一種利用包埋硝化菌對生活汙水進行硝化處理的方法及裝置製造方法
2023-05-28 23:25:16
一種利用包埋硝化菌對生活汙水進行硝化處理的方法及裝置製造方法
【專利摘要】一種利用包埋硝化菌對生活汙水進行硝化處理的方法及裝置，屬於汙水處理領域。將分離的硝化細菌分離富集並利用WPU材料將其包埋，把包埋硝化菌放置於專門的硝化反應器裝置，該反應器裝置包括水浴恆溫系統、曝氣設備、攪拌設備和硝化反應池等。由於包埋後的硝化菌實現了水力停留時間和生物停留時間的分離，實現了無限長的生物停留時間，因而大大增大了反應器中的硝化菌生物量，提高了廢水處理效率。同時反應器具有耐衝擊負荷高、容易恢復啟動，不需排泥，可根據水源水質靈活調節包埋硝化菌載體投加量的優點。
【專利說明】一種利用包埋硝化菌對生活汙水進行硝化處理的方法及裝
【技術領域】
[0001]本發明屬於汙水處理【技術領域】，尤其涉及通過以包埋硝化菌為載體的水處理反應器及運行方法。
【背景技術】
[0002]進入21世紀，全球性水資源危機給人類社會帶來巨大困擾，我國作為一個發展大國，水汙染治理已經成為我國加強水資源保護的主要目標之一，2009年《中國環境狀況公報》指出，中國地表水汙染較重，七大水系總體為輕度汙染，湖泊富營養化等問題突出。大量化肥產生的硝態氮、集中排放的城鎮生活汙水的氨氮等各種形式的氮元素積存，加劇了湖泊水體富營養化的程度，影響並制約了社會經濟的發展。「十二五」期間，我國在新建及已有的汙水處理廠中，執行《城市汙水處理廠汙水綜合排放標準》(GB18918-2002) —級A標準(氨氮<5mg/L，TN〈15mg/L)，表明城市汙水處理的目標已經從關注COD和懸浮固體的去除擴大到氮等有機營養物質的去除。因此，研究和開展經濟高效的生物脫氮理論和技術已成為水汙染控制領域熱點之一。
[0003]氮素是導致水質富營養化汙染的主要元素之一。微生物去除氨氮需經過好氧硝化、厭氧(缺氧)反硝化兩個階段。其中好氧硝化過程需要時間遠比反硝化過程時間長，所以硝化過程的時間就成了控制去除氨氮的限制性因素。硝化細菌包括兩個細菌亞群，一類是亞硝酸細菌，將氨氧化成亞硝酸，另一類是硝酸細菌，將亞硝酸氧化成硝酸。這兩類菌能分別從氧化過程中獲得生長所需要的能量，硝化作用必須通過這兩類菌的共同作用才能完成。但其能量利用率不高，故生長較緩慢，其平均代時(即細菌繁殖一代所需要的時間)在10小時以上。這一類細菌通常生活在一起。兩類細菌均為專性好氧菌，在氧化過程中均已氧作為最終電子受體。大多數為專性化能自養型。亞硝化菌和硝化菌對於能源物質要求都十分嚴格:前者只能利用氨；後者只能利用亞硝酸。
[0004]固定包埋法是利用高聚物在形成凝膠時將細胞包埋在其內部，從而達到固定細胞的目的的一種固定化方法。與傳統的懸浮生物處理法比較，這種固定化方法能純化和保持聞效菌種，因此具有處理效率聞、反應易於控制、菌種聞純聞效、生物含量聞、廣汙泥量少、固液分離效果好等優點，為廢水處理(尤其是特定種類的廢水，如氨氮廢水等)提供了新思路。
[0005]在環境工程的水處理領域中，經常利用硝化菌的這一特性來實現對水體中的氨氮汙染物指標的去除。硝化菌、亞硝化菌的增殖速度慢，傳統的硝化池生物停留時間往往還沒達到硝化菌和亞硝化菌的世代時間，這樣，硝化菌和亞硝化菌的濃度經常處於很低水平，因此，硝化效率很低。傳統汙水中的氨氮處理工藝一般是通過提高泥齡來增加汙泥中硝化菌的數量，但是水力停留時間限制泥齡，難以延長硝化菌在系統中的停留時間，氨氮不能得到有效的去除，硝化效率也很低。
