CN110482715A - 一种利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，具体提供了一种利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法，所采用的固定化微生物技术包括：将硝化菌剂与反硝化菌剂按一定比例混合后用吸附剂进行吸附，采用包埋剂对吸附后的菌剂进行包埋，包埋后胶液滴入交联剂中形成具有生物活性的凝胶小球，制备的凝胶小球，从表面向内部依次形成好氧、缺氧和厌氧环境，分别可进行硝化反应、反硝化反应和水解酸化作用，无需硝化液回流，能够实现同步硝化反硝化脱氮。较传统生物脱氮工艺，本发明具有更高的脱氮效率，且操作过程简单、便于维护管理、易于推广。

Description

一种利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体提供了一种利用固定化微生物技术制备同步硝化反硝化脱氮微生物小球的方法及运用该小球进行同步硝化反硝化脱氮的工艺。
背景技术
随着水体富营养化的不断发生，氮素污染问题已经引起人们的高度关注。传统的生物脱氮是通过硝化和反硝化两个过程来实现。近三十年来，尽管生物脱氮技术有了很大的发展，但硝化和反硝化两个过程仍然需要在两个隔离的反应器或同一个反应器的不同阶段进行。传统生物脱氮工艺存在占地面积大，基建投资高，为维持较高的脱氮效果，必须同时进行污泥和硝化液回流，存在动力消耗大和运行费用高等弊端。
同步硝化反硝化脱氮是指硝化反应和反硝化反应在同一反应器内同步进行的新型工艺。该工艺相较传统工艺不仅克服了传统工艺硝化和反硝化过程在两个不同的反应器内进行或者在同一反应器内顺次进行的不足，而且可以节省基建费用，另外反硝化过程产生的碱可部分中和硝化过程产生的酸，减少碱液的消耗，能有效地保持反应器中pH稳定。
固定化微生物技术是用物理或化学方法将游离微生物细胞固定在某一特定空间范围内，使其高度聚集，并使其保留固有的活性，能在环境中连续和重复使用的技术。在污水处理领域，该技术将一种或几种特定的环保微生物混合固定制备成具有生物活性的凝胶小球，从表面向内部依次形成好氧、缺氧和厌氧环境，分别可进行硝化反应、反硝化反应和水解酸化作用，无需硝化液回流，是实现污水同步硝化反硝化脱氮的重要技术手段。但在现有的技术条件下制备的固定化凝胶小球在生化系统中易破碎、机械强度低、重复使用批次低，且传质性能差、脱氮效率不高，这些因素限制着固定化微生物技术在污水处理领域的应用；现有技术中虽然也出现过采用载体负载微生物处理剂的技术方案出现过，但是上述方案需要对负载后的微生物进行定向的驯化培养，需要大量的时间和精力才能完成，且由于驯化培养的结果未知，导致其效果差异较大，难以更好的推广和应用。
因此获得一种性质更加稳定，性能更好的同步硝化反硝化脱氮微生物处理单元，成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明针对上述技术存在的不足，提供了一种利用固定化微生物技术制备同步硝化反硝化脱氮微生物小球的方法及运用该小球进行同步硝化反硝化脱氮的工艺，所采用的固定化微生物技术包括：将硝化菌剂与反硝化菌剂按一定比例混合后用吸附剂进行吸附，采用包埋剂对吸附后的菌剂进行包埋，包埋后胶液滴入交联剂中形成具有生物活性的凝胶小球，制备的凝胶小球，从表面向内部依次形成好氧、缺氧和厌氧环境，分别可进行硝化反应、反硝化反应和水解酸化作用，无需硝化液回流，能够实现同步硝化反硝化脱氮。较传统生物脱氮工艺，本发明具有更高的脱氮效率，且操作过程简单、便于维护管理、易于推广。
