一种同步硝化反硝化处理低C/N比微污染富营养化水体的方法

摘要

本发明涉及一种同步硝化反硝化处理低C/N比微污染富营养化水体的方法，该方法包括以下步骤：1)第一阶段：在生物反应器中单独填充塑料悬浮填料，将待处理的富营养化水体流经填充好的生物反应器，待生物膜反应器挂膜成熟；2)第二阶段：待步骤1)中的生物反应器挂膜成熟后，加入预处理后的可生物降解的载体柚子皮，待总氮和有机物去除稳定以后停止运行。本发明通过在第二阶段添加可生物降解的载体柚子皮，促进功能微生物Thiothrix,Gemmata,unclassified comanonadaceae,unclassified Rhizobiales,Salipiger及Chloronema的大量富集，从而在此生物膜系统同时出现异养硝化，固相异养反硝化，非固相异养反硝化和硫自养反硝化菌，通过他们之间的协同代谢实现了高效的同步硝化反硝化过程，提高了除氮效率。

说明书

技术领域

本发明属于富营养化水体处理技术领域，具体涉及一种同步硝化反硝化处理低C/N比微污染富营养化水体的方法。

背景技术

生物膜法作为一种低成本高效率的污水处理方法已经被广泛的用于微污染富营养化水体的处理。在生物膜反应器中被广泛认可的氮去除的代谢途径主要包括两种硝化和反硝化。在传统意义上，硝化主要依靠自养菌在好氧的环境中完成，而反硝化主要通过异养菌在缺氧或者厌氧的环境中依靠电子供体来实现。先前的研究表明高效的硝化作用容易实现但是也极易导致生物膜反应器中硝氮和亚硝氮的累积。此外，现在有研究表明反硝化作用分为异养和自养两种类型，异养反硝化主要依赖于可利用的碳源作为电子供体，自养反硝化主要依赖铁，氢气或硫化物等作为电子供体。对于硝化作用现今有报道除了传统认为的自养硝化，还存在异养硝化，而异养硝化被视为可同步去除有机污染物和转化氨氮的最佳方式。

在微污染富营养化水体的处理过程中，由于C/N比的不足，反硝化往往是实现高效同步硝化反硝化的限制因素。因此，近年来通过外加碳源实现高效的反硝化便成为了研究的热点，在各式各样的外加碳源中，固体碳源特别是自然界中木质纤维材料由于其价格便宜，来源丰富而被广泛的使用。但是投加外加固体碳源的缺点是这些材料释放有效碳源往往不够稳定。所以，研究重心很大一部分的转移到通过固体碳源的筛选来优化同步硝化反硝化的性能表现。近些年将异养和自养反硝化结合实现高效的反硝化功能也成为一大研究热点，和单一的异养反硝化相比，自养反硝化可以摆脱可利用有机物的限制，减少污泥的产生量和氮氧化物的释放，同时极大的提高了反硝化的性能，比如向自养反硝化的生物反应器中投加硫或是硫化物，虽然反硝化性能得到了很大的提升，但是含硫化学物质的加入不仅增加了成本而且易于导致二次污染，因此选择经济环保的碳源来实现自养和异养反硝化功能的组合激起了研究者们的极大兴趣。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的问题，提供了一种同步硝化反硝化处理低C/N比微污染富营养化水体的方法，该方法可以富集异养硝化菌，异养反硝化菌及硫自养反硝化菌，使其实现同步硝化反硝化过程，脱氮效果较好。

一种同步硝化反硝化处理低C/N比微污染富营养化水体的方法，包括以下步骤：

1)第一阶段：在生物反应器中单独填充塑料悬浮填料，将待处理的富营养化水体流经填充好的生物膜反应器，待生物膜反应器挂膜成熟；

2)第二阶段：待步骤1)中的生物膜反应器挂膜成熟后，加入预处理后的可生物降解的柚子皮载体，待总氮和有机物去除稳定以后停止运行。

作为优选，所述塑料悬浮填料为聚氨酯悬浮填料、SPR-1悬浮填料、弹性填料或球形填料，优选为SPR-1悬浮填料。

作为优选，所述悬浮填料的填充率为7％-9％(v/v)，更优选为7.6％。

作为优选，所述生物反应器挂膜成熟的检测指标是：氨氮的去除率达80％以上。

作为优选，所述柚子皮可以选自橘红、沙田柚、文旦、坪山柚、金香柚、安江香柚、金兰柚、桑麻柚、四季抛、梁平柚、晚白柚或脆香甜柚的果皮，更优选为坪山柚的果皮。

作为优选，所述可生物降解的载体柚子皮的预处理包括以下步骤：①将新鲜的柚子皮切成2～3厘米的小块，冲洗烘干；②将烘干后的柚子皮放入到7厘米×9厘米的网袋中，每袋3.00g。

