CN213895337U - 一种提高反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮性能的装置 - Google Patents

Abstract

一种提高一体式部分反硝化‑厌氧氨氧化耦合脱氮性能的装置，属于污水处理领域。反应器最底部是部分反硝化颗粒污泥，厌氧氨氧化颗粒污泥在反应器中部，里面厌氧氨氧化颗粒污泥与不动杆菌JQ1004包埋颗粒均匀混合。对不动杆菌JQ1004进行强化饥饿培养，使其生长处在稳定期且能分泌更多的酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子,之后将已培养完成的稳定期不动杆菌JQ1004包埋颗粒和厌氧氨氧化颗粒污泥置于同一反应装置中，不动杆菌JQ1004在缺氧条件下能消耗有机碳源还原硝态氮，减少有机物对厌氧氨氧化造成的影响，同时不动杆菌JQ1004产生的酰基高丝氨酸内酯类信号分子也能够提高厌氧氨氧化菌的活性。

Description

一种提高反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮性能的装置

技术领域

本实用新型属于污水处理领域，尤其涉及通过以部分反硝化污泥颗粒，包埋不动杆菌JQ1004(中国微生物保藏中心CGMCC15414号)和厌氧氨氧化污泥颗粒为主体的污水处理装置及其运行策略。

背景技术

厌氧氨氧化，将亚硝酸盐作为电子受体将氨氧化为氮气的过程，通过厌氧氨氧化生物脱氮可以减少氧气需求，一部分氨在缺氧条件下不需要消耗氧气就能被氧化，因此它被广泛认为是一种成本效益高的废水脱氮工艺。为了获得亚硝酸盐作为底物，厌氧氨氧化通常与部分反硝化(PN)结合，这理论上可以减少了60％的曝气量，有机碳减少100％，并减少90％的污泥产量。部分反硝化/厌氧氨氧化(PDA)工艺被认为可以在污水处理厂中实现厌氧氨氧化的一种有前途的方法。需注意的是11％的氮，通过厌氧氨氧化反应转化为硝酸盐，亚硝酸盐氧化细菌 (NOB)的存在不可避免的加剧了废水中硝酸盐的积累。然而，PN/厌氧氨氧化工艺无法去除包含在废水中的硝酸盐，导致相对较差的脱氮效率(51-87％)。另外，Anammox菌细胞还具有产率低(0.11gVSS/gNH4+-N)、世代周期长(可达32d)、对底物依赖性强、环境抗逆性弱及基因扩增困难导致反应启动耗时过长的特点。

不动杆菌JQ1004是一株从北京市高碑店污水处理厂BBR(Bacillus BacteriaBioreactor)中试设备的活性污泥样品中分离得到一株革兰氏阴性菌株，能分泌 AHL信号分子。它是一种兼性菌，在缺氧条件下能利用有机碳源进行反硝化作用，还原硝态氮，适宜的生存条件:pH为7.33左右，温度为31.8℃左右。它对环境有着比较强的抗逆性，增殖能力强，在污水处理领域应用前景很大。

在厌氧氨氧化区域包埋稳定期不动杆菌JQ1004相对于部分反硝化-厌氧氨氧化工艺有以下优势：

(1)不动杆菌JQ1004在缺氧条件下可以还原硝态氮，这能进一步提高部分反硝化-厌氧氨氧化的出水水质。

(2)不动杆菌JQ1004分泌物含有酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子，AHLs 可促进厌氧氨氧化活性基因的表达且利于生物膜的形成。

(3)不动杆菌JQ1004对环境有着较强的适应能力,接种稳定期的JQ1004也能拥有较长的存活时间，在污水生化系统中可使系统运行更加稳定。

实用新型内容

由于部分反硝化，厌氧氨氧化微生物对环境变化敏感，比如对有机物干扰或基质中有毒有害物质等抵抗能力弱，尤其是将部分反硝化耦合厌氧氨氧化工艺应用于主流废水处理时，微生物活性受到主流废水中有机物的抑制、导致脱氮不完全。