本发明的具体技术方案如下：
首先发明人提供了一种同步硝化反硝化脱氮微生物小球，该小球的制备方法具体步骤如下：
(1)将硝化菌剂和反硝化菌剂按湿重比为1:2-1:6混合，加入吸附载体后充分搅拌，混合均匀；
所述硝化菌剂为通过生化好氧池活性污泥富集培养制得的硝化菌，包括亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、亚硝化螺菌属、亚硝化叶菌属、硝化杆菌属、硝化球菌属和硝化囊菌属中的任意一种或多种细菌；
更进一步的，所述硝化菌剂硝化活性≥500mg/(L.d)；
所述反硝化菌剂为通过生化缺氧池活性污泥富集培养制得的异养反硝化菌；
所述反硝化菌剂反硝化活性≥300mg/(L.d)。
所述反硝化菌剂菌量≥3×1010CFU/mL。
所述菌剂吸附载体为二氧化硅、活性炭、沸石粉或硅藻土中的一种或几种；
所述吸附载体与混合菌剂质量体积比例为：2-30mg/ml。
(2)将步骤(1)中的混合物与提前制备的包埋剂溶液按一定比例混合，充分搅拌；
所述包埋剂为：海藻酸钠、聚乙烯醇、壳聚糖、明胶或卡拉胶中的一种或几种；其水溶液浓度控制在10-100g/L；
所述步骤(1)中的混合物与包埋剂的体积比为：1:1-1:3；
(3)将步骤(2)中混合胶液滴入到交联剂中，搅拌使其反应成球，并在低温下固化交联；
所述步骤(2)中混合胶液与交联剂的体积比为：1:10-1:15；
所述交联剂为：氯化钙、氯化钡、饱和硼酸溶液或氯化钾中的一种或几种；
其水溶液浓度控制在10-100g/L；
所述固化交联条件为：固化温度1-10℃，固化时间为12-48h；
(4)交联后，将固定化小球在清水中洗净至中性，得到用于同步硝化反硝化脱氮的固定化微生物小球；
所获得的固定化微生物小球其粒径2-5mm，密度1.1-2.5g/cm3，每克小球包含0.2-0.5g脱氮微生物，也就是上述的硝化菌剂和反硝化菌剂。
上述的通过活性污泥富集培养硝化菌和反硝化菌采用的均为现有技术，具体可参考：
硝化菌：一种半干态硝化菌剂的制备方法及应用，申请号：201811529291.8；
反硝化菌：一种废水处理用反硝化脱氮菌剂的制备方法，申请号：201611055970.7；
采用上述的包埋剂，起到了壁材的作用，而吸附后的混合菌液为芯材，壁材与芯材混合后，滴加入交联剂中自然成球，包埋剂壁材将芯材包裹于内部，从而形成固定化微胶囊，较之现有的物理吸附效果更好。
采用上述工艺获得的同步硝化反硝化脱氮微生物小球，其从表面向内部形成溶解氧梯度，形成好氧区，兼氧区，厌氧区。当含氮污水与固定化小球接触后，氨氮在好氧区通过硝化作用转化为硝态氮或亚硝态氮等硝化产物，硝化产物继续向内扩散，在兼氧区通过反硝化作用生成氮气，实现脱氮；在兼氧区反硝化过程中生成的碱性物质进入好氧区和厌氧区，在好氧区为硝化反应提供所需的碱度，在厌氧区补充水解酸化产物消耗的碱度，维持pH稳定；
当污水中含有有机氮或大分子有机物时，大分子有机物在厌氧区水解酸化为易被微生物利用的小分子物质，扩散至兼氧区，为反硝化作用提供所需的碳源，有机氮在厌氧区通过氨化作用转化为氨氮，扩散至好氧区，为后续硝化反硝化脱氮奠定了基础；
在获得上述的同步硝化反硝化脱氮微生物小球后，发明人进一步提供的了利用其进行同步硝化反硝化脱氮的工艺，包括以下步骤：
(1)将固定化小球投加到待处理的含氮污水中，建立生化脱氮反应体系；
所述固定化小球投加量按照含氮污水的体积比例为20-60g/L；
所述含氮污水氨氮含量≤2000mg/L；
