一种用于污水处理的序批式活性污泥反应器及处理工艺

摘要

本发明公开了一种用于污水处理的序批式活性污泥反应器及处理工艺，该序批式活性污泥反应器包括反应器主体，反应器主体内设有与空气泵相连的曝气装置；所述反应器主体上设有进样口和排水口，反应器主体底部设有排泥口；所述曝气装置包括设在反应器主体底部的曝气头；所述反应器主体的内壁粗糙。本发明的装置用于污水生物处理时，菌株投加次数少，持久性好，在信号分子制剂的帮助下，活性污泥与污染物降解菌能在反应器内壁挂膜，从而能快速、有效地降解污水中的各种污染物；该装置原理可靠、制造结构简单、监控方便、处理效率高，按一定比例放大后可应用于实际工业化废水处理。

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种用于污水处理的序批式活性 污泥反应器及处理工艺。

背景技术

烟草处理废水和含氟有机废水等是目前较难处理的工业污水。由于生 物学方法的有效性、低价性，其在废水处理中得到了普遍应用，而且生物 学方法可以适用于连续变化的污染物浓度。常规活性污泥法是利用微生物 首先将有机物转化为二氧化碳、水和微生物菌体，反应后将微生物保存下 来，在适当的时间通过排除剩余污泥从系统中除去新增的微生物，达到降 解污染的目的。

序批式活性污泥法(SBR)是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥 污水处理技术，近年来，由于SBR工艺具有结构简单、不设二沉池、布 置紧凑、占地少、处理效果较稳定、操作灵活易变、便于实现自动化等优 点而越来越受到人们重视。随着污水处理工艺的发展，SBR也出现一些新 工艺，厌氧SBR、多级SBR等系统也得到了较深入的研究。公告号 CN100369830C的发明专利公开了一种循环序批式活性污泥法污水处理工 艺及其活性污泥反应器。该反应器由两主反应池和两辅反应池通过连通道 或控制闸环形封闭串联而成，其中：两主反应池内设有曝气装置，两主反 应池的上游池壁布置主反应池进水口；两辅反应池内设有搅拌装置和剩余 污泥泵，两辅反应池的上游池壁布置辅反应池进水口，两辅反应池的下游 池壁布置排水装置。公开号CN202369443U的实用新型专利公开了一种 厌、缺和好氧SBR反应器，整体成圆柱桶状，包括有搅拌轮桨，其上部 有搅拌发动机驱动，在反应器下部有曝气口，外连鼓风机，反应器柱壁上 从下到上依次有曝气管，排泥管，出水管，取样管，溢流管，在反应部分 外面有用于调节温度的水浴部分。另外还有排气口、溶解氧传感器、进水 管、硝酸盐进水管、进水泵、时间自动控制器、配水储存桶、电路等部分。 这些现有的用好氧生物强化法处理废水的反应器，大多没有载体且内壁光 滑，内壁上不易挂膜，活性污泥不能很均匀的分布在反应器内，使生物强 化技术的实际应用存在很多弊端。

公开号CN1772654A的发明专利申请公开了一种悬浮载体SBR工艺 处理中、小城镇和生活小区污水及工业废水的装置和方法，悬浮载体SBR 反应器分为进水区、主曝区和SBR区，主曝区装填有悬浮载体，污水处 理按周期进行。该方法可提高生物污泥总量，强化反应器污泥活性，但其 存在载体不能重复利用，且容易淤积等缺点。

发明内容

本发明提供了一种用于污水处理的序批式活性污泥反应器，用于生物 强化法快速、有效地降解污水中的各种污染物。

一种用于污水处理的序批式活性污泥反应器，包括反应器主体，反应 器主体内设有与空气泵相连的曝气装置；所述反应器主体上设有进样口和 排水口，反应器主体底部设有排泥口；所述曝气装置包括设在反应器主体 底部的曝气头；所述反应器主体的内壁粗糙。

