CN106082446B

CN106082446B - 一种富集亚硝酸盐反硝化聚糖菌的装置和方法

Info

Publication number: CN106082446B
Application number: CN201610406024.6A
Authority: CN
Inventors: 王淑莹; 贾淑媛; 赵骥; 彭永臻
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2016-06-11
Filing date: 2016-06-11
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2036-06-11
Also published as: CN106082446A

Abstract

一种富集亚硝酸盐反硝化聚糖菌的装置和方法，属于环境保护技术领域。将人工配水1泵入到反硝化聚糖菌富集SBR反应器内，厌氧搅拌，反硝化聚糖菌在厌氧条件下分解糖原，为合成PHAs提供能量和还原力NADH2；吸收碳源，合成PHAs储藏在细胞内，但不释放磷。厌氧阶段结束后进行沉淀排水，之后再加入不含磷、不含碳源、含有亚硝酸盐氮的人工配水2，进行缺氧搅拌阶段。缺氧条件下，反硝化聚糖菌氧化胞内PHA用于糖原再生和微生物生长增殖；并通过反硝化过程将亚硝酸盐氮转化为氮气排出系统，达到系统脱氮的目的。缺氧阶段结束后进行沉淀排水。污泥浓度维持在2500～4000mg/L范围内。该方法可实现反硝化聚糖菌快速高效地富集培养。

Description

一种富集亚硝酸盐反硝化聚糖菌的装置和方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种利用城市生活污水处理厂的剩余污泥，通过调节富集装置的运行方式、控制反应条件达到富集反硝化聚糖菌的方法。

背景技术

水体富营养化已经成为我国可持续发展所面临的重要环境问题之一，过量氮、磷是引起水体富营养化的主要因素。目前较经济有效的除磷方法是基于聚磷菌(phosphorusaccumulating organisms,PAOs)过量吸磷作用的强化生物除磷方法(enhancedbiological phosphate removal,EBPR)。强化生物除磷是指在适当的培养条件下，通过污水处理系统中富集聚磷菌并利用其能够在厌氧/好氧交替条件下过量吸磷的特性，达到降低污水中磷浓度的目的，最终通过排放富磷剩余污泥的方式实现磷的去除。在EBPR系统中，除聚磷菌外还有另外一类微生物——聚糖菌(glycogen accumulating organisms,GAOs)也可在厌氧环境中吸收碳源并合成聚羟基链烷酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHAs)储藏在细胞内，但不释放磷，在好氧条件下分解PHAs合成糖原而不聚积磷，对于除磷没有贡献。

长期以来，众多研究的主要目的是实现调控EBPR系统中以聚磷菌为优势菌群而抑制聚糖菌的生长，因此对聚糖菌的认识远不足于聚磷菌。直到近年来研究发现，聚糖菌与聚磷菌类似，也具有反硝化能力，将其称为反硝化聚糖菌(denitrifying glycogenaccumulating organisms,DGAOs)。在厌氧/缺氧运行条件下可富集DGAOs。批次试验结果表明该DGAOs能够还原亚硝酸盐，并且，这一研究结果被研究者广泛认可，这为反硝化聚糖菌的应用提供坚实的理论基础。同时，在缺氧反硝化阶段不再外加有机碳源，经长期驯化，可培养出具有利用内碳源进行反硝化能力的反硝化聚糖菌，使碳源得以充分利用。此外，由于反硝化聚糖菌特殊的代谢特点，其可以在磷缺乏型废水中降解大量有机碳。因此利用富集聚糖菌的活性污泥处理高有机质废水时的优势在于可以不外加磷元素的条件下降低活性污泥膨胀的可能性，保证出水效果。

因此，充分发挥聚糖菌的反硝化特征，实现其对污染物的同步高效去除，并建立以反硝化聚糖菌为核心的污水生物处理工艺具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用城市生活污水处理厂剩余污泥富集反硝化聚糖菌的装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种富集亚硝酸盐反硝化聚糖菌的装置，其特征在于，包括1#进水水箱1和2#进水水箱2、反硝化聚糖菌富集SBR反应器3、出水水箱4、在线监测和反馈控制系统5；其中所述1#进水箱1通过第一进水泵1.3与反硝化聚糖菌富集SBR反应器3相连接；2#进水箱2通过第二进水泵2.3与反硝化聚糖菌富集SBR反应器3相连接；反硝化聚糖菌富集SBR反应器3通过电动排水阀4.3与出水水箱4相连接；

