CN105925478B - 一种厌氧氨氧化菌快速富集培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厌氧氨氧化菌快速富集培养装置，属于环境工程中厌氧氨氧化菌富集培养和高浓度氨氮废水处理技术领域。本发明厌氧膜生物反应器和取样系统为主体部分，厌氧膜生物反应器出水管(12)底端通过三通阀(8)与膜组件(7)固结，内筒筒体(6)内部设有填料(18)，取样系统用来取出填料上的生物膜样和悬浮液样，降低取样对反应器运行的影响。通过向厌氧膜生物反应器中投加填料形成生物膜，同时利用填料对膜丝的机械摩擦作用，在保证厌氧氨氧化菌高效富集时，有效减缓膜污染。本发明具有容积负荷高、出水水质好、自动化程度高、运行稳定的特点，可有效减缓污染进程，适用于厌氧氨氧化菌的富集培养及高浓度氨氮废水处理。

Description

一种厌氧氨氧化菌快速富集培养装置

技术领域

本发明涉及一种厌氧氨氧化菌快速富集培养装置，属于环境工程中厌氧氨氧化菌富集培养和高浓度氨氮废水处理的技术领域。

背景技术

目前，国内外大多采用传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺处理含氮废水，但是该工艺存在流程长、需氧量大、需投加碱、需投加碳源、容积脱氮效率低、占地面积大等缺点，在应用于处理高浓度氨氮废水时，系统抗冲击能力较弱，同时高浓度NH₄ ⁺和NO₂ ^-会抑制硝化菌生长，因此采用传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺处理含氮废水效果差。

厌氧氨氧化工艺由于厌氧氨氧化菌的特殊代谢机制，与传统生物脱氮工艺相比较，厌氧氨氧化工艺的曝气量和投碱量大大减少，同时无需投加碳源，可以极大地削减工程运行费用。但是由于厌氧氨氧化菌代谢条件严格，倍增时间长(10-30天)，所以在厌氧氨氧化菌培养过程中，富集装置的选择至关重要。

常规的厌氧氨氧化菌富集装置主要有序批式反应器(SBR)、生物转盘、生物膜反应器、升流式厌氧污泥床反应器、厌氧流化床反应器和气提式反应器等，这些富集装置虽然都有报道成功富集厌氧氨氧化菌并启动厌氧氨氧化工艺，但是均具有一些缺陷。比如：SBR技术工艺繁琐，不能连续进水，当污泥性状不好时，出水浑浊，有污泥流失；生物膜反应器在低负荷条件下可以快速启动，但无法承受高负荷；升流式厌氧污泥床反应器上升流速过大时，污泥层容易崩淸，上升流速较低时，起不到良好的水力筛分条件，不利于污泥生长；其它几种装置在工艺启动过程中泥水分离效果往往较差，污泥流失严重，且污泥流失后难以收集，导致厌氧氨氧化菌难以在反应器内有效持留，使得厌氧氨氧化工艺启动时间较长；工艺成功启动后，污泥上浮导致厌氧氨氧化菌流失严重。

针对常规富集装置的不足，作为一种膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术，厌氧膜生物反应器由于膜的截留作用能够实现泥、水完全分离，从而实现了污泥龄与水力停留时间的彻底分离，易于富集培养泥龄长、产率低的菌种，可以有效克服污泥流失问题。因此，在保留和富集厌氧氨氧化菌上，厌氧膜生物反应器是一种较为理想的反应器。例如李相昆等人发明的一种游离态厌氧氨氧化菌的富集装置，利用内置式微滤膜在短期内取得了不错的效果，但未考虑长期运行过程中存在的膜污染问题。厌氧膜生物反应器运行过程中，膜表面极易被污染物覆盖，形成膜污染，导致膜通量下降，从而影响整个反应器的运行性能。

针对膜污染的问题，刘思彤等人在膜生物反应器中以改良的聚氨酯泡沫为微生物固定化载体，利用载体对微生物、有机物及无机盐离子等的吸附作用能有效减缓膜污染。然而，对聚氨酯泡沫载体进行改性不仅耗时长而且需要消耗大量的化学药剂，同时高达60％的载体填充比更是进一步提高了成本；另外，运行中的生物膜样的取样也是个问题。

