一种利用包埋硝化菌对生活污水进行硝化处理的方法及装置

摘要

一种利用包埋硝化菌对生活污水进行硝化处理的方法及装置，属于污水处理领域。将分离的硝化细菌分离富集并利用WPU材料将其包埋，把包埋硝化菌放置于专门的硝化反应器装置，该反应器装置包括水浴恒温系统、曝气设备、搅拌设备和硝化反应池等。由于包埋后的硝化菌实现了水力停留时间和生物停留时间的分离，实现了无限长的生物停留时间，因而大大增大了反应器中的硝化菌生物量，提高了废水处理效率。同时反应器具有耐冲击负荷高、容易恢复启动，不需排泥，可根据水源水质灵活调节包埋硝化菌载体投加量的优点。

说明书

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及通过以包埋硝化菌为载体的水处理反应器及运 行方法。

背景技术

进入21世纪，全球性水资源危机给人类社会带来巨大困扰，我国作为一个发展大国，水 污染治理已经成为我国加强水资源保护的主要目标之一，2009年《中国环境状况公报》指出， 中国地表水污染较重，七大水系总体为轻度污染，湖泊富营养化等问题突出。大量化肥产生 的硝态氮、集中排放的城镇生活污水的氨氮等各种形式的氮元素积存，加剧了湖泊水体富营 养化的程度，影响并制约了社会经济的发展。“十二五”期间，我国在新建及已有的污水处理 厂中，执行《城市污水处理厂污水综合排放标准》（GB18918-2002）一级A标准（氨氮<5mg/L， TN<15mg/L），表明城市污水处理的目标已经从关注COD和悬浮固体的去除扩大到氮等有机 营养物质的去除。因此，研究和开展经济高效的生物脱氮理论和技术已成为水污染控制领域 热点之一。

氮素是导致水质富营养化污染的主要元素之一。微生物去除氨氮需经过好氧硝化、厌氧 (缺氧)反硝化两个阶段。其中好氧硝化过程需要时间远比反硝化过程时间长，所以硝化过程 的时间就成了控制去除氨氮的限制性因素。硝化细菌包括两个细菌亚群，一类是亚硝酸细菌， 将氨氧化成亚硝酸，另一类是硝酸细菌，将亚硝酸氧化成硝酸。这两类菌能分别从氧化过程 中获得生长所需要的能量，硝化作用必须通过这两类菌的共同作用才能完成。但其能量利用 率不高，故生长较缓慢，其平均代时（即细菌繁殖一代所需要的时间）在10小时以上。这一 类细菌通常生活在一起。两类细菌均为专性好氧菌，在氧化过程中均已氧作为最终电子受体。 大多数为专性化能自养型。亚硝化菌和硝化菌对于能源物质要求都十分严格：前者只能利用 氨；后者只能利用亚硝酸。

固定包埋法是利用高聚物在形成凝胶时将细胞包埋在其内部，从而达到固定细胞的目的 的一种固定化方法。与传统的悬浮生物处理法比较，这种固定化方法能纯化和保持高效菌种， 因此具有处理效率高、反应易于控制、菌种高纯高效、生物含量高、产污泥量少、固液分离 效果好等优点，为废水处理（尤其是特定种类的废水，如氨氮废水等）提供了新思路。

在环境工程的水处理领域中，经常利用硝化菌的这一特性来实现对水体中的氨氮污染物 指标的去除。硝化菌、亚硝化菌的增殖速度慢，传统的硝化池生物停留时间往往还没达到硝 化菌和亚硝化菌的世代时间，这样，硝化菌和亚硝化菌的浓度经常处于很低水平，因此，硝 化效率很低。传统污水中的氨氮处理工艺一般是通过提高泥龄来增加污泥中硝化菌的数量， 但是水力停留时间限制泥龄，难以延长硝化菌在系统中的停留时间，氨氮不能得到有效的去 除，硝化效率也很低。

发明内容

为克服传统硝化反应消化速率低，硝化菌易随水流失的，生物量不足的情况，提供一种 以包埋固定化的硝化菌为反应主体的硝化反应器及运行方法。主要创新在于反应器内是经过 包埋固定化的硝化菌，生物停留时间和水力停留时间分离，为生长缓慢的硝化细菌提供了一 种良好的滞留方法，硝化细菌在反应器内无限停留，提高了了其在硝化反应器内的浓度,提高 了生活污水的硝化效率，提高了废水的氨氮处理效率。