【發明內容】
[0006]為克服傳統硝化反應消化速率低，硝化菌易隨水流失的，生物量不足的情況，提供一種以包埋固定化的硝化菌為反應主體的硝化反應器及運行方法。主要創新在於反應器內是經過包埋固定化的硝化菌，生物停留時間和水力停留時間分離，為生長緩慢的硝化細菌提供了一種良好的滯留方法，硝化細菌在反應器內無限停留，提高了了其在硝化反應器內的濃度，提高了生活汙水的硝化效率，提高了廢水的氨氮處理效率。
[0007]一種利用包埋硝化菌對生活汙水進行硝化處理的裝置，其特徵是:
[0008]包括反應區進水管(I)、反應區出水管(2)、水浴進水管(3)、水浴回流管(4)、水浴恆溫桶(6)、保溫罩(7)、螺旋攪拌槳(8)、曝氣盤(9)、網格狀柵(10)、pH探頭(11)、溶解氧(DO )探頭(12 )及包埋硝化菌(13 )、硝化反應器。
[0009]硝化反應器為圓柱形，分為內外兩層獨立的區域，中心內層區域為反應區域(14)，外層區域為水域區域(5)，水域區域為反應區域進行加熱，水域區域的最外面即硝化反應器的外層為保溫罩 (7);反應區進水管(I)與進水泵連接，反應區進水管(I)通入反應區(14)的底部；反應區的出口通過網格狀柵(10)與反應區出水管(2)連接；攪拌系統位於硝化反應器正上方，通過螺旋攪拌槳(8)在反應區攪拌；包埋硝化菌(13)懸浮於硝化反應器的反應區內，反應器的反應區內同時有pH探頭(11)和溶解氧(DO)探頭(12);在硝化反應器外層的水域區底部設有水浴進水管(3)，上部通過水浴回流管(4)與水浴恆溫桶(6)連通。
[0010]一種利用上述反應器對生活汙水進行硝化處理反應的方法，其特徵在於，包括以下步驟:
[0011]⑴硝化細菌的分離選取:取汙水處理廠二沉池的活性汙泥用30目尼龍細網過濾，除去較大的雜質顆粒，然後用0.9%的生理鹽水離心洗滌2 - 3次(優選每次離心的轉速4000r/min，每次15min)，將富集的活性汙泥用配製的模擬氨氮廢水馴化培養，模擬氨氮廢水組成為 NH4CI, 153mg/L ；NaHCO3,468mg/L ；Na2HPO4.12H20,46.4mg/L ；NaCl,20.5mg/L ；KCl，9.6mg/L ；CaCl2.2H20，9.6mg/L ；MgS04.7H20，33.6mg/L。
[0012]以氯化銨作為氨氮來源及硝化菌生長必需的營養物質配水，培養純化硝化菌，逐漸淘汰活性汙泥中的異養微生物。培養30天後，離心濃縮至汙泥濃度(MLSS)約為2X104mg/L的菌體懸濁液，置於冰箱內4°C恆溫保存備用。
[0013]⑵製備包埋硝化菌。
[0014]製備得到的包埋硝化菌為立方體顆粒，以水溶性聚氨酯(WPU)為包埋載體，呈黃褐色，表面光滑，觸感柔軟有彈性，機械強度好，無明顯氣味，由於包埋顆粒密度近似為1.02g/cm3,故能協同流體運動，在曝氣作用下可以懸浮在水中，並能隨流體流動。
[0015]製備包埋硝化菌:首先將聚氨酯預聚體乳液與硝化細菌濃縮液混合，然後依次加入過硫酸鉀和N，N，N』，N』 -四甲基乙二胺後，迅速攪拌均勻並轉移到模具中，靜置5 -1Omin,待凝膠聚合成型後，從模具中取出，放入切粒機中切成立方體，並用去離子水徹底清洗，將未交聯的單體和未固定的硝化菌洗出，浸泡於去離子水中，低溫避光貯存。
