CN203112574U - 一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置 - Google Patents

一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置 Download PDF

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顾升波
张宇坤
杨庆
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Abstract

本实用新型提供了一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置，涉及污水处理和生物技术结合的交叉技术领域，包括微生物培养反应器连接进水管、中间出水管、回流管、曝气管；曝气管进口处与空气压缩机相连；培养液储水箱通过进水管连接微生物培养反应器；中间水箱通过回流管连接微生物培养反应器；在微生物培养反应器内设置搅拌器、曝气管、曝气头、溶解氧浓度DO传感器、pH传感器、温度传感器、加热器。本实用新型可使污泥中的异养菌和氨氧化菌的生长受到明显抑制，最终促使富集的亚硝酸盐氧化菌在活性污泥中占微生物细菌总数量的85-90%，并耐受越来越高的亚硝酸盐浓度，使废水中高浓度亚硝酸盐降到0.2mg/L以下。

Description

一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置
技术领域
本实用新型涉及污水处理和生物技术结合的交叉技术领域，尤其涉及一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置。
背景技术
亚硝酸盐的污染来源广泛，主要存在于化工、化肥、医药、食品、橡胶工业、染料工业、油漆颜料、纺织工业和电镀行业的生产废水中。亚硝酸盐是一种致癌物质，亚硝酸盐进入人体后在特定条件下可转化成致癌物质—亚硝胺，同时人体吸入0.2-0.5g的亚硝酸盐能够引起高铁血红蛋白症，导致组织缺氧，使血管扩张和血压降低，出现中毒症状。近年来我国水体大面积亚硝酸盐污染引发的中毒事件频发，直接或间接造成了我国经济的巨大损失。因此对含亚硝酸盐废水的处理已经引起广泛关注。
目前国内外常用的处理高亚硝酸盐废水的方法包括还原法、化学氧化、电渗析法、离子交换法等物化法以及生物法。一般来说，物化方法存在反应条件苛刻、催化剂二次污染和费用较高等问题。相比之下，生物法是一种处理亚硝酸盐废水的经济高效方法。同时，国内市场上大多数硝化菌产品为低效混合微生物的替代产品，如光合细菌、芽孢杆菌和酿酒酵母等其它种类微生物。因此研究和开发亚硝酸盐细菌富集纯化方法和过程控制装置至关重要。
一般来说，市政废水或生活污水中的亚硝酸盐主要通过传统的硝化反硝化工艺进行处理，该过程中硝化阶段主要通过亚硝酸盐氧化菌（NOB）将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，然后在反硝化阶段反硝化异养菌以有机碳源为电子供体将亚硝酸盐还原为氮气，最终实现亚硝酸盐氮的有效去除。然而作为两类硝化功能菌之一的亚硝酸盐氧化菌（NOB）是化能自养菌，亚硝酸盐还原菌的世代时间长、繁殖速度慢，从而污水处理厂中的普通活性污泥所含的亚硝酸盐氧化菌含量特别低（<5%）甚至没有硝化菌。普通活性污泥的亚硝酸盐氧化菌难以用于处理高浓度的亚硝酸盐工业废水。