(2)通过曝气、补加酸碱调节剂和碳源，控制反应体系的温度、溶解氧、pH及碳氮比，进行生物脱氮；
所述酸碱调节剂为碳酸钠、氢氧化钠、醋酸或磷酸的一种或几种。
所述碳源为葡萄糖、甲醇、乙酸钠或淀粉的一种或几种。
所述控制系统温度为10-40℃。
所述控制系统溶解氧为2-5mg/L。
所述控制系统pH为7.0-7.5。
所述控制系统碳氮比为4-6。
生物脱氮的标准为：氨氮脱除率≥90％、总氮脱除率≥80％，达到上述标准后，经过处理的含氮污水即可外排
采用上述的同步硝化反硝化脱氮的工艺，实现了：
a、在同一反应器内实现氨氮和总氮的脱除，形成同步硝化反硝化，可以减少构筑物数量，从而大大简化工艺流程，降低运营成本；
b、硝化、反硝化过程在同一反应器中进行，不但可以解决传统方法中因在曝气阶段对COD的大量消耗而造成反硝化过程碳源不足的问题，而且硝化产生的亚硝态氮可直接进行反硝化进行脱氮，形成短程硝化反硝化，可以减少反硝化阶段40％碳源的消耗量，减少了外加碳源量，降低了脱氮成本；
c、固定化微生物技术可以使系统内形成较高的生物量，提高处理能了和处理负荷；
d、固定化包埋技术可以使微生物处于一个相对稳定的环境，提高了系统的抗冲击能力，且不会发生污泥膨胀等问题。
在现有的技术条件下制备的固定化凝胶小球存在着易破碎、机械强度低、重复使用批次低、传质性能差且脱氮效率不高等问题，本发明较以往技术有如下先进性和创造性，极大的推进了固定化微生物技术在污水处理领域的应用：
a、本发明固定的菌剂为通过活性污泥富集培养的自养硝化菌群和异养反硝化菌群，较直接固定化活性污泥工艺，富集培养后的菌剂能淘汰掉大部分非目标菌，特别是淘汰掉产酸、产碱及对固定化壁材有降解作用的杂菌，能提高固定化小球的稳定性，增加重复使用批次；较固定化纯菌工艺，富集培养后的菌群由多个属种的硝化菌和反硝化菌组成，对不同水质适应性强、抗冲击能力强；
b、本发明菌剂先用二氧化硅、活性炭、沸石粉或硅藻土中的一种或几种吸附剂吸附后再进行包埋固定化，吸附剂的使用能提高小球内菌剂的稳定性，降低反应过程中菌剂的丢失率，且吸附剂能提高固定化小球的机械强度和改善小球内部的传质性能，极大的提高了脱氮效率。
附图说明
图1为本发明所提供的同步硝化反硝化脱氮微生物小球结构，及利用其进行同步硝化反硝化脱氮的工艺原理示意图；
图中：1-固定化微生物小球本体，2-好氧区，3-兼氧区，4-厌氧区；
过程a-硝化产物亚硝态氮和硝态氮进入兼氧区进行反硝化；
过程b-反硝化过程产生的碱性物质进入好氧区，为硝化反应提供所需的碱度；
过程c-反硝化过程产生的碱性物质进入厌氧区，补充水解酸化产物消耗的碱度，维持pH稳定；
过程d-厌氧水解酸化产生的小分子有机物进入兼氧区，为反硝化提供所需的碳源。
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容做进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围，除特殊说明外，下述实施例中均采用常规现有技术完成。其中所述的硝化菌剂培养液和反硝化菌剂培养液，采用现有技术制得，具体可参考：
硝化菌：一种半干态硝化菌剂的制备方法及应用，申请号：201811529291.8；
反硝化菌：一种废水处理用反硝化脱氮菌剂的制备方法，申请号：201611055970.7，发明人在此不再赘述。
实施例1
聚乙烯醇/海藻酸钠-硼酸/氯化钙包埋法固定化微生物技术实现制革废水同步硝化反硝化脱氮工艺，具体步骤如下：
1、配制包埋剂
