一种富集微生物实现内源聚合物生成并促进反硝化的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种富集微生物实现内源聚合物生成并促进反硝化的装置和方法，属于污水生物处理领域。

背景技术

随着我国对生态环境保护的重视，社会各界对环境问题的关注与日俱增，改善水环境已成为社会可持续发展的当务之急。如今，我国污水处理能力不断提高，但水体富营养化问题仍然严峻，脱氮成为污水处理领域的重点和难点。对于传统的生物脱氮工艺，充足的碳源是保证脱氮的关键，然而污水处理厂普遍存在由有机物利用不充分导致的反硝化效果受限、出水水质难以达标等问题。许多污水处理厂为满足出水标准采用外加碳源的策略，不但增加了运行成本，还可能造成水体二次污染。

近年来，内源反硝化工艺受到人们广泛的关注。该工艺具有充分利用进水有机物、节省碳源投加、提高系统脱氮能力等优点。内源反硝化过程是微生物在厌氧阶段通过将进水中的有机物吸收并储存在细胞内成为内源聚合物(如聚羟基脂肪酸酯(PHA)或糖原(Gly))，之后在缺氧阶段以内源聚合物为电子供体进行的内源性反硝化。聚磷菌(phosphorus-accumulating organisms,PAOs)和聚糖菌(glycogen-accumulatingorganisms,GAOs)在厌氧阶段都可以积累内源聚合物，但缺氧阶段的内源反硝化主要是以GAOs储存的内源聚合物驱动的，因此富集GAOs并增强内碳源储存是提高缺氧阶段内源反硝化速率的关键。

盛宴-饥饿机制(feast/famine,F-F)是一种高效积聚内源聚合物的策略。通过盛宴-饥饿模式使微生物对营养因素(有机物)周期性变化产生非平衡生长反应。即在有机物充足(厌氧)时，微生物吸收大量的有机物并产生内源聚合物，当有机物不足(缺氧)时，微生物从积累的胞内聚合物中获取能量。在此过程中，能够进行有机物优先储存的微生物逐渐占据优势地位，促进内源聚合物的生成。并且本发明中限制了PAOs的营养物质(P)，减弱了PAOs对有机物的竞争，使GAOs获得充足的有机物，促进GAOs生成内源聚合物并提高内源反硝化效率。

发明内容

本发明提出一种富集微生物实现内源聚合物生成，并促进反硝化的装置和方法，属于污水生物处理领域。强化微生物内碳源储存能力是提高进水有机物利用效率，从而实现污水处理高效脱氮的有效策略。发明装置包括有机物投加装置、进水装置、生物反应器、截留装置、排水装置。运行方式采用厌氧-缺氧交替运行。该工艺通过有机物投加装置和进水装置精准控制有机物与硝态氮的投加，制造交替的厌氧-缺氧环境，并通过调节反应时间，实现外碳源储存及内碳源驱动的反硝化，采用截留装置有效持流系统内的功能微生物。内源反硝化广泛存在于污水处理工艺中，但其脱氮的贡献常常被忽视，原因在于内源反硝化相较于传统的反硝化反应速率低，功能微生物在系统中缺乏竞争优势。该发明提供了一种富集微生物的运行方式和控制策略，通过厌氧-缺氧交替运行模式富集具有内源聚合物储存能力的微生物，促进内源聚合物生成并提高内源反硝化效率，有利于内源反硝化工艺在实际工程中的应用，实现城市污水节能高效脱氮。

一种富集微生物实现内源聚合物生成并促进反硝化的装置，其特征在于：

包括有机物投加装置、进水装置、生物反应器、截留装置、排水装置和PLC系统。所述有机物投加装置(1)设有注射泵(1.1)和注射器(1.2)；所述进水装置由进水水箱(2)、进水泵(3)组成，进水水箱(2)通过进水泵(3)和进水阀门(4.1)与生物反应器(4)连接；所述生物反应器(4)为发明的主体装置，设有进水阀门(4.1)、排空阀门(4.2)、搅拌器(4.3)、pH/ORP检测器(5)、pH探头(5.1)、ORP探头(5.2)、加热棒(5.3)；所述截留装置包括中空纤维膜(6)和液位计(7)，中空纤维膜(6)放置于生物反应器(4)内部并在液位计(7)所在液面之下；所述装置由排水泵(8)和出水水箱(9)组成，出水水箱(9)通过排水泵(8)与中空纤维膜相连(6)，并通过液位计(7)控制排水泵(8)的启停；所述PLC系统(10)实时接收和输出信号，监测生物反应器(4)内温度、pH值和氧化还原电位，实时调控进水泵(3)、排水泵(8)、注射泵(1.1)的启停以及营养物质投加装置(11)的启停。