[0016]⑶在硝化反應器的反應內進行包埋硝化菌的馴化:將包埋好的硝化細菌放置於硝化反應器的反應區中，反應區內開始進廢水，連續測樣幾日，待氨氮負荷提高到0.6kgN/m3.d時,馴化完成。
[0017]優選:按10%的體積填充率向反應區內投加包埋硝化菌顆粒，維持DO的質量濃度為3~5mg/L，進行連續式培養馴化，測定每日進出水氨氮含量。以人工模擬氨氮廢水為原水，其中人工模擬氨氮廢水與步驟(1)的相似，其中所用溶質原料質量比例NH4CI =NaHCO3:Na2HPO4.12H20:NaCl:KC1 =CaCl2.2H20 =MgSO4.7H20=153:468:46.4:20.5:9.6:9.6:33.6，將NH4CI分45、90、150、200、250mg/L這5個質量濃度水平，分別記為階段1、I1、II1、IV、V，每當前一階段氨氮去除率穩定在90%時，即改變進水氨氮含量，進行下一階段的馴化，直至當氨氮負荷達到0.6kgN/m3.d時,馴化結束。
[0018](4)反應器運行:通過水浴區的水域進水管和水域回流管的水流循環控制反應區的溫度，保證硝化反應器內溫度保持在25~30°C，然後通過連續進水和連續出水，同時啟動曝氣和攪拌，根據進水氨氮等指標控制水力停留時間、曝氣量和攪拌速率，其中溶解氧濃度2~4mg/L, pH控制在7.5~8.0,經過一段時間馴化後，即可達到良好的硝化效果。
[0019]本發明通過連接水浴恆溫系統，水浴恆溫箱中的水從外層底部進水，側邊出水通過回流管反流至水浴恆溫箱；內層底部連接進水管，在中部出水然後連接至反硝化池進行後續反應即反硝化反應；反應器底部設有曝氣頭通過曝氣盤在反應器底部曝氣，同時通過螺旋槳在水深1/3處攪拌。包埋硝化菌在曝氣器釋放的氣流作用與攪拌裝置的作用下與原水混合，流化起來對生活汙水進行硝化處理。反應器內部設有溶解氧探頭、pH探頭，實時監控反應器運行狀況。
[0020]本發明方法是將分離的硝化細菌分離富集並利用WPU (水溶性聚酯氨)材料將其包埋。把包埋硝化菌放置於專門的硝化反應器裝置，代替傳統的硝化池。該反應器裝置包括水浴恆溫系統、曝氣設備、攪拌設備和硝化反應池等。由於包埋後的硝化菌實現了水力停留時間和生物停留時間的分離，實現了無限長的生物停留時間，因而大大增大了反應器中的硝化菌生物量，提高了廢水處理效率。同時反應器具有耐衝擊負荷高、容易恢復啟動，不需排泥，可根據水源水質靈活調節包埋硝化菌載體投加量的優點。
[0021]本發明利用生物強化技術，對硝化菌進行包埋固定化，在不影響硝化菌活性的同時，提高了系統內硝化菌的菌量，使生長緩慢的硝化細菌能夠在包埋固定化的作用下實現生物停留時間無限延長，這就彌補了傳統汙`水中的氨氮處理工藝硝化細菌濃度低、氨氮不能得到有效的去除、硝化效率也很低的問題(傳統汙水的氨氮處理工藝通過提高泥齡來增加汙泥中硝化菌的數量，但是水力停留時間限制泥齡，難以延長硝化菌在系統中的停留時間)。以包埋固定化硝化菌投入到硝化池中，強化了整個系統的短板，這較與傳統的直接投加方式延長了高效而穩定的運行周期，提高了整個系統的處理效能。所以綜合起來，與現有技術相比，本發明具有如下優點和效果:
[0022]⑴大大提高了硝化細菌的濃度，提高了硝化效率。
[0023]⑵不需要排泥設施，不需混合液回流，裝置簡單。
[0024]⑶裝置體積比傳統方法小，操作簡單易行。