边搅拌边缓慢加13g聚乙烯醇于150mL100℃蒸馏水中，充分搅拌至完全溶解；在另一烧杯内，边搅拌边缓慢加1.6g海藻酸钠于150mL85℃蒸馏水中，充分搅拌至完全溶解；在充分搅拌条件下，将聚乙烯醇溶液缓慢倒入海藻酸钠溶液中，混匀30min，即得包埋剂；停止加热，将包埋剂冷却至室温后，备用。
2、配制交联剂
在饱和硼酸溶液中加入2％(W/V)氯化钙，搅拌溶解，使用饱和碳酸氢钠溶液调节pH为6.7，放入冰箱冷藏至4℃。
3、菌悬浮液制备
分别取经现有技术中活性污泥富集制得的硝化菌剂培养液和反硝化菌剂培养液，在8000rpm下离心10min，弃去上清液，用无菌水将菌体沉淀悬浮，再次离心后去上清，分别称量硝化菌和反硝化菌的菌体湿重，按硝化菌湿重：反硝化菌湿重1:2混合；将混合后菌体悬浮于无菌水中，至湿重500g/L，加入3mg/ml活性炭，摇匀10min，再加入16mg/ml的二氧化硅，摇匀吸附10min，即得菌悬浮液。
4、包埋法固定化细胞制备
分别取混合菌悬浮液和包埋剂，两者按1:1(V/V)充分混匀。使用1mL移液枪，将混匀液滴入盛有250mL交联剂的500mL烧杯内，逐滴滴入，形成2-3mm小球，放入4℃冰箱，固定化20h；倒掉交联剂，用生理盐水洗涤固定化小球3次后，称重，小球密度1.3-1.6g/cm3。置于4℃冰箱中，备用。
5、利用固定化微生物小球进行制革废水同步硝化反硝化脱氮
(1)取制革废水(高氨氮、总氮中有机氮比例高、高COD、营养丰富)，经检测氨氮531mg/L、总氮728mg/L、COD 1032mg/L、硝态氮和亚硝态氮几乎为0。
(2)按60g/L的投加量将固定化小球投加到上述制革废水中。
(3)通过曝气机对系统进行曝气，控制系统溶解氧2.0mg/L左右；通过碳酸钠调节系统pH维持在7.2-7.4；向系统中流加葡萄糖，控制系统碳氮比4.0以上。
(4)运行5d后，经检测系统中氨氮13mg/L、总氮71mg/L、亚硝态氮18mg/L、硝态氮3mg/L、COD 121mg/L，计算得利用固定化微生物小球进行制革废水同步硝化反硝化脱氮的氨氮去除率为97.6％，总氮去除率为90.2％。
实施例2
卡拉胶-氯化钾包埋法固定化微生物技术实现石化废水同步硝化反硝化脱氮工艺，具体步骤如下：
1、配制包埋剂
在一烧杯内，边搅拌边缓慢加4.43g卡拉胶于150mL 90℃蒸馏水中，充分搅拌至完全溶解即得包埋剂，50-55℃保温，备用。
2、配制交联剂
配置2-4％(W/V)氯化钾溶液，放入冰箱冷藏至6℃。
3、菌悬浮液制备
分别取经活性污泥富集制得的硝化菌剂培养液和反硝化菌剂培养液，在8000rpm下离心10min，弃去上清液，用无菌水将菌体沉淀悬浮，再次离心后去上清，分别称量硝化菌和反硝化菌的菌体湿重，按硝化菌湿重：反硝化菌湿重1:3混合；将混合后菌体悬浮于无菌水中，至湿重200g/L，加入8mg/ml硅藻土，摇匀10min，再加入21mg/ml的沸石粉，摇匀吸附10min，即得菌悬浮液，35-40℃保温，备用。
4、包埋法固定化细胞制备
分别取混合菌悬液和包埋剂，两者按1:3(V/V)充分混匀。使用1mL移液枪，将混匀液滴入盛有250mL交联剂的500mL烧杯内，逐滴滴入，成3-4mm小球，放入6℃冰箱，固定化42h。倒掉交联剂，用蒸馏水洗涤固定化小球3次后，称重，小球密度2.0-2.2g/cm3。置于6℃冰箱中，备用。
5、利用固定化微生物小球进行石化废水同步硝化反硝化脱氮
(1)取石化废水(碳氮比低、B/C低)，经检测氨氮212mg/L、总氮273mg/L、COD326mg/L、硝态氮和亚硝态氮几乎为0mg/L。
