一种微藻驱动同步甲烷氧化、硝化与反硝化处理含氮废水的方法

摘要

本发明公开了一种微藻驱动同步甲烷氧化、硝化与反硝化处理含氮废水的方法，具体包括以下步骤：好氧甲烷氧化菌与硝化反硝化菌共生微生物的培养与驯化；藻菌共生微生物的培养与驯化；微藻驱动的好氧甲烷氧化同时硝化反硝化耦合脱氮系统的构建；将厌氧反应器出水通入已构建好的耦合脱氮系统，间歇循环曝入沼气进行处理，从而脱除废水中的氮。该方法通过微藻光合作用消耗CO2产生微氧环境，促使甲烷氧化菌氧化CH4、硝化细菌氧化氨氮，借助生物膜填料形成缺氧和厌氧生态位实现反硝化脱氮，很好地解决了好氧甲烷氧化与硝化反应需氧与反硝化反应无需氧气的冲突问题，同时还避免了氧气与甲烷气体同时曝入系统引起的爆炸风险，实现了沼气的资源化和碳减排。

说明书

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种微藻驱动同步甲烷氧化、硝化与反硝化处理含氮废水的方法。

背景技术

当前，传统活性污泥法A/O、A

近年来，越来越多的研究证明，甲烷作为电子供体进行好氧甲烷氧化耦合同时硝化反硝化的污水脱氮技术具有巨大的应用潜力。一方面，厌氧发酵过程产生了大量甲烷，用其作为碳源进行反硝化脱氮，既减少了温室气体甲烷的排放，又节省了因碳源投加带来的运行成本。另，厌氧反应器出水、垃圾渗滤液和畜禽养殖废水发酵沼液中均含有大量铵态氮，需通过硝化菌将氨氮氧化为亚硝态氮或硝态氮，而好氧甲烷氧化菌可以将甲烷氧化并产生中间代谢物质（如：甲醇、乙酸和柠檬酸等）供反硝化菌利用进行脱氮，在整个过程中实现了同步硝化、甲烷氧化和反硝化等高效生化反应。

然而，现有的好氧甲烷氧化耦合同时硝化反硝化技术存在如下缺点：1）需通过机械曝气为硝化细菌与好氧甲烷氧化菌提供氧气与甲烷，具有较高的能耗和爆炸风险；2）硝化反应与好氧甲烷氧化反应均需大量氧气，而过量的氧气对反硝化反应会产生抑制作用；3）同时，反应过程仍有部分二氧化碳气体产生，其排放会导致温室效应。

中国专利CN201810385159.8公开了强化兼性氧化塘脱氮的好氧甲烷氧化反硝化装置及其工艺，该专利以好氧甲烷氧化反硝化过程为核心，通过供气系统传输甲烷和空气进入兼性氧化塘底部的中空纤维膜和填料组合而成的复合装置，进而实现氧化塘的改造和氮素去除的强化。该发明采用了机械曝甲烷与氧气的混合气体，供氧能耗与爆炸风险依然存在。

中国专利CN202010369968.7公开了一种同步产甲烷、好氧甲烷氧化耦合反硝化工艺控制方法，该专利通过进水预曝气的方式，采用污泥膨胀床生物膜反应器，在微氧的环境下实现了原位产甲烷和甲烷氧化以及反硝化，高效去除了废水中的有机物和硝态氮。该方法处理对象为含有硝酸盐的有机废水，需通过转化进水中有机物生成甲烷和进水预曝气的方式实现原位好氧甲烷氧化，对于含氨氮的废水或低有机物的废水并不适用，且该方法仍涉及预曝气，能耗依然较高。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种微藻驱动同步甲烷氧化、硝化与反硝化处理含氮废水的方法，该方法能直接脱除废水中的铵态氮，并很好地避免了氧气与甲烷气体同时曝入系统引起的爆炸风险，最终实现了沼气的资源化利用和碳减排。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种微藻驱动同步甲烷氧化、硝化与反硝化处理含氮废水的方法，具体包括以下步骤：

