CN113735263B

CN113735263B - 基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺及装置

Info

Publication number: CN113735263B
Application number: CN202110996646.XA
Authority: CN
Inventors: 刘艳臣; 任纪龙; 黄霞
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2021-08-27
Filing date: 2021-08-27
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2041-08-27
Also published as: CN113735263A

Abstract

本发明提供一种基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺及装置，废水脱氮工艺包括步骤：在好氧条件下培养同步硝化反硝化细菌悬液，并将同步硝化反硝化细菌悬液与活性污泥配置成种子泥；将种子泥接种于反应器内，启动反应器，厌氧处理后的废水通入反应器，控制反应器实施曝气并控制反应器内的水温；定期向反应器内补入同步硝化反硝化细菌悬液，并定期向反应器内通入预设盐度的水，进行强化驯化同步硝化反硝化细菌；检测废水中的总氮去除率，当总氮去除率低于预设去除率时，调控补入同步硝化反硝化菌液。本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺及装置，可以在同一反应容器中实现硝化反硝化，对高氨氮、高碳氮比废水具有有效的处理效果。

Description

基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺及装置

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺及装置。

背景技术

含有大量氮素和有机物的废水未经处理直接排放，会对环境造成严重的破坏，从而产生严重的环境问题，例如水体富营养化。目前，废水处理技术领域内通常采用传统的生物方法进行废水脱氮处理。传统的污水脱氮方法采用好氧硝化-异养反硝化生物脱氮方法进行处理。这种传统的生物脱氮方法主要是依靠氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)在好氧条件下将氨氮通过亚硝酸盐氧化成硝酸盐，然后在厌氧或缺氧条件下，异养反硝化菌以有机物作为电子供体，将产生的硝酸盐还原成氮气排除。

然而，这种传统的生物方法要实现完整的生物脱氮，需要将好氧和厌氧/缺氧环境严格分离。这是因为，AOB和NOB的硝化作用需要以氧气作为电子受体，而异养反硝化菌对氧气敏感，容易受到氧气的抑制，导致反硝化作用效率下降。而且，这种传统的生物方法，氨氮和有机物的去除不同步，厌氧出水后碳氮比下降，需要投加额外碳源以提高脱氮效率。此外，传统的生物方法在用于处理某些高氨氮和高pH废水时，往往处理效率偏离，出水水质不理想。这是因为在高氨氮和高pH环境下，很容易产生较高的游离氨(Free ammonia，FA),游离氨会对AOB和NOB的活性产生影响，导致氨氧化作用和亚硝酸盐氧化作用被抑制。很明显，这种传统的两步法生物脱氮工艺具有占地面积大，运行维护复杂，成本高，不经济，应用条件受限等缺点。

同步硝化反硝化作用是指在一次反应过程中实现氨氮、硝氮和有机物的同步去除。其作用机理目前主要有两种观点：

(1)宏观环境理论，在生物反应器中，由于曝气不均匀，使得反应器内部出现了氧气分布不均匀的现象，从而形成好氧区和缺氧/厌氧区；

(2)生物学理论，反应体系中存在异养硝化好氧反硝化菌，能够将氨氮直接转化为气态产物排出，并且同步去除水体中的有机物。同步硝化反硝化作用可以在同一反应条件下实现氨氮、硝氮和有机物的同步去除。与传统的脱氮工艺相比，同步硝化反硝化工艺由于具有节省碳源、降低能耗、减少占地，出水总氮和有机物浓度低等优点，正受到越来越多的关注。

但是，目前运行的硝化反硝化工艺往往通过把相互独立的池体整合在一起分别进行硝化反应和反硝化反应或者通过在同一反应器内实现不同的溶氧浓度梯度实现同步硝化反硝化，但是这样依靠宏观环境理论运行的水处理工艺能耗高，工艺复杂，去除率偏低，运行效果不理想。

发明内容

本发明提供一种基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺及装置，可以在同一反应容器中实现硝化反硝化，对高氨氮、高碳氮比废水具有有效的处理效果。

本发明的第一方面提供一种基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，包括步骤：

在好氧条件下培养同步硝化反硝化细菌悬液，并将所述同步硝化反硝化细菌悬液与活性污泥配置成种子泥；

将所述种子泥接种于反应器内，启动反应器，其中，所述反应器前置有厌氧配水池，经所述厌氧配水池厌氧处理后的废水通入所述反应器，控制所述反应器实施曝气并控制所述反应器内的水温；

