CN106222079B - 一种富集和分离硝化菌的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种富集和分离硝化菌的装置及方法，该装置包括硝化处理池，所述硝化处理内设有隔板，将其分为富集池和分离池两部分；所述富集池的底部设有曝气装置，曝气装置的上方设有膜组件，富集池的内部填装有两种填料；第一填料的比重为0.95～0.98g/L，粒径为3～5cm；第二填料的比重为1～2.2g/L，粒径为0.15～0.3mm；所述分离池的下部设有用于分离第一填料和第二填料的滤网；滤网上方设有第一填料收集口和排水口，滤网下方设有第二填料收集口；所述隔板上设有排水闸，排水闸位于所述滤网上方。本发明装置能够同时实现硝化菌的富集和分离，且硝化菌富集纯度高、富集量大。

Description

一种富集和分离硝化菌的装置及方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种富集和分离硝化菌的装置及方法。
背景技术
在生化处理过程中，氨氮的去除主要依靠硝化细菌，而消化细菌与生物系统中的异养菌相比，增加速率慢、对溶解氧、水温、有毒物质敏感，耐偶发性冲击弱，导致生化处理系统的硝化功能不稳定；因而，保证出水氨氮稳定达标是目前污水处理厂面临的重大挑战。
直接投加硝化菌是快速恢复硝化功能的有效手段。目前，市售的硝化菌剂菌种纯度高、数量大，但菌剂单一，投入到污水生物系统中时与污水生物系统原有微生物相的相容性差，不容易发挥效果或效果不具备持久性。而采用活性污泥直接富集培养硝化菌，产生的硝化菌剂具有成本低、对环境的适应性较高、菌种丰富等特点，可解决市售菌剂成本高，实际工程应用过程中效果不好的难题。
此外，由于硝化菌的自我凝聚性不好，需依附异养菌或载体进行生长(Diab,S.；Shilo,M.,Effect of adhesion to particles on the survival and activity ofNitrosomonas sp.and Nitrobacter sp.Archives of Microbiology 1988,150(4),387-393.)，当培养液中有机碳源浓度低时，活性污泥中异养菌占比减少，硝化菌纯度升高，但另一方面意味着污泥性状不好，絮体松散，游离的硝化菌增多，分离沉淀效果差。
申请公布号为CN102674539A的发明专利申请文献公开了一种以低碳源高氨氮为培养基，采用膜生物反应器富集硝化污泥的方法，该方法的特点为培养基中有机碳源含量低，硝化菌纯度高，但游离硝化菌增多，堵塞膜孔，加重膜污染。
申请公布号为CN1041843858A的发明专利申请文献公开了一种污水处理系统及其运行方法，该系统提供了硝化活性污泥的富集和分离系统，该方法通过旋流分离器对活性污泥进行分离，解决了硝化污泥难分离的问题。但是，上述方法需外置设备，增加了成本及操作的复杂性。
硝化菌的固定化可解决菌体流失问题，有利于硝化菌的分离。目前常用的固定化方法主要有微生物自固定化、包埋法和载体结合法。
微生物自固定化是通过细胞间的自交联作用进行固定，硝化菌间自交联作用弱，需要投加一定比例的碳源用于异养菌的生长，使硝化菌与异养菌之间产生交联作用，此方法获得的硝化菌纯度低，不利于保存。
包埋法是通过多聚化合物包裹细菌，例如，申请公布号为CN103013973A的发明专利申请文献公开了一种采用改性天然凹凸棒石吸附材料和高分子材料聚乙烯醇和海藻酸钠利用吸附包埋技术固定硝化菌的方法，该方法的硝化菌分离效果好，但固定化硝化菌存在制备步骤多的问题。
载体结合法是通过自然吸附固定和通过化学键作用产生的表面吸附方法，利用离子交换树脂、活性炭、PVC、棉纤维等多种载体进行吸附，具有操作简单，对细胞活性影响较小的特点，适合实际工程应用，但不同的载体对硝化菌的吸附均有所不同，有必要筛选获得一种载体，使得硝化菌的吸附量和分离最大化。申请公布号为CN104962505A的发明专利申请文献公开了一种以碳酸氢铵和预处理的城市污水为培养基，采用序批式的运行模式，以悬浮填料为载体固定化硝化菌的方法。该方法实现了对部分硝化菌的固定，未将剩余的活性污泥中的硝化菌进行充分利用。
