸管西区混有菌液的固定化小球，滴入500ml混合固定液②中，在室温下充分接触12h对其固定化交联，结束后用去离子水清洗厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球3-5次；将制备好的厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球在30-35℃和pH＝7.5的条件下用配水活化培养6-8天，使固定化小球内部的微生物活性得到恢复，活化后直接放入反应器直接使用。
实施例2：共固定化工艺
该系统由城市污水原水水箱、生物除碳反应器、中间水箱和全程自养脱氮反应器串联而成；城市污水原水水箱通过第一进水泵与生物除碳反应器进水管相连；生物除碳反应器设有第一空压机、第一曝气头、第一搅拌器、第一放空阀和出水阀；生物除碳反应器出水阀通过出水管与中间水箱相连；中间水箱通过第二进水泵与全程自养脱氮反应器进水阀相连；全程自养脱氮反应器设有第二空压机、第二曝气头、第二放空阀、第二出水阀、第二搅拌器、气体转子流量计及pH和DO测定仪。
接种厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球到全程自养脱氮反应器，固定化小球填充比为40％-50％。城市污水原水水箱通过第一进水泵进水15min，厌氧搅拌15min恢复活性污泥的吸附能力，再进行曝空气25-30min达到去除有机物的目的。最后沉淀30min，由出水阀将上清液排入中间水箱。上清液经中间水箱经沉淀后通过第二进水泵与进入全程自养脱氮反应器，通过气体转子流量计控制反应器溶解氧浓度在1-2mg/L，处理完成后经过沉淀得到的上清液通过排水阀排出。
针对出水水质进行监测，实验结果表明：共固定化小球脱氮性能良好，反应速度较快。接种厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球到全程自养脱氮反应器运行稳定后出水COD浓度为40-50mg/L，NH+ 4-N浓度＜5mg/L，NO- 2-N浓度＜5mg/L，NO- 3-N浓度＜5mg/L，出水TN＜15mg/L，达到排放标准。

Claims (2)

1.一种共固定化厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌的方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)菌种的处理：取污泥浓度为8000ml/L厌氧氨氧化污泥用pH为7-7.5的磷酸盐缓冲溶液冲洗3遍后备用，亚硝积累率＞90％的短程硝化污泥用去离子水清洗3遍后备用；
(2)包埋剂的制取：选取木质粉状活性炭，先经冲洗去除杂质和粉尘，依次用质量百分比浓度为10％的盐酸、2％的氢氧化钠、生理盐水浸泡24小时；按照15g/L、2g/L、2g/L的浓度配制500ml聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭混合溶液①，在120℃中加热20min使其加速溶解；按照50g/L和2g/L的质量-体积百分浓度配制1000ml硝酸钠和氯化钙的混合固定液②；
(3)厌氧氨氧化菌和短程硝化细菌的分层包埋固定：
第一次包埋：将第(1)步的厌氧氨氧化菌和第(2)步的混合溶液①按照体积1:1比例均匀混合得到500ml菌-胶混合液，然后利用注射器将其逐滴加到500ml混合固定液②中，在室温下接触12h对其固定化交联，结束后用去除氧后的去离子水清洗厌氧氨氧化固定化小球3-5次；
第二次包埋：将第(1)步的短程硝化污泥和第(2)步的混合溶液①按照体积1.5:1比例均匀混合得到300ml菌-胶混合液,再投入第一次包埋获得的厌氧氨氧化固定小球，混合后用直径0.4-0.6cm的玻璃吸管吸取混有菌液的固定化小球，滴入500ml混合固定液②中，在室温下接触12h对其固定化交联，结束后用去离子水清洗厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球3-5次；
(4)包埋小球的活化：将制备好的厌氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球在30-35℃和pH＝7.5的条件下用配水活化培养6-8天，使固定化小球内部的微生物活性得恢复。
2.如权利要求1所述的方法制备的氧氨氧化菌-短程硝化细菌固定化凝胶小球应用于污水处理。
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