(2)按30g/L的投加量将固定化小球投加到上述石化废水中。
(3)通过曝气机对系统进行曝气，控制系统溶解氧3.0mg/L左右；通过碳酸钠调节系统pH维持在7.0-7.4；向系统中流加甲醇，控制系统碳氮比5.0以上。
(4)运行1d后，经检测系统中氨氮16mg/L、总氮46mg/L、亚硝态氮6mg/L、硝态氮2mg/L、COD 143mg/L，计算得利用固定化微生物小球进行制革废水同步硝化反硝化脱氮的氨氮去除率为92.5％，总氮去除率为83.2％。
实施例3
海藻酸钠-氯化钙包埋法固定化微生物技术进行同步硝化反硝化脱氮与传统A/O工艺脱氮的对比，具体步骤如下：
1、配制包埋剂
在一烧杯内，边搅拌边缓慢加5g海藻酸钠于150mL85℃蒸馏水中，充分搅拌至完全溶解即得包埋剂；停止加热，将包埋剂冷却至室温后，备用。
2、配制交联剂
配置5％(W/V)氯化钙溶液，放入冰箱冷藏至4℃。
3、菌悬浮液制备
分别取经活性污泥富集制得的硝化菌剂培养液和反硝化菌剂培养液，在8000rpm下离心10min，弃去上清液，用无菌水将菌体沉淀悬浮，再次离心后去上清，分别称量硝化菌和反硝化菌的菌体湿重，按硝化菌湿重：反硝化菌湿重1:2混合；将混合后菌体悬浮于无菌水中，至湿重300g/L，加入7mg/ml活性炭，摇匀10min，再加入23mg/ml的沸石粉，摇匀吸附10min，即得菌悬浮液。
4、包埋法固定化细胞制备
分别取混合菌悬液和包埋剂，两者按1:2(V/V)充分混匀。使用1mL移液枪，将混匀液滴入盛有250mL交联剂的500mL烧杯内，逐滴滴入，成2-3mm小球，放入4℃冰箱，固定化24h。倒掉交联剂，用蒸馏水洗涤固定化小球3次后，称重小球密度2.2-2.4g/cm3。置于4℃冰箱中，备用。
5、利用固定化微生物小球进行农化废水同步硝化反硝化脱氮与传统A/O工艺脱氮对比：
(1)取农化废水(全盐含量高、硫化物等对生化系统抑制性物质含量高)，经检测氨氮432mg/L、总氮511mg/L、COD 2054mg/L、硝态氮31mg/L、亚硝态氮几乎为0mg/L、全盐含量42000mg/L、硫化物含量108mg/L。
(2)对照组：传统A/O工艺，农化废水依次流过缺氧池和好氧池，且需要将好氧池出口部分泥水混合物回流至缺氧池，控制回流比200％-400％，以便补充缺氧池活性污泥浓度和实现反硝化脱氮；
实验组：固定化微生物同步硝化反硝化工艺，按50g/L(污泥含量远低于A/O工艺)的投加量将固定化小球投加到上述农化废水中。
(3)工艺控制：对照组：缺氧池通过搅拌控制溶解氧0.2-0.5mg/L，通过曝气机对好氧池进行曝气，控制好氧池溶解氧5.0mg/L左右；好氧池通过补加碳酸钠，维持pH 7.2-7.5；向系统中流加淀粉或乙酸钠，控制系统碳氮比5.0以上；
实验组：通过曝气机对系统进行曝气，控制系统溶解氧3.0mg/L左右；通过碳酸钠调节系统pH维持在7.2-7.5；向系统中流加淀粉或乙酸钠，控制系统碳氮比5.0以上。
(4)运行2d后，检测对照组和实验组中氨氮、亚硝态氮、硝态氮、总氮及COD的含量，计算氨氮去除率、总氮去除率、脱氮碳氮比等指标，具体数值见表1。
表1对照组与实验组进出水指标对比
检测项目 进水指标 对照组出水指标 实验组出水指标
氨氮mg/L 432 54 28
亚硝态氮mg/L 0 8 5
硝态氮mg/L 31 32 11
总氮mg/L 511 103 61
COD mg/L 2054 308 289
氨氮脱除率 / 87.5％ 93.5％