所述反硝化聚糖菌富集SBR反应器3设置搅拌器3.1连接搅拌桨3.2、空气压缩机3.3、进气阀门3.4、气体流量计3.5、曝气砂头3.6、ORP传感器3.7、pH传感器3.8、DO传感器3.9；

所述在线监测和反馈控制系统5包括计算机5.1和可编程过程控制器5.2，可编程过程控制器5.2内置信号转换器DA转换接口5.3、信号转换器AD转换接口5.4、曝气继电器5.5、ORP、pH、DO数据信号接口5.6、搅拌继电器5.7；其中，可编程过程控制器5.2上的信号AD转换接口5.4通过电缆线与计算机5.1相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机5.1；计算机5.1通过信号转换器DA转换接口5.3与可编程过程控制器5.2相连接，计算机5.1的数字指令传递给可编程过程控制器5.2，曝气继电器5.5与电磁阀3.4相连接，搅拌器继电器5.7与搅拌器3.1相连接，ORP、pH、DO数据信号接口5.6通过传感器导线与ORP、pH、DO测定仪3.10相连接，ORP传感器3.7、pH传感器3.8、DO传感器3.9分别与ORP、pH、DO测定仪3.10相连接。

本发明设计的厌氧/缺氧序批式生物反应器对反硝化聚糖菌进行富集，具体工艺参数如下：反应装置有效容积为10L，进水体积为5L，水力停留时间HRT为15h。每天运行2个周期，每个周期为12小时。进水为人工配水，反应器内pH稳定在6.8～7.8之间，污泥浓度稳定在2500～4000mg/L。

本发明设计的厌氧/缺氧序批式生物反应器对反硝化聚糖菌进行富集，具体的启动和操作步骤如下：

Ⅰ第一进水阶段：利用进水泵1.3将1#进水箱1中的溶液泵入反硝化聚糖菌富集SBR反应器3中；

Ⅱ厌氧阶段：进水的同时启动悬臂式机械搅拌机3.1带动搅拌桨3.2进行搅拌，提供溶液完全混合的动力，控制搅拌时间为120～240min；

Ⅲ第一静置沉淀阶段：为保证泥水分离及下一步排水过程中减少活性污泥的流失量，控制静置沉淀阶段时间为60～90min；

Ⅳ第一排水阶段：启动排水阀4.3，并将排水时间控制为2～10min，排水比控制为0.4～0.6。排水完成后，关闭排水阀4.3；

Ⅴ第二进水阶段：利用进水泵2.3将2#进水箱2中的溶液泵入反硝化聚糖菌富集SBR反应器3中；

Ⅵ缺氧阶段：启动搅拌器(3.1)带动搅拌桨(3.2)进行搅拌，提供溶液完全混合的动力，机械搅拌时间控制为4～8h。

Ⅶ好氧阶段：搅拌桨继续搅拌，由空气压缩机(3.3)将空气由曝气砂头(3.6)鼓入至反硝化聚糖菌富集SBR反应器(3)中，提供短暂好氧环境，通入空气时间控制为10～20min；

Ⅷ第二静置沉淀阶段：控制静置沉淀阶段时间为60～90min；

Ⅸ第二排水阶段：启动排水阀4.3，并将排水时间控制为2～10min，排水比控制为0.4～0.6。排水完成后，关闭排水阀4.3。

本发明设计的厌氧/缺氧序批式生物反应器对反硝化聚糖菌进行富集，具体配水配方如下：1#进水水箱配水中含有300～400mg/L葡萄糖，2mg/L K₂HPO₄·3H₂O，20mg/LNH₄Cl，45mg/L MgSO₄，20mg/L CaCl₂·6H₂O，1mg/L NaHCO₃，1.5mg/L FeCl₃，0.03mg/LCuSO₄，0.18mg/L KI，0.12mg/L MnCl₂，0.12mg/L ZnSO₄，0.15mg/L CoCl₂，0.15mg/L乙二胺四乙酸。2#进水水箱配水中含有2mg/L K₂HPO₄·3H₂O，20mg N/L NH₄Cl，250mg/L NaNO₂，45mg/L MgSO₄，20mg/L CaCl₂，0.1mg/L NaHCO₃，1.5mg/L FeCl₃，0.03mg/L CuSO₄，0.18mg/LKI，0.12mg/L MnCl₂，0.12mg/L ZnSO₄，0.15mg/L CoCl₂，0.15mg/L乙二胺四乙酸。

