CN102786147A - 一种复合污泥共包埋载体，其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合污泥共包埋载体的制备及在污水生物脱氮处理中的应用。本发明通过聚乙烯醇和海藻酸钠混合物共包埋氨氧化菌泥和厌氧氨氧化菌泥，使污泥停留时间延长，同时又为两类菌群协同脱氮提供了好氧和厌氧微环境；提高了体系的氨氮脱除能力；另外，载体原料易得，生产成本较低，制备方法工艺简便，非常适合环境微生物及其环境保护行业的广泛应用，并有利于工业化生产。

Description

一种复合污泥共包埋载体,其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种复合污泥共包埋载体，特别涉及一种在处理废（污）水生物脱氮的复合污泥共包埋载体。

背景技术

亚硝化和厌氧氨氧化过程的联合为生物脱氮开辟了一条新途径，特别适于处理高氨氮和低C/N比的废水，如污泥消化液和垃圾渗沥液。在整个过程中，氨氧化菌首先将57%的氨氮转化亚硝酸盐；随后，厌氧氨氧化菌将亚硝酸盐和剩余氨氮转化成N₂。

与传统的硝化反硝化工艺相比，单级自养脱氮过程节省60%的氧气，不需要投加有机碳源，污泥产量降低了90%。与亚硝化-厌氧氨氧化两级脱氮工艺相比，占地面积减少，节省了化学试剂投加量。所以，单级自养脱氮过程越来越受人们关注。截至今年，已经有26家污水处理厂建立了基于亚硝化厌氧氨氧化的单级自养脱氮反应设备，其中17家处理污泥出水，5家处理垃圾渗沥液废水，4家处理工业废水。

实现单级自养氮去除过程，必须考虑到两个重要问题。第一，两类菌群都是自养菌，生长很缓慢，延长污泥停留时间是关键。第二，氨氧化菌利用氧气产生亚硝酸盐，但氧气浓度不应过高，否则会转化成硝酸盐，并且会大大抑制厌氧氨氧化菌的活性。所以，氧气必须要限量供应。

共包埋技术将两类协同脱氮的自养菌包埋在一起，避免了细胞流失，延长了污泥停留时间。同时由于载体的阻碍作用，溶液中的氧气较难传入，这为两类菌群提供了共存微环境，我们采用在一个连续曝气的圆柱反应器内实现了单级自养氮去除。通过批式实验优化了***的溶解氧浓度和污泥生物量比例。随后，启动了单级自养氮去除反应器，考察了反应器长期运行效果。

发明内容

本发明提供一种复合污泥，为自养菌提供一个共存的环境，以便有效地存留更多的生物量。

本发明的目的在于提供一种复合污泥共包埋载体的制备方法，包括如下步骤：

①将PVA，海藻酸钠和水混合，121℃加热20min，得凝胶溶液；其中，所述的PVA的聚合度为1700~1800；

②将硼酸，氯化钙和水混合后，用2mol/L的氢氧化钠水溶液调至pH值为7，得固化液；

③将亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥加入到凝胶溶液中，得到混合液；

④将步骤③中混合液滴加到步骤②固化液中，固化12h。

本发明的上述制备方法中，为了优化技术方案，亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥还包括浓缩的步骤；所述步骤为在6000r/min下离心12min，弃去上清液。

本发明的上述制备方法中的任一技术方案，步骤③中的亚硝化污泥与凝胶溶液按质量体积比为4.5g：100ml混合，厌氧氨氧化污泥与凝胶溶液按质量体积比为4.5~18g:100ml混合。优选的是亚硝化污泥与凝胶溶液按质量体积比为4.5g：100ml混合，厌氧氨氧化污泥与凝胶溶液按质量体积比为18g:100ml混合。

本发明的上述制备方法中的任一技术方案，步骤①中凝胶溶液的原料优选为，按质量百分比，PVA15%，海藻酸钠2%，水83%。

本发明的上述制备方法中的任一技术方案，步骤②中固化液的原料优选为，按质量百分比，硼酸3%、氯化钙2%，水95%。

本发明的另一目的在于提供上述任一所述方法制备得到的复合污泥共包埋载体。

本发明的再一目的在于提供上述复合污泥共包埋载体在单级废（污）水脱氮中的应用，所述应用包括如下步骤：

①复合污泥共包埋载体的制备：

a将PVA，海藻酸钠和水混合，121℃加热20min，得凝胶溶液；其中，所述的PVA的聚合度为1700~1800；

b将硼酸，氯化钙和水混合后，用2mol/L的氢氧化钠水溶液调至pH值为7，得固化液；

c将亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥加入到凝胶溶液中，得到混合液；

d将c中的混合液滴加到b的固化液中，固化12h；

②培养：自来水清洗步骤①得到的复合污泥共包埋载体后，在35℃、150r/min恒温摇床培养1周，且每天更换培养液，得到包埋微生物；

③除氮：将400ml包埋微生物添加到连续曝气的柱反应器中，曝气量从40ml/min增加到350ml/min后，调整体系pH值至7.5，进行除氮实验。

因此，本发明具有以下优点：

（1）本发明中共包埋以亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥，有效地截留了微生物，延长了污泥停留时间；