S1：好氧甲烷氧化菌与硝化反硝化菌共生微生物的培养与驯化：以厌氧生物反应器出水管壁污泥为接种微生物，在密闭的反应器中通过真空隔膜泵循环曝入沼气与空气的混合气体，以厌氧反应器出水为营养液，在室温条件下，采用序批式培养模式，水力停留时间为2-3天，直至混合气体中甲烷被耗尽后进入下一批次，此过程维持多个循环，富集培养周期为15-30天，最终培养驯化出好氧甲烷氧化菌与硝化反硝化菌共生微生物；

S2：藻菌共生微生物的培养与驯化：以厌氧反应器出水为营养液，在全混合序批式光生物反应器外侧采用LED灯对微藻进行持续光照，在室温条件下，水力停留时间为12-24小时，采用序批式培养模式，维持富集培养周期为15-30天，使得厌氧出水中氨氮稳定转化为亚硝酸氮和硝态氮，最终培养驯化出微藻和硝化细菌共生的藻菌共生微生物；

S3：微藻驱动的好氧甲烷氧化同时硝化反硝化耦合脱氮系统的构建：将步骤S1所得的好氧甲烷氧化菌与硝化反硝化菌共生微生物与步骤S2中所得的藻菌共生微生物接种于生物膜反应器中，所述生物膜反应器中填充固定生物膜填料，其中步骤S1所得的好氧甲烷氧化菌与硝化反硝化菌共生微生物的接种浓度为1.0-2.0 g TSS/L，步骤S2所得的藻菌共生微生物的接种浓度为2.0-3.0 g TSS/L，通过真空隔膜泵间歇循环曝入沼气与空气的混合气体，同时在生物膜反应器外侧采用LED 灯进行持续光照，在室温条件下，水力停留时间设置为2-3天，采用序批式培养模式，直至生物膜反应器溶液中氨氮被去除完全后进入下一批次，培养过程中逐步降低混合气体中氧气占比而提升甲烷占比，直至最终以纯的沼气运行，从而获得微藻驱动的好氧甲烷氧化同时硝化反硝化耦合脱氮系统；

S4：将厌氧反应器的出水通入步骤S3已构建好的微藻驱动的好氧甲烷氧化同时硝化反硝化耦合脱氮系统进行处理，从而脱除废水中的氮。

进一步地，在步骤S2和S3中，所述LED灯由红光和蓝光组成，蓝光波长范围为 420-550 nm，红光波长范围为 620-750 nm，光质为红∶蓝=5:1，光强为1500-3000 LUX。

进一步地，在步骤S1中，采取连续曝气模式，混合气体的曝气速率为1-2 L/min，混合气体中CH

进一步地，在步骤S3中，混合气体的曝气速率为1-2 L/min，混合气体中CH

进一步地，在步骤S1、S2和S3中，厌氧生物反应器出水中铵态氮的浓度为50-75mg/L、亚硝态氮和硝态氮的浓度均<0.5 mg/L、化学需氧量COD< 80 mg/L、溶解氧为0.1-0.5mg/L、pH在6.8-7.2。

进一步地，在步骤S2中，全混合序批式光生物反应器内设有机械搅拌装置，其转速控制在150-200 rpm。

进一步地，在步骤S3中，所述真空隔膜泵间歇循环曝入混合气体，其间歇时间为6h，曝气时间也为6 h，曝气流量为1-2 L/min。

进一步地，所述生物膜填料为聚乙烯填料。

进一步地，所述沼气产生于厌氧生物反应器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明构建的微藻驱动的好氧甲烷氧化同时硝化反硝化耦合脱氮系统可用于处理厌氧出水，养殖尾水和垃圾渗滤液等低碳氮比废水，并可高效去除废水中的氮素，具有广泛的应用前景。