一种利用包埋硝化菌对生活污水进行硝化处理的装置，其特征是：

包括反应区进水管（1）、反应区出水管（2）、水浴进水管（3）、水浴回流管（4）、水浴 恒温桶（6）、保温罩（7）、螺旋搅拌桨（8）、曝气盘（9）、网格状栅（10）、pH探头（11）、 溶解氧（DO）探头（12）及包埋硝化菌（13）、硝化反应器。

硝化反应器为圆柱形，分为内外两层独立的区域，中心内层区域为反应区域（14），外 层区域为水域区域（5），水域区域为反应区域进行加热，水域区域的最外面即硝化反应器的 外层为保温罩（7）；反应区进水管（1）与进水泵连接，反应区进水管（1）通入反应区（14） 的底部；反应区的出口通过网格状栅（10）与反应区出水管（2）连接；搅拌系统位于硝化反 应器正上方，通过螺旋搅拌桨（8）在反应区搅拌；包埋硝化菌（13）悬浮于硝化反应器的反 应区内，反应器的反应区内同时有pH探头（11）和溶解氧（DO）探头（12）；在硝化反应器 外层的水域区底部设有水浴进水管（3），上部通过水浴回流管（4）与水浴恒温桶（6）连通。

一种利用上述反应器对生活污水进行硝化处理反应的方法，其特征在于，包括以下步骤：

⑴硝化细菌的分离选取:取污水处理厂二沉池的活性污泥用30目尼龙细网过滤，除去 较大的杂质颗粒，然后用0.9%的生理盐水离心洗涤2‐3次(优选每次离心的转速4000r/min， 每次15min)，将富集的活性污泥用配制的模拟氨氮废水驯化培养，模拟氨氮废水组成为NH₄CI， 153mg/L；NaHCO₃，468mg/L；Na₂HPO₄·12H₂O，46.4mg/L；NaCl，20.5mg/L；KCl，9.6mg/L； CaCl₂·2H₂O，9.6mg/L；MgSO₄·7H₂0，33.6mg/L。

以氯化铵作为氨氮来源及硝化菌生长必需的营养物质配水，培养纯化硝化菌，逐渐淘汰 活性污泥中的异养微生物。培养30天后，离心浓缩至污泥浓度(MLSS)约为2×10⁴mg/L的菌 体悬浊液，置于冰箱内4℃恒温保存备用。

⑵制备包埋硝化菌。

制备得到的包埋硝化菌为立方体颗粒，以水溶性聚氨酯（WPU）为包埋载体，呈黄褐 色，表面光滑，触感柔软有弹性，机械强度好，无明显气味，由于包埋颗粒密度近似为1.02g/cm³, 故能协同流体运动，在曝气作用下可以悬浮在水中，并能随流体流动。

制备包埋硝化菌：首先将聚氨酯预聚体乳液与硝化细菌浓缩液混合,然后依次加入过硫 酸钾和N，N，N’，N’‐四甲基乙二胺后，迅速搅拌均匀并转移到模具中,静置5‐10min，待凝胶 聚合成型后，从模具中取出，放入切粒机中切成立方体，并用去离子水彻底清洗，将未交联 的单体和未固定的硝化菌洗出，浸泡于去离子水中，低温避光贮存。

⑶在硝化反应器的反应内进行包埋硝化菌的驯化：将包埋好的硝化细菌放置于硝化反 应器的反应区中，反应区内开始进废水，连续测样几日，待氨氮负荷提高到0.6kgN/m³·d时， 驯化完成。

优选：按10%的体积填充率向反应区内投加包埋硝化菌颗粒，维持DO的质量浓度为 3～5mg/L，进行连续式培养驯化，测定每日进出水氨氮含量。以人工模拟氨氮废水为原水，其 中人工模拟氨氮废水与步骤（1）的相似，其中所用溶质原料质量比例NH₄CI：NaHCO₃： Na₂HPO₄·12H₂O：NaCl：KCl：CaCl₂·2H₂O：MgSO₄·7H₂0=153：468：46.4：20.5：9.6：9.6： 33.6，将NH₄CI分45、90、150、200、250mg/L这5个质量浓度水平，分别记为阶段I、II、III、 IV、V，每当前一阶段氨氮去除率稳定在90%时，即改变进水氨氮含量，进行下一阶段的驯化， 直至当氨氮负荷达到0.6kgN/m3·d时，驯化结束。