每周期时间为12h，分别是第一次进水10min，厌氧阶段180min，静置沉淀85min，第一次排水5min，第二次进水10min，缺氧阶段360min，好氧曝气15min，静置沉淀70min，第二次排水5min。每日两个周期，连续运行60天。

本发明的一种富集亚硝酸盐反硝化聚糖菌的装置和方法，具有以下优点：

1)反应器在富集培养阶段采用特殊的厌氧—缺氧运行方式，每个循环周期为12h，包括180min厌氧搅拌，90min沉淀排水，360min缺氧搅拌，15min好氧曝气，75min沉淀排水。该运行方式的特点在于在厌氧阶段结束后，并未像EBPR运行方式一样直接好氧曝气，而是进行沉淀排水，之后再加入含磷量约为2mg/L，不含碳源的模拟废水，有效抑制聚磷菌好氧吸磷的同时提高聚糖菌利用内碳源进行反硝化作用的能力。经过长期驯化，对反硝化聚糖菌进行选择和富集；

2)对污泥体系中反硝化聚糖菌的生长进行观察和研究，确定反硝化聚糖菌的生长条件可以更好地对EBPR系统进行调节，对于提高生物除磷稳定性也有重要的意义。

3)由于反硝化聚糖菌特殊的代谢特点，其可以在磷缺乏型废水中降解大量有机碳；在缺氧反硝化阶段无需外加有机碳源，具有利用内碳源进行反硝化能力的反硝化聚糖菌在降解含有亚硝态氮废水的同时，使碳源得以充分利用。因此利用富集反硝化聚糖菌的活性污泥处理高有机质废水时的优势在于可以不外加磷元素的条件下降低活性污泥膨胀的可能性，保证出水效果。

附图说明

图1为本发明一种富集亚硝酸盐反硝化聚糖菌的装置的结构示意图。

图中：1——1#进水水箱；1.1——1#进水管；1.2——1#排空管；1.3——1#进水水泵；2——2#进水水箱；2.1——2#进水管；2.2——2#排空管；2.3——2号进水水泵；3——反硝化聚糖菌富集SBR反应器；3.1——搅拌器；3.2——搅拌桨；3.3——空气压缩机；3.4——电磁阀；3.5——气体流量计；3.6——曝气头；3.7——ORP传感器；3.8——pH传感器；3.9——DO传感器；3.10——ORP、pH、DO测定仪；4——出水水箱；4.1——溢流管；4.2——排空管；4.3——排水继电器；5——在线监测和反馈控制系统；5.1——计算机；5.2——可编程过程控制器；5.3——信号转换器DA转换接口；5.4——信号转换器AD转换接口；5.5——曝气继电器；5.6——ORP、pH、DO数据信号接口；5.7——搅拌器继电器。

图2为本发明一种富集亚硝酸盐反硝化聚糖菌的装置的运行方式。

具体实施方式

结合附图和实例对本发明做进一步说明：一种富集亚硝酸盐反硝化聚糖菌的装置，如图1所示，1#进水水箱1和2#进水水箱2、反硝化聚糖菌富集SBR反应器3、出水水箱4、在线监测和反馈控制系统5；其中所述1#进水箱1通过第一进水泵1.3与反硝化聚糖菌富集SBR反应器3相连接；2#进水箱2通过第二进水泵2.3与反硝化聚糖菌富集SBR反应器3相连接；反硝化聚糖菌富集SBR反应器3通过电动排水阀4.3与出水水箱4相连接；

所述反硝化聚糖菌富集SBR反应器3设置搅拌器3.1连接搅拌桨3.2、空气压缩机3.3、进气阀门3.4、气体流量计3.5、曝气砂头3.6、ORP传感器3.7、pH传感器3.8、DO传感器3.9、电动排水阀4.3；

