一种以菌丝球为载体的好氧反硝化反应器及同步硝化反硝化运行方法

摘要

一种以菌丝球为载体的好氧反硝化反应器，涉及水处理技术领域，包括封闭式反应器，反应器底部置有曝气头，进水管、出水管分别设置在反应器的上下侧面，反应器内置有生物质载体，所述的生物质载体为菌丝球，菌丝球上挂膜有好氧反硝化菌，本反应器可使硝化细菌与好氧反硝化细菌在全周期好氧的条件下，同时良好的生长繁殖，达到稳定的同步硝化反硝化效果，利用菌丝球为载体，可以解决好氧反硝化菌在系统内竞争力弱，难以形成优势菌群致使其大量流失，造成整个系统稳定运行周期短的问题，对整个反应器系统的长期稳定运行起到关键性作用。

说明书

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及通过好氧反硝化技术实现同步硝化反硝化的以菌丝球为载体的水处理反应器及其运行方法。 

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，研究和开发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。 

由于好氧反硝化较传统生物脱氮技术存在着明显的优势，近年来好氧反硝化技术成为了国内外废水生物脱氮新的发展方向。但是在好氧反硝化技术应用过程中，发现了许多限制性因素。例如将好氧反硝化菌投入曝气池后，作为外来菌种的好氧反硝化菌，与土著菌种相比，具有较为弱势的竞争力，这致使好氧反硝化菌在系统内的生长繁殖收到严重阻碍，无法形成优势种群，难以在系统内长时间停留，降低了水处理系统的高效性和稳定性。 

发明内容

本发明正是为了克服上述不足，提供一种以菌丝球为载体的好氧反硝化反应器，主要创新在于反应器内以菌丝球为生物质载体固定好氧反硝化菌，解决了好氧反硝化菌在系统内竞争力弱、难以形成优势菌群致使其大量流失、造成整个系统稳定运行周期短的问题，对整个反应器系统的长期稳定运行起到关键性作用。 

具体是这样实施的：一种以菌丝球为载体的好氧反硝化反应器，包括封闭式反应器，反应器底部置有曝气头，进水管、出水管分别设置在反应器的上下侧面，其特征在于反应器内置有生物质载体，所述的生物质载体为菌丝球，菌丝球上挂膜有好氧反硝化菌。 

反应器内还设有定向导流板，运行时使反应器内形成定向环流，为菌丝球提供定向剪切力，提高其使用寿命。 

设备运行时，从反应器侧面进水管进水，由定向导流板和曝气头的共同作用在反应器内部形成定向环流，经一个周期的处理后，从反应器出水管排水。 

反应器外设有菌丝球制备及好氧反硝化菌挂膜的装置，该装置与反应器间管道连接。外置的菌丝球制备及好氧反硝化菌挂膜的装置可为反应系统内及时供应、补充好氧反硝化菌量，保证系统在长周期内稳定运行。菌丝球制备及好氧反硝化菌挂膜的装置上设有进水口，出水口、排泥管，其内置有搅拌桨和曝气头。 

反应器顶部设有气体收集装置，避免好氧反硝化过程所产生的温室气体N₂O直接排入大气，造成污染。 

为了监控反应器的运行环境，反应器上设有温控装置、pH探头及溶解氧探头。 

反应器底部设有排放污泥的排泥管。 

这种反应器实现同步硝化反硝化的运行方法，包括以下步骤： 

（1）制备菌丝球载体：在菌丝球制备及好氧反硝化菌挂膜的装置中，按公式计算比例加入定量菌丝球培养基以及菌丝球孢子悬液，在135r/min -145r/min，30℃摇床中培养36h-48h后形成菌丝球。