因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提出一种有效的措施，以解决现有技术中存在的不足。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置，培养可直接用于处理高亚硝酸盐浓度的工业废水的亚硝酸盐氧化菌，用于处理亚硝酸盐含量高、有机物含量低的工业污水，使工业污水能够安全排放。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置，包括：
微生物培养反应器（4）连接进水管（3）、中间出水管（12）、回流管（13）、曝气管（7）；进水管（3）上设置进水泵（2）；中间出水管（12）上设置中间出水阀（11）；回流管（13）上设置回流泵（14）；曝气管（7）上设置进气阀门（6），曝气管（7）进口处与空气压缩机（5）相连；培养液储水箱（1）通过进水管（3）连接微生物培养反应器（4）；中间水箱（15）通过回流管（13）连接微生物培养反应器（4）；中间水箱（15）上设置出水管（17），出水管（17）上设置出水阀（16）；在微生物培养反应器（4）内设置搅拌器（10）、曝气管（7）、曝气头（8）、溶解氧浓度DO传感器（19）、pH传感器（20）、温度传感器（21）、加热器（18），上述传感器经导线分别与DO测定仪（23）、pH测定仪（24）和温度测定仪（25）连接后与可编程过程控制器（22）数据信号接口一（33）、数据信号接口二（34）、数据信号接口三(35)连接，可编程过程控制器（22）内置的搅拌器继电器（26）、加热继电器（27）、进水继电器（28）、曝气继电器（29）、中间出水继电器（30）、回流继电器（31）、出水继电器（32）经接口分别与搅拌器（10）、加热器（18）、进水泵（2）、曝气管进气阀门（6）、中间出水阀门（11）、回流泵（14）和出水阀门（16）相连接。
综上，本实用新型提供的快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置，针对亚硝酸盐含量高（NO2 --N<1000mg/L）、有机物含量少（COD含量低于20mg/L）的特殊类型的工业废水，通过逐渐提高微生物亚硝酸盐氮负荷的方法，并采用以无机盐为主要成分的培养液，且培养液中不投加其它外加碳源的情况下，使污泥中的原生动物、后生动物、真菌、异养菌和氨氧化菌的生长受到明显抑制，有利于亚硝酸盐氧化菌成为活性污泥种群中的优势菌群，并耐受越来越高的亚硝酸盐浓度，最终达到处理浓度高达1000mg/L的亚硝酸盐污水，使污水中亚硝酸盐浓度降到0.2mg/L以下，甚至检测不到。
同时，本实用新型所培养的亚硝酸盐氧化菌优势菌种为硝化杆菌（Nitrobacter），原位荧光杂交技术（FISH）分析结果显示：亚硝酸盐氧化菌占活性污泥微生物全菌总数量的85-90%。
此外，本实用新型所富集的亚硝酸盐氧化菌不仅能用于处理低浓度的亚硝酸盐废水，而且能够高效快速处理高浓度亚硝酸盐废水，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1是本实用新型的一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置的结构示意图；
图2（a）是本实用新型的富集过程中进水亚硝酸盐浓度为1000mg/L时微生物培养反应器某一周期内亚硝酸盐和硝酸盐及过程控制参数DO和pH的变化曲线示意图；
图2（b）是本实用新型的富集过程中进水亚硝酸盐浓度为1000mg/L时微生物培养反应器某一周期内亚硝酸盐和硝酸盐及过程控制参数温度的变化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
