CN105967329A - 一种基于弱磁场的污水亚硝化处理装置与方法 - Google Patents

一种基于弱磁场的污水亚硝化处理装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于弱磁场的污水亚硝化处理装置与方法。本发明所述基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，利用生物体带有生物电或磁性物质的特点，通过磁场增强了游离氨进入氨氧化细菌内部的速度，缩短PN工艺的启动时间及强化PN工艺的反应速率；本发明所述基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，具有经济、简单、安全、无二次污染等优点；在PN处理高氨氮污水中具有广泛的应用前景。

Description

一种基于弱磁场的污水亚硝化处理装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种基于弱磁场的污水亚硝化处理装置与方法，属于污水生物处理的技术领域。
技术背景：
化肥、石油等工业的迅速发展产生了大量的高浓度废水，其中的高浓度氨氮往往成为处理难点，这些废水成为了制约行业发展的重要因素。如处理不当，这些废水的排放往往导致水体的物理、化学及生物性质发生变化，造成水中溶解氧下降，水生生物大量死亡，并产生腐臭气味，不仅给环境造成极大危害，也给经济和社会造成巨大损失。以氨氮废水为例，目前处理方法主要有物化法和生物法。物化法能耗较高，并且存在二次污染问题。在生物法处理污水领域，低BOD/TKN值的高氨氮废水在应用传统硝化-反硝化生物工艺时，必须加入有机碳以实现完全反硝化；由于好氧硝化的供氧以及反硝化的有机碳需求，加之产生的剩余污泥，传统生物脱氮运行成本往往较高。相比而言，厌氧氨氧化技术以亚硝酸盐为电子受体，在缺氧条件下将氨氮氧化成氮气，并伴随着固定无机碳过程，该工艺不需要投加外部碳源，可以节省60％能耗，因此运行成本大大节省；生物量产量低，可以减少剩余污泥处理负荷。例如，中国专利CN102701452A公开了一种部分亚硝化联合反硝化处理垃圾渗滤液的闭环控制系统及其脱氮除碳方法。该系统通过缺氧搅拌把反应器内的部分亚硝氮和硝氮反硝化掉，然后曝气以降解剩余有机物和进行部分亚硝化，使大部分可降解有机物得到去除并使约53％的氨氮转化为亚硝氮，为其厌氧氨氧化处理创造条件。
然而，在应用厌氧细菌处理高氨氮污水之前必须先经过氨氧化细菌的亚硝化作用将大约一半的氨氮转化成亚硝氮。亚硝化的启动与其活性也在一定程度上制约着高氨氮废水的处理效率，常规启动PN(部分亚硝化，partial nitrification的缩写)的方法包括控制溶解氧、pH、温度等理化因素从而逐步富集AOB，洗脱其他种类的细菌，最终实现PN的目的。
发明内容：
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于弱磁场的污水亚硝化处理装置。
本发明还提供一种利用上装置统进行污水亚硝化处理的方法。
术语说明：
AOB：氨氧化细菌即亚硝化细菌，在硝化作用过程中负责将铵氧化为亚硝酸盐，实现亚硝化作用，是硝化过程中必不可少的步骤，同时也是其限速反应。
本发明的技术方案：
一种基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，包括PN反应器，PN反应器内设置有磁场。
优选的，所述磁场的磁场强度大小为0～100mT。
优选的，所述磁场为不均匀磁场，不均匀磁场的磁场强度大小为0～100mT。磁场对不同的生物及不同生物层次(如生物分子、细胞、组织和活体)的影响各不相同；通过施加不均匀磁场可以进一步缩短PN启动时间和增强PN反应的速率。
优选的，所述磁场由永磁铁提供；永磁铁设置在PN反应器的左右两侧；永磁铁使PN反应器内形成由左向右的均匀磁场。
进一步优选的，永磁铁的规格为，长×宽×高＝3cm×10cm×15cm。
优选的，所述磁场由螺线圈提供，螺线圈缠绕设置在PN反应器的外侧壁或内侧壁上。螺线圈中通电后可以为PN反应器提供磁场；相比永磁铁，螺线圈通过改变电流大小，线圈密度实现对磁场大小和分布的调节，为PN反应器提供不均匀磁场。
优选的，所述PN反应器为序批式生物反应器SBR(Sequencing Batch Reactor)。