[0025]⑷耐衝擊負荷、容易恢復啟動。
[0026](5)可根據水源水氨氮含量等條件靈活調節包埋硝化菌載體投加率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明反應器的結構示意圖。
[0028]圖中:1是進水管，2是出水管，3是水浴進水管，4是水浴回流管，5為水浴區，6為水浴恆溫桶，7是保溫罩，8是螺旋攪拌槳，9是曝氣盤，10是網格狀柵，11是pH探頭，12是溶解氧(DO)探頭，13是包埋硝化菌，14反應區，a為曝氣泵，b為蠕動泵。
【具體實施方式】
[0029]下面結合實施例對本發明做進一步的說明，但本發明並不限於以下實施例。
[0030]實施例1，一種利用包埋硝化菌對生活汙水進行硝化處理的反應器，參見圖1，封閉式硝化池反應器的底部設有曝氣盤9，進水管I設置在反應器內層底部，出水管2在圓柱形反應池中部，水浴進水管3設置在反應器外層底部，水浴回流管4設置在反應器外層外側，位於水浴區5最高處某一橫斷面，並且回流至水浴恆溫桶6，保溫罩7位於反應器最外面一層，攪拌系統位於圓柱形反應器正上方，通過螺旋攪拌槳8在水深1/3處攪拌，包埋硝化菌13懸浮於反應器內部，反應池出水口設有網格狀柵10，反應器上同時有pH探頭11和溶解氧(DO)探頭12。[0031]實施例2，用實施例1的反應裝置以WPU為載體包埋硝化菌實現進水硝化的運行方法，包括以下步驟。
[0032]( I)硝化細菌的分離選取
[0033]採用汙水處理廠二沉池活性汙泥，選取一部分放於實驗室培養，進一步提高其濃度和純度，為後續實驗做準備。
[0034]先將採集的汙水處理廠二沉池的活性汙泥用30目尼龍細網過濾，除去較大的雜質顆粒，然後用0.9%的生理鹽水離心洗滌2 - 3次(4000r/min，每次15min)，將富集的活性汙泥用實驗室配製的模擬氨氮廢水馴化培養，廢水組成為NH4CI, 153mg/L ；NaHC03,468mg/L ；Na2HPO4.12Η20，46.4mg/L ；NaCl,20.5mg/L ；KC1,9.6mg/L ；CaCl2.2H20，9.6mg/L ；MgSO4.7H20, 33.6mg/L。
[0035]由於只需要培養硝化細菌，配水中只有以氯化銨作為氨氮來源及硝化菌生長必需的營養物質，而無任何有機物添加，因而培養過程逐漸淘汰活性汙泥中的異養微生物，使硝化細菌不斷增殖。培養30天後，離心濃縮至汙泥濃度(MLSS)約為2X104mg/L的菌體懸濁液，置於冰箱內4°C恆溫保存備用。
[0036](2)製備包埋硝化菌
[0037]首先將聚氨酯預聚體乳液與硝化細菌濃縮液按照5~7:1的體積比例混合，然後按照上述混合液:過硫酸鉀:N，N，N』，N』 -四甲基乙二胺為100:12:5的比例依次加入過硫酸鉀和N，N, N』，N』 -四甲基乙二胺後，迅速攪拌均勻並轉移到模具中，靜置5 -1Omindt凝膠聚合成型後，從模具中取出，放入專業切粒機中切成邊長為3mm的立方體，並用去離子水徹底清洗，將未交聯的單體和未固定的硝化菌洗出，浸泡於去離子水中，低溫避光貯存。
[0038]得到的包埋硝化菌為邊長為3mm的立方體顆粒，以水性聚氨酯(WPU)為包埋載體，呈黃褐色，表面光滑，觸感柔軟有彈性，機械強度好，無明顯氣味，由於包埋顆粒密度近似為
1.02g/cm3,故能協同流體運動,在曝氣作用下可以懸浮在水中，並能隨流體流動。
