CN109704455B - 一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法，该方法采用移动床生物膜反应器系统，将氨氮废水输入至移动床生物膜反应器中，在连续曝气条件下，对氨氮废水进行亚硝化处理；氨氮废水中，COD与氨氮的质量浓度比为0.1‑0.25。与现有技术相比，本发明采用移动床生物膜反应器系统处理氨氮废水，并优化处理条件，可以实现亚硝化工艺中生物膜的快速生长，达到功能微生物快速富集的目的，此外还可加快生物膜生长更迭的速度，使生物膜保持较高的活力，对于亚硝化工艺的启动和运行都具有较好的工程意义。

Description

一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法

技术领域

本发明属于氨氮废水处理技术领域，涉及一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法。

背景技术

近年来，新型脱氮工艺厌氧氨氧化技术因其具有许多优点而被广泛研究，亚硝酸盐作为厌氧氨氧化的底物之一，通常利用亚硝化工艺产生，基于亚硝化与厌氧氨氧化反应原理，研究者开发了两类新型脱氮工艺：一类以SHARON-ANAMMOX(亚硝化-厌氧氨氧化)为代表，亚硝化与厌氧氨氧化分别在两个反应器内完成的两级反应；另一类以CANON为代表，在一个反应器内完成亚硝化与厌氧氨氧化过程的单级反应。众多研究表明，不论是两级工艺，还是单级工艺，有效控制亚硝化过程始终是整个体系的重中之重。

亚硝化又叫短程硝化，是将NH₄ ⁺-N氧化至NO₂ ^--N阶段而不再进一步氧化为NO₃ ^--N的过程，一般是由氨氧化细菌(AOB)完成。污水中通常含有大量可生物降解的COD，已有研究表明，在有溶解性可生物降解COD存在的情况下，反硝化细菌往往更具有竞争优势而淘汰氨氧化细菌，此外氨氧化细菌为自养型细菌，世代周期较长，生长缓慢，富集培养比较困难。因此，快速富集功能微生物，维持较高的微生物生长速率对于亚硝化工艺启动和运行有重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法，该方法采用移动床生物膜反应器系统，将氨氮废水输入至移动床生物膜反应器中，在连续曝气条件下，对氨氮废水进行亚硝化处理；

所述的氨氮废水中，COD与氨氮的质量浓度比为0.1-0.25。

进一步地，所述的氨氮废水中，氨氮的质量浓度为280-320mg/L。

进一步地，所述的连续曝气条件为：曝气量为0.3-0.5L/min，溶解氧含量为0.5-1.5mg/L。

进一步地，所述的移动床生物膜反应器内接种有亚硝化污泥。

进一步地，所述的移动床生物膜反应器的内部温度为31-33℃。

进一步地，所述的移动床生物膜反应器中，氨氮废水的进水流量为0.35-0.75L/h，水力停留时间为8-16h。

进一步地，所述的移动床生物膜反应器中，搅拌器转速为30-40r/min，填料的总表面积为1-1.1m²/6L反应器。即当移动床生物膜反应器的有效容积为6L时，反应器内填料的总表面积为1-1.1m²。

进一步地，所述的移动床生物膜反应器系统包括移动床生物膜反应器以及分别与移动床生物膜反应器的内部相连通的进水桶、出水桶、曝气泵。

进一步地，所述的移动床生物膜反应器的顶部设有与出水桶相连通的出水口，底部设有与进水桶相连通的进水口，所述的出水口与进水口之间设有滤网，该滤网与移动床生物膜反应器的底部之间设有填料。

进一步地，所述的移动床生物膜反应器的内部设有搅拌器。

研究表明，亚硝化生物膜在异养条件下更易生长，当异养菌增殖较快时，生物膜也能快速增长。本发明中，通过控制有机物的含量，促进异养菌繁殖，进而使生物膜快速生长。另一方面，由于异养菌生长需要足够的溶解氧，因此，本发明采用连续曝气方式，加快生物膜的增长。此外，在本发明的COD条件下，AOB没有因异养菌竞争而受到抑制，仍是优势菌，能保持良好的亚硝化效果。