分别投加有机物和硝态氮制造交替的厌/缺氧环境。所述有机物为乙酸钠溶液，乙酸钠溶液由有机物投加装置(1)加入到生物反应器(4)内，生物反应器(4)进入厌氧阶段。所述硝态氮是由硝酸钠配制成的溶液，装置在进水水箱(2)中，厌氧阶段结束后，进水水箱(2)中的硝酸钠溶液通过进水泵(3)进入到生物反应器(4)内，生物反应器(4)进入缺氧阶段。反应期间采用搅拌器(4.3)进行充分混匀，通过加热棒(5.3)使生物反应器(4)温度保持在24℃～26℃，使用pH/ORP检测器(5)、pH探头(5.1)、ORP探头(5.2)检测系统内的pH值以及氧化还原电位，并通过PLC系统(10)实时监测，及时调整运行参数。

(1)系统启动：生物反应器(4)内接种污水处理厂剩余污泥，污泥初始浓度为2000mg/L～3000mg/L，通过排空阀门(4.2)定期排泥。控制生物反应器(4)内温度在24℃～26℃。生物反应器(4)采用连续流模式运行，分别投加有机物和硝态氮，持续缺氧搅拌，水力停留时间8h。具体运行情况如下：乙酸钠溶液装置在注射器内(1.2)通过注射泵(1.1)连续投加至生物反应器(4)内，根据乙酸钠的COD当量计算，生物反应器(4)内初始COD浓度为700mg/L～720mg/L；进水水箱(2)中的硝酸钠溶液经过进水泵(3)连续投加至生物反应器(4)内，硝态氮浓度为200mg/L～220mg/L，投加至生物反应器(4)内的有机物和硝态氮浓度比为3.2～3.5，该比值接近反硝化细菌利用有机物还原硝态氮的理论值(2.86)，剩余部分用于维持微生物正常生命活动，运行过程中生物反应器(4)内硝态氮浓度大于5mg/L，保证生物反应器(4)内为缺氧环境，系统内的微生物直接利用有机物将硝态氮还原为氮气，产生的能量用于微生物生长和繁殖；生物反应器(4)排水由截留装置和排水装置控制，液位计(7)安装在生物反应器(4)外壁上，位于100％有效容积水位处，当系统内液位到达100％有效容积水位时，液位计(7)指示灯亮起控制排水泵(8)启动进行排水，当系统液位低于100％有效容积水位时，液位计(7)指示灯熄灭，排水泵(8)停止工作；试验全程采用搅拌器(4.3)进行充分混匀。按上述操作持续运行20天，当出水硝态氮浓度小于10mg/L、出水COD浓度小于100mg/L并且稳定运行7天以上，即生物反应器(4)平均脱氮效率≥95％、平均COD去除率≥85％，认为反硝化系统启动成功。