（4）反应器运行：通过水浴区的水域进水管和水域回流管的水流循环控制反应区的温 度，保证硝化反应器内温度保持在25～30℃，然后通过连续进水和连续出水，同时启动曝气 和搅拌，根据进水氨氮等指标控制水力停留时间、曝气量和搅拌速率，其中溶解氧浓度2～ 4mg/L，pH控制在7.5～8.0，经过一段时间驯化后，即可达到良好的硝化效果。

本发明通过连接水浴恒温系统，水浴恒温箱中的水从外层底部进水，侧边出水通过回流 管反流至水浴恒温箱；内层底部连接进水管，在中部出水然后连接至反硝化池进行后续反应 即反硝化反应；反应器底部设有曝气头通过曝气盘在反应器底部曝气，同时通过螺旋桨在水 深1/3处搅拌。包埋硝化菌在曝气器释放的气流作用与搅拌装置的作用下与原水混合，流化 起来对生活污水进行硝化处理。反应器内部设有溶解氧探头、pH探头，实时监控反应器运行 状况。

本发明方法是将分离的硝化细菌分离富集并利用WPU（水溶性聚酯氨）材料将其包埋。 把包埋硝化菌放置于专门的硝化反应器装置，代替传统的硝化池。该反应器装置包括水浴恒 温系统、曝气设备、搅拌设备和硝化反应池等。由于包埋后的硝化菌实现了水力停留时间和 生物停留时间的分离，实现了无限长的生物停留时间，因而大大增大了反应器中的硝化菌生 物量，提高了废水处理效率。同时反应器具有耐冲击负荷高、容易恢复启动，不需排泥，可 根据水源水质灵活调节包埋硝化菌载体投加量的优点。

本发明利用生物强化技术，对硝化菌进行包埋固定化，在不影响硝化菌活性的同时，提 高了系统内硝化菌的菌量，使生长缓慢的硝化细菌能够在包埋固定化的作用下实现生物停留 时间无限延长，这就弥补了传统污水中的氨氮处理工艺硝化细菌浓度低、氨氮不能得到有效 的去除、硝化效率也很低的问题（传统污水的氨氮处理工艺通过提高泥龄来增加污泥中硝化 菌的数量，但是水力停留时间限制泥龄，难以延长硝化菌在系统中的停留时间）。以包埋固定 化硝化菌投入到硝化池中，强化了整个系统的短板，这较与传统的直接投加方式延长了高效 而稳定的运行周期，提高了整个系统的处理效能。所以综合起来，与现有技术相比，本发明 具有如下优点和效果：

⑴大大提高了硝化细菌的浓度，提高了硝化效率。

⑵不需要排泥设施，不需混合液回流，装置简单。

⑶装置体积比传统方法小，操作简单易行。

⑷耐冲击负荷、容易恢复启动。

⑸可根据水源水氨氮含量等条件灵活调节包埋硝化菌载体投加率。

附图说明

图1是本发明反应器的结构示意图。

图中：1是进水管，2是出水管，3是水浴进水管，4是水浴回流管，5为水浴区，6为 水浴恒温桶，7是保温罩，8是螺旋搅拌桨，9是曝气盘，10是网格状栅，11是pH探头，12 是溶解氧（DO）探头，13是包埋硝化菌，14反应区，a为曝气泵，b为蠕动泵。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1，一种利用包埋硝化菌对生活污水进行硝化处理的反应器，参见图1，封闭 式硝化池反应器的底部设有曝气盘9，进水管1设置在反应器内层底部，出水管2在圆柱形 反应池中部，水浴进水管3设置在反应器外层底部，水浴回流管4设置在反应器外层外侧， 位于水浴区5最高处某一横断面，并且回流至水浴恒温桶6，保温罩7位于反应器最外面一 层，搅拌系统位于圆柱形反应器正上方，通过螺旋搅拌桨8在水深1/3处搅拌，包埋硝化菌 13悬浮于反应器内部，反应池出水口设有网格状栅10，反应器上同时有pH探头11和溶解 氧（DO）探头12。

实施例2，用实施例1的反应装置以WPU为载体包埋硝化菌实现进水硝化的运行方法， 包括以下步骤。

（1）硝化细菌的分离选取

采用污水处理厂二沉池活性污泥，选取一部分放于实验室培养，进一步提高其浓度和 纯度，为后续实验做准备。

先将采集的污水处理厂二沉池的活性污泥用30目尼龙细网过滤，除去较大的杂质颗 粒，然后用0.9%的生理盐水离心洗涤2‐3次(4000r/min，每次15min)，将富集的活性污泥用 实验室配制的模拟氨氮废水驯化培养，废水组成为NH₄CI，153mg/L；NaHCO₃，468mg/L； Na₂HPO₄·12H₂O，46.4mg/L；NaCl，20.5mg/L；KCl，9.6mg/L；CaCl₂·2H₂O，9.6mg/L； MgSO₄·7H₂0，33.6mg/L。