优选的，所述PN反应器内还设置有曝气头、搅拌器和电子温度计；PN反应器通过蠕动泵与进水桶连接；PN反应器通过电磁阀与出水桶连接；曝气头连接有气泵。
进一步优选的，基于弱磁场的污水亚硝化处理装置还包括控制器；气泵、搅拌器、电子温度计、蠕动泵和电磁阀分别与控制器连接；
一种利用上装置统进行污水亚硝化处理的方法，包括具体步骤如下:
(1)PN反应器的搭建与启动：选取PN反应种泥，培养氨氧化细菌；通过搅拌使反应体系中的种泥和污水混合，进行污水亚硝化处理；
(2)添加磁场：在PN反应器中施加磁场；
(3)反应检测：检测PN启动时间和氨氧化细菌的活性；
(4)调整磁场强度：通过调整磁场强度和磁场分布，使PN启动时间、氨氧化细菌的活性达到最优。
优选的，所述步骤(1)中PN反应器的运行温度为32±1℃；PN反应器中污水的溶氧量为0.1mg/L～0.2mg/L。
优选的，污水亚硝化处理的反应时间为8h～12h。
优选的，所述步骤(3)中反应检测的具体方法为，通过检测PN反应出水中氨氮、亚硝氮及硝态氮的浓度反映PN启动时间，PN启动时间是指从接种种泥到PN的成功启动所使用的时间；通过测定氨氧化细菌的耗氧速率反映PN反应中氨氧化细菌的活性；通过高通量测序方法探究磁场的加入对氨氧化细菌的影响。通过高通量测序方法探究因素对PN反应中微生物种群的影响是现有技术中的常用方法，目前国内测序技术已经相当成熟，具体做法是首先提取环境样品中的所有DNA，然后对这些DNA进行16SrRNA PCR以获得大量16srRNA基因片段，测序公司选取20000条16SrRNA序列进行测序并对序列和数据库比对分析得出所读序列是什么物种。比对的数据库通常为greengene或genebank。
进一步优选的，氨氮、亚硝氮及硝态氮的浓度检测方法为紫外可见光吸收法；所述用于检测氨氧化细菌的耗氧速率所用的化学物质包括NaClO3和丙烯基硫脲；所述高通量测序所用基因为16SrRNA基因，测序条带数为20000条。
进一步优选的，判断PN成功启动的方法为，出水中亚硝氮浓度高于氨氮浓度。由于在入水中只存在氨氮而不存在亚硝态氮，如果经过AOB的反应后使出水中亚硝氮浓度高于氨氮浓度则PN反应成功启动。(每隔三到五天检测一次出水水质)。
进一步优选的，测定氨氧化细菌的耗氧速率的方法为，取450ml两反应器中的泥水混合物(此时所用新鲜的培养液)，置于500ml锥形瓶中，用气泵对其充分曝气后立即密封并测量泥水混合物的溶解氧。NaClO3和丙烯基硫脲可以分别抑制NOB和AOB的活性，通过两种物质的添加并通过测溶解氧的方式可以得到AOB及NOB的耗氧速率。
本发明的有益效果是：
1、本发明所述基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，利用生物体带有生物电或磁性物质的特点，通过磁场增强了游离氨进入氨氧化细菌内部的速度，缩短PN工艺的启动时间及强化PN工艺的反应速率；
2、本发明所述基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，具有经济、简单、安全、无二次污染等优点；在PN处理高氨氮污水中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述基于弱磁场的污水亚硝化处理装置的结构示意图；
其中，1、磁场；2、PN反应器；3、曝气头；4、搅拌器；5、气泵；6、电磁阀；7、蠕动泵；8、进水桶；9、出水桶；10控制器；11、电子温度计。
具体实施方法
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1所示。
一种基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，包括PN反应器2，PN反应器2内设置有磁场
实施例2
如实施例1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其区别在于，所述磁场1的磁场强度大小为5mT。经过试验测试，在均匀磁场中，施加磁场后的PN反应速率随着磁场强度的增加而逐步提高，磁场强度为5mT时达到最强，磁场强度超过5mT后反应速率逐步下降，但是仍然大于无磁场强度时的反应速率。
实施例3
