CN106277315A - 一种基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢及其培养方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢及其培养方法，所述的脱氮微生物巢依附于玄武岩纤维束，自外向内依次包括好氧层、缺氧层和厌氧层等，本发明通过玄武岩纤维填料、生物反应器和曝气器的组合，对污水进行处理，通过曝气器使空气与活性污泥实现强烈混合并产生上升流，在玄武岩纤维填料的两侧形成循环流，在这种水力作用下，玄武岩纤维束对附着在其表面的活性污泥进行包裹、支撑，活性污泥在玄武岩纤维的层层包裹下，逐渐形成球状或类球状的活性污泥微生物聚集体，即脱氮微生物巢；本发明通过对脱氮微生物巢进行驯化培养，达到去除废水中氮的目的。

Description

一种基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢及其培养方法

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢及其培养方法。

背景技术

近20年来，中国经济高速发展，城镇化快速推进，城市规模扩围严重，大量不达标的工业废水、生活污水未经处理直接排入江河湖海，造成其中的氮、磷大量积累，水体富营养化日益严重，因此而引发的水环境问题频发。2015年4月新出台的“水十条”中指出将全面控制氮、磷等污染物的排放，2017年底前出水应达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18919−2002)一级A标准：废水中的COD≤50mg/L，NH₃-N≤5mg/L，TN≤15mg/L，TP量≤0.5mg/L；氮、磷的排放标准也变得越来越严格。

生物脱氮是一种较为成熟可靠的方法，进行脱氮的微生物主要是硝化菌和反硝化菌。在实际工程应用中，两种菌体的生长环境完全不同，因此一般都将硝化和反硝化过程分开，例如，目前常采用的缺氧-好氧(A/O)工艺、厌氧-缺氧-好氧(A/A/O)工艺以及其改进工艺，虽然具有一定的脱氮效果，但脱氮效果欠佳，此外还具有处理工艺流程长、装备占地面积大、基建投资费用贵、运行成本高等缺点。

近几年，国内外逐渐有研究者将硝化菌和反硝化菌置于同一个反应器内混合培养，同步进行硝化反硝化反应，不仅能克服常规工艺的不足，提高脱氮效率，还能大大节省成本，因此同步硝化反硝化脱氮工艺开始成为废水治理领域的热点。但是目前国内在研究该类工艺时，普遍采用分离膜对同一反应器进行分区完成同步硝化反硝化脱氮，或者通过先驯化、培养硝化颗粒污泥，然后分离筛选好氧反硝化菌，再将二者混合制备脱氮颗粒污泥的方法进行。前者分离膜易堵塞，难清洗；后者反应器内混合曝气方式对颗粒污泥造成巨大冲击，形成的缺氧厌氧环境有限，脱氮效率低，且实际操作过程较为复杂，难以放大。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种工艺流程短，脱氮效率高，方便清理和后处理，操作简单的基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢及其培养方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢，所述的脱氮微生物巢为多层的球状或类球状结构，所述的脱氮微生物巢自内向外依次包括厌氧层、缺氧层和好氧层等，所述的脱氮微生物巢依附于玄武岩纤维填料，所述的厌氧层由附着有厌氧菌的活性污泥所组成所述的缺氧层由附着有兼性好氧菌的活性污泥所组成，所述的好氧层由附着有好氧菌的活性污泥所组成。

本发明所述的一种基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢的培养反应器，所述的反应器采用间歇式或连续式运行方式，反应器的底部设有废水进水口，反应器的中部设有间歇式运行出水口，反应器右上部设有连续流式运行混合液流出口，所述反应器的顶部设有多个均匀分布的悬挂钩，悬挂钩上垂直悬挂有玄武岩纤维填料，所述的玄武岩纤维填料为绳状结构，玄武岩填料上均匀分布有多个玄武岩纤维束，反应器的底部设有曝气器，所述的曝气器设置在相邻的两根玄武岩纤维填料之间的间隙内。

本发明所述的玄武岩纤维束由多根玄武岩纤维单丝组合而成，所述的玄武岩纤维单丝直径7～21μm，所述的玄武岩纤维束的直径为10～40cm，相邻的两个玄武岩纤维束之间的间隔为10～40cm。

本发明所述的反应器培养脱氮微生物巢的间歇式运行方法，所述的方法包括如下操作步骤：

1）将玄武岩纤维填料悬挂在悬挂钩上，由废水进水口输入废水，直至玄武岩纤维填料全部浸没在水中；

2）打开曝气器，进行曝气操作，曝气器使得活性污泥与空气强烈混合，在玄武岩纤维填料两侧形成循环流动的上升流和下降流；玄武岩纤维束在水力作用下自由分散、缠绕，吸附废水中的活性污泥，活性污泥中的微生物依附于玄武岩纤维束进行生长繁殖；活性污泥在玄武岩纤维束的层层吸附和包裹下，形成直径不低于10cm的球状或类球状的生物聚集体；

