一种球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法

技术领域

本发明涉及氨氮废水处理领域，具体涉及一种球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法。

背景技术

医药化工、化肥、石化、炼焦、冶炼、屠宰等行业是我国含氨氮废水排放的工业大户，其排放的氨氮废水具有C/N比例低的特点，属于较难处理的主要工业废水之一，采用传统硝化-反硝化生物脱氮技术对这类废水进行处理时，常出现生物脱氮处理能力受限、剩余活性污泥产量高、有机碳源投加量大、曝气量大等技术问题，同时活性污泥处理成本、药剂投加成本和能耗也随之显著增加。因此，选择适合这类氨氮废水的生物处理工艺显得尤为重要。

单级自养脱氮作为一项新型生物脱氮技术，与传统硝化-反硝化技术相比，具有工艺流程短、不消耗有机碳源、能耗低等特点，如表1所示。该工艺在处理中高浓度氨氮、低C/N比的废水方面，具有显著的技术优势。然而，厌氧氨氧化技术在实际研发中，存在启动周期长、运行不稳定的问题，限制了该技术的生物脱氮能力，并对该技术适用范围的拓展与应用推广形成影响。

表1厌氧氨氧化技术与传统硝化-反硝化技术的对比分析

厌氧氨氧化技术与传统硝化-反硝化技术在处理氨氮废水中有其自身的特点，现有技术中尚没有高效处理氨氮和总氮废水的单级脱氮方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将活性污泥接种至一体式淹没式生物滤池中并向一体式淹没式生物滤池中通入惰性气体进行生物挂膜；

(2)向步骤(1)处理后的一体式淹没式生物滤池中输入模拟氨氮废水反应，所述模拟氨氮废水符合以下参数：pH 7.99～8.35，CODcr 0.0～7.0mg/L，NH4+-N 102.0～164.0mg/L，NO2--N 0.0～7.0mg/L，NO3--N 1.2～2.4mg/L，控制反应体系中的DO为0.6～0.8mg/L，pH为6.67～8.01，水温为29.5～31.9℃；

(3)继续多批次保持输入同步骤(2)所述模拟氨氮废水进行驯化反应，控制反应体系中的DO为0.6～0.8mg/L，pH为6.67～8.01，水温为29.5～31.9℃，同时对一体式淹没式生物滤池进行间歇性光照处理和避光处理，光照处理周期和避光处理周期的时长比例为(0.5～1.2)：1，一个连续的光照处理周期时长为8～13小时，进而控制球藻的生长，当一体式淹没式生物滤池内壁15％～20％的面积生长并附着球藻，并且一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落符合以下条件时系统启动成功；所述一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落包括以下相对丰度的微生物：浮霉菌门(Planctomycetes)的相对丰度为42.0％～44.0％、拟杆菌门(Bactcroidetes)的相对丰度为25.0％～27.0％、变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度为13.0％～15.0％、绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度为8.0％～10.0％、蓝藻门(Cyanobacteria)的相对丰度为1％～2％、酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度为1％～2％、装甲菌门(Armatimonadetes)的相对丰度为0.5％～1.5％；

(4)向一体式淹没式生物滤池中输入待处理氨氮废水，并稳定运行，所述待处理氨氮废水中含有氨氮。

上述球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法在于接种活性污泥后通过通入惰性气体挂膜，然后输入氨氮废水进行启动，同时对一体式淹没式生物滤池进行间歇性光照处理和避光处理，光照处理周期和避光处理周期的时长比例为(0.5～1.2)：1，一个连续的光照处理周期时长为8～13小时，进而控制球藻的生长，当一体式淹没式生物滤池内壁15％～20％的面积生长并附着球藻，此时特定微生物相对丰度的活性污泥产生，达到特定微生物相对丰度的活性污泥与球藻在同一个一体式淹没式生物滤池中共生，使球藻与单级自养脱氮功能菌协同处理氨氮废水，实现一体式淹没式生物滤池中氨氮和总氮的高效处理。该方法启动时间短，氨氮的平均去除率提升至96.1％，总氮平均去除率提升至88.2％。