2、本发明利用微藻光合作用不但可以消耗温室气体（CO

3、在光照下微藻吸收沼气中的二氧化碳或利用厌氧出水中的无机碳产生氧气，硝化菌利用氧气将铵态氮氧化为亚硝态氮或硝态氮，好氧甲烷氧化菌利用氧气将甲烷氧化为甲醇等中间代谢产物供给反硝化菌作为电子供体，反硝化菌在生物膜中厌氧或缺氧的区域将亚硝态氮或硝态氮还原为氮气，实现氮素的去除，而硝化菌、好氧甲烷氧化菌以及反硝化菌代谢过程产生的二氧化碳可进一步被微藻吸收产生氧气，沼气被充分利用。

4、本发明无需同时机械曝入氧气和甲烷气体，从而避免了氧气和甲烷气体发生爆炸的风险，且还能降低能耗。

附图说明

图1-实施例1脱除铵态氮的效果图。

图2-实施例2硝化过程中微生物活性图。

图3-实施例3反硝化过程微生物活性图。

图4-实施例4氨氧化细菌和亚硝化细菌耗氧速率图。

具体实施方式

一种微藻驱动同步甲烷氧化、硝化与反硝化处理含氮废水的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：好氧甲烷氧化菌与硝化反硝化菌共生微生物的培养与驯化：以厌氧生物反应器出水管壁污泥为接种微生物，在密闭的反应器中通过真空隔膜泵循环曝入沼气与空气的混合气体，以厌氧反应器出水为营养液，在室温条件下，采用序批式培养模式，水力停留时间为2-3天，直至混合气体中甲烷被耗尽后进入下一批次，此过程维持多个循环，富集培养周期为15-30天，最终培养驯化出好氧甲烷氧化菌与硝化反硝化菌共生微生物；

S2：藻菌共生微生物的培养与驯化：以厌氧反应器出水为营养液，在全混合序批式光生物反应器外侧采用LED灯对微藻进行持续光照，在室温条件下，水力停留时间为12-24小时，采用序批式培养模式，维持富集培养周期为15-30天，使得厌氧出水中氨氮稳定转化为亚硝酸氮和硝态氮，最终培养驯化出微藻和硝化细菌共生的藻菌共生微生物；

S3：微藻驱动的好氧甲烷氧化同时硝化反硝化耦合脱氮系统的构建：将步骤S1所得的好氧甲烷氧化菌与硝化反硝化菌共生微生物与步骤S2中所得的藻菌共生微生物接种于生物膜反应器中，所述生物膜反应器中填充固定生物膜填料，其中步骤S1所得的好氧甲烷氧化菌与硝化反硝化菌共生微生物的接种浓度为1.0-2.0 g TSS/L，步骤S2中所得的藻菌共生微生物的接种浓度为2.0-3.0 g TSS/L，通过真空隔膜泵间歇循环曝入沼气与空气的混合气体，同时在生物膜反应器外侧采用LED 灯进行持续光照，在室温条件下，水力停留时间设置为2-3天，采用序批式培养模式，直至生物膜反应器溶液中氨氮被去除完全后进入下一批次，培养过程中逐步降低混合气体中氧气占比而提升甲烷占比，直至最终以纯的沼气运行，从而获得微藻驱动的好氧甲烷氧化同时硝化反硝化耦合脱氮系统；

S4：将厌氧反应器的出水通入步骤S3已构建好的微藻驱动的好氧甲烷氧化同时硝化反硝化耦合脱氮系统进行处理，从而脱除废水中的氮。

具体实施时，在步骤S2和S3中，所述LED灯由红光和蓝光组成，蓝光波长范围为420-550 nm，红光波长范围为 620-750 nm，光质为红∶蓝=5:1，光强为1500-3000 LUX。

