CN110092482A - 一种基于固定化小球实现同步pnd-dnra处理含碳、氮废水的方法 - Google Patents

一种基于固定化小球实现同步pnd-dnra处理含碳、氮废水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于固定化小球实现同步PND‑DNRA处理含碳、氮废水的方法，本发明的方法基于固定化小球进行，该固定化小球是以聚乙烯醇、海藻酸钠和糊化淀粉的交联聚合产物为载体，包埋短程硝化菌、反硝化菌与DNRA菌而形成的固定化小球，本发明的方法成功实现了短程硝化、反硝化、硝酸盐异化还原三个反应同步进行，三个反应过程进行联合脱氮除碳，在一个反应体系内成功实现了氨氮、硝氮以及COD的同步去除，提高系统的脱氮效率，同时固定化小球有助于在系统内维持较高的生物量浓度和生物活性，增强系统运行的稳定性。

Description

一种基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的 方法
技术领域
本发明涉及一种基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
目前我国城市污水和工业废水处理系统大多采用传统的生物脱氮工艺：硝化-反硝化工艺。尽管传统的生物脱氮工艺在稳定性和处理效率上有诸多优势，但是也存在处理成本高、占地面积大、工艺操作复杂以及剩余污泥量大等问题。因此，开发运行费用低、能源消耗少且可持续的新型生物脱氮工艺一直都是研究热点。
短程硝化反硝化工艺是一种新型生物脱氮技术，具有脱氮性能高和运行成本低等特点。该工艺简化了硝化反应过程，将氨氮转化控制在亚硝氮而非硝氮阶段，再实现反硝化。它在理念和技术上突破了传统硝化反硝化框架，可以节省25％的需氧量和约40％的有机碳源，使水力停留时间(HRT)减少一半左右，明显提高了生物脱氮速率。
短程硝化反硝化工艺需要严格控制系统菌群结构和活性，抑制亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的生长及活性，并有效富集氨氧化菌(AOB)和短程反硝化菌并强化其活性，以实现短程硝化反硝化系统的持续稳定运行。然而，短程硝化反硝化工艺的运行性能受到多种因素的影响，尤其是功能菌群的富集和控制较为困难。一方面，AOB和NOB的生态位具有很大的重叠，需严格控制运行条件以实现AOB的高浓度积累并使得NOB被自然淘汰，从而维持稳定的NO-N积累；另一方面，反硝化菌属于厌氧/缺氧异养菌与好氧自养菌AOB的生态位差异十分显著。在现有的同步短程硝化反硝化工艺中，常面临着系统启动时间长，运行性能不稳定的缺点。加快同步短程硝化反硝化工艺功能微生物的富集并提高其活性，能够有效加快系统的启动速度，提高对高氨氮废水的处理性能。
硝酸盐异化还原为铵(DNRA)是将硝态氮经亚硝氮转化为铵的过程，反应过程为NO3-→NO2-→NH4+。DNRA过程在C/N高的情况下更有优势。
由于同步短程硝化反硝化和硝酸盐异化为铵适用的C/N条件不同，现有，同步短程硝化反硝化与硝酸盐异化为铵无法结合在一起进行处理含氮废水，如果结合在一起，两者存在相互抑制，大大削弱了单一处理的效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，本发明的固定化小球是以聚乙烯醇、海藻酸钠和糊化淀粉的交联聚合产物为载体，包埋短程硝化菌、反硝化菌与DNRA菌而形成的固定化小球，本发明的方法成功实现了短程硝化、反硝化、硝酸盐异化还原三个反应同步进行，三个反应过程进行联合脱氮除碳，在一个反应体系内成功实现了氨氮、硝氮以及COD的同步去除，提高系统的脱氮效率，同时固定化小球有助于在系统内维持较高的生物量浓度和生物活性，增强系统运行的稳定性。
术语说明：
同步PND-DNRA：短程硝化、反硝化、硝酸盐异化还原为铵三个反应在一个体系内同步进行。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，包括步骤如下：