另外，硝化菌的保存基质通常由氮源、少量有机碳、微量元素和碱度组成，该基质与硝化菌富集的培养基相近，但富集反应器中大部分氨氮已转化硝氮，富集反应器的营养液与硝化菌的保存基质不同。因此，富集反应器中的硝化菌需与反应器中的营养液进行分离，分离后需重新添加保存基质以满足硝化菌保存。
于此同时，固定化的硝化菌后可提高生物强化效果，目前硝化菌的投加均为一次性投加，不能回收，投加成本高(Herrero,M.；Stuckey,D.C.,Bioaugmentation and itsapplication in wastewater treatment:A review.Chemosphere 2015,140,119-28)。
因此，在污水处理中，仍存在硝化污泥富集纯度低、分离难等问题有待解决。
发明内容
本发明提供了一种富集和分离硝化菌的装置及方法，该装置能够同时实现硝化菌的富集和分离，且硝化菌富集纯度高、富集量大，富集得到两种固定化硝化菌剂。
一种富集和分离硝化菌的装置，包括硝化处理池，所述硝化处理内设有隔板，将其分为富集池和分离池两部分；
所述富集池的底部设有曝气装置，曝气装置的上方设有膜组件，富集池的内部填装有两种填料；第一填料的比重为0.95～0.98g/L，粒径为3～5cm；第二填料的比重为1～2.2g/L，粒径为0.15～0.3mm。
所述分离池的下部设有用于分离第一填料和第二填料的滤网；滤网上方设有第一填料收集口和排水口，滤网下方设有第二填料收集口；
所述隔板上设有排水闸，排水闸位于所述滤网上方。
与单填料载体相比，双填料可通过不同作用力去吸附硝化菌，解决单一填料不能完全吸附的问题；同时，选择两种不同比重和不同粒径的填料有助于硝化菌的分离，形成不同类型的固定化硝化菌剂，有助于满足不同的投加需求。
由于双载体的比重和粒径不同，第一填料易浮于溶液表层且粒径大，第二填料易沉淀至底部且粒径小，通过分离池内设有的滤网将第一填料截留在滤网上部，第二填料易沉降通过滤网沉于分离池底部。
硝化菌自我凝聚性不好，需依附异养菌或载体进行生长；为避免硝化菌在富集过程中随出水流失，现有的硝化菌富集技术往往是向反应器中添加有机碳源，促使异养菌生长后与硝化菌共同形成絮体；但这一操作难免会降低硝化菌的纯度、并提高硝化污泥的保存难度。采用两种不同比重、粒径的填料使硝化菌直接富集在填料表面，无需投加有机碳源产生异养菌来为硝化菌提供附着载体，这样做不仅节约了运行成本(节省碳源投加)，还提高了硝化菌的富集量和纯度，同时可减少硝化污泥保存过程中异养菌消耗溶解氧给硝化活性带来的负面影响，更有利于硝化菌的保存。
作为优选，所述的第一填料为环形填料或球形填料，材质为含微量元素的聚乙稀或聚偏氟乙烯，环表面为锯齿状，比表面积为200～1200m2/m3。
更优选，所述的第一填料为MBBR填料。硝化菌是一种附着生长的微生物，在pH＞5的环境中，其表面一般带负电荷；MBBR填料因融合多种有利于微生物快速附着生长的微量元素，在pH为中性的环境中一般表面带正电荷，硝化菌通过静电作用吸附在填料上，且其具有耐腐蚀性好、耐冲击、成本低和可塑性强等特点。
作为优选，所述的第二填料为活性碳或沸石，比表面积为500～2000m2/g。
活性炭或沸石具有较大的比表面积，同时表面和内部分布有不同大小的孔，大孔有利于细菌吸附生长，小孔有利于吸收氨氮和溶解氧，相比于蒙脱石和火山岩等填料，活性炭和沸石具有更高的氨氮吸附量，硝化菌更易在上面附着。
比表面积大，硝化菌附着的面积大，但过大的比表面积会降低填料的孔隙率，影响营养物质和溶解氧的传质，降低硝化菌的活性。为了提高填料的流化状态和填料的混匀度，减轻膜污染和污泥沉积；作为优选，所述富集池经导流板分隔成两个区域，分别为第一富集区和第二富集区，两个富集区的顶部和底部均相互连通，所述曝气装置和膜组件位于第一富集区内。
进一步优选，所述导流板上端与液面的距离占总液位高度的比例为0.25～0.3，导流板下端与液面的距离占总液位高度的比例为0.25～0.3。
更优选，所述富集池的底部设有导流斜坡。所述导流斜坡的坡度为20～60°。
进一步地，所述富集池通过管路分别与加碱泵、加氨氮泵和进水泵连通，用于给富集池通碱液、氨氮溶液和废水。
进一步地，所述富集池内还设有第一液位计、DO探头和pH探头，用于控制废水、氨氮溶液和碱液的加入量；通过加碱泵、加氨氮泵和DO探头、pH探头的调控，加快硝化菌在富集池内的富集。
