一种利用厌氧氨氧化固定化技术实现全程自养脱氮的方法.pdf

一种利用厌氧氨氧化固定化技术实现全程自养脱氮的方法属于污水处理领域。利用聚乙烯醇混合海藻酸钠进行厌氧氨氧化细胞固定化，将制备得到的厌氧氨氧化凝胶小球应用于全程自养脱氮系统中。工艺装置包括原水水箱、生物除碳反应器、中间水箱和全程自养脱氮反应器。包埋固定化得到的厌氧氨氧化凝胶小球与短程硝化污泥共存于全程自养脱氮反应器中，本发明利用固定化微生物技术解决了厌氧氨氧化菌在全程自养脱氮系统中易流失、溶解氧易影响厌氧氨氧化污泥活性等问题。固定化的厌氧氨氧化凝胶小球将厌氧氨氧化菌截留在全程自养脱氮系统中，由于溶解氧传质受阻，固定化小球中的厌氧氨氧化菌不易受到溶解氧的抑制，增强了稳定性，实现全程自养脱氮。

权利要求书
1.  一种利用厌氧氨氧化固定化技术实现全程自养脱氮的系统，其特征在于：
该系统由城市污水原水水箱(1)、生物除碳反应器(2)、中间水箱(3)和全程自养脱氮反应器(4)串联而成；城市污水原水水箱(1)通过生物除碳反应器进水泵(5)与生物除碳反应器(2)进水管相连；生物除碳反应器(2)设有第一空压机(6)、第一气体转子流量计(7)、第一曝气头(8)、第一搅拌器(9)、第一pH和DO测定仪(10)、第一放空阀(11)和第一出水阀(12)；第一出水阀(12)通过出水管与中间水箱(3)相连；中间水箱(3)通过全程反应器进水泵(13)与全程自养脱氮反应器进水阀相连；全程自养脱氮反应器(4)设有第二空压机(14)、第二气体转子流量计(15)、第二曝气头(16)、第二放空阀(17)、第二pH和DO测定仪(18)及第二出水阀(19)、第二搅拌器(20)。

2.  应用如权利要求1所述系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①系统启动阶段：生物除碳反应器反应器(2)接种城市污水处理厂二沉池回流污泥，使污泥浓度在2000-4000mg/L；全程自养脱氮反应器(4)接种处理生活污水的中试规模序批式反应器中稳定运行的短程硝化污泥，使得污泥浓度在2000-4000mg/L，并接种固定化的厌氧氨氧化凝胶小球，固定化小球填充比为10％-20％；
②正常运行阶段：
城市污水原水水箱(1)通过生物除碳反应器进水泵(5)进水15min，厌氧搅拌15min，以恢复活性污泥的吸附能力，再进行好氧曝气25～30min，以去除有机物；反应结束后沉淀30min，通过生物除碳反应器出水阀(12)将上清液排入中间水箱(3)；该生物除碳反应器溶解氧浓度控制在1-2mg/L；中间水箱(3)的水通过全程反应器进水泵(13)与进入全程自养脱氮反应器(4)，通过第二气体转子流量计(15)调整曝气量，使全程自养脱氮反应器溶解氧浓度控制在1-2mg/L；处理完成后开始沉淀，上清液通过全程自养脱氮反应器排水阀排出。

说明书一种利用厌氧氨氧化固定化技术实现全程自养脱氮的方法
技术领域
本发明涉及一种利用厌氧氨氧化固定化技术实现全程自养脱氮的方法，属于污水处理技术领域。
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，对城市污水进行脱氮处理成为当今污水处理的一个研究热点。传统的生物脱氮方法主要是硝化-反硝化脱氮，但由于其投资高、耗能大，不适于高氮低碳废水的处理。近年来，随着新的生物脱氮途径的发现，厌氧氨氧化生物脱氮工艺正逐步得到开发应用。
厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)是目前已知最简捷、经济的生物脱氮途径，在废水脱氮领域具有良好的应用前景。在这一过程中，厌氧氨氧化菌以NH4+为电子供体，以NO2-为电子受体，将NH4+、NO2-转变成N2的过程，与传统的脱氮系统相比，其优点是：可以大幅度降低硝化反应的充氧能耗；免去反硝化反应的外加碳源；可节省传统硝化反硝化过程中所需的中和试剂；产泥量少。但由于厌氧氨氧化菌属于自养型微生物，生长缓慢，其世代周期长达11天，增长率非常低；厌氧氨氧化微生物量较低，氨氧化反应器启动耗时长，启动一个厌氧氨氧化反应器一般需要3个月以上的时间；厌氧氨氧化反应器内产生的大量氮气使得污泥悬浮于反应器内，容易造成菌体流失。为了解决上述问题，本发明采用包埋固定化厌氧氨氧化菌的方法将原本易流失的厌氧氨氧化菌通过凝胶小球截留在全程自养脱氮系统中。