因此本实用新型专利提供一种在一体式部分反硝化耦合厌氧氨氧化区域内接种不动杆菌JQ1004包埋颗粒进行强化脱氮的装置以及运行方法。主要的创新点在于对不动杆菌JQ1004进行强化饥饿培养，使其生长处在稳定期且能分泌更多的酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子,之后将已培养完成的稳定期不动杆菌JQ1004包埋颗粒和厌氧氨氧化颗粒污泥置于同一反应装置中，二者均匀混合，不动杆菌JQ1004在缺氧条件下能消耗有机碳源还原硝态氮，减少有机物对厌氧氨氧化造成的影响，同时不动杆菌JQ1004产生的酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子也能够提高厌氧氨氧化菌的活性。反应器最底部是部分反硝化颗粒污泥，厌氧氨氧化颗粒污泥在反应器中部，里面厌氧氨氧化颗粒污泥与不动杆菌JQ1004包埋颗粒均匀混合。

一种提高一体式部分反硝化-厌氧氨氧化耦合工艺脱氮性能的装置，其特征在于，包括：

反应器为有机坡璃制成的UASB反应器，反应器最底部是部分反硝化区域，其中接种部分反硝化颗粒污泥，以聚乙烯球作为填料，填充比为35％；部分反硝化区域之上是厌氧氨氧化区域，部分反硝化区域与厌氧氨氧化区域之间采用可让溶液通过的隔板隔开；厌氧氨氧化区域接种厌氨氧化颗粒污泥，采用鲍尔环与海绵作为填料，填充比为30％，同时厌氧氨氧化区域内还投加有JQ1004包埋颗粒，填充比为15％；反应器最顶部是三相分离区域，厌氧氨氧化区域与三相分离区域之间用可让溶液通过的隔板隔开，隔板上铺设有18目的筛网；三相分离区域内设有三相分离装置并配有溢流槽，三相分离区域下部通过回流口经由回流泵与部分反硝化区域底部的进水口连接，溢流槽处设有出水口，将溢流槽溢流出的水通过出水口排出；

厌氧氨氧化区域上部侧面通过循环出口与恒温水浴槽连接连通，恒温水浴槽经由水域循环泵与部分反硝化区域下部侧面的循环进口连接连通；

水箱经由进水蠕动泵与部分反硝化区域底部的进水口连接。

厌氧氨氧化区域内设有pH在线电极和DO在线电极。

厌氧氨氧化区域的上部侧面和下部侧面均设有取样口，部分反硝化区域侧面也设有取样口。

部分反硝化区与厌氧氨氧化区体积比为1:2.5。

以连续流方式进水，含硝酸盐的人工模拟废水通过蠕动泵从反应器底部泵入，进行部分反硝化将硝氮还原为亚氮；之后通过厌氧氨氧化反应将氨氮与亚氮转化为氮气与部分硝氮，而JQ1004菌可以进行反硝化作用还原进水与厌氧氨氧化反应产生的硝氮，同时自身分泌的AHLs类信号分子可以强化厌氧氨氧化反应；最后在三相分离区，产生的气体通过排气管排出，一部分出水在三相分离区通过回流口回流至反应器底部部分反硝化区域的进水口，在溢流槽溢流出的水经过出水口排出。

其中不动杆菌JQ1004包埋颗粒的制备及培养：

(1)不动杆菌JQ1004的培养与强化：

1)将保存于-80℃的40％甘油中的纯菌株JQ1004转接至LB培养基中富集，在30℃，120r/min活化12h备用；

2)接着以5％的接种量将其转接至C/N比为7的反硝化培养基(100m L培养基在250m L锥形瓶中)中在180r/min，30℃条件下培养24h进行分离纯化；

3)之后对菌株进行饥饿培养，将分离纯化后的细菌以20％的接种量转接至C/N 比为4的反硝化培养基中培养6h，之后再以20％的接种量转接至C/N比为2.5 的反硝化培养基中培养6h(其它培养条件与培养基成分相同)。