作为优选，所述排水闸位于隔板的中部，排水闸的闸口直径为第一填料直径的1.5～4倍。
具体地，所述滤网的孔径小于第一填料且大于第二填料，滤网可采用不锈钢、塑料等硬质材料。
作为优选，所述滤网的斜度为40～60°。
进一步地，所述分离池内也设有第二液位计，用于测定分离池内液体的液位。
上文所述的第一液位计、第二液位计、DO探头、pH探头、加碱泵、加氨氮泵、进水泵、排水闸和曝气装置均通过自动控制装置进行调控。
硝化菌的是一种化能自养好氧性细菌，在pH中性条件和DO≥2mg/L的环境中生长，且对pH、溶解氧和负荷变化敏感。为了提供硝化菌生长所需的氨氮，维持富集池中pH和DO在合适的范围内，减少富集池内液位变化引起的负荷改变，用pH探头控制加碱泵的启停，用DO探头控制曝气装置的曝气量，用第一液位计控制控制加碱泵、加氨氮泵和进水泵的启停。为了能够定量地将富集有硝化菌的第一填料和第二填料通入分离池内，通过第二液位计控制排水闸的启停。
所述第一填料收集口与第一收集罐连通，所述第二填料收集口与第二收集罐连通。
硝化菌菌剂的保存液需要含有氨氮和碱度，而进入分离池的液体中氨氮和碱度含量低，不利于硝化菌的保存，因此，将培养液通过分离池内的排水口排出。
作为优选，所述第一收集罐和第二收集罐均与加碱泵、加氨氮泵、进水泵连通。
本发明还提供了一种所述装置富集分离硝化菌的方法，包括：
(1)向富集池内接种硝化污泥，通入废水，持续曝气，控制富集池内混合液的COD浓度、氨氮浓度、氮磷质量比以及pH值，进行硝化菌的富集；
(2)待富集一段时间后，通过阀口将富集有硝化菌的第一填料和第二填料通入分离池内，进行静置，排净分离池内的废水，收集滤网上方的第一填料和滤网下方的第二填料，获得所述硝化菌。
在富集池内，随着氨氮负荷的不断提高，膜组件的截留作用可快速提高硝化污泥中的硝化菌菌数和含量，当硝化菌菌数和含量达到最大时，在富集池内投加双载体吸附硝化污泥中的硝化菌，投加双载体15～30d后，将一定量的吸附有硝化菌的填料连同液体一起排入分离池中。
作为优选，所述COD浓度为50～100mg/L；氨氮浓度为100～700mg/L；氮磷质量比为5～8:1。
作为优选，氨氮和碱度比≥7.14。
作为优选，所述pH值为7.5～8.2。DO控制在1.0～3.0mg/L
进一步地，所述富集池内的水力停留时间为4～72h，污泥龄为20～40d。
以所述富集池的有效体积为基准，所述第一填料的用量为30～60％，所述第二填料的用量为1～3g/L。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用两种不同比重、粒径的填料使硝化菌直接富集在填料表面，无需投加有机碳源产生异养菌来为硝化菌提供附着载体，这样做不仅节约了运行成本(节省碳源投加)，还提高了硝化菌的富集量和纯度，同时可减少硝化污泥保存过程中异养菌消耗溶解氧给硝化活性带来的负面影响，更有利于硝化菌的保存。
(2)本发明采用两种载体组合，可以对絮体和游离态的硝化菌都能高效附着。所选的第一填料含有微量元素，可以优先吸附絮状硝化菌并为其生长提供营养，载体可循环使用，降低投加成本；第二填料比表面积大、对氨氮吸附量高，可选择性吸附微小絮体和游离态的硝化菌。
(3)本发明实现了硝化菌的一体化富集和分离，利用两类填料的比重差异，简化硝化菌分离收集过程。
附图说明
图1为本发明富集和分离硝化菌的装置的结构示意图；
其中，1、富集池，2、分离池，3、隔板，4、导流斜坡，5、导流板，6、第一富集区，7、第二富集区，8、膜组件，9、第一填料，10、第二填料，11、出水泵，12、加碱泵，13、加氨氮泵，14、进水泵，15、第一液位计，16、pH探头，17、DO探头，18、排水闸，19、滤网，20、第一填料收集口，21、第一填料收集罐，22、排水口，23、第二填料收集口，24、第二填料收集罐，25、第二液位计，26、自动控制装置，27、曝气装置，28、排水泵。
图2为采用不同载体对硝化污泥氨氮降解速率的影响。
图3为采用不同填料对硝化活性SV30的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种富集和分离硝化菌的装置，该装置包括硝化处理池，硝化处理池的内部设有隔板3，将其分为富集池1和分离池2两部分；