具体实施时，在步骤S1中，采取连续曝气模式，混合气体的曝气速率为1-2 L/min，混合气体中CH

具体实施时，在步骤S3中，混合气体的曝气速率为1-2 L/min，混合气体中CH

实施时，逐步降低氧气的占比，提升甲烷的占比，甲烷和氧气的占比可按六个梯度进行，分别是甲烷/氧气=10%/15%；10%/10%；10%/5%；10%/0%；30%/0；60%/0，使得好氧甲烷氧化菌和硝化细菌慢慢适应微藻驱动产氧形成的低氧环境。

具体实施时，其特征在于，在步骤S1、S2和S3中，厌氧生物反应器出水中铵态氮的浓度为50-75 mg/L、亚硝态氮和硝态氮的浓度均<0.5 mg/L、化学需氧量COD< 80 mg/L、溶解氧为0.1-0.5 mg/L、pH在6.8-7.2。

具体实施时，在步骤S2中，全混合序批式光生物反应器内设有机械搅拌装置，其转速控制在150-200 rpm。

具体实施时，其特征在于，在步骤S3中，所述真空隔膜泵间歇循环曝入混合气体，其间歇时间为6 h，曝气时间也为6 h，曝气流量为1-2 L/min。

具体实施时，步骤S1和步骤S3中曝入的沼气产生于厌氧生物反应器。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

同步实现好氧甲烷氧化耦合硝化、反硝化去除厌氧出水中铵态氮的光生物膜反应器长期运行效果。

（1）反应器运行：将厌氧反应器出水直接通入上述已构建好的微藻驱动好氧甲烷氧化同时硝化反硝化耦合脱氮系统中进行处理，并长期观测运行情况。具体操作如下：向反应器中加入500 mL厌氧出水，曝气所用气体为沼气和空气的混合气体，实施时，逐步降低氧气的占比，提升甲烷的占比，甲烷和氧气的占比可按六个梯度进行，分别是甲烷/氧气=10%/15%；10%/10%；10%/5%；10%/0%；30%/0；60%/0，使得好氧甲烷氧化菌和硝化细菌慢慢适应微藻驱动产氧形成的低氧环境。控制光照强度在1500-3000 LUX之间，控制反应器的温度为28±2℃，控制反应的pH为7.0-7.3，混合气体的流量为1-2 L/min，在该实施例过程中及时通过采样口采取水样，测定其中的铵态氮、亚硝态氮以及硝态氮的含量，并使用溶解氧测定仪对溶解氧进行测定。

（2）反应过程：首先在光照下微藻通过光合作用吸收沼气中的二氧化碳或利用厌氧出水中的无机碳产生氧气，硝化菌利用氧气将铵态氮氧化为亚硝态氮或硝态氮，好氧甲烷氧化菌利用氧气将甲烷氧化为甲醇等中间代谢产物供给反硝化菌作为电子供体，反硝化菌在生物膜中厌氧或缺氧的区域将亚硝态氮或硝态氮还原为氮气，硝化菌、好氧甲烷氧化菌以及反硝化菌代谢过程产生的二氧化碳可进一步被微藻吸收产生氧气。该实施例涉及到的反应式如下：

微藻光合作用产氧：6CO

亚硝化反应：2NH

硝化反应：NO

好氧甲烷氧化（以生成甲醇为例）：4CH

反硝化：2NO

其中，微藻参与的过程为反应过程为（a），硝化菌参与的反应过程为（b）与（c），好氧甲烷氧化菌参与的反应过程为（c），反硝化菌参与的反应过程为（d）。

（3）实施例1结果：在一个水力停留时间（2-3 d）结束后，反应出水的溶解氧维持在1.0 mg/L以下，反应过程中氮元素的转化如图1所示，在反应器运行的1400 h中，铵态氮被有效去除，并且没有亚硝态氮与硝态氮的积累，反应器的铵态氮去除速率为15-25 mg NH