如实施例1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其区别在于，所述磁场1为不均匀磁场，不均匀磁场的磁场强度大小为0～100mT。磁场对不同的生物及不同生物层次(如生物分子、细胞、组织和活体)的影响各不相同；通过施加不均匀磁场可以进一步缩短PN启动时间和增强PN反应的速率。经过实验测试，PN污泥微生物中与膜转运、信号转导及细胞流动相关的功能基因在5mT磁场强度下表达量比无外加磁场时分别提高12.3％，9.3％和11.1％。
实施例4
如实施例1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其区别在于，所述磁场1由永磁铁提供；永磁铁设置在PN反应器2的左右两侧；永磁铁使PN反应器2内形成由左向右的均匀磁场。
实施例5
如实施例4所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其区别在于，永磁铁的规格为，长×宽×高＝3cm×10cm×15cm。
实施例6
如实施例1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其区别在于，所述磁场1由螺线圈提供，螺线圈缠绕设置在PN反应器2的外侧壁上。螺线圈中通电后可以为PN反应器2提供磁场；相比永磁铁，螺线圈通过改变电流大小，线圈密度实现对磁场大小和分布的调节，为PN反应器2提供不均匀磁场。
实施例7
如实施例6所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其区别在于，螺线圈缠绕设置在PN反应器2的内侧壁上。
实施例8
如实施例1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其区别在于，所述PN反应器2为序批式生物反应器SBR(Sequencing Batch Reactor)。序批式生物反应器SBR由直径10cm，高30cm的有机玻璃制成，工作体积为6.0L。
实施例9
如实施例1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其区别在于，所述PN反应器2内还设置有曝气头3、搅拌器4和电子温度计11；PN反应器2通过蠕动泵7与进水桶8连接；PN反应器2通过电磁阀6与出水桶9连接；曝气头3连接有气泵5。
实施例10
如实施例1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其区别在于，基于弱磁场的污水亚硝化处理装置还包括控制器10；气泵5、搅拌器4、电子温度计11、蠕动泵7和电磁阀6分别与控制器10连接；
实施例11
一种利用实施例1-10所述装置统进行污水亚硝化处理的方法，包括具体步骤如下:
(1)取济南光大水务处理厂好氧池末端活性污泥作为PN反应的种泥，使用人工模拟高氨氮污水培养培养氨氧化细菌。通过加热棒控制PN反应器2的运行温度在32±1℃，通过曝气头3维持PN反应器2中污水的溶氧量在0.1mg/L～0.2mg/L，利用搅拌器4使反应体系中的种泥和污水混合，进行污水亚硝化处理；
人工模拟高氨氮污水的组份为：碳酸氢铵2820mg/L，氯化钙200mg/L，七水硫酸镁30mg/L，磷酸二氢钾810mg/L，乙酸钠4mg/L，微量元素母液1mL/L。其中微量元素组成成分为四水氯化锰200mg/L，六水氯化镍40mg/L，二水钼酸钠110mg/L，六水氯化铁240mg/L，六水氯化钴200mg/L，七水硫酸锌100mg/L。
(2)添加磁场：在PN反应器2中施加磁场；
(3)反应检测：检测PN启动时间和氨氧化细菌的活性；
(4)调整磁场强度：通过调整磁场强度和磁场分布，使PN启动时间、氨氧化细菌的活性达到最优。
实施例12
如实施例10所述污水亚硝化处理的方法，其区别在于，所述步骤(3)中反应检测的具体方法为，通过检测PN反应出水中氨氮、亚硝氮及硝态氮的浓度反映PN启动时间，PN启动时间是指从接种种泥到PN的成功启动使用的时间；通过测定氨氧化细菌的耗氧速率反映PN反应中氨氧化细菌的活性；通过高通量测序方法探究磁场的加入对氨氧化细菌的影响。通过高通量测序方法探究因素对PN反应中微生物种群的影响是现有技术中的常用方法，目前国内测序技术已经相当成熟，具体做法是首先提取环境样品中的所有DNA，然后对这些DNA进行16SrRNA PCR以获得大量16srRNA基因片段，测序公司选取20000条16SrRNA序列进行测序并对序列和数据库比对分析得出所读序列是什么物种。比对的数据库通常为greengene或genebank。