反应器主体内壁粗糙，容易挂膜，微生物和活性污泥能均匀分布在反 应器内，从而强化对污水的生物降解。

所述反应器主体为圆柱型，反应器主体的高度与内径比为8∶1-10∶1。 该比例条件下，最有利于曝气。

所述进样口设于反应器主体的顶部，便于进样。

所述排水口设于反应器主体的侧壁上，方便排水或取样。

所述排水口的数量为2-7个，排水口从反应器主体底部起自下而上设 置在反应器主体的侧壁上，最上面的排水口离反应器主体顶端的距离为反 应器主体高度的16-23％。优选地，所述排水口的数量为5个。在反应器 主体的侧壁自下而上设置多个排水口方便在不同高度取样，比如，曝气时， 可以取不同高度处的泥水混合样；停气时，自下而上可以分别取泥样、混 合样和水样，便于检测和监控。另外，由于曝气处理时，污水表面有泡沫 产生，最上面的排水口离反应器主体顶端距离占反应器主体高度16-23％ 时，泡沫不会溢出，且设备材料利用率最高。

所述排泥口为直径0.8-1.0cm的圆孔，便于活性污泥排出。

所述反应器主体的内壁上设有若干颗粒状凸起，或者设有粗糙纹状， 或者挂设有尼龙网；其中，粗糙纹状可通过内壁打毛实现。这样可方便地 将内壁设置成粗糙状，微生物生物膜更容易在其上形成，有利于提高降解 效率。

所述曝气头通过曝气管与反应器主体外的空气泵相连，空气泵的曝气 量为15-25L/h。

所述反应器主体的底部设有固定装置，起固定作用。所述固定装置可 以为固定支架。

具体地，反应器可以采用如下尺寸：反应器主体为圆柱型，高度为 62-67cm，内径7cm，壁厚0.5-1.0cm；底部设置一个排泥口，直径为0.8-1.0 cm；反应器主体侧壁上，从底部开始每间隔13cm设置一个排水(泥)口， 共设置5个，最上面的排水口离反应器主体顶端的距离为10-15cm。

本发明还提供了一种利用上述序批式活性污泥反应器处理污水的工 艺，包括：将活性污泥、污水、污染物降解菌种子液和信号分子制剂混合， 加入反应器主体中；开启曝气装置对混合液进行曝气处理，停气后进行沉 淀处理，使泥水分离；处理后的污水达标排放。

所述的污水可以为烟草废水或有机氟废水。

当污水为烟草废水时，污染物降解菌种子液为保藏号CGMCC No. 7.47的节杆菌(Acinetobacter sp.)TW的种子液，信号分子制剂由浓度为 8-16mmol/L的N-3氧代-己酰基-高丝氨酸内酯溶液和浓度为4-8mmol/L 的N-己酰基-高丝氨酸内酯溶液按体积比2∶1-1∶2混合而成；曝气处理时间 为18-48h，沉淀处理时间为5-15min。

其中，节杆菌TW分类命名为节杆菌(Acinetobacter sp.)，株号为TW， 并已保藏，保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心， 保藏日期：2011年11月，保藏号：CGMCC No.7.47。该菌株同时保藏于 浙江工商大学固体废弃处理处置与资源化利用实验室，Wang等(Wang Meizhen，Yang Guiqin，Wang Xin，Yao Yanlai，Min Hang，Lv Zhenmei. Nicotine degradation by two novel bacterial isolates of Acinetobacter sp.TW and Sphingomonas sp.TY and their responses in the presence of neonicotinoid insecticides.World Journal of Microbiology and Biotechnology，2011，27(7)： 1633-1640.)公开了该菌株的鉴定。节杆菌TW为革兰氏阴性菌，在含尼 古丁或4-氟苯胺的ISM固体培养基上，大小为(0.5-0.7×1.6-2.0μm)， 菌落呈白色、湿润的圆形；在含尼古丁的ISM液体培养基中，为黄绿色， 在含4-氟苯胺的ISM液体培养基中，为乳白色。该菌株16S rDNA基因序 列(GenBank登陆号为FJ753401)如序列表中SEQ ID NO.1所示。