其中，富集池1的底部设有导流斜坡4，导流斜坡4的坡度为20～60°；富集池1的中部经导流板5分隔成两个区域，分别为第一富集区6和第二富集区7，两个富集区的顶部和底部均相互连通。在第一富集区6的底部设有曝气装置27，曝气装置27的上方设有膜组件8，膜组件8通过管路与出水泵11连通，将富集池1内的清水泵出。
在富集池1的内部填装有两种填料，第一填料9采用环形填料或球形填料，材质为聚乙稀或聚偏氟乙烯，该填料的比重在0.95～0.98g/L之间，粒径在3～5cm之间，比表面积在200～1200m2/m3之间；第二填料10采用活性碳或沸石，该填料的比重在1～2.2g/L之间，粒径在0.15～0.3mm之间，比表面积在500～2000m2/g之间。
富集池1的顶部设有三条管路，各管路分别与加碱泵12、加氨氮泵13和进水泵14连通，用于向富集池1内泵入碱液、氨氮和污水。富集池1内还设有第一液位计15、pH探头16和DO探头17。
隔板3上设有排水闸18，用于定时排放第一填料9和第二填料10。分离池2的下部设有用于分离第一填料9和第二填料10的滤网19；滤网19倾斜设置，利于第一填料9和第二填料10的分离。排水闸位于滤网19的上方。滤网19的上方设有第一填料收集口20，第一填料收集口20通过管路与第一填料收集罐21连通；滤网19的上方还设有排水口22，排水口22通过管路与排水泵28连通。滤网19的下方设有第二填料收集口23，第二填料收集口23通过管路与第二填料收集罐24连通。分离池2内还设有第二液位计25。
上述硝化处理池还连接有自动控制装置26，并用于加碱泵12、加氨氮泵13、进水泵14、pH探头16、DO探头17、第一液位计15、第二液位计25和各管路阀口的监控。
实施例1
采用上述装置进行硝化污泥的富集和分离；通过硝化活性、SV30和硝化细菌的含量三个指标对装置中的三种填料进行考察，分别为3cm的环形填料(填料组)、70～80目(0.18～0.212mm)的粉末活性炭(70-80目组)和100～200目(0.75～0.15mm)的粉末活性炭(100-200目组)，具体内容如下：
硝化活性是表明硝化污泥氨氮去除效果的重要指标之一，图2显示了投加不同载体后硝化污泥的硝化活性的变化，结果表明投加填料后硝化活性均高于对照组(不加任何填料)，投加3种填料的硝化活性大小为填料组>70-80目组>100-200目组。
SV30是说明污泥沉降性能的重要指标，图3表明了不同填料对硝化活性SV30的影响，结果显示投加活性炭的SV30最小，投加填料的SV30最高，因此投加活性炭有助于提高硝化污泥的沉降性能。
为了确定载体上硝化菌数和含量，在第50天取样测定，结果如表3所示，投加活性炭的硝化菌含量和浓度均高于对照组，且70-80目组优于100-200目组，填料组的硝化菌含量高。
通过上述考察，确定本实施例富集和分离硝化菌的装置中采用的两种填料，分别是：第一填料，MBBR环形填料，比重为0.97g/L，粒径为3cm，比表面积为700m2/m3，以富集池的有效体积为基准，初始投加量为30％；第二填料，活/性炭粉末，比重为2.0g/L，粒径为0.18mm(70目)，比表面积为1200m2/m3，，初始投加量为1g/L。
采用上述装置富集分离硝化菌的方法，具体步骤如下：
(1)向富集池中接种6g/L(以富集池的有效体积为基准)的一般城市污水处理厂好氧池的活性污泥，向富集池内通入废水、氨氮溶液和碱液，采用连续进出水的方式逐步提高进水中氨氮的浓度，用于富集硝化菌；
氨氮溶液由硫酸铵、氯化铵等含氮无机物配制而成，由磷酸氢二钾(或磷酸二氢钾)提供磷酸盐，提供钙、镁、铁组成的微量元素(氯化钙、硫酸镁和硫酸铁提供)。磷酸盐和微量元素与氨氮溶液一通通过加氨氮泵加入富集池。
(2)控制富集池内混合液(活性污泥、废水等)的氨氮浓度在100～700mg/L，氮磷的质量比为8，COD浓度控制在50mg/L，氨氮和碱度比为7.14，DO大于2mg/L，用碳酸氢钠控制pH值在7.5～8.2，混合液的水力停留(HRT)时间为4h，曝气量为8～20m3/h，运行前80d不排泥，80d后开始排泥，保持污泥龄(SRT)为20d；
(3)对富集池内的混合液进行预处理，运行70天后，在富集池内一次性投加环形填料和活性炭，进行硝化菌的吸附，获得吸附硝化菌的环形填料和吸附硝化菌的活性炭,，统称为固定化硝化菌剂；