由于只需要培养硝化细菌，配水中只有以氯化铵作为氨氮来源及硝化菌生长必需的营 养物质，而无任何有机物添加，因而培养过程逐渐淘汰活性污泥中的异养微生物，使硝化细 菌不断增殖。培养30天后，离心浓缩至污泥浓度(MLSS)约为2×10⁴mg/L的菌体悬浊液，置 于冰箱内4℃恒温保存备用。

（2）制备包埋硝化菌

首先将聚氨酯预聚体乳液与硝化细菌浓缩液按照5～7：1的体积比例混合,然后按照上 述混合液：过硫酸钾：N，N，N’，N’‐四甲基乙二胺为100：12：5的比例依次加入过硫酸钾 和N，N，N’，N’‐四甲基乙二胺后，迅速搅拌均匀并转移到模具中,静置5‐10min，待凝胶聚合 成型后，从模具中取出，放入专业切粒机中切成边长为3mm的立方体，并用去离子水彻底清 洗，将未交联的单体和未固定的硝化菌洗出，浸泡于去离子水中，低温避光贮存。

得到的包埋硝化菌为边长为3mm的立方体颗粒，以水性聚氨酯（WPU）为包埋载体， 呈黄褐色，表面光滑，触感柔软有弹性，机械强度好，无明显气味，由于包埋颗粒密度近似 为1.02g/cm³,故能协同流体运动，在曝气作用下可以悬浮在水中，并能随流体流动。

（3）在反应器内包埋硝化菌的驯化

将包埋好的硝化细菌放置于反应器中，反应器开始进生活污水，连续测样几日，待氨 氮负荷提高到0.6kgN/m³·d时，驯化完成。

按10%的体积填充率向反应器内投加包埋硝化菌颗粒，维持DO的质量浓度为3～5mg/L， 进行连续式培养驯化，测定每日进出水氨氮含量，以人工模拟氨氮废水为原水，其中人工模 拟氨氮废水与步骤（1）的相似，其中所用溶质原料质量比例NH₄CI：NaHCO₃：Na₂HPO₄·12H₂O： NaCl：KCl：CaCl₂·2H₂O：MgSO₄·7H₂0=153：468：46.4：20.5：9.6：9.6：33.6，将NH₄CI 分45、90、150、200、250mg/L这5个质量浓度水平，分别记为阶段I、II、III、IV、V，每当 前一阶段氨氮去除率稳定在90%时，即改变进水氨氮含量，进行下一阶段的驯化，直至当氨 氮负荷达到0.6kgN/m3·d时，驯化结束。

（4）反应器运行

1处理污水参数

污水采用北京工业大学小区内生活污水，主要水质指标：COD，200-300mg/L；NO₃^——N， <5mg/L；NO₂^——N，<5mg/L；NH₄⁺—N，40-60mg/L；pH=6.5-7.0；水温为20-30℃。

2污水处理阶段

将包埋硝化菌颗粒按照10%的体积填充率置于圆柱形硝化反应池内层，污水通过蠕动泵 b从进水管1注入反应器，使用曝气盘9进行曝气，使反应器能形成好氧环境。在曝气与搅 拌桨8的综合作用下，包埋硝化菌与生活污水均匀混合，进行硝化反应。同时通过水浴恒温 系统，保证反应器内温度在25-30℃。反应器采用连续进水，水力停留时间为1.5h，周期末从 出水管2采样、排水。

3反应器运行条件控制

反应器装有水浴恒温系统、pH探头11和DO探头12.将pH控制在7.5-8.0，DO浓度控 制在2～4mg/L，温度控制在25-30℃。所提供点条件保证了硝化细菌良好的生长、繁殖，使 系统拥有高效且稳定的氨氮降解速率。

4反应器运行效果

经检测，本发明对污水的氨氮有明显的去除效果，氨氮降解率高达92%以上，实现了硝 化，为后续反硝化处理创造了良好条件。本发明包埋硝化菌的使用，实现了水力停留时间和 生物停留时间的分离，大大提高了系统内硝化细菌的浓度，因此提高了硝化速率，增大了氨 氮负荷，同时还无需排泥和回流，简化操作控制，装置体积优于传统硝化池。

上述实施例只为了说明本发明的技术构思特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够 了解本发明并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的 等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。