3）曝气结束，静置沉淀20～40min，泥水分离，由生物反应器的出水口排出上清液；

4）重复步骤1）、步骤2）和步骤3）的操作，进水、曝气和排水操作反复进行，一次进水、曝气和排水操作为一个周期，每天重复进行1～3个周期，每个周期持续8～24h。

本发明所述的反应器培养脱氮微生物巣的连续式运行方法，包括控制进水、出水连续流的形式，反应器内进行连续曝气；反应器后续设沉淀池，进行泥水的快速固液分离，沉淀分离的部分污泥再回流至反应器。

本发明的操作方法中所述的生物反应器内溶解氧浓度为0.5~5.0mg/L。

本发明的操作方法中所述的生物反应器内的反应温度为20~35℃，pH值为6~9。

本发明的间隙运行操作方法中一个周期内生物反应器的进水和排水操作的废水体积交换率为50～70%。

本发明利用废水氨氮浓度为15~80mg/L，总氮浓度为25~100mg/L，COD浓度为500~2000mg/L的废水进行驯化培养出的微生物巢，水处理效果很好。

本发明的优点在于：

1）本发明中的微生物巢在废水脱氮过程中，外表面为好氧层，进行有氧反应，主要富集大量硝化细菌进行硝化作用；向内过渡的中间层为缺氧层，进行缺氧反应，主要富集大量反硝化细菌进行反硝化作用；微生物巢最里层为厌氧层，利于多种厌氧菌生长，例如甲烷菌、硫酸还原菌、聚磷菌等微生物，菌群丰富，可利用部分活性厌氧菌对水中存在的难降解有机物进行降解。该多层结构的微生物巢在废水处理应用过程中可实现同步去除多种污染物，明显缩短水力停留时间，大大提高废水的处理效率；

2)所采用的玄武岩纤维拥有我国自主产权的原料，其为柔性微米级无机纤维，具有力学性能优、有效比表面积大、在水中能分散缠绕、成本低、生产过程绿色环保以及可回收再利用的优点；

3)本发明中采用在反应器底部填料间隔处设置的曝气器，气流与泥水混合形成上升流，再于玄武岩纤维填料一侧形成下降流，保证氧的供给的同时又可避免曝气气流直接对纤维载体的冲击，引起微生物菌群的脱落，可实现快速形成脱氮微生物巢的目的。此外，该类型曝气器体积小，不易堵塞，安装简易且制作成本低廉，使用年限长。

附图说明

图1为本发明的脱氮微生物巢的结构剖面图；

图2为本发明的脱氮微生物槽的照片图；

图3为本发明的脱氮微生物槽的照片图；

图4为本发明的反应器结构简图。

其中，1 反应器，2 玄武岩纤维填料，3 曝气器，4 废水进水口，5 间歇式运行出水口，6连续流式运行混合液流出口。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：如图1、2和3所示的一种基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢，所述的脱氮微生物巢为多层的球状或类球状结构，所述的脱氮微生物巢自内向外依次包括厌氧层、缺氧层和好氧层等，所述的脱氮微生物巢依附于玄武岩纤维填料，所述的厌氧层由附着有厌氧菌的活性污泥所组成，所述的缺氧层由附着有兼性好氧菌的活性污泥所组成，所述的好氧层由附着有好氧菌的活性污泥所组成。

微生物巢外表面为好氧层，主要富集大量硝化细菌进行硝化作用，呈现土黄色的膜层，进行有氧反应；向内过渡的中间层为缺氧层，主要富集大量反硝化细菌进行反硝化作用，呈现为黑色或黑褐色的膜层，进行缺氧反应；微生物巢的最里层为厌氧层，可利用部分活性厌氧菌对水中存在的其他大分子有机物进行降解，所述的活性厌氧菌为甲烷菌、硫酸盐还原菌以及聚磷菌等。

实施例2：如图4所示，本发明提供的基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢的培养反应器，所述的反应器为间歇式运行或连续流式运行，反应器1的底部设有废水进水口4，反应器1的中部设有间歇式运行出水口5，反应器1的右上部设有连续流式混合液流出口6，所述反应器1的顶部设有多个均匀分布的悬挂钩，悬挂钩上垂直悬挂有玄武岩纤维填料2，所述的玄武岩纤维填料2为条形结构，玄武岩填料2上均匀分布有多个玄武岩纤维束，反应器1的底部设有曝气器3，所述的曝气器3设置在相邻的两根玄武岩纤维填料2之间的间隙内。