无论是常规的富集装置还是厌氧膜生物反应器，由于运行中需要经常从装置中的取泥样进行检测分析，而取泥样的取样口都是直接开在反应器的侧边或者底端，导致取样量难以控制，且取样过程中空气进入反应器中，破坏了反应器厌氧环境，从而影响反应器的稳定运行和处理效果。

发明内容

本发明的目的是针对以上存在的不足，提供一种稳定运行和处理效果好的厌氧氨氧化菌快速富集培养装置，该装置能够实现较快富集培养厌氧氨氧化菌，容积脱氮效率高，有效减缓膜污染和降低取样对反应器运行影响等特点。

上述目的通过以下技术方案实现：

构成本发明装置的主体部分厌氧膜生物反应器，其外筒筒体与内筒筒体之间的夹层内设有温控装置，反应器底座下面设有磁力搅拌器，内筒筒体一侧设有与外筒筒体贯通的进水管，另一侧分别设有与外筒筒体贯通的反应器进样管和反应器出样管，内筒筒体顶部设有可拆卸的封闭盖，其结构要点是：可拆卸的封闭盖上设有液位控制器和排气管，液位控制器底端固结浮球，顶端固结液位继电器，可拆卸的封闭盖中心固结出水管，出水管顶端通过出水蠕动泵与出水瓶连接，出水蠕动泵与液位继电器连接，出水管底端通过三通阀与膜组件固结，内筒筒体内部设有填料；进水管顶端通过进水蠕动泵与进水瓶连接，进水蠕动泵与时间继电器连接；反应器进样管和反应器出样管通过管道依次与专门设置的取样器两侧设有的取样器出样管和取样器进样管连接，取样器由取样器筒体，与取样器筒体固结的取样器底座，上面设有取样器排气管的可拆卸的取样封闭盖组成，取样时拆卸取样器筒体上方的取样封闭盖后，按需取样，取完样后对其曝惰性气体，从而减小取样对反应器运行的影响；

上述填料为市售的高密度聚乙烯改性填料，投加量为内筒筒体体积的20％；

上述膜组件为市售的微滤膜或超滤膜，膜丝两端通过螺纹接口与三通阀两端口连接，另一端口连接贯通可拆卸的封闭盖的出水管。

所述的取样器体积为内筒筒体体积的10％-15％。

所述填料的规格为比重为0.96±0.02g/cm³，生物膜附着生长后，比重与水近似，在废水中呈悬浮状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1，由于本发明的厌氧膜生物反应器中设有高密度聚乙烯改性填料，该填料一方面作为厌氧氨氧化菌附着生长的载体形成生物膜，另一方面通过搅拌作用与膜组件形成机械碰撞和摩擦，从而提高反应器运行性能，减缓膜污染，能够实现较快富集培养厌氧氨氧化菌，利用本发明装置启动厌氧氨氧化反应的时间只需30天左右，大约为刘思彤等人的发明的启动时间的一半，启动时间大为缩短。

2，本发明高密度聚乙烯改性填料便宜易得，在反应器中投加填料的投加比为20％即可取得良好的效果，极大的降低了成本。

3，本发明设有取样系统，可以定量取样，降低取样过程对反应器运行的影响，为微生物的生长营造更好环境，因此，提高处理效果。

4，本发明设有控制系统，防止反应器内部的水位的骤变，降低了容积负荷对污泥中微生物的冲击，实现了自动化进出水，有效地提高反应器运行的稳定性和可操作性。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2本发明1#反应器进出水氨氮、亚硝氮、硝氮浓度变化示意图。

图3为对比例2#反应器的进出水氨氮、亚硝氮、硝氮浓度变化示意图。

图4为本发明1#反应器氨氮、亚硝氮去除率变化示意图。

图5为对比例2#反应器氨氮、亚硝氮去除率变化示意图。

图6为本发明1#反应器的跨膜压差变化示意图。

图7为对比例2#反应器的跨膜压差变化示意图。

图1中，1－反应器底座；2－进水管；3－进水管阀门；4－外筒筒体；5－温控装置；6－内筒筒体；7－膜组件；8－三通阀；9－浮球；10－反应器封闭盖；11－液位控制器；12－出水管；13－反应器排气管；14－反应器排气管阀门；15－气体区；16－反应器进样管阀门；17－反应器进样管；18－填料；19－反应区；20－反应器出样管阀门；21－反应器出样管；22－取样器进样管；23－取样器排气管；24－取样封闭盖；25－取样器筒体；26－取样器出样管；27－取样器底座；28—磁力搅拌器；b1—进水瓶；p1—进水蠕动泵；M—真空压力表；p2—出水蠕动泵；b2—出水瓶。