上述球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法将活性污泥微生物和球藻在同一个一体式淹没式生物滤池中共生，其中，活性污泥微生物的主要作用是将废水中的部分氨氮经好氧氨氧化菌的的作用生成亚硝酸氮，生成的亚硝酸氮和剩余的氨氮经厌氧氨氧化菌的作用生成大量氮气和很少量的硝酸氮，实现氨氮从废水中的有效去除。其次，球藻可以吸收氨氮、亚硝酸盐进行光合作用，放出少量氧气，不仅进一步对氨氮废水进行有效治理，还可以补充少量氧气，减少曝气能耗。同时，球藻可以抑制蓝藻，并起到一定的系统保温作用，促进活性污泥微生物的活性和稳定性。另外，上述发明方法中，溶解氧、pH、温度、水力停留时间、有机碳源、无机碳源等参数对能否成功实现上述方法的目的有重要影响。pH会改变细胞膜表面电荷，进而影响微生物对营养物质的吸收和微生物代谢过程中酶的活性；溶解氧是影响反应体系中功能菌好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌生长繁殖的关键因素；温度是影响微生物体内酶的活性和蛋白质性质的重要因素；有机碳源会抑制反应体系内好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的活性；无机碳源是厌氧氨氧化菌合成自身细胞物质与能量代谢的营养物质之一；水利停留时间控制反应体系内微生物不同代谢时期。上述球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法通过控制上述因素缩短了启动时间，提升了氨氮、总氮的去除率。

优选地，所述步骤(4)中，待处理氨氮废水中氨氮的浓度为100～200mg/L。

上述球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法可实现一体式淹没式生物滤池中浓度为100～200mg/L氨氮的有效处理。

优选地，所述步骤(4)中，控制反应体系中的DO为0.6～0.8mg/L，pH为7.01～7.84，水温为29.3～32.2℃，光照条件为：光照处理周期和避光处理周期的时长比例为(0.5～1.2)：1，一个连续的光照处理周期时长为8～13小时。

优选地，所述步骤(1)中，活性污泥的MLSS浓度为6000～8000mg/L，活性污泥的pH为6.0～9.0。

优选地，所述步骤(1)中，通入惰性气体使一体式淹没式生物滤池中的气压控制在0.15～0.20Mpa，持续通气时间为48～72h，通气后静置10～30min。

优选地，所述一体式淹没式生物滤池中设置有组合填料，所述组合填料由填料单片、塑料套管、中心铜管丝三部分组成，所述组合填料的结构是将塑料圆片压扣成双圈大塑料环，将涤纶丝压在双圈大塑料环的环圈上，使纤维束均匀分布；双圈大塑料环的内圈是雪花状塑料枝条。

上述方法中设置的组合填料由填料单片、塑料套管、中心铜管丝三部分组成，其结构是将塑料圆片压扣成双圈大塑料环，将涤纶丝压在环的环圈上，使纤维束均匀分布；内圈是雪花状塑料枝条，既能挂膜，又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率，因而水气生物膜得到充分交换，使得水中的氮素得到高效处理。

优选地，所述步骤(2)中，所述模拟氨氮废水包括以下组分：NH4Cl 0.39～0.64g/L，KH2PO4 0.025～0.031g/L，MgSO4 0.01～0.02g/L，CaCl2 0.01～0.02g/L，NaHCO3 0.40～0.60g/L。

优选地，所述步骤(2)中的水力停留时间为14～18小时，所述步骤(3)中的水力停留时间为14～18小时，所述步骤(4)中的水力停留时间为14～18小时。

优选地，所述步骤(2)中，不排出底泥；所述步骤(3)中，不排出底泥，所述步骤(4)中，不排出底泥。

优选地，所述步骤(1)中，挂膜活性污泥用量与一体式淹没式生物滤池有效体积比为(0.4～0.6)：1。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法。本发明球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法在接种活性污泥后通入惰性气体挂膜，然后通过输入氨氮废水进行启动，同时对一体式淹没式生物滤池进行间歇性光照处理和避光处理，光照处理周期和避光处理周期的时长比例为(0.5～1.2)：1，一个连续的光照处理周期时长为8～13小时，进而控制球藻的生长，当一体式淹没式生物滤池内壁15％～20％的面积生长并附着球藻，此时特定微生物相对丰度的活性污泥产生，达到特定微生物相对丰度的活性污泥与球藻在同一个一体式淹没式生物滤池中共生，使球藻与单级自养脱氮功能菌协同处理氨氮废水，实现一体式淹没式生物滤池中氨氮和总氮的高效处理。该方法启动时间短，氨氮的平均去除率提升至96.1％，总氮平均去除率提升至88.2％。