(1)将聚乙烯醇、海藻酸钠依次加入水中并分别加热搅拌溶解混合均匀，得到混合液1；
(2)将可溶性淀粉加入水中加热糊化，之后冷却至70～80℃，得混合液2；
(3)将水性聚氨酯乳液、混合液2依次加入混合液1中混合，冷却到室温后得凝胶液；
(4)将短程硝化菌泥、反硝化菌泥及硝酸盐异化还原为铵菌泥以质量比：1:1:1的比例混合，得混合菌泥；
(5)将混合菌泥加入冷却后的凝胶液中，混合均匀后得到菌胶混合液；
(6)取硼酸和氯化钙溶于水中，制备含有硼酸和氯化钙混合溶液，即为凝固液，将菌胶混合液在搅拌条件下滴加至凝固液中进行凝固成形，然后静置使其充分交联，得到固定化小球；
(7)将固定化小球活化后，投加至序批式生物过滤反应器(SBBGR)中，反应器的底部通入待处理废水，控制出水流速，同时进行好氧、缺氧间隔交替曝气，成功实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水。
根据本发明优选的，步骤(1)中，混合液1中聚乙烯醇的质量百分含量为8-20％，海藻酸钠的质量百分含量为0.5-1.5％。
根据本发明优选的，步骤(1)中，聚乙烯醇为聚合度为1600-1800、醇解度＞99％的聚乙烯醇。
根据本发明优选的，步骤(2)中，可溶性淀粉与水的质量体积比为：1：(40-60)，单位：g/mL。
根据本发明优选的，步骤(3)中，所述水性聚氨酯乳液的固含量为20％-40％，水性聚氨酯在凝胶液中的的质量分数为0.1％-1.2％；混合液2与混合液1的体积比为：1：(10-30)。
根据本发明优选的，步骤(4)中，短程硝化菌泥为好养污泥经短程硝化菌富集培养、清洗后得到，短程硝化菌泥的含水量为60-70wt％。
短程硝化菌富集培养按现有技术进行，清洗为富集培养后的污泥用去离子水洗净后在8000rpm下离心10min，去除上清液。
根据本发明优选的，步骤(4)中，所述的反硝化菌泥为厌氧污泥经反硝化菌富集培养、清洗后得到，反硝化菌泥的含水量为60-70wt％。
反硝化菌富集培养按现有技术进行，清洗为富集培养后的污泥用去离子水洗净后在8000rpm下离心10min，去除上清液。
根据本发明优选的，步骤(4)中，硝酸盐异化还原为铵菌泥为厌氧污泥经硝酸盐异化还原为铵菌富集培养、清洗后得到，硝酸盐异化还原为铵菌泥的含水量为60-90wt％。
硝酸盐异化还原为铵菌富集培养参照：异化硝酸盐还原菌(DNRA)的环境分布及富集培养研究，卜翠娜，《山东大学》2018年，清洗为富集培养后的污泥用去离子水洗净后在8000rpm下离心10min，去除上清液。
根据本发明优选的，步骤(5)中，混合菌泥与凝胶液的质量体积比为：1：(3-8)，单位：g/mL。
根据本发明优选的，步骤(6)中，所述凝固液中硼酸的质量分数为3％-5％，氯化钙的质量百分含量为2％-6％。
根据本发明优选的，所述的活化为将固定化小球置于活化水中在25℃-30℃下活化培养一周，所述的活化水组成如下：碳酸氢铵190mg/L，磷酸二氢钾25mg/L，硫酸镁200mg/L，氯化钙300mg/L，葡萄糖12.2mg/L，微量元素溶液1mL/L；所述微量元素溶液组成成分为：乙二胺四乙酸20.0g/L，硫酸锌0.43g/L，氯化锰0.99g/L，氯化钴0.24g/L，氯化镍0.19g/L，硫酸铜0.25g/L，硒酸钠0.21g/L，钼酸钠0.22g/L，硼酸0.014g/L。
根据本发明优选的，活化固定化小球在反应器中的填充率为反应器容积的15％-25％。
