一种固定化厌氧氨氧化耦合短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水的方法

摘要

一种固定化厌氧氨氧化耦合短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水的方法属于污水处理技术领域。本发明选取聚乙烯醇和海藻酸钠作为包埋剂进行厌氧氨氧化细胞固定化，将制备得到的厌氧氨氧化凝胶小球应用于厌氧氨氧化‑短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水的SBR系统中。工艺装置包括城市污水原水水箱、硝酸盐废水水箱和厌氧氨氧化‑短程反硝化SBR反应器。本发明利用固定化微生物技术解决了厌氧氨氧化菌沉降性能差导致的易流失、系统运行不稳定等问题。固定化的厌氧氨氧化凝胶小球与短程反硝化污泥共存于SBR系统中，由于有机物和有毒物质传质受阻，固定化小球中的厌氧氨氧化菌不易受到抑制，增强了该系统处理过程的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固定化厌氧氨氧化耦合短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水的方法，属于污水处理技术领域。具体内容是利用固定化微生物技术将高活性的厌氧氨氧化菌固定在凝胶小球中，内含厌氧氨氧化菌的凝胶小球恢复活性后与具有高亚硝酸盐积累率的短程反硝化污泥共同接种于同一SBR反应器，城市污水和硝酸盐废水按一定比例进入反应器，硝酸盐废水中的硝酸盐由短程反硝化细菌转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐与城市污水中的氨氮经过厌氧氨氧化过程转化为氮气，实现氨氮和硝酸盐的同步去除。

背景技术

由于我国工业进程的加快，大量未经严格处理的含氮磷废水的排放使水体富营养化不断发生，水环境遭到严重破坏。目前，氮素污染问题已经引起人们高度关注，城市污水、工业废水的深度脱氮处理成为当今污水处理的研究热点。

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，Anammox)是目前已知经济、高效的生物脱氮新途径，能够有效解决传统的硝化-反硝化脱氮引起的投资高、耗能大、不适于高氮低碳废水处理的问题，在废水脱氮领域具有良好的应用前景。Anammox反应是在缺氧条件下以NH₄⁺为电子供体，NO₂^-为电子受体，将二者转变成N₂的自养生物脱氮过程。其中亚硝酸盐是反应所需的必须基质，普遍得到亚硝酸盐的途径是短程硝化，但在低温、低碳氮比的城市生活污水中不易实现、亚硝积累率难以维持稳定。此外Anammox过程中会产生硝酸盐，随着城市污水厂排放标准的日趋严格，这部分硝酸盐会导致处理后的污水达不到排放标准。短程反硝化过程是获得亚硝酸盐的又一途径，硝酸盐通过短程反硝化细菌转化为亚硝酸盐，反应过程控制简单，能够长期稳定实现较高的亚硝酸盐积累，并且能够将Anammox过程产生的硝酸盐去除。因此厌氧氨氧化与短程反硝化相结合为城市生活污水和高浓度硝酸盐废水的处理提供了新途径。但由于厌氧氨氧化菌生长缓慢、增长率低、世代周期长，活性容易受到温度、pH、溶解氧等的影响，反应过程中产生的大量氮气使污泥悬浮于反应器内，沉降性能差，易造成菌体流失，导致系统很难维持稳定。

为了解决上述问题，本发明采用包埋固定的方法将易流失的厌氧氨氧化菌制成凝胶小 球截留在厌氧氨氧化-短程反硝化SBR反应器内。聚乙烯醇和海藻酸钠，两者均为亲水性的聚合物互溶性好，以往的研究中两种材料通常是单独使用，未能将他们的优点结合起来，在材料的弹性和含水率等性能方面不理想，将聚乙烯醇的高强度和海藻酸钙的高含水率相结合，制得具有高弹性、高柔韧性大和高含水率的Anammox凝胶小球。以PVA-SA作为包埋固定化载体制备厌氧氨氧化凝胶小球并将其应用在厌氧氨氧化-短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水的SBR系统中，能够解决厌氧氨氧化菌流失的问题。包埋固定化微生物获得的凝胶小球生物量浓度高、机械强度大、沉降性能好，能够维持厌氧氨氧化-短程反硝化系统的稳定运行。

发明内容

本发明的目的是为了解决厌氧氨氧化菌流失、有机物影响厌氧氨氧化活性导致的厌氧氨氧化-短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水的SBR系统运行不稳定等问题，利用固定化微生物技术制备厌氧氨氧化凝胶小球，将厌氧氨氧化菌截留在系统中并减弱有机物对厌氧氨氧化菌的影响，增强系统运行稳定性。

为了达到上述目的，本发明通过以下方案来实现：

一、厌氧氨氧化固定化小球的制备

(1)菌种：取污泥浓度为9000ml/L的厌氧氨氧化活性污泥，用除氧后的去离子水清洗后备用。

(2)包埋剂的制备：按照15g/L和2g/L的质量-体积百分浓度配制200ml聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA)混合溶液①，并在120℃中加热20min使其加速溶解；按照50g/L和2g/L的质量-体积百分浓度配制500ml硝酸钠(NaNO₃)和氯化钙(CaCl₂)的混合固定液②。

(3)厌氧氨氧化菌的包埋固定：将第(1)步得到的厌氧氨氧化菌种和第(2)步得到的混合溶液①分别取25ml，充分混合后得到菌-胶混合液，然后将其逐滴加到250ml混合固定液②中，在室温下充分接触12h对其固定化交联，结束后用去除氧后的去离子水清洗固定化小球3-5次。