实验污泥接种于本实验室中试规模处理生活污水的短程深度脱氮SBR反应器，为短程硝化反硝化污泥，污泥呈黄褐色絮状，结构松散，污泥沉降性能一般，污泥指数SVI为120mL/g。反应器初始污泥浓度约为3500mg/L，平均水力停留时间为15h。经过反硝化聚糖菌富集培养一段时间后，污泥沉降性好转，污泥指数SVI为60mL/g。具体富集培养过程如下：

第一次进水阶段：本发明采用人工配水富集反硝化聚糖菌，进水由蠕动泵定时流入反应器，准确控制进水体积。第一次进水阶段开始，启动1#进水泵1.3将1#进水水箱1的配水抽取5L进入至反硝化聚糖菌富集SBR反应器3中，搅拌器3.1带动搅拌桨3.2同时开始运行，直至厌氧反应阶段结束。混合后进水中COD约为130mg/L，磷酸盐约为0.2mg/L，配水配方如表1和表2所示。

表1：富集反硝化聚糖菌的实验装置第一次进水配水表。

表2：微量金属元素溶液组成。

厌氧运行阶段：进水的同时启动搅拌器3.1带动搅拌桨3.2进行搅拌，提供溶液完全混合的动力，机械搅拌时间由机械搅拌控制器5.7控制为180min。整个厌氧运行阶段，pH控制在6.8～7.8范围内。

第一静置沉淀阶段：为保证泥水分离及下一步排水过程中减少活性污泥的流失量，控制静置沉淀阶段时间为85min。

第一排水阶段：沉淀85min完成后，启动排水阀4.3，并将排水时间控制为5min，排水比控制为0.5。排水完成后关闭排水阀4.3。

第二进水阶段：启动2#进水泵2.3将2#进水水箱2的配水抽取5L进入至反硝化聚糖菌富集SBR反应器3中，搅拌器3.1带动搅拌桨3.2同时开始运行，直至厌氧反应阶段结束混合后进水中COD约为20mg/L，磷酸盐约为0.2mg/L，配水配方如表2和表3所示。

表3：富集反硝化聚糖菌的实验装置第二次进水配水表。

缺氧阶段：进水的同时启动搅拌器3.1带动搅拌桨3.2进行搅拌，提供溶液完全混合的动力，机械搅拌时间由机械搅拌控制器5.7控制为360min。整个缺氧运行阶段，pH控制在6.8～7.8范围内；

好氧阶段：由空气压缩机3.3将空气由曝气砂头3.6鼓入至反硝化聚糖菌富集SBR反应器3中，提供短暂好氧环境。通入空气时间由曝气继电器5.5控制为15min。溶解氧控制在1.0～2.0mg/L。

第二静置沉淀阶段：同第一静置沉淀阶段。

第二排水阶段：同第一排水阶段。

每周期时间为12h，分别是第一次进水10min，厌氧阶段180min，静置沉淀85min，第一次排水5min，第二次进水10min，缺氧阶段360min，好氧阶段15min，静置沉淀70min，第二次排水5min。每日两个周期，连续运行60天。

通过监测富集期间活性生物污泥中磷含量、PHA、糖原以及亚硝态氮含量的变化，发现随着富集培养时间的推移，污泥中磷含量逐渐减少，糖原和PHA逐渐增多，缺氧阶段随着反应的进行亚硝态氮浓度逐渐降低，可推出反硝化聚糖菌在污泥体系中逐渐成为优势菌种。

Claims

1.一种富集亚硝酸盐反硝化聚糖菌的方法，应用如下装置，该装置包括1#进水水箱(1)和2#进水水箱(2)、反硝化聚糖菌富集SBR反应器(3)、出水水箱(4)、在线监测和反馈控制系统(5)；其中所述1#进水水箱(1)通过第一进水泵(1.3)与反硝化聚糖菌高集SBR反应器(3)相连接；2#进水水箱(2)通过第二进水泵(2.3)与反硝化聚糖菌富集SBR反应器(3)相连接；反硝化聚糖菌富集SBR反应器(3)通过电动排水阀(4.3)与出水水箱(4)相连接；