本实施例是在对20000条reads分析的基础上对环境中功能基因进行了预测。
实施例13
如实施例12所述污水亚硝化处理的方法，其区别在于，氨氮、亚硝氮及硝态氮的浓度检测方法为紫外可见光吸收法；所述用于检测氨氧化细菌的耗氧速率所用的化学物质包括NaClO3和丙烯基硫脲；所述高通量测序所用基因为16SrRNA基因，测序条带数为20000条。
实施例14
如实施例12所述污水亚硝化处理的方法，其区别在于，判断PN成功启动的方法为，出水中亚硝氮浓度高于氨氮浓度。由于在入水中只存在氨氮而不存在亚硝态氮，如果经过AOB的反应后使出水中亚硝氮浓度高于氨氮浓度则PN反应成功启动。(每隔三到五天检测一次出水水质)。
实施例15
如实施例12所述污水亚硝化处理的方法，其区别在于，测定氨氧化细菌的耗氧速率的方法为，取450ml两反应器中的泥水混合物(此时所用新鲜的培养液)，置于500ml锥形瓶中，用气泵对其充分曝气后立即密封并测量泥水混合物的溶解氧。NaClO3和丙烯基硫脲可以分别抑制NOB和AOB的活性，通过两种物质的添加并通过测溶解氧的方式可以得到AOB及NOB的耗氧速率。
实施例16
如实施例12所述污水亚硝化处理的方法，其区别在于，污水亚硝化处理的反应时间为8h。

Claims (10)

1.一种基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其特征在于，包括PN反应器，PN反应器内设置有磁场。
2.根据权利要求1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其特征在于，所述磁场的磁场强度大小为0～100mT。
3.根据权利要求1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其特征在于，所述磁场为不均匀磁场，不均匀磁场的磁场强度大小为0～100mT。
4.根据权利要求1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其特征在于，所述磁场由螺线圈提供，螺线圈缠绕设置在PN反应器的外侧壁或内侧壁上。
5.根据权利要求1所述的基于弱磁场的污水亚硝化处理装置，其特征在于，所述PN反应器内还设置有曝气头、搅拌器和电子温度计；PN反应器通过蠕动泵与进水桶连接；PN反应器通过电磁阀与出水桶连接；曝气头连接有气泵；基于弱磁场的污水亚硝化处理装置还包括控制器；气泵、搅拌器、电子温度计、蠕动泵和电磁阀分别与控制器连接。
6.一种利用权利要求1-5任意一项所述装置统进行污水亚硝化处理的方法，其特征在于，包括具体步骤如下：
(1)PN反应器的搭建与启动：选取PN反应种泥，培养氨氧化细菌；通过搅拌使反应体系中的种泥和污水混合，进行污水亚硝化处理；
(2)添加磁场：在PN反应器中施加磁场；
(3)反应检测：检测PN启动时间和氨氧化细菌的活性；
(4)调整磁场强度：通过调整磁场强度和磁场分布，使PN启动时间、氨氧化细菌的活性达到最优。
7.根据权利要求6所述的污水亚硝化处理的方法，其特征在于，所述步骤(1)中PN反应器的运行温度为32±1℃；PN反应器中污水的溶氧量为0.1mg/L～0.2mg/L；污水亚硝化处理的反应时间为8h～12h。
8.根据权利要求6所述的污水亚硝化处理的方法，其特征在于，所述步骤(3)中反应检测的具体方法为，通过检测PN反应出水中氨氮、亚硝氮及硝态氮的浓度反映PN启动时间，PN启动时间是指从接种种泥到PN的成功启动所使用的时间；通过测定氨氧化细菌的耗氧速率反映PN反应中氨氧化细菌的活性；通过高通量测序方法探究磁场的加入对氨氧化细菌的影响。
9.根据权利要求8所述的污水亚硝化处理的方法，其特征在于，氨氮、亚硝氮及硝态氮的浓度检测方法为紫外可见光吸收法；所述用于检测氨氧化细菌的耗氧速率所用的化学物质包括NaClO3和丙烯基硫脲。
10.根据权利要求8所述的污水亚硝化处理的方法，其特征在于，判断PN成功启动的方法为，出水中亚硝氮浓度高于氨氮浓度。
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