(4)活化：将制备好的固定化小球在30-35℃和pH＝7.5的条件下用氨氮和亚硝浓度各为30mg/L的配水活化培养6-8天，使固定化小球内部的微生物活性得到恢复。

作用原理是：

聚乙烯醇和海藻酸钠均为亲水性的聚合物、互溶性好，PVA和SA的联合使用结合了二者机械强度高和含水率高的优点制得了高弹性、高柔韧性大和高含水率的厌氧氨氧化凝胶小球，经过活化后凝胶小球活性得到恢复。

二、将包埋固定化得到的厌氧氨氧化凝胶小球应用在厌氧氨氧化-短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水的SBR系统中，其装置特征在于：

该系统由城市污水原水水箱、硝酸盐废水水箱和厌氧氨氧化-短程反硝化SBR反应器连接而成；城市污水原水水箱通过第一进水泵与厌氧氨氧化-短程反硝化SBR反应器第一进水管相连,厌氧氨氧化-短程反硝化SBR反应器设有搅拌器、放空阀和出水阀；硝酸盐废水水箱通过第二进水泵与厌氧氨氧化-短程反硝化反应器第二进水管相连。

三、利用包埋固定化得到的厌氧氨氧化凝胶小球实现厌氧氨氧化-短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水的方法，包括以下步骤：

步骤一：接种亚硝积累率为80％-100％的短程反硝化污泥于厌氧氨氧化-短程反硝化SBR反应器中，接种后污泥浓度为2500-3000mg/L。然后接种固定化的厌氧氨氧化凝胶小球，固定化小球填充比为20％-25％。

步骤二：城市污水原水水箱中的城市污水通过第一进水泵与硝酸盐废水水箱中的硝酸盐废水通过第二进水泵按体积比为7:1-12:1进入到厌氧氨氧化-短程反硝化SBR反应器；进水后缺氧搅拌8-10h；沉淀30-40min，按照40％-50％的排水比排除上清液。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)采用上述包埋方法可以最大限度保留固定后厌氧氨氧化菌的活性且不流失。

(2)利用厌氧氨氧化固定化技术启动的厌氧氨氧化-短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水系统，能够维持稳定运行。

(3)利用厌氧氨氧化固定化技术启动的厌氧氨氧化-短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水系统中污泥沉降性能好。

(4)利用短程反硝化污泥将硝酸盐废水中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，为厌氧氨氧化提供稳定的反应基质。

附图说明

图1是包埋固定化厌氧氨氧化细菌在厌氧氨氧化-短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水SBR反应器中的示意图。

图2是厌氧氨氧化-短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水装置示意图。

图2中：城市污水原水水箱-1、硝酸盐废水水箱-2、第一进水泵-3、第二进水泵-4、厌氧氨氧化-短程反硝化SBR反应器-5、搅拌器-6、放空阀-7、第一出水阀-8、第二出水阀-9.

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

厌氧氨氧化凝胶小球的制备，具体过程如下：

选取污泥浓度为9000mg/L的厌氧氨氧化污泥，用除氧后的去离子水清洗后备用。包埋剂的制备：按照15g/L和2g/L的质量-体积百分浓度配制200ml聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA)混合溶液①，并在120℃中加热20min使其加速溶解；按照50g/L和2g/L的质量-体积百分浓度配制500ml硝酸钠(NaNO₃)和氯化钙(CaCl₂)的混合固定液②。浓度为9000mg/L的厌氧氨氧化污泥和混合溶液①分别取25ml，充分混合后得到菌-胶混合液，然后将其逐滴加到250ml混合固定液②中相对量，在室温下充分接触12h对其固定化交联，结束后用除氧的去离子水清洗固定化小球3-5次。将制备好的固定化小球在30-35℃和pH＝7.5的条件下用氨氮和亚硝浓度各为30mg/L的配水活化培养6-8天，使固定化小球内部的微生物活性得到恢复。实验结果表明固定后的厌氧氨氧化凝胶小球与未固定的厌氧氨氧化活性相同。

实施例2：

利用厌氧氨氧化固定化技术耦合短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水，具体过程如下：

如图1所示，将上述活化后的厌氧氨氧化小球按体积填充率20％投加到厌氧氨氧化耦合短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水的SBR反应器(5)中，反应器有效容积10L；接种亚硝积累率为80％-100％的短程反硝化污泥于厌氧氨氧化-短程反硝化SBR反应器(5)中，接种后污泥浓度为2500-3000mg/L；城市污水原水水箱(1)中的城市污水通过第一进水泵 (3)与硝酸盐废水水箱(2)中的硝酸盐废水通过第二进水泵(4)按体积比为10:1进入到厌氧氨氧化-短程反硝化SBR反应器；进水后缺氧搅拌10h；沉淀40min，按照40％的排水比排除上清液。

实验结果表明，运行稳定后厌氧氨氧化耦合短程反硝化处理城市污水和硝酸盐废水的SBR反应器出水COD浓度为40-6mg/L，NH⁺₄-N浓度＜5mg/L，NO^-₂-N浓度＜5mg/L，NO^-₃-N浓度＜5mg/L，出水TN＜15mg/L，达到排放标准。