[0039](3)在反應器內包埋硝化菌的馴化
[0040]將包埋好的硝化細菌放置於反應器中，反應器開始進生活汙水，連續測樣幾日，待氨氮負荷提高到0.6kgN/m3.d時，馴化完成。
[0041]按10%的體積填充率向反應器內投加包埋硝化菌顆粒，維持DO的質量濃度為3~5mg/L，進行連續式培養馴化，測定每日進出水氨氮含量，以人工模擬氨氮廢水為原水，其中人工模擬氨氮廢水與步驟(1)的相似，其中所用溶質原料質量比例NH4CI =NaHCO3:Na2HPO4.12H20:NaCl:KC1 =CaCl2.2H20 =MgSO4.7H20=153:468:46.4:20.5:9.6:9.6:33.6，將NH4CI分45、90、150、200、250mg/L這5個質量濃度水平，分別記為階段1、I1、II1、IV、V，每當前一階段氨氮去除率穩定在90%時，即改變進水氨氮含量，進行下一階段的馴化，直至當氨氮負荷達到0.6kgN/m3.d時,馴化結束。
[0042](4)反應器運行
[0043]I處理汙水參數
[0044]汙水採用北京工業大學小區內生活汙水，主要水質指標:C0D，200-300mg/L ；NO3一一N，<5mg/L ;N02——N，<5mg/L ;NH4+—N，40_60mg/L ；pH=6.5-7.0 ;水溫為 20_3(TC。
[0045]2汙水處理階段
[0046]將包埋硝化菌顆粒按照10%的體積填充率置於圓柱形硝化反應池內層，汙水通過蠕動泵b從進水管I注入反應器，使用曝氣盤9進行曝氣，使反應器能形成好氧環境。在曝氣與攪拌槳8的綜合作用下，包埋硝化菌與生活汙水均勻混合，進行硝化反應。同時通過水浴恆溫系統，保證反應器內溫度在25-30°C。反應器採用連續進水，水力停留時間為1.5h，周期末從出水管2採樣、排水。
[0047]3反應器運行條件 控制
[0048]反應器裝有水浴恆溫系統、pH探頭11和DO探頭12.將pH控制在7.5-8.0, DO濃度控制在2~4mg/L，溫度控制在25-30°C。所提供點條件保證了硝化細菌良好的生長、繁殖，使系統擁有高效且穩定的氨氮降解速率。
[0049]4反應器運行效果
[0050]經檢測，本發明對汙水的氨氮有明顯的去除效果，氨氮降解率高達92%以上，實現了硝化，為後續反硝化處理創造了良好條件。本發明包埋硝化菌的使用，實現了水力停留時間和生物停留時間的分離，大大提高了系統內硝化細菌的濃度，因此提高了硝化速率，增大了氨氮負荷，同時還無需排泥和回流，簡化操作控制，裝置體積優於傳統硝化池。
[0051]上述實施例只為了說明本發明的技術構思特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種利用包埋硝化菌對生活汙水進行硝化處理的裝置，其特徵在與: 包括反應區進水管(I)、反應區出水管(2)、水浴進水管(3)、水浴回流管(4)、水浴恆溫桶(6)、保溫罩(7)、螺旋攪拌槳(8)、曝氣盤(9)、網格狀柵(10)、pH探頭(11)、溶解氧(DO)探頭(12)及包埋硝化菌(13)、硝化反應器； 硝化反應器為圓柱形，分為內外兩層獨立的區域，中心內層區域為反應區域(14)，外層區域為水域區域(5)，水域區域為反應區域進行加熱，水域區域的最外面即硝化反應器的外層為保溫罩(7);反應區進水管(I)與進水泵連接，反應區進水管(I)通入反應區(14)的底部；反應區的出口通過網格狀柵(10)與反應區出水管(2)連接；攪拌系統位於硝化反應器正上方，通過螺旋攪拌槳(8)在反應區攪拌；包埋硝化菌(13)懸浮於硝化反應器的反應區內，反應器的反應區內同時有pH探頭(11)和溶解氧(DO)探頭(12);在硝化反應器外層的水域區底部設有水浴進水管(3)，上部通過水浴回流管(4)與水浴恆溫桶(6)連通。