移动床生物膜反应器(MBBR)是20世纪80年代末开发出来的一种新型高效低能耗的生物废水处理装置，兼具传统的活性污泥法和生物接触氧化法两者的优点：占地少，在相同的负荷条件下它只需要普通氧化池20％的容积；微生物附着在载体上随水流流动，所以不需活性污泥回流或循环反冲洗；载体生物不断脱落，避免堵塞等。生物膜的生长更迭速度是影响生物膜活力和反应器效率的重要因素，因此，保持较高的生物膜生长更迭速度对于达到高反应器运行效果有重要意义。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明采用移动床生物膜反应器系统处理氨氮废水，并优化处理条件，可以实现亚硝化工艺中生物膜的快速生长，达到功能微生物快速富集的目的，此外还可加快生物膜生长更迭的速度，使生物膜保持较高的活力，对于亚硝化工艺的启动和运行都具有较好的工程意义；

2)本发明在接种亚硝化污泥的MBBR反应器中，当COD＝50mg/L时，以连续曝气方式运行，可以在稳定实现亚硝化功能的情况下获得最大的生物膜生长速率。

附图说明

图1为本发明中移动床生物膜反应器系统的结构示意图；

图中标记说明：

1—移动床生物膜反应器、2—进水桶、3—出水桶、4—曝气泵、5—滤网、6—填料、7—搅拌器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

本实施例通过计算不同运行方式、不同进水COD条件下的生物膜生长/分离速率，以此衡量生物膜生长速度，并确定生长速度最快的最佳条件。为了达到上述目的，本实施例通过接种成熟亚硝化污泥，在连续曝气和间歇曝气条件下，逐渐增加反应器进水COD，并测定每个实验阶段的生物膜生长/分离速率。

第一步，亚硝化工艺系统的建立

将160天稳定运行的亚硝化污泥分别接种至连续曝气(continuous aeration，RC)和间歇曝气(intermittent aeration，RI)的移动床生物膜反应器(MBBR)中，RC和RI反应器中的污泥浓度分别为10449g SS/L和9577g SS/L；两个反应器参数相同，内径为15cm，高度为30cm，超高6cm(即反应器主体的上边缘超出液面高度)，有效容积为6L，外夹层设水浴控制反应器内温度在32±1℃，进水流量为0.55±0.2L/h，HRT(水力停留时间)为12±4h，反应器底部设搅拌装置，搅拌速度为30～40r/min，其中，RC采用连续曝气方式供氧，曝气量为0.4L/min，溶解氧0.5-1.5mg/L。RI采用间歇曝气方式供氧，曝气量为0.6L/min，溶解氧0.8-2.0mg/L；MBBR内填料采用k2型填料，材质为聚乙烯，单个表面积为0.0026m²，每个反应器内填料数目总计约400个，因此每个反应器中初始填料总表面积约为1.04m²；将氨氮浓度为290±20mg/L的氨氮废水输入两个反应器内，运行了160天，RC反应器平均出水NO₂ ^--N为100±10mg N/L，出水NO₃ ^--N为20±5mg N/L，亚硝酸盐平均积累率保持在85±10％左右，RI反应器平均出水NO₂ ^--N为120±10mg N/L，出水NO₃ ^--N为15±5mg N/L，亚硝酸盐平均积累率保持在90±5％左右，由此说明稳定的亚硝化系统建立成功。

第二步，确定不同COD、不同曝气条件下的生物膜生长速率

阶段Ⅰ：将进水COD为0mg/L，氨氮浓度为300±20mg/L的氨氮废水作为进水，输入第一步获得的稳定状态的亚硝化移动床生物膜反应器中，反应器运行方式同第一步，在此条件下运行21天。测定填料表面生物膜TSS(总悬浮固体)、VSS(挥发性悬浮固体)和生物膜生长速率k_d，其中RC反应器生物膜TSS为27.42g TSS/m²，VSS为4.88g VSS/m²，生物膜生长/分离速率为0.119g VSS/m²/d；RI反应器生物膜TSS为43.35g TSS/m²，VSS为5.92g VSS/m²，生物膜生长/分离速率为0.073g VSS/m²/d。