作为优选，所述可生物降解的载体柚子皮的添加量每个生物膜反应器中投加2袋，共6.00g。

作为优选，所述步骤1)及步骤2)中的控制进水pH为7.0～8.0，温度24～26℃。

柚子皮中含有非常丰富的蛋白质、有机酸、维生素以及钙、磷、镁、钠等微生物必须的元素，并且含有大量的纤维素，木质素，蛋白质和空隙结构。研究表示硫广泛分布于生物体和有机物质中比如蛋白质，脂肪，氨基酸和酶，因此从理论上分析柚子皮具有同时作为碳源和硫源的能力，有助于同步实现硫自养反硝化和异养反硝化。

本发明通过在步骤一的基础上添加可生物降解的载体柚子皮，使生物反应器中形成柚子皮和悬浮填料耦合的载体，优选出的SPR-1悬浮填料与柚子皮耦合的组合填料可以促进功能微生物Thiothrix,Gemmata,unclassified comanonadaceae,unclassifiedRhizobiales,Salipiger,Chloronema，Clostridium,unclassified Neisseriaceae,unclassified Rhizobiales，Chloronema,unclassified Stramenopiles的大量富集，从而在此生物膜系统同时出现异养硝化，固相异养反硝化，非固相异养反硝化和硫自养反硝化菌，以及固体碳源转化功能菌和光合细菌，通过他们之间的协同代谢实现了高效的同步硝化反硝化过程，提高了除氮效率，同时系统中的异养菌和光合细菌有效的控制了系统中有机物的出水浓度。本发明选择柚子皮作为可生物降解的载体，能够同时作为碳源和硫源，实现高效率的同步硝化反硝化，同时减少二次污染的产生。本发明中柚子皮不仅可作为可生物降解的外加固体碳源还能作为生物膜反应器中的生物膜载体，变废为宝，经济实惠，可广泛用于生产生活实践中的富营养化水体的处理。

具体实施方式

总氮测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法；氨氮的测定采用蒸馏后纳氏试剂比色法测定；有机物浓度测定采用重铬酸钾法测定。上述测定方法参考中国标准出版社第二编辑室.水务管理一法规、标准、规范全书:水源环境卷[M].北京:中国标准出版

社,2003:10-32。

柚子皮预处理：将坪山柚柚子皮切成2-3厘米的小块，然后冲洗烘干，最后放入到(7厘米×9厘米)网袋中，每袋3.00g，备用。

低C/N比微污染富营养化水体的配置：根据中国东部地区污染水体的水质特征，实验过程中的实验用水为在实际的微污染的水体中加入氯化铵和磷酸二氢钾，其中主要的污染物包括COD,NH₄⁺-N和NO₃^--N，浓度分别为8.31mg>-1，7.25mg>-1，2.56mg>-1。

聚氨酯悬浮填料：密度1.01g/cm³，比表面积412m²/m³；

SPR-1悬浮填料：密度0.96g/cm³，比表面积500m²/m³；

弹性填料：密度0.93g/cm³，比表面积250m²/m³；

球形填料：密度0.98g/cm³，比表面积236m²/m³；

生物反应器：圆柱形塑料生物反应容器，有效容积2L。

实施例1：

取聚氨酯悬浮填料填充到圆柱形塑料生物反应容器中，填充率7.6％(v/v)，以低C/N比微污染富营养化水体配置进水，进水pH和温度分别为7.0～8.0和25±2℃，并设置水力停留时间为24h，运行生物膜反应器，整个实验被分为两个阶段，第一阶段运行60d：生物膜反应器中只有聚氨酯悬浮填料；第二阶段(61-100d)，向生物膜反应器中投加两袋柚子皮，实验过程定期测定进出水的氨氮、总氮、有机物(总有机碳)的浓度，计算去除率，实验结果见表1。

表1

氨氮去除百分比总氮去除百分比COD百分比20d34.35％5.76％30.24％40d60.35％20.78％45.23％60d80.33％30.18％69.79％80d90.45％74.10％79.07％100d99.31％82.13％88.76％

实施例2：

取SPR-1悬浮填料填充到圆柱形塑料生物反应容器中，填充率7.6％(v/v)，以低C/N比微污染富营养化水体配置进水，进水pH和温度分别为7.0～8.0和25±2℃，并设置水力停留时间为24h，运行生物膜反应器，整个实验被分为两个阶段，第一阶段运行60d：生物膜反应器中只有SPR-1悬浮填料；第二阶段(61-100d)，向生物膜反应器中投加两袋柚子皮，实验过程定期测定进出水的氨氮、总氮、有机物(总有机碳)的浓度，计算去除率，实验结果见表2。

表2

氨氮去除百分比总氮去除百分比COD百分比20d44.35％6.73％31.24％40d70.35％20.33％45.63％60d82.33％33.69％71.39％80d91.45％80.09％82.23％100d99.66％87.76％89.33％