2.利用權利要求1的裝置對生活汙水進行硝化處理的方法，其特徵在於，包括以下步驟: ⑴硝化細菌的分離選取:取汙水處理廠二沉池的活性汙泥用30目尼龍細網過濾，除去較大的雜質顆粒，然後用0.9%的生理鹽水離心洗滌2 -3次，將富集的活性汙泥用配製的模擬氨氮廢水馴化培養，模擬氨氮廢水組成為NH4CI, 153mg/L ；NaHCO3,468mg/L ；Na2HP04.12H20,46.4mg/L ；NaCl, 20.5mg/L ；KC1,9.6mg/L ；CaCl2.2H20,9.6mg/L ；MgSO4.7Η20，33.6mg /L ;培養30天後，離心濃縮至汙泥濃度(MLSS)約為2X 104mg/L的菌體懸濁液，置於冰箱內4°C恆溫保存備用； ⑵製備包埋硝化菌 製備得到的包埋硝化菌為立方體顆粒，以水溶性聚氨酯(WPU)為包埋載體； ⑶在硝化反應器的反應內進行包埋硝化菌的馴化:將包埋好的硝化細菌放置於硝化反應器的反應區中，反應區內開始進廢水，連續測樣幾日，待氨氮負荷提高到0.6kgN/m3.d時，馴化完成； (4)反應器運行:通過水浴區的水域進水管和水域回流管的水流循環控制反應區的溫度，保證硝化反應器內溫度保持在25~30°C，然後通過連續進水和連續出水，同時啟動曝氣和攪拌，根據進水氨氮等指標控制水力停留時間、曝氣量和攪拌速率，其中溶解氧濃度2~4mg/L, pH 控制在 7.5 ~8.0。
3.按照權利要求2的方法，其特徵在於，步驟(3)包埋硝化菌的馴化為:按10%的體積填充率向反應區內投加包埋硝化菌顆粒，維持DO的質量濃度為3~5mg/L，進行連續式培養馴化，測定每日進出水氨氮含量，以人工模擬氨氮廢水為原水，其中所用溶質原料質量比例NH4CI =NaHCO3:Na2HP04.12H20:NaCl:KC1 =CaCl2.2H20 =MgSO4.7H20=153: 468: 46.4: 20.5:9.6:9.6:33.6，將NH4CI分45、90、150、200、250mg/L這5個質量濃度水平，分別記為階段1、I1、II1、IV、V，每當前一階段氨氮去除率穩定在90%時，即改變進水氨氮含量，進行下一階段的馴化，直至當氨氮負荷達到0.6kgN/m3.d時,馴化結束。
4.按照權利要求2的方法，其特徵在於，製備包埋硝化菌:首先將聚氨酯預聚體乳液與硝化細菌濃縮液混合，然後依次加入過硫酸鉀和N，N，N』，N』 -四甲基乙二胺後，迅速攪拌均勻並轉移到模具中，靜置5 - lOmin，待凝膠聚合成型後，從模具中取出，放入切粒機中切成立方體，並用去離子水徹底清洗，將未交聯的單體和未固定的硝化菌洗出，浸泡於去離子水中，低溫避光貯存。
【文檔編號】C02F3/02GK103880155SQ201410104485
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2014年3月19日
【發明者】李軍, 鄧海亮, 陳光輝, 張彥灼, 嶽耀冬, 王盟 申請人:北京工業大學