阶段Ⅱ：将阶段Ⅰ进水调整为COD为50mg/L、氨氮浓度为300±20mg/L的氨氮废水，反应器运行方式同阶段Ⅰ，在此条件下运行21天。测定填料表面生物膜TSS、VSS和生物膜生长/分离速率k_d，其中RC反应器生物膜TSS为22.27g TSS/m²，VSS为6.23g VSS/m²，生物膜生长/分离速率为0.288g VSS/m²/d；RI反应器生物膜TSS为36.67g TSS/m²，VSS为6.83g VSS/m²，生物膜生长/分离速率为0.165g VSS/m²/d。

阶段Ⅲ：将阶段Ⅱ进水调整为COD为100mg/L、氨氮浓度为300±20mg/L的氨氮废水，反应器运行方式同阶段Ⅱ，在此条件下运行21天。测定填料表面生物膜TSS、VSS和生物膜生长/分离速率k_d，其中RC反应器生物膜TSS为17.88g TSS/m²，VSS为7.98g VSS/m²，生物膜生长/分离速率为0.172g VSS/m²/d；RI反应器生物膜TSS为30.87g TSS/m²，VSS为7.02gVSS/m²，生物膜生长/分离速率为0.138g VSS/m²/d。

阶段Ⅳ：将阶段Ⅲ进水调整为COD为200mg/L、氨氮浓度为300±20mg/L的氨氮废水，反应器运行方式同阶段Ⅲ，在此条件下运行27天。测定填料表面生物膜TSS、VSS和生物膜生长/分离速率k_d，其中RC反应器生物膜TSS为38.83g TSS/m²，VSS为12.04g VSS/m²，生物膜生长/分离速率为0.271g VSS/m²/d；RI反应器生物膜TSS为38.58g TSS/m²，VSS为13.75gVSS/m²，生物膜生长/分离速率为0.212g VSS/m²/d。

阶段Ⅴ：将阶段Ⅳ进水调整为COD为200mg/L、氨氮浓度为300±20mg/L的氨氮废水，反应器运行方式同阶段Ⅳ，在此条件下运行23天。测定填料表面生物膜TSS、VSS和生物膜生长/分离速率k_d，其中RC反应器生物膜TSS为39.81g TSS/m²，VSS为14.44g VSS/m²，生物膜生长/分离速率为0.258g VSS/m²/d；RI反应器生物膜TSS为32.85g TSS/m²，VSS为11.54gVSS/m²，生物膜生长/分离速率为0.178g VSS/m²/d。

第三步，确定获得最大生物膜生长速度时的最佳工况条件

生物膜表面的TSS和VSS可以衡量生物膜上生物量的多少，由第二步所得数据可以看出：当COD≤100mg/L时，以间歇曝气方式运行亚硝化体系，可获得更高的TSS和VSS，当COD>100mg/L时，以连续曝气方式运行亚硝化体系，可获得较高的TSS和VSS。

由于反应器在长期运行过程中，生物膜会出现老化脱落现象，仅仅用TSS和VSS无法准确判断整个系统中生物膜生长情况，而生物膜生长/分离速率k_d可以衡量生物膜生长和更迭的速度，判断体系中生物膜的变化。若k_d>0，则生物膜发生正向增长，该阶段生物膜具有较高的活力。若k_d<0，则生物膜发生负增长，该阶段生物膜内生物量衰减。根据第二步中5个阶段实验数据，当体系中存在有机物时(阶段II-V)，k_d要明显大于无有机物体系(阶段I)。因此，体系内存在适当浓度的有机物，有助于生物膜生长与更迭。当COD＝50mg/L时，以连续曝气方式运行亚硝化反应器，可获得更高的生物膜生长速率，在阶段IV和阶段V(COD＝200-300mg/L)，两个反应器的k_d也在较高水平，但是在该阶段下，RC的总氮损失高达55±5％，RI的亚硝化效果也已出现恶化，亚硝化已经不稳定，因此综合考虑，当COD＝50mg/L时，以连续曝气方式运行亚硝化反应器，可以在稳定实现亚硝化功能的情况下获得最大的生物膜生长速率。