参照图1所示为一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置的结构示意图，包括：微生物培养反应器4连接进水管3、中间出水管12、回流管13、曝气管7；进水管3上设置进水泵2；中间出水管12上设置中间出水阀11；回流管13上设置回流泵14；曝气管7上设置进气阀门6，曝气管7进口处与空气压缩机5相连；培养液储水箱1通过进水管3连接微生物培养反应器4；中间水箱15通过回流管13连接微生物培养反应器4；中间水箱15上设置出水管17，出水管17上设置出水阀16；在微生物培养反应器4内设置搅拌器10、曝气管7、曝气头8、溶解氧浓度DO传感器19、pH传感器20、温度传感器21、加热器18，上述传感器经导线分别与DO测定仪23、pH测定仪24和温度测定仪25连接后与可编程过程控制器22数据信号接口一33、数据信号接口二34、数据信号接口三35连接，可编程过程控制器22内置的搅拌器继电器26、加热继电器27、进水继电器28、曝气继电器29、中间出水继电器30、回流继电器31、出水继电器32经接口分别与搅拌器10、加热器18、进水泵2、曝气管进气阀门6、中间出水阀门11、回流泵14和出水阀门16相连接。
本实用新型所述快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养方法包括以下步骤：
I.第一次进水根据进水量和进水泵的流量计算具体进水时间，并通过可编程过程控制器（PLC）设定进水泵具体的进水时间，启动进水泵将培养液从培养液水箱引入微生物培养反应器，启动进水泵的同时开启搅拌器和空气压缩机，当达到预先设定的进水时间后，关闭进水泵，进入下一步工序；
II.曝气空气压缩机启动，曝气管进气阀门开启，溶解氧浓度控制在2.0～8.0mg/L范围内。曝气阶段搅拌器一直开启以保证污水和活性污泥的充分接触。鼓风机启动的同时可编程过程控制器开始曝气阶段计时，当曝气时间等于180分钟时，空气压缩机和搅拌器继续开启，系统进入下一步工序；
III.第二次进水根据进水量和进水泵的流量计算具体进水时间，并通过可编程实时控制器（PLC）设定进水泵具体的进水时间，启动进水泵将培养液从培养液水箱引入微生物培养反应器，当达到预先设定的进水时间后，关闭进水泵，进入下一步工序；
IV.曝气可编程过程控制器在第二次进水开始时重新计时，当曝气时间等于140分钟时，可编程过程控制器利用曝气继电器和搅拌器继电器关闭曝气管进气阀门和搅拌器，进入下一步工序；
V.回流曝气结束后该周期反应阶段基本结束，系统自动计算此时的周期数，并自动读取此培养液浓度下回流工序开始的周期数，若与预先设定的自动回流的周期数不相符，则直接进入沉淀阶段；若与预先设定的自动回流的周期数相符，则可编程过程控制器控制出水继电器打开出水阀门，达到预先设定的出水时间后自动关闭出水阀门；此后可编程过程控制器控制回流继电器打开回流泵，将中间水箱剩余的出水回流到微生物培养反应器，达到预先设定的出水时间后自动关闭回流泵，进入下一步工序；
VI.沉淀曝气或回流结束之后系统开始沉淀。根据污泥体积指数确定沉淀所需时间，由可编程过程控制器进行计时，当达到预先设定的沉淀时间后，进入下一个工序；
VII.排水确定排水的时间，可编程过程控制器通过中间出水继电器打开中间出水阀门，将处理后的水经中间出水管排到中间水箱里继续沉淀，关闭中间出水阀门；
VIII.闲置排水结束后到下一个周期开始定义为闲置期；根据经验设定闲置时间；当达到预先设定的闲置时间后，此时该周期结束，系统读取此培养液浓度下预先设定的反应周期数，若未达到预先设定的周期数，则系统由可编程过程控制器从工序Ⅰ到工序VII自动循环；当达到预先设定的整个反应的循环次数后，如果溶解氧曲线变化点在曝气时间为210~260分钟范围出现且检测到曝气260分钟时反应器内混合液中亚硝酸盐浓度小于预先设定的浓度，提高培养液中亚硝酸盐浓度，如果溶解氧曲线变化点在曝气时间为261~320分钟范围内出现，则系统从工序Ⅰ到工序VII自动循环，直到溶解氧曲线变化点在曝气时间为210~260分钟范围出现且曝气260分钟时反应器内混合液中亚硝酸盐浓度小于预先设定的浓度为止，此时提高培养液中亚硝酸盐浓度，系统开始进入下一个营养液浓度培养阶段，同时系统自动记录的周期数归零并重新开始记数，依次类推，直到系统进入到营养液为1000mg/LNO2 --N阶段且运行预先设定的反应周期数之后，亚硝酸盐氧化菌富集过程结束。