所述菌丝球孢子选用黑曲霉Aspergillus niger Y3，保藏编号为CGMCC No. 3.3926，其能够在液体淹没搅拌的条件下自絮凝成为菌丝球。 

所述菌丝球培养基为：C₆H₁₂O₆，10g/L；NH₄Cl，1g/L；KH₂PO₄·3H₂O，1g/L；MgSO₄·7H₂O，0.5g/L。 

菌丝球培养基与菌丝球孢子悬液投加比例按下公式计算： 

菌丝球孢子悬液接种量（mL）=0.25*0.1%*菌丝球培养基量（mL）/A620，其中A620是菌丝球孢子悬液在620nm波长下的吸光度。

（2）好氧反硝化菌挂膜：将步骤（1）中的上清液倒出，在菌丝球制备及好氧反硝化菌挂膜的装置中加入好氧反硝化菌培养基，以培养基体积10%-15%的接种量接种好氧反硝化细菌菌液，DO=3mg/L±0.2下连续曝气培养，以9h-10h为一个反应周期，经过3个周期的培养，完成挂膜。 

所述好氧反硝化菌选用黑龙江省生物技术重点实验室所筛选出的好氧反硝化菌-施氏假单胞菌Pseudomonas stutzeri （T13）菌液，菌种于2012年6月1日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No. 6182。 

所述好氧反硝化菌培养基为：丁二酸钠，4.7g/L； NaH₂PO₄·7H₂O，7.9g/L；MgSO₄·7H₂O，0.1g/L；KNO₃，1.5g/L；NH₄Cl，0.3g/L；KH₂PO₄，1.5g/L，微量元素，2mL/L。 

其中微量元素为：EDTA，50g/L；ZnSO₄，2.2g/L；CaCl₂，5.5g/L；MnCl₂·4H₂O，5.06g/L；FeSO₄·7H₂O，5.0g/L；（NH₄）₆Mo₇O₂·4H₂O，1.1g/L；CuSO₄·5H₂O，1.57g/L；CoCl₂·6H₂O，1.61g/L。 

（3）反应器运行：向反应器内加入活性污泥，将菌丝球制备及好氧反硝化菌挂膜的装置中的已附着好氧反硝化菌的菌丝球注入反应器，进水开始运行反应器。反应器采用连续曝气运行，溶解氧浓度控制在3mg/L±0.2，温度控制在30℃±2℃，反应器中液体pH控制在7-7.5。反应器采用间歇式进水，反应周期为9h-10h。 

上述活性污泥来源于哈尔滨太平污水处理厂。 

上述反应器进水使用哈尔滨工业大学小区内生活污水。 

与现有技术相比较，本发明具有如下优点和效果： 

本发明利用生物强化技术，对好氧反硝化菌以菌丝球为载体进行固定化，在不影响好氧反硝化菌活性的同时，提高了系统内好氧反硝化菌的菌量，使用菌丝球为生物质载体固定好氧反硝化菌可以弥补好氧反硝化菌作为外来菌种投入系统后竞争能力差、停留时间短、易流失、降低系统稳定性及高效性等不足（由于传统方法将好氧反硝化菌直接投加系统后的大量流失，反硝化作用成为整个系统运行的短板）。以菌丝球为载体固定好氧反硝化菌后再投加系统内，强化了整个系统的短板，这较于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。

该反应器的运行可实现同步硝化、反硝化作用，具有良好的稳定的和高效的降解率。 

另外本发明的好氧反硝化反应器还带有气体收集装置，避免由于好氧反硝化作用所产生的温室气体N₂O直接排入大气，造成二次污染。 

附图说明

图1是本发明反应器的结构示意图。 

图2是菌丝球照片。 

图3是附有好氧反硝化菌的菌丝球电镜扫描照片。 

具体实施方式

实施例1，一种以菌丝球为载体的好氧反硝化反应器，封闭式反应器的底部置有曝气头8、排泥管15，进水管7、出水管10分别设置在反应器的上下侧面，反应器内置有菌丝球生物质载体，菌丝球上挂膜有好氧反硝化菌，反应器内还设有定向导流板9；反应器顶部设有气体收集装置A和气体收集管11；反应器上设有温控装置14、pH探头12及溶解氧探头13； 

反应器外设有菌丝球制备及好氧反硝化菌挂膜的装置B，该装置B与反应器间管道6连接，菌丝球制备及好氧反硝化菌挂膜的装置B上设有进水口4，出水口2、排泥管5，其内置有搅拌桨1和曝气头3。