总氮脱除率 / 79.8％ 88.1％
由上述内容可知，采用本发明提供的同步硝化反硝化脱氮微生物小球进行同步硝化反硝化脱氮处理，在氨氮脱除率、总氮脱除率等各项效果明显好于现有传统A/O工艺。

Claims (8)

1.一种利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将硝化菌剂和反硝化菌剂按一定比例混合，加入吸附载体后混合均匀；
(2)将步骤(1)中的混合物与提前制备的包埋剂溶液按一定比例混合，充分搅拌；
(3)将步骤(2)中混合胶液滴入交联剂中，搅拌使其反应成球，并在低温下固化交联；
(4)交联后，将固定化小球在清水中洗净备用；
(5)将上述小球按一定的比例加入含氮污水中，通过工艺控制，实现高效同步硝化反硝化脱氮；
其中步骤(1)中所述硝化菌剂和反硝化菌剂混合比例为：湿重比1:2-1:6。
2.根据权利要求1所述的利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述硝化菌剂为通过生化好氧池活性污泥富集培养制得的自养硝化细菌，包括亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、亚硝化螺菌属、亚硝化叶菌属、硝化杆菌属、硝化球菌属和硝化囊菌属中的细菌，硝化菌剂硝化活性≥500mg/(L.d)。
3.根据权利要求1所述的利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述反硝化菌剂为通过生化缺氧池活性污泥富集培养制得的异养反硝化菌，反硝化菌剂反硝化活性≥300mg/(L.d)。
4.根据权利要求1所述的利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述吸附载体为：二氧化硅、活性炭、沸石粉或硅藻土中的一种或几种；所述步骤(1)中所述吸附载体与混合菌剂质量体积比为2-30mg/ml。
5.根据权利要求1所述的利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述包埋剂为：海藻酸钠、聚乙烯醇、壳聚糖、明胶或卡拉胶中的一种或几种；所述步骤(2)中混合物与包埋剂的体积比为：1:1-1:3。
6.根据权利要求1所述的利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法，其特征在于：所述步骤(3)中交联剂为：氯化钙、氯化钡、饱和硼酸溶液或氯化钾中的一种或几种；所述步骤(3)中混合胶液与交联剂的体积比为1:10-1:15。
7.根据权利要求1所述的利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法，其特征在于：所述步骤(3)中固化交联条件为：固化温度1-10℃，固化时间为12-48h。
8.根据权利要求1所述的利用固定化微生物技术实现同步硝化反硝化脱氮的方法，其特征在于：所述步骤(5)中工艺控制条件为：
(1)固定化小球投加量为20-60g/L；
(2)通过曝气、补加酸碱调节剂和碳源，控制反应体系的溶解氧、pH及碳氮比，进行生物脱氮，其中：酸碱调节剂为碳酸钠、氢氧化钠、醋酸或磷酸的一种或几种；碳源为葡萄糖、甲醇、乙酸钠或淀粉的一种或几种；控制系统溶解氧为2-5mg/L；控制系统pH为7.0-7.5；控制系统碳氮比为4-6。
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