所述的N-3氧代-己酰基-高丝氨酸内酯溶液为N-3氧代-己酰基-高丝 氨酸内酯溶于水与乙腈的混合液(v∶v＝1∶1)后制得的溶液，N-己酰基-高 丝氨酸内酯溶液为N-己酰基-高丝氨酸内酯溶于水与乙腈的混合液 (v∶v＝1∶1)后制得的溶液。这两种物质同属于N-酰基-高丝氨酸内酯类 (AHLs)化合物，是革兰氏阴性菌群体感应系统中最重要的一类信号分 子，其调控许多生理特性的表达，这两种溶液按体积比2∶1-1∶2混合得到的 信号分子制剂，在一定程度上能提高活性污泥的性质，能使节杆菌TW的 胞外聚合物分泌增加，促使生物膜形成，有利于菌株定植，从而保证目的 污染物的快速降解。

为了获得更好的协同效果，优选地，N-3氧代-己酰基-高丝氨酸内酯 溶液和N-己酰基-高丝氨酸内酯溶液的体积比为1∶1。

以每升烟草废水计，各物质的添加量为：活性污泥150-250mL，节杆 菌TW种子液10-30mL，信号分子制剂5-10mL。该用量条件下，节杆菌 TW种子液与信号分子制剂配比合适，使菌株更易在活性污泥体系中生长 繁殖，有利于污染物的降解。

所述的节杆菌TW种子液通过如下方法制备：将节杆菌TW接入液体 培养基中，于28-32℃摇床培养18-28h；通过该培养方式对菌株进行培养， 直至菌液OD600≥0.65，即为培养至对数生长期的种子液。以体积1L计， 所述的液体培养基由以下组分组成：K₂HPO₄ 0.15-0.25g，KH₂PO₄ 0.7-0.9 g，Na₂MoO₄·H₂O 0.003-0.0036g，MgSO₄ 0.15-0.25g，CaSO₄·2H₂O 0.05-0.15 g，FeSO₄·7H₂O 0.003-0.007g，尼古丁0.8-1.2g，余量为水；液体培养基的 pH为6-7。添加适量的尼古丁，以作为节杆菌TW种子液生长繁殖所必须 的碳氮源。

当污水为有机氟废水时，污染物降解菌种子液为保藏号CGMCC No. 7.47的节杆菌(Acinetobacter sp.)TW的种子液，信号分子制剂由浓度为 8-16mmol/L的N-3氧代-己酰基-高丝氨酸内酯溶液和浓度为4-8mmol/L 的N-己酰基-高丝氨酸内酯溶液按体积比2∶1-1∶2混合而成；曝气处理时间 为24-72h，沉淀处理时间为5-15min。

其中，N-3氧代-己酰基-高丝氨酸内酯溶液和N-己酰基-高丝氨酸内酯 溶液的体积比为1∶1。

所述的有机氟废水为含4-氟苯胺的废水。含4-氟苯胺的废水为有机氟 加工厂排水经前期厌氧工艺处理后，所产生的进入好氧阶段的含4-氟苯胺 废水。对于该废水，常规方法较难处理，但节杆菌TW和信号分子制剂组 合能选择性地降解4-氟苯胺，且降解效率较高。

废水中4-氟苯胺的浓度为0.2-1.5g/L；以每升废水计，各物质的添加 量为：活性污泥150-250mL，节杆菌TW种子液20-40mL，信号分子制 剂5-10mL。该用量条件下，节杆菌TW种子液与信号分子制剂配比合适， 使菌株更易在活性污泥体系中生长繁殖，有利于污染物的降解。