4)最后取菌株的扩大培养液离心(如100mL在高速离心机中4 000r/min离心20min)，弃去上清液，用生理盐水重复洗涤2～3次，制成菌株JQ1004悬液备用；

(2)不动杆菌JQ1004包埋颗粒的制作：

1)将聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠、去离子水分别以体积分数为10％、1％、89％混合溶液，加热使其完全溶解，得到PVA—海藻酸钠混合液；

2)待PVA—海藻酸钠混合液冷却至室温后，然后加入培养好的菌种，使它们均匀混合；菌种在PVA—海藻酸钠混合液中的浓度为15-20mg·L^-1；

3)之后向其中加入硼酸，不断的搅拌使溶液达到饱和状态，待混合液凝胶成固态后，切割成4mm×4mm×4mm的小立方体，投加至3-5wt％的氯化钙溶液中，期间为防止小立方体粘接，要不断地进行搅拌；之后在4℃的条件下交联24h，交联完毕后取出小立方体用去离子水洗涤2-3次，之后储存在4℃的冰箱冷藏室中以备后用。

其中厌氧氨氧化细菌的培养：

接种厌氧氨氧化颗粒污泥至100LUASB反应器，设置反应器温度为28-32℃， pH保持在7.1-7.3，DO小于0.4mg·L^-1，用模拟废水进行驯化培养，厌氧氨氧化细菌培养的水力停留时间(HRT)为12h。

模拟废水组成成分如下：NH₄ ⁺-N(以N计)45-60mg·L^-1、NO₂ ^–-N(以N 计)55-80mg·L^-1、KH₂PO₄ 20mg·L^-1、MgSO₄·7H₂O 90mg·L^-1、NaHCO₃ 460mg·L^-1、 CaCl₂·2H₂O 25mg·L^-1，微量元素溶液Ⅰ的含量1ml/L，微量元素溶液Ⅱ的含量 1ml/L；

微量元素溶液Ⅰ的组成：EDTA 5g·L^-1和FeSO₄ 5g·L^-1；

微量元素溶液Ⅱ的组成：EDTA 15g·L^-1、ZnSO₄·7H₂O 0.43g·L^-1、MnCl2·4H₂O0.99g·L^-1、CuSO₄·5H₂O 0.25g·L^-1，NaMoO₄·2H₂O 0.22g·L^-1、NiCl₂·6H₂O 0.19g·L^-1和H₃BO₄ 0.014g·L^-1。

其中部分反硝化细菌的培养：

接种部分反硝化的污泥取自A/A/O工艺缺氧池，如取自北京高碑店污水处理厂A/A/O工艺缺氧池，取回的污泥先通过静置后除去上清液，再利用细孔筛过滤掉浮渣，之后将其接种至SBR反应器中，反应器内接种污泥的MLSS浓度为为4740mg·L^-1，MLVSS浓度为3077mg·L^-1，MLVSS/MLSS为0.65，之后在人工配水下开始运行，温度控制在28℃左右，pH保持在7.5左右，排水比为50％， DO小于0.5mg·L^-1，经过长期运行，反应器内污泥沉降性能良好，外观呈灰色絮状，亚氮的积累率稳定在70％以上。

其中人工配水：NO₃ ^--N(以N计)含量为65-80mg·L^-1，无水乙酸钠(以 COD计)200-250mg·L^-1(COD/NO₃ ^--N为3)，NH₄ ⁺-N(以N计)20-30mg·L^-1、 KH₂PO₄ 20mg·L^-1、MgSO₄·7H₂O90mg·L^-1、CaCl₂·2H₂O 25mg·L^-1、微量元素溶液Ⅰ的含量1ml/L，微量元素溶液Ⅱ的含量1ml/L，