本发明的方法基于固定化小球进行，固定化小球利用AOB菌和NOB菌对于DO、pH值等条件适应度的不同，通过改变DO、Ph等条件抑制硝化反应NOB菌的活性，使亚硝态氮不能转化为硝态氮，从而积累亚硝态氮，反硝化菌可直接还原亚硝态氮为氮气。DNRA菌可以利用硝态氮或亚硝态氮为电子受体，有机碳为电子供体，将硝态氮或亚硝态氮还原为亚硝态氮或铵态氮，再进入上个循环生成氮气，成功实现了短程硝化、反硝化、硝酸盐异化还原三个反应同步进行，可以使短程硝化菌、反硝化菌与DNRA菌在系统内维持较高的细菌浓度和生物活性，并减少污泥流失，从而提高系统的稳定性和脱氮效率。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用固定化小球将短程硝化、反硝化与硝酸盐异化还原为铵三个过程耦合，成功实现了短程硝化、反硝化、硝酸盐异化还原三个反应同步进行，三个反应过程进行联合脱氮除碳，在一个反应体系内成功实现了氨氮、硝氮以及COD的同步去除，提高系统的脱氮效率。
2、本发明的方法基于固定化小球进行，固定化小球提高了生物量浓度，维持较高的细菌活性，可使系统长时间稳定运行。
3、本发明的固定化小球将具有溶胀性能的可溶性淀粉作为载体，使菌泥附着在多孔的可溶性淀粉之间，避免了固定化小球因网络孔隙过大导致被包埋的菌部分流失，利用率低。
4、本发明的固定化小球独立分散，不容易粘结在一起，韧性大，更耐水力冲刷，使用寿命长，可反复使用。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做进一步具体的描述，但本发明大的实施方式不限于此。
本发明采用的序批式生物过滤反应器(SBBGR)为现有技术，该反应器包括上反应器和下反应器，上反应器和下反应器通过螺栓密封扣合在一起，上反应器内部为曝气区，下反应器内部为反应区，固定化小球填充在下反应区中，下反应区中的顶部设置有防止固定化小球球上浮进入曝气区的隔板，曝气区内设置有曝气装置。
实施例1：
一种基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，包括步骤如下：
(1)将聚乙烯醇、海藻酸钠依次加入水中并分别加热搅拌溶解混合均匀，得到混合液1，混合液1中聚乙烯醇的质量百分含量为16％，海藻酸钠的质量百分含量为1.2％，聚乙烯醇为聚合度为1600-1800、醇解度＞99％的聚乙烯醇
(2)将可溶性淀粉加入水中加热糊化，之后冷却至70～80℃，得混合液2，可溶性淀粉与水的质量体积比为：1：33，单位：g/mL；
(3)将固含量为30％的水性聚氨酯乳液、混合液2依次加入混合液1中混合，得凝胶液，水性聚氨酯在凝胶液中的的质量分数为0.6％；混合液2与混合液1的体积比为：1：25，单位：g/mL；
(4)好养污泥经短程硝化菌富集培养，然后用去离子水洗净后在8000rpm下离心10min，去除上清液，得到短程硝化菌泥；
厌氧污泥经反硝化菌富集培养，然后用去离子水洗净后在8000rpm下离心10min，去除上清液，得到反硝化菌泥；
厌氧污泥经硝酸盐异化还原为铵菌富集培养，然后用去离子水洗净后在8000rpm下离心10min，去除上清液，得到硝酸盐异化还原为铵菌泥，
将短程硝化菌泥、反硝化菌泥、硝酸盐异化还原为铵菌泥按质量比为1：1：1的比例混合均匀，取30g混合菌泥与100ml冷却到室温的凝胶液混合均匀，得到菌胶混合液；
(5)取硼酸和氯化钙溶于水中，制备含有硼酸和氯化钙混合溶液，即为凝固液；所述凝固液中硼酸的质量分数为4％，氯化钙的质量百分含量为3％；
(6)将菌胶混合液在搅拌条件下滴加至凝固液中进行凝固成形，然后静置使其充分交联，得到固定化小球。
(7)将固定化小球在26℃下置于活化水中活化培养一周，使微生物得到充分的恢复，得活化固定化小球，将固定化小球按体积填充率20％投加至反应器中，反应器的有效容积为6L，利用时控开关控制进水蠕动泵和出水电磁阀控制反应器的进出水过程，废水向上透过固定化小球，反应器进水口外接回流泵，回流泵通过管路与上层反应器相连，将水从上层曝气区回流至下层反应区，保证反应器内废水的有效循环，反应器采用好氧、缺氧交替的运行方式。

Claims (9)

1.一种基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，包括步骤如下：
(1)将聚乙烯醇、海藻酸钠依次加入水中并分别加热搅拌溶解混合均匀，得到混合液1；