本实用新型所述的方案，采用序批式活性污泥法接种污水处理厂具有硝化活性的活性污泥，通过逐渐提高微生物亚硝酸盐浓度和溶解氧过程控制的方法来进行富集，根据权利要求书1所述的快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养方法，其特征在于所述富集亚硝酸盐氧化菌的培养液中，NO2 --N最终浓度为1000mg/L。
所述富集亚硝酸盐氧化菌的培养液中，缓冲液包括磷酸二氢钾、磷酸氢二钾和碳酸氢钠三种成分，磷酸二氢钾以KH2PO4形式加入，KH2PO4浓度为1000mg/L,磷酸氢二钾以K2HPO4.3H2O形式加入，K2HPO4浓度为1000mg/L,碳酸氢钠以NaHCO3形式加入，NaHCO3浓度为400mg/L。
所述富集亚硝酸盐氧化菌的培养液中，微量元素培养液包括EDTA、Zn、Co、Mn、Cu、Mo、Ca、Fe、Mg九种物质和元素，其中EDTA、Zn、Co、Mn、Cu、Mo、Ca、Fe和Mg的用量和引入方式如下：EDTA是以【CH2N（CH2COOH）2】2的形式加入，EDTA浓度为1250mg/L;Zn是以ZnSO4.7H2O形式加入的，Zn2+浓度为125mg/L;Co是以CoCl2.6H2O形式加入的，Co2+浓度为99mg/L；Mn是以MnCl2.4H2O形式加入的，Mn2+浓度为354mg/L；Cu是以CuSO4.5H2O形式加入的，Cu2+浓度为102mg/L;Mo是以Na2MoO4.2H2O形式加入的，Mo6+浓度为20mg/L;Ca是以CaCl2.2H2O形式加入的，Ca2+浓度为374mg/L;Fe是以FeCl3.6H2O形式加入的，Fe3+浓度为259mg/L;Mg是以MgSO4.7H2O形式加入的，Mg2+浓度为4260mg/L；Na是以Na2MoO4.2H2O形式加入的，Na+浓度为9.5mg/L。
所述富集亚硝酸盐氧化菌的培养液中缓冲液：微量元素培养液按体积比500:1的比例配制。
所述硝化细菌富集培养条件通过过程控制装置实现温度为22-25℃；pH为7.2-7.9；溶解氧为大于5mg/L。
所用的pH调节剂为NaOH和HCl,NaOH和HCl浓度均为1mol/L。
所述溶解氧过程控制的方法是利用溶解氧曲线上出现变化点指示亚硝酸盐降解终点。
所述逐渐提高微生物亚硝酸盐负荷的方法是培养液中亚硝酸盐浓度按照100、200、400、600、800和1000mg NO2 --N/L顺序依次增加，每个亚硝酸盐浓度条件下培养15天，持续时间共90天。
所述逐渐提高培养液亚硝酸盐浓度的方法，具体如下：每个亚硝酸盐浓度培养液投加之后测定各周期内反应过程中亚硝酸盐浓度的变化，当周期数等于60时，如溶解氧曲线上变化点在曝气时间为210~260分钟范围内出现,且曝气时间为260分钟时反应器内混合液的亚硝酸盐浓度小于0.2mg/L，则提高预加入培养液中亚硝酸盐浓度，其提高幅度为100-200mg/L；如溶解氧曲线上变化点在曝气时间为261~320分钟范围内出现，则反应器继续按周期运行直到溶解氧曲线上变化点在曝气时间为210~260分钟范围内出现，且曝气时间为260分钟时反应器内混合液的亚硝酸盐浓度小于0.2mg/L，此时提高预加入培养液中的亚硝酸盐浓度，其提高幅度为100-200mg/L。每次提高培养液中的亚硝酸盐浓度后，周期数归零并重新开始计数。