实施例3：

取弹性填料填充到圆柱形塑料生物反应容器中，填充率7.6％(v/v)，以低C/N比富营养化水体配置进水，进水pH和温度分别为7.0～8.0和25±2℃，并设置水力停留时间为24h，运行生物膜反应器，整个实验被分为两个阶段，第一阶段运行60d：生物膜反应器中只有弹性填料；第二阶段(61-100d)，向生物膜反应器中投加两袋柚子皮，实验过程定期测定进出水的氨氮、总氮、有机物(总有机碳)的浓度，计算去除率，实验结果见表3。

表3

氨氮去除百分比总氮去除百分比COD百分比20d40.01％7.13％27.22％40d71.25％22.38％44.44％60d81.55％34.22％69.55％80d90.03％79.15％81.43％100d97.46％85.45％83.33％

实施例4：

取球形填料填充到圆柱形塑料生物反应容器中，填充率7.6％(v/v)，以低C/N比微污染富营养化水体配置进水，进水pH和温度分别为7.0～8.0和25±2℃，并设置水力停留时间为24h，运行生物膜反应器，整个实验被分为两个阶段，第一阶段运行60d：生物膜反应器中只有球形填料；第二阶段(61-100d)，向生物膜反应器中投加两袋柚子皮，实验过程定期测定进出水的氨氮、总氮、有机物(总有机碳)的浓度，计算去除率，实验结果见表4。

表4

对比实施例1：

取聚氨酯悬浮填料填充到圆柱形塑料生物反应容器中，填充率7.6％(v/v)，以低C/N比富营养化水体配置进水，进水pH和温度分别为7.0～8.0和25±2℃，并设置水力停留时间为24h，运行生物膜反应器，运行100d，实验过程定期测定进出水的氨氮、总氮、有机物(总有机碳)的浓度，计算去除率，实验结果见表5。

表5

氨氮去除百分比总氮去除百分比COD百分比20d33.33％5.48％30.11％40d60.09％20.11％44.99％60d81.06％31.04％68.68％80d81.11％33.17％78.01％100d81.31％32.17％87.94％

对比实施例2

取SPR-1悬浮填料填充到圆柱形塑料生物反应容器中，填充率7.6％(v/v)，以低C/N比富营养化水体配置进水，进水pH和温度分别为7.0～8.0和25±2℃，并设置水力停留时间为24h，运行生物膜反应器，运行100d，实验过程定期测定进出水的氨氮、总氮、有机物(总有机碳)的浓度，计算去除率，实验结果见表6。

表6

对比实施例3：

取弹性填料填充到圆柱形塑料生物反应容器中，填充率7.6％(v/v)，以低C/N比富营养化水体配置进水，进水pH和温度分别为7.0～8.0和25±2℃，并设置水力停留时间为24h，运行生物膜反应器，运行100d，实验过程定期测定进出水的氨氮、总氮、有机物(总有机碳)的浓度，计算去除率，实验结果见表7。

表7

氨氮去除百分比总氮去除百分比COD百分比20d42.77％7.99％28.32％40d71.89％21.98％43.43％60d81.15％34.25％68.07％80d80.01％33.13％71.23％100d79.46％34.07％85.11％

对比实施例4：

取球形填料填充到圆柱形塑料生物反应容器中，填充率7.6％(v/v)，以低C/N比富营养化水体配置进水，进水pH和温度分别为7.0～8.0和25±2℃，并设置水力停留时间为24h，运行生物膜反应器，运行100d，实验过程定期测定进出水的氨氮、总氮、有机物(总有机碳)的浓度，计算去除率，实验结果见表8。

表8

实施例5

分别用无菌的镊子在实施例2中取1g柚子皮载体和1g SPR-1悬浮载体作为生物膜分析样本，装入无菌的试剂瓶中，放于冰箱中冷冻保存。将相关样品送至上海派森诺生物科技股份有限公司进行微生物群落Miseq测序分析，菌群分析结果见表9：

表9

Miseq测序分析显示在组合生物膜反应器中占主导地位的功能微生物分别是Thiothrix,Gemmata,unclassified comanonadaceae,unclassified Pirellulaceae，unclassified Rhizobiales,Salipiger,和Chloronema，显然柚子皮载体和SPR-1悬浮填料上富集的功能微生物的丰富度和种类均不同，这说明他们在组合的生物膜反应器中起着不同的作用，SPR-1悬浮填料主要富集硫自养反硝化和非固相异养反硝化，异养硝化和光合成细菌；而柚子皮载体的代谢主要是固相和非固相异养反硝化和固体碳的转化途径。柚子皮的加入使功能微生物大量的繁殖和富集从而极大的提升了同步硝化反硝化的性能，有效地控制了出水总氮和有机物的浓度。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)，而各个参数之间并不存在严格的配合与限定关系，其中各参数在不违背公理以及本发明述求时可以相互替换，特别声明的除外。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。