(2)将可溶性淀粉加入水中加热糊化，之后冷却至70～80℃，得混合液2；
(3)将水性聚氨酯乳液、混合液2依次加入混合液1中混合，冷却到室温后得凝胶液；
(4)将短程硝化菌泥、反硝化菌泥及硝酸盐异化还原为铵菌泥以质量比：1:1:1的比例混合，得混合菌泥；
(5)将混合菌泥加入冷却后的凝胶液中，混合均匀后得到菌胶混合液；
(6)取硼酸和氯化钙溶于水中，制备含有硼酸和氯化钙混合溶液，即为凝固液，将菌胶混合液在搅拌条件下滴加至凝固液中进行凝固成形，然后静置使其充分交联，得到固定化小球；
(7)将固定化小球活化后，投加至序批式生物过滤反应器(SBBGR)中，反应器的底部通入待处理废水，控制出水流速，同时进行好氧、缺氧间隔交替曝气，成功实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水。
2.根据权利要求1所述的基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，其特征在于，步骤(1)中，混合液1中聚乙烯醇的质量百分含量为8-20％，海藻酸钠的质量百分含量为0.5-1.5％；步骤(1)中，聚乙烯醇为聚合度为1600-1800、醇解度＞99％的聚乙烯醇。
3.根据权利要求1所述的基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，其特征在于，步骤(2)中，可溶性淀粉与水的质量体积比为：1：(40-60)，单位：g/mL。
4.根据权利要求1所述的基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述水性聚氨酯乳液的固含量为20％-40％，水性聚氨酯在凝胶液中的的质量分数为0.1％-1.2％；混合液2与混合液1的体积比为：1：(10-30)。
5.根据权利要求1所述的基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，其特征在于，步骤(4)中，短程硝化菌泥为好养污泥经短程硝化菌富集培养、清洗后得到，短程硝化菌泥的含水量为60-70wt％；
所述的反硝化菌泥为厌氧污泥经反硝化菌富集培养、清洗后得到，反硝化菌泥的含水量为60-70wt％；
硝酸盐异化还原为铵菌泥为厌氧污泥经硝酸盐异化还原为铵菌富集培养、清洗后得到，硝酸盐异化还原为铵菌泥的含水量为60-90wt％。
6.根据权利要求1所述的基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，其特征在于，步骤(5)中，混合菌泥与凝胶液的质量体积比为：1：(3-8)，单位：g/mL。
7.根据权利要求1所述的基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，其特征在于，步骤(6)中，所述凝固液中硼酸的质量分数为3％-5％，氯化钙的质量百分含量为2％-6％。
8.根据权利要求1所述的基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，其特征在于，所述的活化为将固定化小球置于活化水中在25℃-30℃下活化培养一周，所述的活化水组成如下：碳酸氢铵190mg/L，磷酸二氢钾25mg/L，硫酸镁200mg/L，氯化钙300mg/L，葡萄糖12.2mg/L，微量元素溶液1mL/L；所述微量元素溶液组成成分为：乙二胺四乙酸20.0g/L，硫酸锌0.43g/L，氯化锰0.99g/L，氯化钴0.24g/L，氯化镍0.19g/L，硫酸铜0.25g/L，硒酸钠0.21g/L，钼酸钠0.22g/L，硼酸0.014g/L。
9.根据权利要求1所述的基于固定化小球实现同步PND-DNRA处理含碳、氮废水的方法，其特征在于，活化固定化小球在反应器中的填充率为反应器容积的15％-25％。
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