80天后，富集池每天按SRT＝20天的频率进行排泥，通过排水闸排出固定化硝化菌剂至分离池，在分离池静置60min后，液体随排水口排出，吸附硝化菌的环形填料经第一填料收集口进入第一填料收集罐，吸附硝化菌的活性炭经第二填料收集口进入第二填料收集罐，向第一、二收集罐中注入含氨氮、碱度和废水的溶液用于保存固定化硝化菌剂，固定化硝化菌剂，向富集池中投加与排出量相同的环形填料和活性炭，保持富集池内填料的含量。
每次填料的排出量通过富集池有效容积除以SRT计算获得。
结果：80天后，可连续生产出硝化活性为2500mg-N/L、硝化菌含量为20～30％、硝化菌数为1.0～3.0ⅹ1011个/L的以第二填料为载体的固定化硝化菌剂；以及硝化活性为3000mg-N/L、硝化菌含量为60～80％、硝化菌数为0.5～1.0×1010个/个填料的以第一填料为载体的固定化硝化菌剂。上述两种固定化硝化菌剂在4℃下可至少保存8个月。
固定化硝化菌剂的应用：
将上述固定化硝化菌剂用于某城市污水厂中硝化功能崩溃的恢复，该污水厂处理水量5万吨/d，采用AAO处理工艺，好氧池有效容积为2万立方，其水质情况见表1。由于该污水厂好氧池不含悬浮填料，因此，投加以第二填料为载体的固定化硝化菌剂，连续投加2天，每天的投加量为好氧池有效容积的1％。
表1某城市污水处理厂水
表2载体上硝化菌菌数和含量
该厂进水中工业水占了总进水的50％，上游企业以印染、光电、制药等为主，这些企业中含有对硝化菌有毒有害的有机物和重金属以及高浓度的氨氮，该厂每年均会因节假日期间工业企业的偷排造成硝化功能崩溃。而硝化功能崩溃后通常需要2～3月的恢复期，为了使硝化功能快速恢复，在一次硝化功能冲击时投加颗粒式硝化污泥用于硝化功能的恢复。

Claims (7)

1.一种富集和分离硝化菌的装置，包括硝化处理池，其特征在于，所述硝化处理内设有隔板，将其分为富集池和分离池两部分；
所述富集池的底部设有曝气装置，曝气装置的上方设有膜组件，富集池的内部填装有两种填料；第一填料的比重为0.95~0.98 g/L，粒径为3~5 cm；第二填料的比重为1~2.2 g/L，粒径为0.15~0.3 mm；
所述分离池的下部设有用于分离第一填料和第二填料的滤网；滤网上方设有第一填料收集口和排水口，滤网下方设有第二填料收集口；
所述隔板上设有排水闸，排水闸位于所述滤网上方；
所述的第一填料为MBBR填料，比表面积为200~1200 m2/m3；所述的第二填料为活性碳或沸石；比表面积为500~2000 m2/g。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述富集池经导流板分隔成两个区域，分别为第一富集区和第二富集区，两个富集区的顶部和底部均相互连通，所述曝气装置和膜组件位于第一富集区内。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述排水闸位于隔板的中部，排水闸的闸口直径为第一填料直径的1.5~4倍。
4.一种利用如权利要求1或2任一所述的装置富集分离硝化菌的方法，其特征在于，包括：
（1）向富集池内接种硝化污泥，通入废水，持续曝气，控制富集池内混合液的COD浓度、氨氮浓度、氮磷质量比以及pH值，进行硝化菌的富集；
（2）待富集一段时间后，通过阀口将富集有硝化菌的第一填料和第二填料通入分离池内，进行静置，排净分离池内的废水，收集滤网上方的第一填料和滤网下方的第二填料，获得所述硝化菌。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述COD浓度为50~100 mg/L；氨氮浓度为100~700 mg/L；氮磷质量比为5~8:1。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述pH值为7.5~8.2。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，以所述富集池的有效体积为基准，所述第一填料的用量为30 ~60%，所述第二填料的用量为1~3 g/L。
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