所述反硝化聚糖菌富集SBR反应器(3)设置搅拌器(3.1)连接搅拌桨(3.2)、空气压缩机(3.3)、进气阀门(3.4)、气体流量计(3.5)、曝气砂头(3.6)、ORP传感器(3.7)、pH传感器(3.8)、DO传感器(3.9)；

所述在线监测和反馈控制系统(5)包括计算机(5.1)和可编程过程控制器(5.2)，可编程过程控制器(5.2)内置信号转换器DA转换接口(5.3)、信号转换器AD转换接口(5.4)、曝气继电器(5.5)、ORP、pH、DO数据信号接口(5.6)、搅拌继电器(5.7)；其中，可编程过程控制器(5.2)上的信号转换器AD转换接口(5.4)通过电缆线与计算机(5.1)相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机(5.1)；计算机(5.1)通过信号转换器DA转换接口(5.3)与可编程过程控制器(5.2)相连接，计算机(5.1)的数字指令传递给可编程过程控制器(5.2)，曝气继电器(5.5)与进气阀门(3.4)相连接，搅拌继电器(5.7)与搅拌器(3.1)相连接，ORP、pH、DO数据信号接口(5.6)通过传感器导线与ORP、pH、DO测定仪(3.10)相连接，ORP传感器(3.7)、pH传感器(3.8)、DO传感器(3.9)分别与ORP、pH、DO测定仪(3.10)相连接；

其特征在于，包括以下步骤：

1)系统启动：将污水处理厂剩余污泥投加至反硝化聚糖菌富集SBR反应器(3)内，使接种后反硝化聚糖菌富集SBR反应器(3)污泥浓度达到2500～4000mg/L；

2)运行过程操作调节如下：

I第一进水阶段：利用第一进水泵(1.3)将1#进水水箱(1)中的溶液泵入反硝化聚糖菌富集SBR反应器(3)中；

II厌氧阶段：进水的同时启动搅拌器(3.1)带动搅拌桨(3.2)进行搅拌，提供溶液完全混合的动力，控制搅拌时间为120～240min；

III第一静置沉淀阶段：控制静置沉淀阶段时间为60～90min；

IV第一排水阶段：启动排水阀(4.3)，开将排水时间控制为2～10min，排水比控制为0.4～0.6；排水完成后，关闭排水阀(4.3)；

V第二进水阶段：利用第二进水泵(2.3)将2#进水水箱(2)中的溶液泵入反硝化聚糖菌富集SBR反应器(3)中；

VI缺氧阶段：启动搅拌器(3.1)带动搅拌桨(3.2)进行搅拌，提供溶液完全混合的动力，机械搅拌时间控制为240～480min；搅拌桨停止搅拌后，由空气压缩机(3.3)将空气由曝气砂头(3.6)鼓入至反硝化聚糖菌富集SBR反应器(3)中，提供短暂好氧环境，维持污泥活性；通入空气时间控制为10～20min；

VII第二静置沉淀阶段：控制静置沉淀阶段时间为60～90min；

VIII第二排水阶段：启动排水阀(4.3)，开将排水时间控制为2～10min，排水比控制为0.4～0.6；排水完成后，关闭排水阀(4.3)；

配水配方说明：1#进水水箱配水中含有300～400mg/L葡萄糖，2mg/L K₂HPO₄·3H₂O，20mg/L NH₄Cl，45mg/L MgSO₄，20mg/L CaCl₂·6H₂O，1mg/L NaHCO₃，1.5mg/L FeCl₃，0.03mg/L CuSO₄，0.18mg/L KI，0.12mg/L MnCl₂，0.12mg/L ZnSO₄，0.15mg/L CoCl₂，0.15mg/L乙二胺四乙酸；2#进水水箱配水中含有2mg/L K₂HPO₄·3H₂O，20mg N/L NH₄Cl，250mg/L NaNO₂，45mg/L MgSO₄，20mg/L CaCl₂，0.1mg/L NaHCO₃，1.5mg/L FeCl₃，0.03mg/L CuSO₄，0.18mg/LKI，0.12mg/L MnCl₂，0.12mg/L ZnSO₄，0.15mg/L CoCl₂，0.15mg/L乙二胺四乙酸。