所述的节杆菌TW种子液通过如下方法制备：将节杆菌TW接入液体 培养基中，于28-32℃摇床培养24-48h；通过该培养方式对菌株进行培养， 直至菌液OD600≥0.65，即为培养至对数生长期的种子液。以体积1L计， 所述的液体培养基由以下组分组成：K₂HPO₄ 0.15-0.25g，KH₂PO₄ 0.7-0.9 g，Na₂MoO₄·H₂O 0.003-0.0036g，MgSO₄ 0.15-0.25g，CaSO₄·2H₂O 0.05-0.15 g，FeSO₄·7H₂O 0.003-0.007g，4-氟苯胺0.8-1.2g，余量为水；液体培养基 的pH为7.5-8.5。添加适量的4-氟苯胺，以作为节杆菌TW种子液生长繁 殖所必须的碳氮源。

曝气装置可以设置如下程序：5min进样，5min排水及排泥，根据活 性污泥沉降性能设定5-15min沉淀处理时间，根据出水性能设定18-72h 水力停留时间(曝气处理时间)。

采用本发明方法，具有如下有益效果：

(1)本发明提供的序批式活性污泥反应器，具有原理可靠、制造结 构简单、监控方便、处理效率高等优点，尤其是搭配信号分子制剂使用， 具有十分好的效果，按一定比例放大后可应用于更大的工业化废水处理场 合。

(2)该反应器内壁粗糙，在信号分子的帮助下，活性污泥与污染物 降解菌能在反应器内壁挂膜，在相同容积情况下，使反应效率提高，是一 种较为理想的高效、经济、环保的针对烟草废弃物或有机氟废水等工业污 水的新型反应器，能减少废弃物对环境与人体的危害，对环境保护具有重 大意义。

(3)本发明提供的污水处理工艺操作方便，具有投加次数少，并可 持久作用的优点，能大大缩短了反应器启动时间，加速反应器稳定。

(4)采用本发明方法，污染物降解菌及有利于其在环境中定植的信 号分子制剂(对微生物几乎没有毒性，能提高活性污泥的性质)，在丰富 营养源条件下能优先、快速、高效地降解尼古丁或4-氟苯胺；同时，在处 理烟草废弃物时，还能降低烟草废弃物总COD值。

附图说明

图1为本发明中用于污水处理的序批式活性污泥反应器(SBR)的结 构示意图。

具体实施方式

如图1所示一种用于污水处理的序批式活性污泥反应器，包括反应器 主体1和曝气装置2。

反应器主体1为圆柱型，材料为有机玻璃；反应器主体1的高度为67 cm，内径为7cm，壁厚为0.5cm，有效容积约2L。

反应器主体1的底部设有固定装置，起固定作用；固定装置为固定支 架。

反应器主体1的顶部开设有进样口11，用于污水、活性污泥等的加入； 反应器主体1的底部开设有排泥口13，排泥口13为直径0.8cm的圆孔， 用于活性污泥的排出。

反应器主体1的侧壁自下而上沿竖直方向共开设有5个排水口12，最 下面的排水口12设在反应器主体1侧壁底部，从底部开始每间隔13cm 设有一个排水口12，最上面的排水口12离反应器主体1顶端的距离为 15cm。

反应器主体1的内壁贴壁挂设一张尼龙网，使内壁呈粗糙状，容易挂 膜，微生物和活性污泥能均匀分布在反应器内，能有效提高降解效率。

进样口11、排泥口13、排水口12通过管道与外界控制系统相连，管 道内设有调节阀。

曝气装置2包括曝气头22和曝气管21，曝气头22设在反应器主体1 内腔的底部，曝气头22通过曝气管21与反应器主体1外部的空气泵3相 连。

实施例1向内壁粗糙的SBR反应器中投加节杆菌TW及有利于其降解 污染物的信号分子制剂来处理烟草废弃物

(1)节杆菌TW的筛选和培养：

取杭州利群卷烟厂烟草废弃物，持续培养14d，以富集尼古丁降解菌； 把富集培养物稀释、涂布接种到尼古丁无机盐培养基上培养；挑取菌落， 继续稀释涂布培养，直至挑取得到单菌落。