微量元素溶液Ⅰ的组成：EDTA 5g·L^-1和FeSO₄ 5g·L^-1；

微量元素溶液Ⅱ的组成：EDTA 15g·L^-1、ZnSO₄·7H₂O 0.43g·L^-1、MnCl₂·4H₂O0.99g·L^-1、CuSO₄·5H₂O 0.25g·L^-1，NaMoO₄·2H₂O 0.22g·L^-1、NiCl₂·6H₂O 0.19g·L^-1和H₃BO₄ 0.014g·L^-1。

反应器的运行

反应器为有机坡璃制成的UASB反应器，以连续流方式进水；反应器最底部是部分反硝化区域，向其中接种步骤培养的部分反硝化颗粒污泥，接种污泥的浓度为3000-4000mg·L^-1，以聚乙烯作为填料，填充比为25％-35％；之后是含有不动杆菌JQ1004包埋颗粒的厌氧氨氧化区域，向其中接种培养的厌氨氧化颗粒污泥，接种污泥的浓度为2000-4000mg·L^-1，用聚丙烯制作的流离球包裹鲍尔环与海绵作为填料，优选二者体积比例为1：1，填充比为25％-30％，同时均匀投加不动杆菌JQ1004包埋颗粒，填充比为10％-15％；最顶部是三相分离区域，区域之间用隔板隔开，隔板上铺设有18目的筛网。

采用上述装置提高部分反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

含硝酸盐的人工模拟废水通过蠕动泵从反应器底部泵入，进行部分反硝化将硝氮还原为亚氮；之后通过厌氧氨氧化反应将氨氮与亚氮转化为氮气与部分硝氮，而JQ1004菌可以进行反硝化作用还原进水与厌氧氨氧化反应产生的硝氮，同时自身分泌的AHLs类信号分子可以强化厌氧氨氧化反应；最后在三相分离区，产生的气体通过排气管排出，一部分出水在三相分离区通过回流口回流至反应器底部部分反硝化区域的进水口，在溢流槽溢流出的水经过出水口排出。

(1)反应器启动时期分为两个阶段：在第一阶段时长50～60天，UASB反应器水力停留时间(HRT)在20-24h；在第二阶段时长50天～80天，促进PDA中的生物量增长并使反应器获得高脱氮率(NRR)，提高流入速度从6.25-7.5L·h^-1增加到12.5L·h^-1，使得HRT从20-24h降低到12h；第二阶段生物膜形成，反应器内污泥浓度稳定，出水COD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N去除效果稳定，反应器启动成功。

(2)反应器运行条件控制：

按水流方向依次为部分反硝化区、包含不动杆菌JQ1004包埋颗粒的厌氧氨氧化区、三相分离区；水力停留时间为12h。

反应器温度控制为28-32℃，pH为7.3-7.8，DO控制在0.1-0.4mg·L^-1，污泥回流比为30％-55％。

本实用新型涉及的部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水具有以下优点：

(1)单级反应器即可完成同步脱硝除碳除氮；

(2)前置部分反硝化，去除原水中的有机质，同时为厌氧氨氧化菌提供基质；

(3)不动杆菌JQ1004在缺氧条件和好氧条件都能进行反硝化作用,在缺氧条件下既能还原亚硝态氮，也能还原硝态氮.这可以进一步提高部分反硝化-厌氧氨氧化的出水水质，实现深度处理。

(4)不动杆菌JQ1004分泌物含有酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子，AHLs 可促进厌氧氨氧化活性基因的表达且利于生物膜的形成。

附图说明

图1为一种提高反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮性能的装置结构示意图。

其中：1—人工配水水箱；2—进水蠕动泵；3—进水口；4—聚乙烯填料；5—取样口；6—隔板；7—反应器恒温水浴层；8—鲍尔环与海绵调填料；9—不动杆菌 JQ1004包埋颗粒；10—pH在线电极；11—DO在线电极；12—三相分离装置； 13—出水口；14—溢流槽；15—回流口；16—回流泵；17—水浴循环泵；18—恒温水浴槽；