实施例2，用实施例1的反应器以菌丝球为载体强化好氧反硝化菌实现同步硝化反硝化的运行方法，包括以下步骤： 

（1） 菌丝球载体的制备及挂膜

将黑曲霉Aspergillus niger  Y3孢子悬液与菌丝球培养基按一定比例投加入载体制备与挂膜装置B中，经搅拌桨1搅拌（135-145r/min）36-48h形成菌丝球。

孢子悬液与菌丝球培养基投加比例按下公式计算： 

孢子悬液接种量（mL）=0.25*0.1%*菌丝球培养基量（mL）/A₆₂₀。

其中A₆₂₀孢子悬液在620nm波长下的吸光度。 

菌丝球培养基为：C₆H₁₂O₆，10g/L；NH₄Cl，1g/L；KH₂PO₄·3H₂O，1g/L；MgSO₄·7H₂O，0.5g/L。 

（2） 菌丝球固定化好氧反硝化菌T13 

步骤（1）停止搅拌，将沉淀后的上清液由排水管2排出，向装置B中加入好氧反硝化菌培养基，接种好氧反硝化菌T13（培养基量（mL）：T13菌液量（mL）=10:1），经搅拌桨1搅拌（135-145r/min），曝气头3曝气（DO=3mg/L），进行挂膜培养。以10h为一个反应周期，经过3个周期的培养，完成挂膜。

好氧反好氧反硝化菌培养基为：丁二酸钠，4.7g/L； NaH₂PO₄·7H₂O，7.9g/L；MgSO₄·7H₂O，0.1g/L；KNO₃，1.5g/L；NH₄Cl，0.3g/L；KH₂PO₄，1.5g/L，微量元素，2mL/L。 

其中微量元素为：EDTA，50g/L；ZnSO₄，2.2g/L；CaCl₂，5.5g/L；MnCl₂·4H₂O，5.06g/L；FeSO₄·7H₂O，5.0g/L；（NH₄）₆Mo₇O₂·4H₂O，1.1g/L；CuSO₄·5H₂O，1.57g/L；CoCl₂·6H₂O，1.61g/L。 

（3） 反应器运行 

1、处理污水参数

污水采用哈尔滨工业大学小区内生活污水，主要水质指标：COD，160-200mg/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 

将活性污泥与污水通过蠕动泵b从进水管7注入反应器，然后将装置B中挂膜后的菌丝球通过连接管6注入反应器，使用曝气盘8进行曝气，使反应器能形成好氧环境。在曝气与定向导流板9的综合作用下，反应器内形成定向环流，为菌丝球提供定向剪切力，提高其使用寿命。反应器采用间歇式进水，反应周期为10h，周期末从出水管10采样、排水。

3、气体收集 

由于好氧反硝化作用将氮素主要还原为N₂O，N₂O为温室气体，直接排入大气会造成二次污染，所以本反应器设计了气体收集装置A，将气体收集袋连接排气口11，收集的气体可以经过处理后排放。

4、反应器运行条件控制 

反应器装有pH探头12、溶解氧探头13以及温控装置14。将pH控制在7-7.5，溶解氧控制在3mg/L左右，温度控制在30℃左右。所提供点条件保证了异养COD降解菌、硝化细菌、反硝化细菌良好的生长、繁殖，使系统拥有高效且稳定的COD、氨氮、亚硝氮及硝氮降解率。

5、反应器运行效果 

经检测，本发明对污水中的COD、氨氮、硝氮和亚硝氮具有明显的去除效果，水中COD降解率可高达89%，而氨氮降解率高达91%以上，并且没有亚硝氮和硝氮的积累，实现了硝化反硝化同时进行，并达到良好效果。本发明菌丝球为载体的使用，争强了系统的稳定性，相比直接投加好氧反硝化菌，延长了系统稳定运行周期；反应器定向导流板的使用，为菌丝球提供定向剪切力，延长了菌丝球的使用寿命；反应器所连接的载体制备挂膜装置也可以为反应器及时补充固定好氧反硝化菌的菌丝球，使反应器可以高效稳定的连续运行。而反应器顶部的气体收集装置实现了温室气体零排放。

上述实施例只为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。