生物膜生长/分离速率计算公式如下：

式中，X_t为第t天填料表面生物膜VSS，g VSS/m²；X_t+△t为第(t+△t)天填料表面生物膜VSS，g VSS/m²；X_i为第i天填料表面脱落生物膜VSS，g VSS/m²；△t为第t天至第(t+△t)天所经过的天数，d。

本实施例用水采用人工配置的氨氮废水，氨氮浓度为300±20mg/L，主要成分如下(g/L)：NH₄HCO₃/NH₄Cl(按需配制)，NaHCO₃(按需配置，NH₄ ⁺:HCO₃ ^-＝1:2，M/M)；KH₂PO₄，0.025；CaCl₂，0.3；MgSO₄·7H₂O，0.3；FeSO₄·7H₂O，0.00625；Na₂EDTA，0.00625和微量元素浓缩液1.5mL/L。

微量元素浓缩液成分如下(g/L)：H₃BO₃，0.014；CoCl₂·2H₂O，0.24；CuSO₄·5H₂O，0.25；ZnSO₄·7H₂O，0.43，MnCl₂·4H₂O，0.99；NiCl₂·6H₂O，0.19；NaMoO₄·2H₂O，0.22；Na₂WO₄·2H₂O，0.050；Na₂SeO₄·10H₂O，0.21；EDTA，15。

实验过程中运行及分析数据如下表1、表2所示：

表1反应器运行阶段及运行参数

表2不同COD浓度和曝气方式下生物膜生长情况

通过以上数据可以看出，在亚硝化工艺中，不同COD水平及不同曝气运行方式对生物膜生长更迭速度具有显著影响。

经过长期数据监测，对研究的结果分析得出：温度为32±1℃，进水流速为0.55±0.2L/h，HRT为12±4h，搅拌速度为30～40r/min的条件下，亚硝化工艺进水COD在0～300mg/L可以促进MBBR里生物膜生长更迭；且连续曝气(曝气量为0.4L/min，溶解氧0.5-1.5mg/L)比间歇曝气(曝气量为0.6L/min，溶解氧0.8-2.0mg/L)的条件下生物膜生长速度更快。当COD＝50mg/L时，以连续曝气方式运行亚硝化反应器，可获得更高的生物膜生长速率，在COD＝200-300mg/L的条件下，两个反应器的k_d也在较高水平，但是在该COD水平下，RC的总氮损失高达55±5％，RI的亚硝化效果也已出现恶化，亚硝化已经不稳定，因此综合考虑，当COD＝50mg/L时，以连续曝气方式运行亚硝化反应器，可以在稳定实现亚硝化功能的情况下获得最大的生物膜生长速率。

本实施例通过分步提高进水COD值，得出了针对不同COD条件下的生物膜生长速度，为进水含有机物的亚硝化反应器的启动和运行提供了借鉴。本实施例同时也确定了间歇曝气和连续曝气两种运行条件下生物膜生长速率，为亚硝化反应器运行方式的选择提供了借鉴。

实施例2：

一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法，该方法采用移动床生物膜反应器系统，将氨氮废水输入至移动床生物膜反应器中，在连续曝气条件下，对氨氮废水进行亚硝化处理；氨氮废水中，COD与氨氮的质量浓度比为0.1。

其中，氨氮废水中，氨氮的质量浓度为320mg/L。连续曝气条件为：曝气量为0.3L/min，溶解氧含量为1.5mg/L。移动床生物膜反应器内接种有亚硝化污泥。移动床生物膜反应器的内部温度为31℃。移动床生物膜反应器中，氨氮废水的进水流量为0.75L/h，水力停留时间为8h。移动床生物膜反应器中，搅拌器转速为40r/min，填料的总表面积为1m²/6L反应器。