具体实施方式：

以下结合实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型并不限于以下实施例。

所述的不动杆菌JQ1004于2018年03月06日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，保藏编号为CGMCCNo.15414，同时已报的专利 201811084608.1已公开。

实施例1

具体结构，见图1。

(1)不动杆菌JQ1004培养基成分

LB培养基:NaCl 10.00g·L^-1,胰蛋白胨10.00g·L^-1,酵母提取物5.00g·L^-1；

反硝化培养基(分离纯化培养基):(CH₂COONa)₂·6H₂O 4.136g·L^-1,KNO₃ 0.72g·L^-1,0.565g·L^-1K₂HPO₄ 0.565g·L-1,MgSO₄·7H₂O 0.20g·L^-1,2.50mL 微量元素，微量元素溶液:Na₂EDTA 50.00g·L^-1,ZnSO₄·7H₂O 2.20g·L^-1,CaCl₂ 5.50g·L^-1, MnCl·4H₂O5.06g·L^-1,FeSO4 5.00g·L^-1,CuSO₄·5H₂O 1.57g·L^-1,CoCl₂·6H₂O 1.60g·L^-1,两种培养基在使用前都要在121℃下灭菌15min，pH通过Na₂HPO₄和 NaH₂PO₄缓冲溶液调整在7.0～7.3之间.固体培养基需要加入1.5％～2％的琼脂。

(2)厌氧氨氧化细菌的培养

采用人工模拟生活污水培养细菌，所述配水成分为NH₄ ⁺-N(以N计)45-60 mg·L^-1、NO₂ ^–-N(以N计)55-70mg·L^-1、KH₂PO₄ 20mg·L^-1、MgSO₄·7H₂O 90mg·L^-1、NaHCO₃ 460mg·L^-1、CaCl₂·2H₂O 25mg·L^-1；微量元素溶液Ⅰ：1ml/L， EDTA 5g·L^-1和FeSO₄ 5g·L^-1；

微量元素溶液Ⅱ：1ml/L，EDTA 15g·L^-1、ZnSO₄·7H₂O 0.43g·L^-1、MnCl₂·4H2O0.99g·L^-1、CuSO₄·5H₂O 0.25g·L^-1，NaMoO₄·2H₂O 0.22g·L^-1、NiCl₂·6H₂O 0.19g·L^-1和H₃BO₄ 0.014g·L^-1，水力停留时间(HRT)12h，温度为28-32℃，pH保持在7.1-7.3， DO小于0.4mg·L^-1，反应器启动初期采用较低浓度进水，较高的HRT；反应器启动成功后可提高进水浓度，降低HRT。厌氧氨氧化泥培养完成后，稳定运行下UASB反应器的脱氮率在90％以上，污泥粒径在2-3mm。

(3)UASB反应器的运行

1)反应器启动：

反应器启动时期分为两个阶段。在第一阶段(时长50～60天)，UASB反应器以6.25–7.5L·h^-1的流入速率运行，导致水力停留时间(HRT)在20-24h。在第二阶段(时长50天～80天)，促进PDA中的生物量增长并使反应器获得高脱氮率(NRR)，流入速度从6.25-7.5L·h^-1增加到12.5L·h^-1，导致HRT从20-24h 降低到12h。第二阶段生物膜形成，反应器内污泥浓度稳定，出水COD、NH₄ ⁺-N、 NO₃ ^--N去除效果稳定，反应器启动成功。

2)反应器运行条件控制：

反应器见附图1，按水流方向依次为部分反硝化区、不动杆菌JQ1004包埋颗粒-厌氧氨氧化区、三相分离区；有效容积150L，水力停留时间为12h，部分反硝化区与不动杆菌JQ1004包埋颗粒-厌氧氨氧化区体积比为1:2.5。反应器温度控制为28-32℃，pH为7.3-7.8，DO控制在0.1-0.4mg·L^-1，污泥回流比为30％ -55％。