具体实施方式

请看图1。

本发明的厌氧膜生物反应器和取样系统为本发明的主体部分。主体部分制作时，厌氧膜生物反应器和取样系统可分开制作。厌氧膜生物反应器的外筒筒体4的外形为方形，内筒筒体6的外形为圆柱形，以匹配反应器底座1下方的磁力搅拌器28的尺寸和保持反应器良好的稳定性(防止侧翻)。厌氧膜生物反应器应首先制作反应器底座1、内筒筒体6、外筒筒体4，然后用粘合剂将内筒筒体6、外筒筒体4粘接固定在反应器底座1上；接着制作可拆卸的反应器封闭盖10、液位控制器11、出水管12、反应器排气管13、反应器排气管阀门14，其中液位控制器11、出水管12、反应器排气管13固定在可拆卸的反应器封闭盖10上。将进水管2、进水管阀门3、反应器进样管17和反应器出样管21、反应器进样管阀门16和反应器出样管阀门20依次安装妥当，将膜组件7通过三通阀8连接在出水管12上，温控装置5固定在外筒筒体4和内筒筒体6的夹层间。

取样系统中的取样器筒体25外形为圆柱形，设有取样器进样管22和取样器出样管26，取样器体积为内筒筒体(6)体积的10％-15％，一般低于15％即可。取样器可拆卸的取样封闭盖24上设有取样器排气管23，取样器排气管23上连接一个5L的气袋。反应器出样管21和取样器进样管22通过软管相连，取样器出样管26和反应器进样管17通过软管相连。先制作取样器底座27、取样器筒体25、取样器进样管22和取样器出样管26，取样器进样管22和取样器出样管26固定在取样器筒体25上；然后制作取样器可拆卸的取样封闭盖24、取样器排气管23，取样器排气管23固定在取样器可拆卸的取样封闭盖24上。最后管路连接反应器进样管17和取样器出样管26，反应器出样管21和取样器进样管22。

包括进水瓶b1和进水蠕动泵p1组成了本发明进水系统。进水瓶b1以橡胶塞封口，胶塞上贯穿连接两根硬质管，其中一根连接一个20L气袋(防止进水后进水瓶中产生负压，影响进水速度或者氧气进入瓶中)，另一根连接进水蠕动泵p1上的软管，软管的另一端连接厌氧膜生物反应器的进水管2。进水蠕动泵p1的转速可调，以适应不同的水力停留时间。

通过磁力搅拌器28混匀反应器中的泥液和填料，温控装置5维持反应器温度为35±1℃。反应器通过进水管2经管路与进水系统连接，反应器进样管17和反应器出样管21经管路与取样系统连接，出水管12经管路与出水系统连接。反应器中的液位控制器11经导线与控制系统连接，向反应器中投加一定量的填料18，填料18在反应器中的填充比为20％。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脱氮性能变化而改变。外筒筒体4包裹一层锡箔纸，用来避光。

工作原理

本发明的取样系统主要用来取悬浮液中的泥样和填料18上生长的生物膜样。使用方法如下：取样时先打开反应器出样管阀门20，使反应器中的悬浮液和填料18进入取样器筒体25中，随后关闭阀门20；打开取样器可拆卸的取样封闭盖24，按所需样品的量直接取样，取完样后对取样器筒体25中的悬浮液(含填料18)曝惰性气体约20min，从而减小取样过程中进入的空气对反应器的影响。取样完成后，打开反应器进样管阀门16，挤压气袋将悬浮液和填料18压入厌氧膜生物反应器中，关闭阀门16，即完成整个取样过程。不进行取样时，反应器出样管阀门20和反应器进样管阀门16处于关闭状态，取样器排气管23上方连接有充满氮气的气袋。

包括真空压力表M、出水蠕动泵p2和出水瓶b2的出水系统。软管一端与出水蠕动泵p2连接，软管另一端与厌氧膜生物反应器的出水管12连接，出水蠕动泵p2另一端通入出水瓶b2内，真空压力表M接在厌氧膜生物反应器和出水蠕动泵p2的软管上，用以监测跨膜压差。出水蠕动泵p2的转速可调，以适应不同的水力停留时间。