所述逐渐提高培养液亚硝酸盐浓度的方法是，当曝气260分钟时用GB7493-87N-(1-萘基)-乙二胺光度法检测不到反应器内混合液中的亚硝酸盐浓度，即低于0.2mg/L时，且连续运行15天之后，提高所加的培养液中亚硝酸盐浓度。
所述序批式活性污泥法，按进水、曝气、进水、曝气、沉淀、排水工序周期性运行，每天运行4个周期，每天第1-3个周期按如下步骤运行：每周期6小时，第一次进水，进水时间为5分钟，进水同时开始曝气，当曝气时间为3小时开始第二次进水，进水时间为5分钟，当曝气时间为5小时20分钟时关闭曝气和搅拌，之后开始沉淀，沉淀时间为30分钟，最后排水，排水10分钟；每天第4个周期按如下步骤运行：每周期6小时，第一次进水、曝气、第二次进水、曝气与前面三个周期完全相同，曝气结束的同时排出中间水箱上清液，排水结束后，剩余的混合液回流到微生物培养反应器，回流和沉淀同时进行，回流结束之后继续沉淀，沉淀时间达到30分钟时开始排水，排水时间为10分钟；
所培养的亚硝酸盐氧化菌优势菌种为硝化杆菌（Nitrobacter），其含量占活性污泥微生物全菌总数量的85-90%。
更为具体的，在一个总体积为10L，工作体积为8L的微生物培养反应器内富集培养亚硝酸盐氧化菌，培养过程中采用间歇式活性污泥法富集亚硝酸盐氧化菌，接种的活性污泥为城市污水处理厂二沉池的剩余污泥，该剩余污泥具有良好的全程硝化性能，接种后反应器内污泥浓度(VS S)为4000mg/L。污泥接种后加入富集营养液，其中富集亚硝酸盐氧化菌的培养液组成包括：NaNO2，KH2PO4、K2HPO4、NaHCO3和微量元素培养液，浓度如下：NO2 --N初始浓度为100mg/L,最终浓度为1000mg/L;KH2PO4浓度为1000mg/L;K2HPO4浓度为1000mg/L;NaHCO3浓度为400mg/L;每升营养液中添加2毫升微量元素培养液。微量元素培养液的组分如下：每升微量元素培养液含有1.25gEDTA,0.55gZnSO4.7H2O,0.4gCo Cl2.6H2O,1.275gMnCl2.4H2O,0.4gCuSO4.5H2O,0.05g    Na2Mo    O4.2H2O,1.375gCaCl2.2H2O,1.25gFeCl3.6H2O,44.4g MgSO4.7H2O。
在第一次加入富集亚硝酸盐氧化菌的培养液之后用pH调节剂为1mol/LNaOH和1mol/L HCl调节微生物培养反应器中pH值,将pH调节到7.2-7.3范围内。培养条件为：温度为22℃；pH为7.2-7.3；溶解氧为5mg/L；SV为30%。每天4个周期，第1-3个周期按以下步骤运行：第一次进水，进水时间为5分钟，进水量为1L，进水同时开始曝气和搅拌，同时PLC模块从曝气开始时计时，当曝气时间达到3小时时开始第二次进水，进水时间为5分钟，进水量为1L，第二次进水阶段期间曝气和搅拌继续进行，PLC继续计时，当曝气时间达到5小时20分钟时关闭曝气和搅拌，反应器开始沉淀，沉淀时间为30分钟，沉淀完成之后，开启排水阀，排水2L,排水10分钟，出水排到中间水箱，排水结束后关闭排水阀开始进入下一个周期，依次循环，直到运行到第4个周期；第4个周期按以下步骤运行：第一次进水，进水时间为5分钟，进水量为1L，进水同时开始曝气和搅拌，同时PLC模块从曝气开始时计时，当曝气时间达到3小时时开始第二次进水，进水时间为5分钟，进水量为1L，第二次进水阶段期间曝气和搅拌继续进行，PLC继续计时，当曝气时间达到5小时20分钟时关闭曝气和搅拌，反应器开始沉淀，沉淀时间为30分钟，沉淀开始的同时中间水箱的排水阀开启，将中间水箱中5L上清液排入下水道，排水时间为3分钟，排水结束后，中间水箱排水阀关闭，回流泵开启将中间水箱里剩余的1L出水混合液回流到SBR反应器，回流时间为2分钟，回流和沉淀同时进行，沉淀完成之后，开启排水阀，排水2L,排水10分钟。