经鉴定，该单菌落为节杆菌(Acinetobacter sp.)，命名为节杆菌TW。 节杆菌TW已保藏，保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生 物中心，保藏日期：2011年10月，保藏号：CGMCC No.7.47。该菌株为 革兰氏阴性菌，大小为(0.5-0.7×1.6-2.0μm)，节杆菌TW菌落呈白色、 湿润的圆形；该菌16S rDNA序列的GenBank登陆号为FJ753401。Wang 等(Wang Meizhen，Yang Guiqin，Wang Xin，Yao Yanlai，Min Hang， LvZhenmei.Nicotine degradation by two novel bacterial isolates of Acinetobacter sp.TW and Sphingomonas sp.TY and their responses in the presence of neonicotinoid insecticides.World Journal of Microbiology and Biotechnology，2011，27(7)：1633-1640.)公开了节杆菌TW的鉴定。

节杆菌TW的种子液培养基配方为：K₂HPO₄0.2g/L、KH₂PO₄0.8g/L、 MgSO₄0.2g/L、CaSO₄·2H₂O0.1g/L、NaMoO₄·H₂O0.0033g/L、 FeSO₄·7H₂O0.005g/L、琼脂10g/L(固体培养基中)、尼古丁1g/L，pH6.5。

(2)有利于尼古丁降解与菌株挂膜的信号分子制剂配制：该信号分 子制剂由3-oxo-C₆-HSL与C6-HSL组成，其母液的浓度分别为8mmol/L 与4mmol/L，两者的混合比例为1∶1，总体积为10mL。所述信号分子制 剂的作用，是使菌株的胞外聚合物分泌增加，促使生物膜形成，利于菌株 定植，从而保证目的污染物的降解。

(3)处理烟草废弃物：

将活性污泥(取自杭州七格污水处理厂)、烟草废水(烟草废水中烟 草废弃物来源于杭州利群卷烟厂，浓度随反应器运行逐渐提高)、节杆菌 TW种子液(培养至对数生长期)和信号分子制剂混合，从进样口11加入 SBR反应器的反应器主体1中；开启曝气装置2对混合液进行曝气处理， 停气后进行沉淀处理，使泥水分离；处理后的污水达标排放。

其中，以每升烟草废水计，活性污泥的接种量为200mL；节杆菌TW 种子培养液的接种量为20mL，有利于尼古丁降解的信号分子制剂加入量 为10mL；反应条件为室温，pH5.0-8.0，DO为3-5mg/L，曝气量为20L/h； 运行程序为：5min进样，5min排水及排泥，根据活性污泥沉降性能设 定5-15min的污泥沉淀时间，根据出水性能设定18-48h的水力停留时间。 每次排水后补加的反应液体积为反应器总体积的1/2。

曝气时，可以通过5个排水口12分别取样，得到不同高度的泥水混 合样进行检测；停气时，可以从自下而上的排水口12中分别取泥样、混 合样和水样，用于检测和监控。

处理结果显示，接种一次，即可在反应器污泥中持续监测到节杆菌 TW，且活性污泥与菌株TW在尼龙网上挂壁明显，显示出了信号分子制 剂在生物膜形成方面的出色作用，这样活性污泥不再只沉在反应器底部， 而是在整个反应器中都分布，使尼古丁与COD的去除率维持在较高水平， 持续监测100d；反应器运行稳定后，烟草废水中尼古丁在24h HRT内降 解率为100％，其中尼古丁进水浓度在1.0-1.5g/L之间；COD的去除率超 过80％，其中反应器每次换水后COD浓度在25000mg/L左右。