本发明中采用的固定化微生物技术是现代生物工程领域的一项新兴技术，是通过化学或物理的手段将游离细胞位于限定的空间区域内，使其保持活性的方法。包埋固定化微生物具有生物量浓度高，可以反复利用，抗环境毒性能力强等优点，它能够延长厌氧氨氧化细菌在系统内的固体停留时间和 维持较高的细菌浓度，从而提高系统的厌氧氨氧化速率。将聚乙烯醇的高强度和海藻酸钠的高含水率相结合，制得具有弹性好、柔韧性大和含水率高的PVA-SA复合材料。通过以PVA-SA作为包埋固定化载体制备厌氧氨氧化凝胶小球并将其应用在全程自养脱氮系统中，能够解决厌氧氨氧化菌在全程自养脱氮系统中易流失、溶解氧易影响厌氧氨氧化污泥活性等问题。固定化的厌氧氨氧化凝胶小球将厌氧氨氧化菌截留在全程自养脱氮系统中、由于溶解氧传质受阻，固定化小球中的厌氧氨氧化菌不易受到溶解氧的抑制，增强了该系统处理过程的稳定性，实现了全程自养脱氮。
发明内容
本发明的目的是为了解决厌氧氨氧化菌在全程自养脱氮系统中易流失、溶解氧易影响厌氧氨氧化污泥活性、全程自养脱氮系统运行不稳定等问题，本发明利用固定化微生物技术制备厌氧氨氧化凝胶小球，固定化的厌氧氨氧化凝胶小球将厌氧氨氧化菌截留在全程自养脱氮系统中且减弱溶解氧对厌氧氨氧化菌的影响，增强了该系统处理过程的稳定性，使得全程自养脱氮系统在启动后达到稳定运行。
为了达到上述目的，本发明通过以下方案来实现：
(1)厌氧氨氧化包埋固定化方法，它包括以下步骤和工艺条件：
1)厌氧氨氧化污泥，用去离子水清洗后备用；
2)按照15％和2％的质量-体积百分浓度配制200ml聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA)混合溶液，并在120℃中加热20min使其加速溶解；
3)待第(2)步得到的PVA-SA混合液冷却至室温后与第(1)步得到的10000mg/L的厌氧氨氧化污泥分别取25ml充分混合得到菌胶混合液；
4)按照50％和2％的质量-体积百分浓度配制500ml硝酸钠(NaNO3)和氯化钙(CaCl2)的混合固定液，将第3)步得到的PVA-SA和厌氧氨氧化菌的混合液逐滴加到硝酸钠和氯化钙的混合固定液中在室温下充分接触12h，对其固定化交联；
5)固定化交联结束后用去离子水清洗制备完成的固定化小球3-5次；
6)将制备好的固定化小球在30-35℃条件下用配水活化培养6-8天，使固定化小球内部的微生物活性得到充分的恢复。
作用原理是：
聚乙烯醇和海藻酸钠，两者均为亲水性的聚合物，互溶性好，在以往的研究中，两种材料通常是单独使用，未能将他们的优点结合起来，在材料的弹性和含水率等性能方面不理想，将聚乙烯醇的高强度和海藻酸钙的高含水率相结合，制得具有弹性好、柔韧性大和含水率高的PVA-海藻酸钠复合材料。
(2)将包埋固定化得到的厌氧氨氧化凝胶小球应用在全程自养脱氮系统中，其装置特征在于：
该系统由城市污水原水水箱、生物除碳反应器、中间水箱和全程自养脱氮反应器串联而成；城市污水原水水箱通过生物除碳反应器进水泵与生物除碳反应器进水管相连；生物除碳反应器设有第一空压机、第一气体转子流量计、第一曝气头、第一搅拌器、第一pH和DO测定仪、第一放空阀和出水阀；生物除碳反应器出水阀通过出水管与中间水箱相连；中间水箱通过全程反应器进水泵与全程自养脱氮反应器进水阀相连；全程自养脱氮反应器设有第二空压机、第二气体转子流量计、第二曝气头、第二放空阀、第二pH和DO测定仪及第二出水阀、第二搅拌器；
(3)利用包埋固定化得到的厌氧氨氧化凝胶小球实现全程自养脱氮的方法，包括以下步骤：
1)系统启动阶段：
生物除碳反应器反应器接种城市污水处理厂二沉池回流污泥，使污泥浓度在2000-4000mg/L；全程自养脱氮反应器接种处理生活污水的中试规模序批式反应器中稳定运行的短程污泥，使得污泥浓度在2000-4000mg/L，并接种固定化的厌氧氨氧化凝胶小球，固定化小球填充比为10％-20％。
2)正常运行阶段：
城市污水原水水箱通过生物除碳反应器进水泵进水15min，厌氧搅拌 15min，以恢复活性污泥的吸附能力，再进行好氧曝气25～30min，以去除有机物。反应结束后沉淀30min，通过出水阀将上清液排入中间水箱。该反应器溶解氧浓度控制在1-2mg/L。中间水箱的水通过全程反应器进水泵与进入全程自养脱氮反应器，通过气体转子流量计调整曝气量，使反应器溶解氧浓度控制在1-2mg/L。处理完成后开始沉淀，上清液通过排水阀排出。