之后每天按此步骤依次循环运行，此过程中用GB7493-87N-(1-萘基)-乙二胺光度法每隔1个小时检测反应过程中亚硝酸盐浓度的变化。当系统在培养液中亚硝酸盐浓度为100mg/L条件下运行15天(第60个周期)时，如果第60个周期内DO曲线变化点在曝气时间为180~260min范围内出现，且亚硝酸盐浓度低于1.0mg/L,则提高预加入培养液的亚硝酸盐浓度，其提高幅度为100mg/L；如果第60个周期内反应过程DO曲线变化点在曝气时间为181~320min范围内出现，则反应器继续按周期工序循环运行，直到DO变化点在曝气时间为180~260min范围内出现，此时提高预加入培养液的亚硝酸盐浓度，其提高幅度为100mg/L。当富集亚硝酸盐氧化菌的培养液中亚硝酸盐浓度提高到200mg/L后，培养液中亚硝酸盐浓度的提高幅度为200mg/L。富集过程中活性污泥不断从反应其中淘洗出去，最终系统的污泥浓度从4000mgVSS/L下降到504mgVSS/L,并稳定维持在500mgVSS/L水平。SRT控制在20天，HRT为24小时。
从图2微生物培养反应器某一周期内亚硝酸盐和硝酸盐及过程控制参数DO、pH和温度的变化曲线可以看到：当培养液中亚硝酸盐浓度提高到1000mg/L时，亚硝酸盐被亚硝酸盐氧化菌快速氧化成硝酸盐，亚硝酸盐的比降解速率为201.1mgNO2 --N.gVSS-1.h-1，亚硝酸盐的去除率为99.5%以上。该反应周期内pH和温度分别维持在7.2和22℃，DO维持在5mg/L以上。在反应过程中，每次进水之后DO曲线上都会出现指示亚硝酸盐降解结束的变化点。如图2所示：富集培养污泥中的亚硝酸盐氧化菌能够耐受1000mg/L的亚硝酸盐浓度，完全去除浓度高达1000mgNO2 --N/L亚硝酸盐废水。最后本实用新型方法成功富集出亚硝酸盐氧化菌占总细菌数85-90%的微生物混合物，主要菌属类型为硝化杆菌（Nitrobacter）。
以上对本实用新型所提供的一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (1)

1.一种快速富集亚硝酸盐氧化菌的培养装置，包括：
微生物培养反应器（4）连接进水管（3）、中间出水管（12）、回流管（13）、曝气管（7）；进水管（3）上设置进水泵（2）；中间出水管（12）上设置中间出水阀（11）；回流管（13）上设置回流泵（14）；曝气管（7）上设置进气阀门（6），曝气管（7）进口处与空气压缩机（5）相连；培养液储水箱（1）通过进水管（3）连接微生物培养反应器（4）；中间水箱（15）通过回流管（13）连接微生物培养反应器（4）；中间水箱（15）上设置出水管（17），出水管（17）上设置出水阀（16）；在微生物培养反应器（4）内设置搅拌器（10）、曝气管（7）、曝气头（8）、溶解氧浓度DO传感器（19）、pH传感器（20）、温度传感器（21）、加热器（18），上述传感器经导线分别与DO测定仪（23）、pH测定仪（24）和温度测定仪（25）连接后与可编程过程控制器（22）数据信号接口一（33）、数据信号接口二（34）、数据信号接口三(35)连接，可编程过程控制器（22）内置的搅拌器继电器（26）、加热继电器（27）、进水继电器（28）、曝气继电器（29）、中间出水继电器（30）、回流继电器（31）、出水继电器（32）经接口分别与搅拌器（10）、加热器（18）、进水泵（2）、曝气管进气阀门（6）、中间出水阀门（11）、回流泵（14）和出水阀门（16）相连接。
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