本发明球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法与常规技术具有以下区别与优势：

(1)本发明方法将球藻与单级自养脱氮在一体式淹没式生物滤池(SABF反应体系)内的有效协同结合。常规单级自养脱氮技术主要依靠好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协同完成对废水的生物脱氮作用，作用贡献者相对单一。本发明技术是在SABF中生物填料的内部富集厌氧氨氧化菌，在生物填料的外部富集好氧氨氧化菌，在SABF反应器内壁生长与富集球藻，实现单级自养脱氮与球藻的有效协同结合，高效去除废水中的氮素，这在技术上具有显著的突破优势。

(2)丰富提升生物脱氮的处理途径。常规单级自养脱氮技术主要依靠好氧氨氧化菌先将废水中的部分氨氮氧化生成亚硝酸氮，生成的亚硝酸氮和剩余的氨氮经厌氧氨氧化菌的作用生成大量氮气和很少量的硝酸氮，实现氨氮从废水中的有效去除。本发明技术在采用以上生物脱氮途径的同时，利用小球藻以吸收氨氮、亚硝酸盐进行光合作用，进一步对氨氮废水进行有效治理，丰富提升生物脱氮的处理途径。

(3)有效提升生物脱氮性能。常规单级自养脱氮技术在运行时，氨氮的平均去除率在80％，总氮平均去除率在70％。本发明技术将球藻与单级自养脱氮技术相协同，氨氮的平均去除率提升至96.1％，总氮平均去除率提升至88.2％，具有显著的技术优势。

(4)进一步提升体统运行的稳定性。常规单级自养脱氮技术在运行时，对温度、溶解氧、pH值、进水氨氮负荷、水力停留时间等参数变化很敏感，为了稳定运行，需要把各参数严格控制在较小的阈值范围内。本发明技术在启动和运行时，反应体系内的pH范围均比常规的要拓宽，水力停留时间比常规要缩短，这在技术工程化应用中体现出充分的优越性。同时，小球藻进行光合作用时，可释放出少量氧气，减少部分曝气能耗，加之小球藻还可以抑制蓝藻，并起到一定的系统保温作用，可进一步促进活性污泥微生物的活性和稳定性。因此，本发明技术的氨氮和总氮去除率能力比常规的要明显提高，并稳定运行了超过3个月，通过事实充分证实了该技术的运行稳定性得以提升。

附图说明

图1为本发明实施例球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法中一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落分布。

图2为本发明实施例球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法中一体式淹没式生物滤池中活性污泥中藻类分析图。

图3为本发明实施例球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法运行结果图。

图4为本发明实施例球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法运行结果图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

作为本发明实施例的一种球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将2.8L活性污泥接种至有效容积为3.2L的一体式淹没式生物滤池中并向一体式淹没式生物滤池中，活性污泥的MLSS浓度为7000mg/L，活性污泥的pH为7.0；通入惰性气体使一体式淹没式生物滤池中的气压控制在0.18～0.20Mpa，持续通气时间为48h，通气后静置30min完成生物挂膜，挂膜活性污泥用量与一体式淹没式生物滤池有效体积比为1：2；一体式淹没式生物滤池中设置有组合填料，所述组合填料由填料单片、塑料套管、中心铜管丝三部分组成，所述组合填料的结构是将塑料圆片压扣成双圈大塑料环，将涤纶丝压在双圈大塑料环的环圈上，使纤维束均匀分布；双圈大塑料环的内圈是雪花状塑料枝条