定期向所述反应器内补入同步硝化反硝化细菌悬液，并定期向所述反应器内通入预设盐度的水，进行强化驯化同步硝化反硝化细菌；

检测废水中的总氮去除率，当总氮去除率低于预设去除率时，调控补入同步硝化反硝化细菌。

根据本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，所述同步硝化反硝化细菌为苍白杆菌。

根据本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，所述在好氧条件下培养同步硝化反硝化细菌悬液，包括：

将1ml菌株接种于灭菌的培养基中，于摇床中好氧培养2-3天获得菌悬液。

根据本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，所述将所述同步硝化反硝化细菌悬液与活性污泥配置成种子泥，包括：

将活性污泥与同步硝化反硝化细菌悬液按100:1配置成种子泥。

根据本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，所述定期向所述反应器内通入预设盐度的水，包括：

每14天补入一次预设盐度的水，每次补入持续3天，所述预设盐度为18‰-20‰。

根据本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，所述定期向所述反应器内补入同步硝化反硝化细菌悬液，包括：

每7天向所述反应器内补入一次剂量为5ml的同步硝化反硝化细菌悬液。

根据本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，所述控制所述反应器内的水温，包括：

控制所述反应器内的水温为室温。

根据本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，进行强化驯化同步硝化反硝化细菌的时间为40天。

本发明的第二方面提供一种基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮装置，用于实现如上任一项的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，包括：

反应器，设置有腔体，腔体内设置有膜分离组件，膜分离组件的出水口连接有出水管，出水管设置有出水泵；

曝气装置，包括鼓风机，鼓风机的出气端通过进气管与腔体底部的进气口连通；

厌氧配水池，通过进水管与腔体的进水口连通，并且进水管上设置有进水泵。

根据本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮装置，还包括控制器，所述腔体内还设置有pH探头、溶氧探头以及液位计，所述pH探头、溶氧探头以及液位计均与所述控制器可通信地相连接，并且所述控制器与所述出水泵和所述进水泵可通信地相连接。

本发明提供了一种基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，通过接种同步硝化反硝化细菌和提高进水盐度等方法，实现了在反应器中接种、驯化并强化了具有异养硝化好氧反硝化功能的细菌，通过将驯化强化的同步硝化反硝化细菌用于废水处理，并且通过厌氧配水池的厌氧处理能够控制进水碳氮比。当总氮去除率低于预设去除率时，补入同步硝化反硝化细菌，实现了同步异养硝化反硝化一体化脱氮功能。相较于传统的生物方法，本工艺对高氨氮、高碳氮比废水具有更好的处理优势。

本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮装置，在反应器前段设置有厌氧配水池，在厌氧配水池中对废水进行初步厌氧处理以后再由进水泵泵入反应器，以利于同步硝化反硝化细菌对碳源的有效利用。增加了同步硝化反硝化细菌的驯化强化优势，提高了反应器持续稳定运行时间、减少了接种强化频次，同时，也提高了反应器对COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)的去除效果。而且，本发明提供的废水脱氮装置，结构简单、成本低廉，不需要经过其他耗费能量的处理技术，大大节省了处理能耗和用地，操作方便，效果稳定，可稳定的实现氮去除，在废水生物脱氮技术中有着广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺示意图；

图2是本发明实施例中的一种基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮装置示意图；

附图标记：

11：反应器； 12：厌氧配水池； 13：曝气装置；

14：进水泵； 15：出水泵； 16：PH探头；

17：溶氧探头； 18：液位计； 19：控制器；

20：膜分离组件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图2描述本发明的实施例中的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺及装置，其中，基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，包括步骤：

S11，在好氧条件下培养同步硝化反硝化细菌悬液，并将同步硝化反硝化细菌悬液与活性污泥配置成种子泥；

S12，将种子泥接种于反应器内，启动反应器，其中，反应器前置有厌氧配水池，经厌氧配水池厌氧处理后的废水通入反应器，控制反应器实施曝气并控制反应器内的水温；

S13，定期向反应器内补入同步硝化反硝化细菌悬液，并定期向反应器内通入预设盐度的水，进行强化驯化同步硝化反硝化细菌；

S14，检测废水中的总氮去除率，当总氮去除率低于预设去除率时，调控补入同步硝化反硝化细菌。

在步骤S11中，可采用由污水处理厂分离出的苍白杆菌作为上述同步硝化反硝化细菌，当然，在其它实施例中，也可采用其它具有耐盐特性、可以处理高氨氮高碳氮比废水的菌株作为上述同步硝化反硝化细菌。