控制系统主要包括液位继电器和时间继电器。液位继电器与液位控制器11连接同时作为进水蠕动泵p1的电源接入口，液位控制器11连接浮球9，浮球9上升至指定位置时即切断电源关闭进水蠕动泵p1，下降至指定位置时即接通电源运行进水蠕动泵p1，从而稳定反应器中的液位。时间继电器为出水蠕动泵p2的电源接入口，可以设置出水蠕动泵p2的运行时长，进行连续出水或者间歇出水。

进水系统包括进水瓶b1和进水蠕动泵p1。进水瓶b1以橡胶塞封口，胶塞上贯穿连接两根硬质管，其中一根连接一个气袋(防止进水后进水瓶中产生负压，影响进水速度或者氧气进入瓶中)，另一根连接进水泵上的软管，软管的另一端连接膜生物反应器的进水管2。进水蠕动泵p1的转速可调，以适应不同的水力停留时间。

填料18为市售的高密度聚乙烯改性填料，其规格为比重(g/cm³)为0.96±0.02，生物膜附着生长后，比重与水近似，在废水中呈悬浮状态。将填料往厌氧膜生物反应器中投加，投加量为内筒筒体体积的20％。

本实施方式的一种厌氧氨氧化菌富集培养装置使用方法如下：

一、人工模拟废水的配制。在进水瓶b1(20L)中配制人工模拟废水，各组分的成分如下：KH₂PO₄的浓度为50mg/L，MgSO₄·7H₂O的浓度为150mg/L，KHCO₃的浓度为500mg/L，CaCl₂的浓度为136mg/L，NH₄Cl的浓度为400mg/L，NaNO₂的浓度为600mg/L，Fe-EDTA溶液的浓度为1.25ml/L，微量元素溶液的浓度为1ml/L；Fe-EDTA溶液中EDTA的浓度为300mg/L，FeSO₄·7H₂O的浓度为500mg/L，H₂SO₄的浓度为0.05mL/L；微量元素溶液中EDTA的浓度为15000mg/L，H₃B0₄的浓度为14mg/L，MnCl₂·4H₂O的浓度为990mg/L，ZnSO₄·7H₂O的浓度为430mg/L，(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O的浓度为177mg/L，CoCl₂·6H₂O的浓度为240mg/L，CuSO₄·5H₂O的浓度为250mg/L，NiCl₂·6H₂O的浓度为199mg/L，Na₂SeO₄·5H₂O 152mg/L，Na₂WO₄·2H₂O的浓度为50mg/L。

在配制人工模拟废水的过程中不断向水中通入氮气，通气时间约为30min，以去除模拟废水中的溶解氧(DO<0.2mg/L)，模拟废水配好后，用2mol/L的HCl和2mol/L的NaOH调节其pH值为7.5-8.0。

二、启动和运行厌氧膜生物反应器。本发明装置按上述说明连接好后，首先将高密度聚乙烯改性悬浮填料投入膜生物反应器中，填料在反应器中的填充比为20％，加入厌氧氨氧化污泥(来自实验室厌氧氨氨氧化反应器中的污泥与垃圾渗滤液处理工艺中具有厌氧氨氧化活性的污泥混合形成的混合污泥)，然后开始运行反应器。装置运行时，采用磁力搅拌器28混匀悬浮液和填料18，进水采用上述提及的调好pH的人工模拟废水，模拟废水经进水蠕动泵p1通过进水管2进入反应器中；模拟废水经污泥中的微生物利用后，通过出水蠕动泵p2经出水管12膜出水。投加填料时，打开可拆卸的反应器封闭盖10，直接投加，投加比控制在20％左右，然后将曝气头放入反应器底部曝惰性气体30min，使反应器内部严格厌氧(DO<0.2mg/L)，再通过温控装置5使反应器内部温度维持在35±1℃，为厌氧氨氧化菌的生长提供良好的外界条件。反应器液位到达反应器七分之六高度处时，浮球9上浮，控制系统切断进水蠕动泵p2开关，水位下降后，金属浮球9下沉，启动进水蠕动泵p2开关，从而将反应器中的液位稳定在一定高度，避免水位的过高或者过低以及骤变。水样经膜出水后直接取样。生物膜样取样时，操作方法按上述的取样系统的使用方法即可。