实施例2

同步实现好氧甲烷氧化耦合硝化、反硝化去除水体中铵态氮的技术中亚硝化细菌/硝化细菌的代谢活性测试。

（1）反应器运行：将实施例1长期稳定运行的反应器避光停止曝沼气饥饿24 h以减少反应器溶液中累积残留的中间代谢产物。然后，将反应器中的水更换为纯水，并向反应器中添加铵态氮使其初始氨氮浓度为30 mg/L左右，随后通入空气，控制反应器的温度为28±2℃，控制反应的pH为7.0-7.3，控制溶解氧维持在2.0-4.0 mg/L，控制空气的曝气流量为1-2 L/min，在该实施例过程中及时通过采样口采取水样，并及时测定其中的铵态氮、亚硝态氮以及硝态氮的含量。

（2）反应过程：首先在好氧条件下亚硝化细菌将氨氮氧化为亚硝态氮，硝化细菌进一步将亚硝态氮氧化为硝态氮。

该实施例涉及到的反应式如下：

亚硝化反应：NH

硝化反应：NO

其中，亚硝化细菌参与的过程为反应过程为（a），硝化细菌参与的反应过程为（b）。

（3）实施例2结果：如图2所示，在反应器运行的60 h中，亚硝态氮浓度在初始10 h中迅速升高并积累到较高浓度，而在随后50 h的空气曝气过程中并没有产生硝态氮的生产或积累现象，说明该工艺中硝化过程是亚硝化，该反应过程中亚硝态氮的生成速率为3 mgNO

实施例3

同步实现好氧甲烷氧化耦合硝化、反硝化去除水体中铵态氮的技术中反硝化细菌的代谢活性。

（1）反应器运行：将实施例2运行结束后的反应器，并将反应器中的水更换为纯水以减少残留的无机盐对后续实验的影响。向反应器中加入纯的甲醇溶液（99.5%），使其最终浓度为2 g/L左右，随后添加硝态氮至初始浓度约70 mg/L，24 h后加入亚硝态氮使其初始浓度约40 mg/L，再经过24 h后添加硝态氮使其浓度约100 mg/L, 24 h后再次添加亚硝态氮约65 mg/L的，控制反应器的温度为28±2 ℃，控制反应的pH为7.0-7.3，控制溶解氧维持在0-0.5 mg/L, 该反应过程中及时通过采样口采取水样，并及时测定其中的铵态氮、亚硝态氮以及硝态氮的含量。

（2）反应过程：在厌氧或缺氧环境且有甲醇作为有机碳源的条件下，反硝化细菌将硝态氮与亚硝态氮还原为氮气。

该实施例涉及到的反应式如下：

第一步：3NO

第二步：2H

第三步：6H

其中，反硝化细菌参与的过程为反应过程为（a）（b）（c）。

（3）实施例3结果：如图3所示，在反应器运行的84 h中，两批次实验均显示硝态氮浓度在初始24 h中快速下降为0，随后亚硝酸盐在6 h内完全被去除，说明该工艺中可以发生反硝化与短程反硝化过程。该反应过程中硝态氮的反硝化速率为3 mg NO

实施例4

同步实现好氧甲烷氧化耦合硝化、反硝化去除水体中铵态氮的技术中硝化细菌的活性测试。

（1）反应器运行：将实施例1长期稳定运行的反应器避光停止曝沼气饥饿24 h以减少反应器溶液中累积残留的中间代谢产物。然后，将反应器完全避光，控制反应器的温度为28±2℃，控制反应的pH为7.0-7.3，连接微孔曝气装置和溶解氧仪，设置溶解氧阈值为2-5mg/L，间隔一定时间采集溶解氧数据，该过程微生物处于内源呼吸状态，测定耗氧速率OUR

内源呼吸速率=OUR

亚硝化菌氧化速率=OUR

氨氧化菌氧化速率=OUR

（2）实施例4结果：如图4所示，曲线一与曲线二的斜率差为0.0075，这显示亚硝态氮的氧化细菌活性微弱，曲线三与曲线二的斜率差为0.0893约为0.0075的11倍，这说明亚硝化细菌的活性比硝化细菌的活性更强，进一步表明该反应器中主要以亚硝化反应为主。

最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。