需要说明的是，适合苍白杆菌生长的条件范围比较广泛，碳氮比为2.5-10，盐度为0‰-20‰，不同条件对菌株生长性能的影响可根据如下实验获得：

将菌株分别接种于不同温度(20℃、30℃、40℃)条件，不同碳氮比(碳氮比为2.5、5、7.5、10)和不同盐度(氯化钠浓度：0、5、10、15、20mg/L)，不同氨氮浓度(50、100、300、500、1000mg/L)条件下。实验结果如下表所示。由下表内容可知，苍白杆菌可生长的范围较为广泛，而且，苍白杆菌菌株在盐度高达20‰时，虽然总氮去除率较低，但仍然具有较高的生长表现。

步骤S11具体可包括：

配置培养基，所述培养基的组分为NH₄Cl 0.382g/L，CH₃COONa 6.84g/L，KNO₃0.721g/L，Na₂HPO₄·3H₂O 4.78g/L，NaCl 5g/L，CaCl₂ 0.20g/L，KH₂PO₄ 2.5g/L；

将25％甘油保存的1ml菌株接种于灭菌的培养基中，于摇床中好氧培养2-3天，以获得菌悬液。

步骤S11中，将活性污泥与菌悬液配置成种子泥，其中，活性污泥也可取自污水处理厂。

步骤S12中，将种子泥接种于反应器，该反应器可以采用MBR反应器(MembraneBio-Reactor，膜-生物反应器)，MBR运行稳定以后，为强化苍白杆菌的驯化条件，通过每周定期补充接种苍白杆菌菌液的方式实施驯化强化。同时，由于本实施例提供的反应器前置有厌氧配水池，经厌氧配水池的厌氧处理后可控制进水碳氮比。本实施例中，根据所选苍白杆菌的特性，控制进水碳氮比为7.5，并且实施连续曝气，为苍白杆菌的生长富集提供适宜的环境。根据苍白杆菌可以耐受较高盐度，而大多数异养菌在高盐度条件下会受到抑制甚至死亡的特性，本实施例采用的工艺采取每两周，泵入18‰-20‰盐度水，并维持三天的方式，减少其他异养菌的竞争与苍白杆菌的竞争作用。最后，在驯化培养40天以后，完成苍白杆菌的驯化强化目的。

需要说明的是，在一些实施例中，上述驯化强化后的苍白杆菌菌株可接种于废水处理的反应器中，进行废水处理。在其它实施例中，也可以通过在上述MBR反应器驯化成功以后，直接在该MBR反应器中处理实际废水。

在步骤S14中，通过检测反应器出水的总氮的去除率，当总氮去除率低于预设去除率时，补入驯化强化的同步硝化反硝化细菌。具体地，可向反应器中补入配置成的种子泥，或者向反应器中补入菌悬液，使同步硝化反硝化细菌得到增补。

另外，将实际需要处理的废水排入反应器之前，还包括对废水进行厌氧预处理。

如此，对进水中的有机物在厌氧条件下实现预处理，能够为苍白杆菌提供更适宜的碳源，以保证其更好的生长和富集。

下面内容，以某养猪废水处理厂进水为例，对本发明实施例中脱氮工艺的处理效果进行详细说明：

处理前废水中的氨氮浓度约为400mg-N/L，COD 3000mg/L。进水HRT 72h。经过本实施例中的脱氮工艺进行处理后，出水水质达到国家综合排放一级B排放标准，具体对比如下表所述。

项目	氨氮(mg-N/L)	硝氮(mg-N/L)	TN(mg-N/L)	COD(mg/L)
					进水	400	<0.5	470	3000
出水	<6	<12	<20	<60

另外，还可以市政污泥处置厂高温厌氧消化污泥经板框调质脱水后，产生的污泥压滤液为例，对本发明实施例中脱氮工艺的处理效果进行详细说明：

废水处理前，水质情况为NH₄ ⁺-N浓度为350mg/L，COD 700mg/L。进水HRT 72h，经过膜过滤后的出水，出水水质达到国家综合排放一级B排放标准，具体对比如下表所述。

可知，本发明提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，通过接种同步硝化反硝化细菌、控制进水碳氮比和提高进水盐度等方法，实现了在反应器中接种、驯化并强化了具有异养硝化好氧反硝化功能的细菌，并通过将驯化强化的同步硝化反硝化细菌用于废水处理，当总氮去除率低于预设去除率时，补入驯化强化的同步硝化反硝化细菌，实现了同步异养硝化反硝化一体化脱氮功能。相较于传统的生物方法，本工艺对高氨氮、高碳氮比废水具有更好的处理优势。