生物反应器1采用间歇曝气或连续曝气，所述曝气系统所采用的曝气器3与一般的曝气盘或曝气石相比，安装简易，且不易堵塞，可避免在沉淀过程中污泥堵塞曝气器3，影响供氧效率；此外，利用曝气器3曝气，气流与活性污泥强烈混合形成高速上升流，在玄武岩纤维填料2一侧形成下降流，在保证泥水充分混合供氧充足的情况下，防止气流直接对玄武岩纤维填料2的强力冲击而导致微生物菌群的脱落。

实施例3：如图4所示，本发明所述的玄武岩纤维束由多根玄武岩纤维单丝组合而成，所述的玄武岩纤维单丝直径7～21μm，所述的玄武岩纤维束的直径为10～40cm，相邻的两个玄武岩纤维束之间的间隔为20～40cm。

实施例4：如图1、2、3和4所示的基于玄武岩纤维的脱氮微生物巢的间歇式运行培养方法，所述的培养方法包括如下操作步骤：

1）将玄武岩纤维填料2悬挂在悬挂钩上，由废水进水口4输入废水，直至玄武岩纤维填料2全部浸没在水水中；

2）打开曝气器3，进行曝气操作，曝气器3使得活性污泥与空气强烈混合，在玄武岩纤维填料2两侧形成循环流动的上升流和下降流；玄武岩纤维束在水力作用下自由分散、缠绕，吸附废水中的活性污泥，活性污泥中的微生物依附于玄武岩纤维束进行生长繁殖；活性污泥在玄武岩纤维束上被层层吸附和包裹，形成直径不低于10cm的球状或类球状活性污泥生物聚集体；

3）曝气结束，静置沉淀20～40min，泥水分离，由生物反应器1的出水口5排出上清液；

4）重复步骤1）、步骤2）和步骤3）的操作，进水、曝气和排水操作反复进行，一次进水、曝气和排水操作为一个周期，每天重复进行1～3个周期，每个周期持续8～24h。

实施例5：以常州某化工企业排放的化工废水为对象，采用本发明所述的间歇式运行方法进行微生物巢的驯化培养及废水处理，进水的水质如下表所示。

具体步骤如下：

首先在生物反应器内悬挂多根玄武岩纤维，玄武岩纤维束单丝直径13μm，玄武岩纤维束直径15cm，并加入5000 mg/L浓度的活性污泥。将废水从进水口泵入，经曝气器曝气，第一周控制周期为24h，每次静置沉淀时间为30min，上清液由反应器中部的出水口排出，体积交换率为50%；第二周开始控制周期为12h，每次静置沉淀时间为30min，上清液由反应器中部的出水口排出，体积交换率为50%。10天后，基于玄武岩纤维的微生物巢球体形成，直径约12cm。运行过程中，检测处理系统的pH值，调节其为7.0～8.0的波动范围，并通过调节曝气流量，控制反应器中曝气区域的溶解氧值为0.5～2.0mg/L。

系统连续运行50天，上清液出水COD约为30 mg/L，氨氮含量为3.8 mg/L，总氮含量约为8.9 mg/L，脱氮效果明显。

实施例6：在装置的其他生产条件和工艺不变的情况下，对本发明的装置进行性能对比试验，得到的结果如下表所示：(针对废氨氮浓度为60~80mg/L，总氮浓度为80~100mg/L，COD浓度为1500~2000mg/L的废水)

由上表可知：玄武岩纤维的单丝直径直接影响本发明微生物巢的生产成本，单丝直径越小，其生产成本越高；而玄武岩纤维束的直径直接影响微生物巢的形成和废水处理的效果，过大直径的玄武岩纤维束，由于其体积较大，最终富集的活性污泥过多，质量大，玄武岩纤维束不能支撑住大质量的活性污泥，玄武岩纤维束丝发生断裂，最终导致形成微生物巢体较小，废水的处理效率大大下降；同时，纤维束之间的间隔也会影响微生物巢的形成，过小的纤维束间隔会使得相邻的两个微生物巢之间发生相互影响，使得类球形的微生物巢很难成型，最终影响废水的处理效率。

实施例7：在装置的其他生产条件和工艺不变的情况下，对本发明的生产条件进行性能对比试验，得到的结果如下表所示：(针对废氨氮浓度为60~80mg/L，总氮浓度为80~100mg/L，COD浓度为1500~2000mg/L的废水)

由上表可知：本发明的生产方法中的溶解氧浓度不宜过大或过小，过大的溶解氧溶度不仅会造成曝气装置的超负荷工作，能耗较高，而且会抑制厌氧微生物的生长，同时曝气搅拌力过大，对玄武岩纤维填料产生巨大冲击，影响脱氮微生物巢体的形成，最终影响废水的处理效率，过小的溶解氧溶度会导致好氧菌的生长缓慢，同样影响最终的废水处理效率；游离的污泥浓度直接影响最终微生物巢的成型，过低的污泥浓度很难形成微生物巢体，从而影响脱氮效果。