(2)向步骤(1)处理后的一体式淹没式生物滤池中输入模拟氨氮废水反应，所述模拟氨氮废水符合以下参数：pH 7.99～8.35，CODcr 0.0～7.0mg/L，NH4+-N 102.0～164.0mg/L，NO2--N 0.0～7.0mg/L，NO3--N 1.2～2.4mg/L，控制反应体系中的DO为0.6～0.8mg/L，pH为6.67～8.01，水温为29.5～31.9℃，水力停留时间为18小时；所述模拟氨氮废水包括以下组分：NH4Cl 0.39～0.64g/L，KH2PO4 0.025～0.031g/L，MgSO4 0.01～0.02g/L，CaCl20.01～0.02g/L，NaHCO3 0.40～0.60g/L；

(3)继续多批次保持输入同步骤(2)所述模拟氨氮废水进行驯化反应，同时对一体式淹没式生物滤池进行间歇性光照处理和避光处理，光照处理周期和避光处理周期的时长比例为0.5：1，一个连续的光照处理周期时长为8小时，进而控制球藻的生长，当一体式淹没式生物滤池内壁15％～20％的面积生长并附着球藻，并且一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落符合以下条件时系统启动成功；水力停留时间为18小时；

所述一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落包括以下相对丰度的微生物：浮霉菌门(Planctomycetes)的相对丰度为42.0％～44.0％、拟杆菌门(Bactcroidetes)的相对丰度为25.0％～27.0％、变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度为13.0％～15.0％、绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度为8.0％～10.0％、蓝藻门(Cyanobacteria)的相对丰度为1％～2％、酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度为1％～2％、装甲菌门(Armatimonadetes)的相对丰度为0.5％～1.5％；

(4)向一体式淹没式生物滤池中输入待处理氨氮废水，并稳定运行，所述待处理氨氮废水中含有氨氮，控制反应体系中的DO为0.6～0.8mg/L，pH为7.01～7.84，水温为29.3～32.2℃，水力停留时间为18小时，控制光照条件为：光照处理周期和避光处理周期的时长比例为0.5：1，一个连续的光照处理周期时长为8小时。

一、实验方法

(一)、实验材料

1、人工模拟氨氮配水水质各项参数如下：pH 7.99～8.35，CODcr 0.0～7.0mg/L，NH4+-N102.0-164.0mg/L，NO2--N 0.0-7.0mg/L，NO3--N 1.2-2.4mg/L。

2、活性污泥置备。取城镇污水处理厂二沉池的普通活性污泥作为活性污泥，颜色为浅黄褐色，pH值为7，MLSS为2200mg/L，对污泥进行沉淀经0.5h沉淀，活性污泥浓度MLSS为7000mg/L。

(二)球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法模拟实验

(1)取2.8L、pH值为7、活性污泥浓度MLSS为7000mg/L的活性污泥加入有效容积为3.2L的一体淹没式生物滤池(SBAF)反应器中，一体式淹没式生物滤池中设置有组合填料，所述组合填料由填料单片、塑料套管、中心铜管丝三部分组成，所述组合填料的结构是将塑料圆片压扣成双圈大塑料环，将涤纶丝压在双圈大塑料环的环圈上，使纤维束均匀分布，双圈大塑料环的内圈是雪花状塑料枝条，向SBAF反应器底部通入纯氮气，气压控制在0.18～0.20Mpa范围内，并持续通入48h进行生物挂膜，实际挂膜所用活性污泥量(体积)与反应器的有效容积比为1：2；生物挂膜过程中SBAF反应器中的活性污泥逐渐附着在组合填料表面，活性污泥颜色由浅黄褐色变为黑褐色；停止通氮气并静置0.5h后，将剩余活性污泥从反应器底部排泥口排出；

(2)采用蠕动泵向步骤(1)处理后的一体式淹没式生物滤池中输入模拟氨氮废水反应，同时对一体式淹没式生物滤池进行间歇性光照处理和避光处理，光照处理周期和避光处理周期的时长比例为0.5：1，一个连续的光照处理周期时长为8小时，进而控制球藻的生长。所述模拟氨氮废水符合以下参数：pH 7.99～8.35，CODcr 0.0～7.0mg/L，NH4+-N102.0～164.0mg/L，NO2--N 0.0～7.0mg/L，NO3--N 1.2～2.4mg/L，控制反应体系中的DO为0.6～0.8mg/L，pH为6.67～8.01，水温为29.5～31.9℃，水力停留时间为18小时，不排出底泥；