反应器进水模拟生活污水成分为：NH₄Cl(以N计)45-60mg·L^-1、无水乙酸钠(以COD计)200-250mg·L^-1，NO₃ ^--N(以N计)含量为65-80mg·L^-1，NaHCO₃为460mg·L^-1，CaCl₂25mg·L^-1，KH₂PO₄ 20mg·L^-1，MgSO₄·7H₂O 90mg·L^-1。

进水从反应器下部流入，①首先通过部分反硝化区域：聚乙烯(Φ25mm×10 mm)填料填充比为25％-35％，硝酸盐通过部分反硝化转化为亚硝酸盐；②然后进水通过不动杆菌JQ1004包埋颗粒-厌氧氨氧化区域：海绵填料(材质为亲水性聚氨酯，20mm×20mm×20mm的立方体)与鲍尔环填料(25mm×25mm×3mm) 按1：1的比例用流离球(材质为聚丙烯，Φ100mm)包裹，填充比在25％-30％左右，JQ1004包埋小立方体(4mm×4mm×4mm的立方体)，填充比为10％-15％，亚硝酸盐与氨氮被转化为氮气与少量硝氮，同时不动杆菌JQ1004也可以将产生的硝氮反硝化为亚氮供厌氧氨氧化反应使用；③最后部分液体回流至部分反硝化区域，产生的气体与出水通过三相分离装置分离。

实际运行过程中第一阶段每隔3天定期测定进，出水的COD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N含量，检测反应器的去除效果。通过在2.5～3.5范围内调节初始COD与硝氮的质量浓度比，调节回流泵适当增大回流比来降低进水负荷，使出水NO₃ ^-含量低于1mg·L^-1；第二阶段每隔7天定期测定出水的COD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N 含量，降低回流比来增大进水负荷，使反应器对氮的去除率保持稳定。

4)耦合工艺的脱氮效果：

经过140d的运行，反应器已经可以实现同步脱硝除碳除氮，且处理效果稳定，COD，NH₄ ⁺-N与NO₃ ^--N去除率分别高达86.3％，95.7％和98.9％。

Claims (4)

1.一种提高反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮性能的装置，其特征在于，包括：

反应器为有机坡璃制成的UASB反应器，反应器最底部是部分反硝化区域，其中接种部分反硝化颗粒污泥，以聚乙烯球作为填料；部分反硝化区域之上是厌氧氨氧化区域，部分反硝化区域与厌氧氨氧化区域之间采用可让溶液通过的隔板隔开；厌氧氨氧化区域接种厌氨氧化颗粒污泥，采用鲍尔环与海绵作为填料，填充比为30％，同时厌氧氨氧化区域内还投加有JQ1004包埋颗粒；反应器最顶部是三相分离区域，厌氧氨氧化区域与三相分离区域之间用可让溶液通过的隔板隔开，隔板上铺设有18目的筛网；三相分离区域内设有三相分离装置并配有溢流槽，三相分离区域下部通过回流口经由回流泵与部分反硝化区域底部的进水口连接，溢流槽处设有出水口，将溢流槽溢流出的水通过出水口排出；

厌氧氨氧化区域上部侧面通过循环出口与恒温水浴槽连接连通，恒温水浴槽经由水域循环泵与部分反硝化区域下部侧面的循环进口连接连通；

水箱经由进水蠕动泵与部分反硝化区域底部的进水口连接。

2.按照权利要求1所述的一种提高反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮性能的装置，其特征在于，厌氧氨氧化区域内设有pH在线电极和DO在线电极。

3.按照权利要求1所述的一种提高反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮性能的装置，其特征在于，厌氧氨氧化区域的上部侧面和下部侧面均设有取样口，部分反硝化区域侧面也设有取样口。

4.按照权利要求1所述的一种提高反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮性能的装置，其特征在于，部分反硝化区与厌氧氨氧化区体积比为1:2.5。

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