实施例8：以无锡某印染企业排放的废水为对象，采用本发明连续式运行培方法进行微生物巢的驯化培养及废水处理，进水的水质如下表所示。

具体步骤如下：

首先在生物反应器内悬挂多根玄武岩纤维，玄武岩纤维束单丝直径17μm，玄武岩纤维束直径20cm，并加入4000 mg/L浓度的活性污泥。将废水从反应器底部的进水口连续泵入，曝气器连续曝气，反应后混合液从反应器右上部流出；连续流出的混合液进入竖流式沉淀池中进行固液分离，上清液从沉淀池上部连续排出，下部的沉淀污泥一部分回流至反应器底部，剩余污泥定期排出，污泥回流比100%。14天后，基于玄武岩纤维的微生物巢球体形成，直径约13cm。运行过程中，控制反应器的pH值，调节其为7.5～8.5的波动范围，并通过调节曝气流量，控制反应器中曝气区域的溶解氧值为0.5～1.0mg/L。

系统连续运行35天，上清液出水COD约为25mg/L，氨氮含量为0.9 mg/L，总氮含量约为4.4mg/L，脱氮效果明显。

需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢，其特征在于，所述的脱氮微生物巢为多层的球状或类球状结构，所述的脱氮微生物巢自内向外依次包括厌氧层、缺氧层和好氧层等，所述的脱氮微生物巢依附于玄武岩纤维填料，所述的厌氧层由附着有厌氧菌的活性污泥所组成，所述的缺氧层由附着有兼性好氧菌的活性污泥所组成，所述的好氧层由附着有好氧菌的活性污泥所组成。

2.一种根据权利要求1所述的基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢培养反应器，其特征在于，所述的反应器采用间歇式或连续式运行方式，所述的反应器的底部设有废水进水口，反应器的中部设有间歇式运行出水口，所述反应器的右上部设有连续流式混合液流出口，所述反应器的顶部设有多个均匀分布的悬挂钩，悬挂钩上垂直悬挂有玄武岩纤维填料，所述的玄武岩纤维填料为绳状结构，玄武岩填料上均匀分布有多个玄武岩纤维束，反应器的底部设有曝气器，所述的曝气器设置在玄武岩纤维填料之间的间隙内。

3.根据权利要求2所述的基于玄武岩纤维填料的脱氮微生物巢的培养反应器，其特征在于，所述的玄武岩纤维束由多根玄武岩纤维单丝组合而成，所述的玄武岩纤维单丝直径7～21μm，所述的玄武岩纤维束的直径为10～40cm，相邻的两个玄武岩纤维束之间的间隔为10～40cm。

4.一种采用权利要求2所述的生物反应器采用间歇式运行方式培养脱氮微生物巢的方法，其特征在于，所述的方法包括如下操作步骤：

1）将玄武岩纤维填料悬挂在悬挂钩上，由废水进水口输入废水，直至玄武岩纤维填料全部浸没在废水中；

2）打开曝气器，进行曝气操作，曝气器使得活性污泥与空气强烈混合，在玄武岩纤维填料两侧形成循环流动的上升流和下降流；玄武岩纤维束在水力作用下自由分散、缠绕，吸附废水中的活性污泥，微生物在玄武岩纤维束和活性污泥上生长繁殖，活性污泥在玄武岩纤维束的层层吸附和包裹下，形成直径不低于10cm的球状或类球状活性污泥生物聚集体；

3）曝气结束，静置沉淀20～40min，泥水分离，由生物反应器的中部出水口排出上清液；

4）重复步骤1）、步骤2）和步骤3）的操作，进水、曝气和排水操作反复进行，一次进水、曝气和排水操作为一个周期，每天重复进行1～3个周期，每个周期持续8～24h。

5.一种采用权利要求2所述的生物反应器采用连续流式运行方式培养脱氮微生物巢的方法，其特征在于，所述的方法包括控制进水、出水连续流的形式，反应器内连续曝气；反应器后续设沉淀池，进行泥水的快速固液分离，沉淀分离的部分污泥再回流至反应器。

6.根据权利要求4和5所述的培养脱氮微生物巢的方法，其特征在于，所述的生物反应器内溶解氧浓度为0.5~5.0mg/L。

7.根据权利要求4和5所述的培养脱氮微生物巢的方法，其特征在于，所述的生物反应器内的反应温度为20~35℃，pH值为6~9。

8.根据权利要求4所述的培养脱氮微生物巢的方法，其特征在于，所述一个周期内生物反应器的进水和排水操作的废水体积交换率为50～70%。