在反应器运行初期(0-6天)，为防止氨氮和亚硝氮浓度偏高，抑制厌氧氨氧化菌的生长，进水氨氮和亚硝氮浓度分别控制在100mg/L和120mg/L，水力停留时间为35h，运行初期的出水氨氮和亚硝氮浓度逐渐下降，总氮去除率由60％上升至85％以上。在第7-25天，逐步降低水力停留时间来提高氮负荷，进水氨氮和亚硝氮浓度保持不变，出水氨氮和亚硝氮浓度均很低，总氮去除率维持在85％以上，脱氮性能显著提高。第26天后，水力停留时间降低至22h，此后维持这个水力停留时间不变，进水氨氮和亚硝氮浓度不变，出水氨氮和亚硝氮浓度低于10mg/L，总氮去除率维持在90％以上，核算消耗的氨氮和亚硝氮的比例为1:1.2，认为反应器启动成功，启动时间约为30天。启动完成时，反应器的总氮负荷约为750mg·L^-1·d^-1。

三、对比试验。为了考察填料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，一个为上述提及的投加了填料的膜生物反应器(1#)，另一个为未投加填料的膜生物反应器(2#)，两个反应器运行条件完全相同。

测定1#和2#两反应器接种的污泥浓度基本相同。

测定两反应器进出水氨氮、亚硝氮和硝氮含量的变化，从图2和图3中可以看出1#和2#经过35天的运行均能成功启动，但是1#的脱氮性能和运行状况明显优于2#。

测定两反应器的氨氮、亚硝氮去除率变化，从图4本发明1#反应器和图5对比例2#反应器氨氮、亚硝氮去除率变化看出：1#的氨氮、亚硝氮去除率在第7天后虽然有较小波动但总体稳定在85％以上，2#的氨氮、亚硝氮去除率在整个运行周期内都有较大波动，比较而言，1#脱氮性能和运行稳定性强于2#。

测定两反应器的跨膜压差。从图6和图7可以看出，1#和2#初始跨膜压差基本相同，随着反应器的运行，1#的最终跨膜压差稳定在0.016Mpa，2#的最终跨膜压差稳定在0.028Mpa。结果表明，使用本发明装置能够有效减缓膜污染。

Claims (3)

1.一种厌氧氨氧化菌快速富集培养装置，构成该装置的主体部分厌氧膜生物反应器的外筒筒体(4)与内筒筒体(6)之间的夹层内设有温控装置(5)，反应器底座(1)下面设有磁力搅拌器(28)，内筒筒体(6)一侧设有与外筒筒体(4)贯通的进水管(2)，另一侧分别设有与外筒筒体(4)贯通的反应器进样管(17)和反应器出样管(21)，内筒筒体(6)顶部设有可拆卸的反应器封闭盖(10)，其特征是：反应器封闭盖(10)上设有液位控制器(11)和排气管(13)，液位控制器(11)底端固结浮球(9)，顶端固结液位继电器，反应器封闭盖(10)中心固结出水管(12)，出水管(12)顶端通过出水蠕动泵(p2)与出水瓶(b2)连接，出水蠕动泵(p2)与液位继电器连接，出水管(12)底端通过三通阀(8)与膜组件(7)固结，内筒筒体(6)内部设有填料(18)；进水管(2)顶端通过进水蠕动泵(p1)与进水瓶(b1)连接，进水蠕动泵(p1)与时间继电器连接；反应器进样管(17)和反应器出样管(21)通过管道依次与专门设置的取样器两侧设有的取样器出样管(26)和取样器进样管(22)连接，取样器由取样器筒体(25)，与取样器筒体(25)固结的取样器底座(27)，上面设有取样器排气管(23)的可拆卸的取样封闭盖(24)组成，取样时拆卸取样器筒体(25)上方的取样封闭盖(24)后，按需取样，取完样后对其曝惰性气体，从而减小取样对反应器运行的影响；

上述填料(18)为市售的高密度聚乙烯改性填料，投加量为内筒筒体(6)体积的20％；

上述膜组件(7)为市售的微滤膜或超滤膜，膜丝两端通过螺纹接口与三通阀(8)两端口连接，另一端口连接贯通可拆卸的反应器封闭盖(10)的出水管(12)。

2.根据权利要求1所述的一种厌氧氨氧化菌快速富集培养装置，其特征是：所述的取样器体积为内筒筒体(6)体积的10％-15％。

3.根据权利要求1所述的一种厌氧氨氧化菌快速富集培养装置，其特征是：所述填料(18)的规格为比重为0.96±0.02g/cm³，生物膜附着生长后，比重与水近似，在废水中呈悬浮状态。