实施例3：

一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法，该方法采用移动床生物膜反应器系统，将氨氮废水输入至移动床生物膜反应器中，在连续曝气条件下，对氨氮废水进行亚硝化处理；氨氮废水中，COD与氨氮的质量浓度比为0.25。

其中，氨氮废水中，氨氮的质量浓度为280mg/L。连续曝气条件为：曝气量为0.5L/min，溶解氧含量为0.5mg/L。移动床生物膜反应器内接种有亚硝化污泥。移动床生物膜反应器的内部温度为33℃。移动床生物膜反应器中，氨氮废水的进水流量为0.35L/h，水力停留时间为16h。移动床生物膜反应器中，搅拌器转速为30r/min，填料的总表面积为1.1m²/6L反应器。

实施例4：

一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法，该方法采用移动床生物膜反应器系统，将氨氮废水输入至移动床生物膜反应器中，在连续曝气条件下，对氨氮废水进行亚硝化处理；氨氮废水中，COD与氨氮的质量浓度比为0.2。

其中，氨氮废水中，氨氮的质量浓度为300mg/L。连续曝气条件为：曝气量为0.4L/min，溶解氧含量为1mg/L。移动床生物膜反应器内接种有亚硝化污泥。移动床生物膜反应器的内部温度为32℃。移动床生物膜反应器中，氨氮废水的进水流量为0.5L/h，水力停留时间为12h。移动床生物膜反应器中，搅拌器转速为35r/min，填料的总表面积为1.05m²/6L反应器。

实施例5：

如图1所示，移动床生物膜反应器系统包括移动床生物膜反应器1以及分别与移动床生物膜反应器1的内部相连通的进水桶2、出水桶3、曝气泵4。

其中，移动床生物膜反应器1的顶部设有与出水桶3相连通的出水口，底部设有与进水桶2相连通的进水口，出水口与进水口之间设有滤网5，该滤网5与移动床生物膜反应器1的底部之间设有填料6。移动床生物膜反应器1的内部设有搅拌器7。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法，其特征在于，该方法采用移动床生物膜反应器系统，将氨氮废水输入至移动床生物膜反应器中，在连续曝气条件下，对氨氮废水进行亚硝化处理；

所述的氨氮废水中，COD与氨氮的质量浓度比为0.1-0.25；

所述的氨氮废水中，氨氮的质量浓度为280-320mg/L；

所述的连续曝气条件为：曝气量为0.3-0.5L/min，溶解氧含量为0.5-1.5mg/L；

所述的移动床生物膜反应器内接种有亚硝化污泥；

所述的移动床生物膜反应器的内部温度为31-33℃；

所述的移动床生物膜反应器中，氨氮废水的进水流量为0.35-0.75L/h，水力停留时间为8-16h。

2.根据权利要求1所述的一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法，其特征在于，所述的移动床生物膜反应器中，搅拌器转速为30-40r/min，填料的总表面积为1-1.1m²/6L反应器。

3.根据权利要求1所述的一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法，其特征在于，所述的移动床生物膜反应器系统包括移动床生物膜反应器(1)以及分别与移动床生物膜反应器(1)的内部相连通的进水桶(2)、出水桶(3)、曝气泵(4)。

4.根据权利要求3所述的一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法，其特征在于，所述的移动床生物膜反应器(1)的顶部设有与出水桶(3)相连通的出水口，底部设有与进水桶(2)相连通的进水口，所述的出水口与进水口之间设有滤网(5)，该滤网(5)与移动床生物膜反应器(1)的底部之间设有填料(6)。

5.根据权利要求3所述的一种实现亚硝化工艺中生物膜快速增长的方法，其特征在于，所述的移动床生物膜反应器(1)的内部设有搅拌器(7)。

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