对比例1将实施例1中内壁粗糙的SBR反应器换成内壁光滑的SBR 反应器，即不挂设尼龙网，其他操作与上述例子相同。

结果显示，接种一次，即可在反应器污泥中持续监测到节杆菌TW， 持续监测的时间为100d；反应器运行稳定后，烟草废水中尼古丁在24h HRT内降解率为100％，其中尼古丁进水浓度在1.0-1.5g/L之间；COD的 去除率高达75％，其中反应器每次换水后COD浓度在25000mg/L左右。

实施例2向内壁粗糙的SBR反应器中投加节杆菌TW及有利于其降解污 染物的信号分子制剂来处理有机氟废水

(1)节杆菌TW的培养：

将实施例1中筛选获得的节杆菌TW接种到4-氟苯胺浓度为1.0g/L 的无机盐培养基中，培养基配方为：K₂HPO₄0.2g/L、KH₂PO₄0.8g/L、 MgSO₄0.2g/L、CaSO₄·2H₂O0.1g/L、NaMoO₄·H₂O0.0033g/L、 FeSO₄·7H₂O0.005g/L、4-氟苯胺1g/L，pH8.0；在130rpm、30℃摇床中培 养32h。

(2)有利于4-氟苯胺降解与菌株挂膜的信号分子制剂配制：该信号 分子制剂由3-oxo-C₆-HSL与C₆-HSL组成，其母液的浓度分别为8mmol/L 与4mmol/L，两者的混合比例为1∶1，总体积为10mL。所述信号分子制 剂的作用，是使菌株的胞外聚合物分泌增加，促使生物膜形成，利于菌株 定植，从而保证目的污染物的降解。

(3)处理有机氟废水：

将活性污泥(取自杭州七格污水处理厂)、有机氟废水(含4-氟苯胺 的有机氟废水，为有机氟加工厂排水经前期厌氧工艺处理后所产生的进入 好氧阶段的含4-氟苯胺废水)、节杆菌TW种子液(培养至对数生长期) 和信号分子制剂混合，从进样口11加入SBR反应器的反应器主体1中； 开启曝气装置2对混合液进行曝气处理，停气后进行沉淀处理，使泥水分 离；处理后的污水达标排放。

其中，以每升有机氟废水计，活性污泥的接种量为200mL；节杆菌 TW种子培养液的接种量为30mL，有利于尼古丁降解的信号分子制剂加 入量为10mL；反应条件为室温，pH6.5-9.5，DO为3-5mg/L，曝气量为 20L/h；运行程序为：5min进样，5min排水及排泥，根据活性污泥沉降 性能设定5-15min的污泥沉淀，根据出水性能设定24-72h的水力停留时 间。每次排水后补加的反应液体积为反应器总体积的1/2。

曝气时，可以通过5个排水口12分别取样，得到不同高度的泥水混 合样进行检测；停气时，可以从自下而上的排水口12中分别取泥样、混 合样和水样，用于检测和监控。

处理结果显示，接种一次，即可在反应器污泥中持续监测到节杆菌 TW，且活性污泥与菌株TW在尼龙网上挂壁明显，显示出了信号分子制 剂在生物膜形成方面的出色作用，这样活性污泥不再只沉在反应器底部， 而是在整个反应器中都分布，使4-氟苯胺与COD的去除率维持在较高水 平，持续监测100d；反应器运行稳定后，4-氟苯胺在32h HRT内降解率 为100％，其中4-氟苯胺进水浓度在1.0-1.5g/L之间；COD的去除率超过 80％，其中反应器每次换水后COD浓度在15000mg/L左右。

对比例2将实施例2中内壁粗糙的SBR反应器换成内壁光滑的SBR 反应器，即不挂设尼龙网，其他操作与上述例子相同。

结果显示，以3％的接种量，只接种一次，即可在反应器污泥中持续 监测到节杆菌TW，持续监测的时间为100d；反应器运行稳定后，有机 氟加工废水中4-氟苯胺在32h HRT内降解率为100％，其中4-氟苯胺进水 浓度在1.0-1.5g/L之间；COD的去除率达75％，其中反应器每次换水后 COD浓度在15000mg/L左右。