进一步地，全程自养脱氮反应器出水总氮低于15mg/L后，根据进水中氨氮浓度及时调整曝气时间。例如，进水氨氮浓度高于60mg/L，则增长系统曝气时间；同理，当进水氨氮浓度低于50mg/L时，则应减少曝气时间，以避免反应过程中会出现过曝气现象，影响城市污水全程自养脱氮反应器的出水水质。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)使用包埋法固定厌氧氨氧化菌可以大幅度提高颗粒内的微生物浓度，采用上述包埋方法可以最大限度保留固定后厌氧氨氧化菌的活性。
(2)利用厌氧氨氧化固定化技术启动的全程自养脱氮系统，不易造成厌氧氨氧化活性污泥的流失。
(3)在厌氧氨氧化固定化技术启动的全程自养脱氮系统中由于溶解氧传质受阻，使得固定化小球中的厌氧氨氧化菌不易受到溶解氧的抑制，使得该全程自养脱氮系统容易，且长时间稳定运行。
附图说明
图1是包埋固定化厌氧氨氧化细菌在全程自养脱氮反应器中的示意图。
图2是城市污水全程自养脱氮装置示意图。
图2中：城市污水原水水箱-1、生物除碳反应器-2、中间水箱-3、全程自养脱氮反应器-4；生物除碳反应器进水泵-5、第一空压机-6、第一气体转子流量计-7、第一曝气头-8搅拌器-9、第一pH和DO测定仪-10、第一放空阀-11、第一出水阀-12、全程反应器进水泵-13、第二空压机-14、第二气体转子流量计-15、第二曝气头-16、第二放空阀-17、第二pH和DO测定仪-18、第二出水阀-19、第二搅拌器-20。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
系统由城市污水原水水箱1、生物除碳反应器2、中间水箱3和全程自养脱氮反应器4串联而成；城市污水原水水箱1通过生物除碳反应器进水泵5与生物除碳反应器2进水管相连；生物除碳反应器2设有第一空压机6、第一气体转子流量计7、第一曝气头8、第一搅拌器9、第一pH和DO测定仪10、第一放空阀11和第一出水阀12；第一出水阀12通过出水管与中间水箱3相连；中间水箱3通过全程反应器进水泵13与全程自养脱氮反应器进水阀相连；全程自养脱氮反应器4设有第二空压机14、第二气体转子流量计15、第二曝气头16、第二放空阀17、第二pH和DO测定仪18及第二出水阀19、第二搅拌器20。
实施例1：
利用厌氧氨氧化固定化技术启动的全程自养脱氮系统处理生活污水，具体过程如下：
选取活性高的厌氧氨氧化污泥，用去离子水清洗后，作为包埋固定化菌种；按照15％和2％的质量-体积百分浓度分别配制聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA)溶液，混合后的溶液在120℃中加热20min加速溶解；将得到的厌氧氨氧化菌种和冷却的PVA-SA混合液按照1:1的体积比充分混合得到混合液；配制50％和2％的质量-体积百分浓度配制硝酸钠(NaNO3)和氯化钙(CaCl2)的混合固定液，将混合液逐滴加到硝酸钠(NaNO3)和氯化钙(CaCl2)的混合固定液中在室温下充分接触12h，对其固定化交联；固定化交联结束后用去离子水清洗制备完成的固定化小球3次；将制备好的固定化小球在35℃条件下用配水活化培养6天，使固定化小球内部的微生物活性得到充分的恢复。
如图1所示，将上述活化后的厌氧氨氧化小球按体积填充率10％投加到全程自养脱氮反应器4中，反应器有效容积10L；如图2所示，生物除碳反 应器2进水前厌氧搅拌15min，以恢复活性污泥的吸附能力，然后边搅拌边进水15min，再进行好氧曝气30min，以去除有机物。反应结束后沉淀30min，排水进入中间水箱。该反应器溶解氧浓度控制在1-2mg/L；中间水箱的水进入全程自养脱氮反应器，通过气体转子流量计调整曝气量，使反应器溶解氧浓度控制在1-2mg/L。反应完全后开始沉淀，反应器出水通过排水阀排出。
进一步地，全程自养脱氮反应器运行稳定后，根据进水中氨氮浓度及时调整曝气时间。例如，进水氨氮浓度高于60mg/L，则增长系统曝气时间；同理，当进水氨氮浓度低于50mg/L时，则应减少曝气时间，以避免反应过程中会出现过曝气现象，影响城市污水全程自养脱氮反应器的稳定性。
实验结果表明，运行稳定后生物除碳反应器出水COD浓度为45-65mg/L，NH+4-N浓度为40-70mg/L，NO-2-N浓度为0.1-1mg/L，NO-3-N浓度为0.1-1mg/L；全程自养脱氮反应器出水COD浓度为40-60mg/L，NH+4-N浓度为0.5-5mg/L，NO-2-N浓度为0-0.7mg/L，NO-3-N浓度为3-5mg/L，出水TN低于15mg/L。