（2）本发明中载体阻碍了溶解氧的传递，营造了好氧和缺氧微环境，为两类菌群的协同作用提供了条件；

（3）本发明中使用的原料易得，生产成本较低，制备方法工艺简便，非常适合环境微生物及其环境保护行业的广泛应用，并有利于工业化生产。

附图说明

本发明附图6幅，

图1为本发明的包埋微生物不同时间除氮后的图片，其中，a为反应器运行1天的图片，b为反应器运行81天的图片；

图2为本发明的复合污泥共包埋载体最佳DO浓度优化实验数据，显示DO浓度对共包埋细菌TN去除率，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮积累率的影响（35°C）；

图3为本发明的复合污泥共包埋载体污泥生物量比例优化实验数据，显示污泥生物量比例对共包埋细菌TN去除率，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮积累率的影响（35°C）；

图4为本发明的连续曝气柱反应器的运行性能Ⅰ；显示无机氮浓度和HRT随时间变化；

图5为本发明的连续曝气柱反应器的运行性能Ⅱ；显示总氮体积负荷和去除负荷随运行时间变化；

图6为本发明的包埋微生物不同时间除氮后凝胶SEM照片；显示反应器运行1天和81天的凝胶载体表面和切面载体照片。黑箭头指向厌氧氨氧化菌；白箭头指向氨氧化菌。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。本发明所使用的便携式DO仪由梅特勒-托利多公司生产，型号FiveGo FG4，购于大连元博。

亚硝化污泥在摇动床生物膜反应器内富集，反应器中的填料是Biofringe填料，由亲水性聚酯纤维构成。反应器的有效工作容积为5.5L。反应器通过曝气产生的驱动力使微生物以悬浮状态存在，以保证泥水混合均匀，DO浓度在1.0mg/L以下。反应器内通过加热棒控制温度在35℃和pH为7.5的条件下，接种污泥（污泥来自大连凌水河生活污水二沉池的污泥，MLVSS 5000mg/L）。运行3个多月，亚硝酸氮的积累率约90%，经FISH分析，氨氧化细菌占总菌的88%，成为***的优势菌。

厌氧氨氧化污泥在圆柱形反应器内富集，Non-woven无纺布为反应器固定床生物填料。反应器的容积约为2.5L，其上部是固定床，以无纺布作为载体；下部是流化床。实际容积约在2.8L。反应器内通过恒温水槽控制温度在35~37℃，pH在7.5~7.8，曝氮气去除水中溶解氧至0.5mg/L以下。接种污泥（污泥来自于凌水河污水处理厂二沉池污泥），反应器起始污泥浓度为0.7g/L，回流比1:1。经1年的培养，总氮去除率达到1.85kg N/m³/day。

第一部分：复合污泥共包埋载体的制备及其性能测试

实施例1

①将15g PVA，2g海藻酸钠和83g水混合，在121℃下加热20min，制得凝胶溶液；

②将3g硼酸，2g氯化钙和95g水混合后，用2mol/L的氢氧化钠水溶液调至pH值为7，制得固化液；

③将亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥分别在6000r/min下离心12min后，弃去上清液，得到浓缩的亚硝化污泥和浓缩厌氧氨氧化菌污泥；

④将4.5g浓缩的亚硝化污泥和4.5g浓缩的厌氧氨氧化污泥加入到100ml凝胶溶液中，得到混合液；

⑤将混合液滴加到固化液中，固化12h。

实施例2~3

制备步骤同实施例1的方法，但其以亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥的加入量如表1所示。

实施例4性能测试

将实施例1~3制备得到的复合污泥共包埋载体做如下操作：分别用自来水清洗后，将50ml清洗后复合污泥共包埋载体加入到200ml的氨氮溶液中（氨氮浓度为100mg N/L），其填充量为50ml（填充率为20%）。

反应温度在35℃下，通过磁力搅拌转速控制溶液中DO浓度分别为0.56，1.58和2.56mg/L。

每三个小时取样，测定氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐氮和总氮浓度，计算亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的积累率和总氮的去除速率，其测试结果如表1所示。