如图3、图4所示，系统启动期，从第1-6d，污泥处于接种初期，低DO抑制部分好氧氨氧化菌和大部分硝化细菌的活性，导致只有部分NH4+-N能被氧化，出水NH4+-N浓度在71.0～95.0mg/L范围内，平均质量浓度为88.3mg/L；出水NO2--N浓度从4.0mg/L逐渐增加至39.0mg/L范围内；出水NO3--N浓度在1.4～4.9mg/L范围内，平均质量浓度为2.3mg/L。在第7～14d时，体系内存有一定量的好氧氨氧化菌，引起出水NH4+-N平均质量浓度在86.5mg/L，出水NO2--N平均质量浓度为67.3mg/L，出水NH4+-N/NO2--N比值为1.29；与此同时，出水NO3--N质量浓度在1.9 -5.6mg/L范围内，说明硝化菌能够被有效抑制。从第15～53d时，体系开始富集厌氧氨氧化菌出现厌氧氨氧化现象，其中出水NH4+-N浓度由52.0mg/L降至8.0mg/L，出水NO2--N浓度由84.0mg/L降至10.0mg/L。与此同时，出水NO3--N质量浓度浓度在1.6 -8.8mg/L范围内，此时氨氮转化率由0％提升至93.8％，总氮去除率由0.0％提升至达到83.1％，实现球藻协同单级自养脱氮工艺成功启动。该反应体系在启动期内，不投加有机碳源，反应器连续启动且不排泥。

(3)继续多批次保持输入同步骤(2)所述模拟氨氮废水反应至挂膜的活性污泥呈红色，当一体式淹没式生物滤池内壁15％面积生长并附着球藻，经检测一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落的相对丰度如图1所示；水力停留时间为18小时，控制反应体系中的DO为0.6～0.8mg/L，pH为6.67～8.01，水温为29.5～31.9℃；

(4)向一体式淹没式生物滤池中输入待处理氨氮废水，并稳定运行；本模拟实验用模拟氨氮废水替代待处理氨氮废水进行实验，模拟氨氮废水符合以下参数：pH 7.68～8.76，CODcr0.0～16.0mg/L，NH4+-N 102.0～165.0mg/L，NO2--N 0.0～2.0mg/L，NO3--N0.5～2.0mg/L，控制反应体系中的DO为0.6～0.8mg/L，pH为7.01～7.84，水温为29.3～32.2℃，水力停留时间为18小时，不排出底泥，水力停留时间为18小时，光照条件为：光照处理周期和避光处理周期的时长比例为0.5：1，一个连续的光照处理周期时长为8小时；

如图3、图4所示，当体系进入稳定运行阶段后，在第54-160d，进水NH4+-N质量浓度在102.0-165.0mg/L范围内、平均质量浓度为147.3mg/L时；出水NH4+-N质量浓度在0.0-14.0mg/L范围内、平均质量浓度为5.7mg/L；出水NO2--N质量浓度在0.0-17.0mg/L范围内、平均质量浓度为4.7mg/L；出水NH4+-N和NO2--N质量浓度均稳定保持在低水平。出水NO3--N质量浓度在1.9-21.0mg/L范围内、平均质量浓度为6.9mg/L，说明体系内的硝化菌含量极低。该运行阶段，氨氮转化率在91.0-100.0％范围内，平均转化率为96.1％；总氮去除率在77.0-98.4％范围内，平均去除率为88.2％。该反应体系在运行期内，全程不投加有机碳源，反应器连续稳定运行且不排泥。

上述球藻协同单级自养脱氮高效处理低碳氮比氨氮废水的方法模拟实验过程中，废水进、出水水质和出水技术参数分别如表2、表3和表4所示。

由表2-表4、图3、图4可知，可以在同一个一体式淹没式生物滤池进行球藻与厌氧氨氧化菌协同处理氨氮废水的反应，氨氮转化率在91.0-100.0％范围内，平均转化率为96.1％；总氮去除率在77.0-98.4％范围内，平均去除率为88.2％。

表2本发明技术的进出水水质及反应体系参数表(第1-53d，系统启动期间)

表3本发明技术的进出水水质及反应体系参数表(第54-160d，稳定运行期间)

表4各参数对比表

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。