本发明的实施例中还提供了一种基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮装置，包括：

反应器11，设置有腔体，腔体内设置有膜分离组件20，膜分离组件20的出水口连接有出水管，出水管设置有出水泵15，其中，膜分离组件20用于将出水的杂质进行过滤；

曝气装置13，包括鼓风机，鼓风机的出气端通过进气管与腔体底部的进气口连通，通过曝气装置13能够持续向反应器11中进行补入氧气；

厌氧配水池12，通过进水管与腔体的进水口连通，并且进水管上设置有进水泵14，厌氧配水池12能够对废水进行厌氧处理，提高碳源含量。

上述进水泵14和出水泵15可采用蠕动泵，如此设置，可将种子泥接种于该实施例中废水脱氮装置的反应器11腔体中，并且通过每周定期补充接种苍白杆菌菌液的方式实施驯化强化。同时，根据所选苍白杆菌的特性，控制进水碳氮比为7.5，并且通过曝气装置13实施连续曝气，为苍白杆菌的生长富集提供适宜的环境。根据苍白杆菌可以耐受较高盐度，而大多数异养菌在高盐度条件下会受到抑制甚至死亡的特性，本实施例采用的工艺采取每两周，泵入20‰盐度废水，并维持三天的方式，减少其他异养菌的竞争与苍白杆菌的竞争作用。最后，在驯化培养40天以后，完成苍白杆菌的驯化强化目的。

然后，将经过厌氧配水池12处理过的待处理废水泵入反应器11中，通过前置厌氧配水池12，能够使进水中的有机物在厌氧条件下实现预处理，为苍白杆菌提供更适宜的碳源，以保证其更好的生长和富集。并且，可以在废水处理过程期间，检测反应器11出水的总氮的去除率，并根据检测结果调控苍白杆菌的接种驯化周期和频次。

如此设置，通过本实施例提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮装置，在反应器11前段设置有厌氧配水池12，在厌氧配水池12中对废水进行初步厌氧处理以后再由进水泵14泵入反应器11，以利于同步硝化反硝化细菌对碳源的有效利用。增加了同步硝化反硝化细菌的驯化强化优势，提高了反应器11持续稳定运行时间、减少了接种强化频次，同时，也提高了反应器11对COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)的去除效果。而且，本实施例提供的废水脱氮装置，结构简单、成本低廉，不需要经过其他耗费能量的处理技术，大大节省了处理能耗和用地，操作方便，效果稳定，可稳定的实现氮去除，在废水生物脱氮技术中有着广阔的应用前景。

本实施例提供的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮装置，还包括控制器19，腔体内还设置有pH探头16、溶氧探头17以及液位计18，pH探头16、溶氧探头17以及液位计18均与控制器19可通信地相连接，并且控制器19与出水泵15和进水泵14可通信地相连接。如此设置，能够有效监测反应器11中的水质水位情况，并且精确控制反应器11内的水位。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，其特征在于，包括步骤：

在好氧条件下培养具有耐盐特性的同步硝化反硝化细菌悬液，并将所述同步硝化反硝化细菌悬液与活性污泥配置成种子泥；

将所述种子泥接种于反应器内，启动反应器，其中，所述反应器前置有厌氧配水池，经所述厌氧配水池厌氧处理后的废水通入所述反应器，其中，经所述厌氧配水池厌氧处理后的废水中的碳氮比为7.5，控制所述反应器实施曝气并控制所述反应器内的水温；

定期向所述反应器内补入同步硝化反硝化细菌悬液，并每14天补入一次预设盐度的水，每次补入持续3天，所述预设盐度为18‰-20‰，进行强化驯化同步硝化反硝化细菌；

检测废水中的总氮去除率，当总氮去除率低于预设去除率时，调控补入同步硝化反硝化细菌；

其中，所述同步硝化反硝化细菌为苍白杆菌。

2.根据权利要求1所述的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，其特征在于，所述在好氧条件下培养同步硝化反硝化细菌悬液，包括：

3.根据权利要求1所述的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，其特征在于，所述将所述同步硝化反硝化细菌悬液与活性污泥配置成种子泥，包括：

4.根据权利要求1所述的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，其特征在于，所述定期向所述反应器内补入同步硝化反硝化细菌悬液，包括：

5.根据权利要求1所述的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，其特征在于，所述控制所述反应器内的水温，包括：

控制所述反应器内的水温为室温。

6.根据权利要求1所述的基于同步硝化反硝化细菌的废水脱氮工艺，其特征在于，进行强化驯化同步硝化反硝化细菌的时间为40天。