从表1、图1、图2和图3的结果可以看出，共包埋亚硝化污泥和厌氧氨氧化菌污泥载体的脱氮体系中，最适DO浓度为1.5mg/L（0.5，1.5，2.5三个浓度中）。当亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥生物量VSS比为1:2，体系内几乎无亚硝酸盐氮积累。较优的包埋量为每100mL凝胶溶液包埋4.5g亚硝化污泥和18g厌氧氨氧化菌污泥。

表1

注：-为无记录

第二部分：复合污泥共包埋载体的单级废（污）水脱氮实验

实施例5

将实施例3制备得到的共包埋载体应用于长期运行的脱氮性能实验。

将实施例3制备得到的复合污泥共包埋载体在35℃下恒温摇床培养1周（150r/min），每天更换培养液，得到包埋微生物；

将400ml包埋微生物加入到体积为1000ml的连续曝气的柱反应器中（底部设置曝气管，表面孔隙约20-30μm），曝气量随着细菌数量和氨氮负荷的增加，从40ml/min增加到350ml/min；进水使体系的pH值调整至7.5。反应器用黑色塑料纸包裹以避免光线对厌氧氨氧化菌活性的影响。

整个试验分成三个阶段：

第一个阶段1-32days，HRT稳定在12h，进水氨氮浓度逐渐从100mg N/L提升到200mg N/L；

第二个阶段33-83days，HRT稳定在18h，进水氨氮弄高度逐渐提升至1000mgN/L；

第三个阶段84-135days，进水氨氮浓度稳定在450mg/L，将HRT逐渐从18h缩短至6h；

上述各阶段中进出水样品每两天取一次样品并做分析，表2为共包埋单级自养脱氮反应器的启动及稳定运行过程的实验数据，包括三个阶段：

从表2、图4、图5和图6的测试结果可以看出，共包埋以亚硝化污泥和厌氧氨氧化菌污泥适于处理高氨氮废水，总氮去除率达到1.58kgN/m³/day。低曝气量，无需添加有机碳源，有效地截留了微生物。从经济成本考虑，减少了能耗，节省了化学试剂用量，无需膜截留，处理费用降低。这些优势说明，共包埋以亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥非常适于处理高氨氮、低碳氮比的废水。

表2

Claims (8)

1.一种复合污泥共包埋载体的制备方法，包括如下步骤：

①将PVA，海藻酸钠和水混合，121℃加热20min，得凝胶溶液；其中，所述的PVA的聚合度为1700~1800；

②将硼酸，氯化钙和水混合后，用2mol/L的氢氧化钠水溶液调至pH值为7，得固化液；

③将亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥加入到凝胶溶液中，得到混合液；

④将③中的混合液滴加到②的固化液中，固化12h。

2.根据权利要求1所述的复合污泥共包埋载体的制备方法，其特征在于亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥还包括浓缩的步骤；所述步骤为在6000r/min下离心12min，弃去上清液。

3.根据权利要求1或2所述的复合污泥共包埋载体的制备方法，其特征在于步骤③中的亚硝化污泥与凝胶溶液按质量体积比为4.5g：100ml混合，厌氧氨氧化污泥与凝胶溶液按质量体积比为4.5~18g:100ml混合。

4.根据权利要求3所述的优选的复合污泥共包埋载体的制备方法，其特征在于步骤③中的亚硝化污泥与凝胶溶液按质量体积比为4.5g：100ml混合，厌氧氨氧化污泥与凝胶溶液按质量体积比为18g:100ml混合。

5.根据权利要求1所述的复合污泥共包埋载体的制备方法，其特征在于步骤①中所述原料的加入量，按质量百分比，PVA15%，海藻酸钠2%，水83%。

6.根据权利要求1所述的复合污泥共包埋载体的制备方法，其特征在于步骤②中所述原料的加入量，按质量百分比，硼酸3%、氯化钙2%，水95%。

7.权利要求1所述的方法制备得到的复合污泥共包埋载体。

8.权利要求7所述的复合污泥共包埋载体在单级废（污）水脱氮中的应用，其特征在于包括如下步骤：

①复合污泥共包埋载体的制备：

a将PVA，海藻酸钠和水混合，121℃加热20min，得凝胶溶液；其中，所述的PVA的聚合度为1700~1800；

b将硼酸，氯化钙和水混合后，用2mol/L的氢氧化钠水溶液调至pH值为7，得固化液；

c将亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥加入到凝胶溶液中，得到混合液；

d将c中的混合液滴加到b中的固化液中，固化12h；

②培养：自来水清洗步骤①得到的复合污泥共包埋载体后，在35℃、150r/min恒温摇床培养1周，且每天更换培养液，得到包埋微生物；

③除氮：将400ml包埋微生物添加到连续曝气的柱反应器中，曝气量从40ml/min增加到350ml/min后，调整体系pH值至7.5，进行除氮实验。

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