(2)功能微生物的富集与培养：反硝化系统成功启动后，继续运行生物反应器(4)。系统改为间歇模式运行，每天运行2个周期，每个周期12h，其中包括投加有机物10min、厌氧阶段2h、进水10min、缺氧阶段8h、排水与闲置阶段100min，排水比50％。每个周期具体运行情况如下：乙酸钠溶液装置在注射器内(1.2)通过注射泵(1.1)投加至生物反应器(4)内，根据乙酸钠的COD当量计算，生物反应器(4)内初始COD浓度为700mg/L～720mg/L，有机物投加结束后关闭注射泵(1.1)开启搅拌器(4.3)，生物反应器(4)进入厌氧环境，持续厌氧搅拌2h，此时具有内碳源储存能力的微生物(聚糖菌)吸收进水中有机物并转化为内源聚合物；厌氧阶段结束后关闭注射泵(1.1)并开启进水泵(3)，进水水箱(2)中的硝酸钠溶液经过进水泵(3)投加至生物反应器(4)内，硝态氮浓度为200mg/L～220mg/L，持续缺氧搅拌8h，聚糖菌利用在厌氧段储存的内源聚合物为电子供体将进水中的硝态氮还原为氮气，进行内源性反硝化，与此同时普通反硝化细菌利用系统中剩余的未被微生物储存转化的有机物进行反硝化；缺氧阶段结束后关闭搅拌器(4.3)，使污泥自然沉降，同时开启排水泵(8)，系统内的泥水混合物经过中空纤维膜(6)将污泥截留在生物反应器(4)内，出水经过中空纤维膜(6)和排水泵(8)进入到出水水箱(9)，液位计(7)安装在生物反应器(4)外壁上，位于50％有效容积水位处，当系统液位低于50％有效容积水位时，液位计(7)指示灯熄灭，排水泵(8)停止工作，系统进入闲置状态。一个运行周期结束，通过周期性运行逐渐富集内源聚合物积累微生物。以厌氧阶段结束时刻系统内COD浓度记为厌氧出水COD浓度。当厌氧出水COD浓度小于100mg/L时，认为投加到生物反应器(4)内中的有机物被完全吸收并储存，并且当出水硝态氮浓度小于10mg/L时，认为系统以富集内源聚合物积累微生物进行反硝化过程成功启动。当生物反应器(4)以上述状态稳定运行20个周期以上，即生物反应器(4)平均脱氮效率≥95％、平均COD去除率≥85％，认为以富集微生物实现内源聚合物生成促进内源反硝化过程成功。由于未添加磷酸盐，避免了聚磷菌与聚糖菌竞争有机物，此时系统以生成内源聚合物的微生物(聚糖菌)占优势地位。

此项发明具有以下优势：

1)装置简单，便于调控。反应装置仅由进、出水装置、主体反应器以及有机物投加装置组成，构造简单、易于管理，并且可以根据试验目的增加试验装置，运行方式采用间歇模式运行，可以根据运行状况对工艺中各工序进行调整，运行灵活。

2)高效泥水分离，易实现自动控制。本发明装置采用中空纤维膜搭配液位计控制泥水分离，无需自然沉降，克服了传统活性污泥法易发生污泥膨胀导致污泥流失的弊端，有效持流微生物，有利于内源聚合物积累微生物的生长与富集。

3)原理简单，可应用性强。本发明装置通过控制系统交替的厌氧、缺氧环境，逐渐驯化微生物积累内源聚合物并实现内源反硝化的能力。通过独立的碳源投加装置与进水装置精准控制系统的厌氧、缺氧环境，并且可以独立调控厌氧、缺氧时间以及有机物、进水硝态氮的浓度。可应用于实际污水处理工艺的升级改造以及实验室深入机理性探究。本发明装置主要以富集GAOs为主进行内源反硝化脱氮，若涉及同步脱氮除磷需求，可以增设一个独立的营养物质投加系统，同时富集PAOs和GAOs。

附图说明

图1是一种驯化微生物积聚内源聚合物实现内源反硝化的装置。

图1中：1.1为注射泵，1.2为注射器，2为进水水箱，3为进水泵，4为生物反应器，4.1为进水阀门，4.2为排空阀门，4.3为搅拌器，5为pH/ORP检测器，5.1为pH探头，5.2为ORP探头，6为中空纤维膜，7为液位计，8为排水泵，9为出水水箱，10为PLC系统，11为营养物质投加装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施详细说明本发明的实施方案：

分别投加有机物和硝态氮制造交替的厌/缺氧环境。所述有机物为乙酸钠溶液，乙酸钠溶液由有机物投加装置(1)加入到生物反应器(4)内，生物反应器(4)进入厌氧阶段。所述硝态氮是由硝酸钠配制成的溶液，装置在进水水箱(2)中，厌氧阶段结束后，进水水箱(2)中的硝酸钠溶液通过进水泵(3)进入到生物反应器(4)内，生物反应器(4)进入缺氧阶段。反应期间采用搅拌器(4.3)进行充分混匀，通过加热棒(5.3)使生物反应器(4)温度保持在24℃～26℃，使用pH/ORP检测器(5)、pH探头(5.1)、ORP探头(5.2)检测系统内的pH值以及氧化还原电位，并通过PLC系统(10)实时监测，及时调整运行参数。

本发明适用于城市污水处理工艺的升级改造也适用于实验室深入机理性探究。本发明采用人工合成废水，配制情况如下：采用硝酸钠提供硝态氮，配制成溶液后使硝态氮浓度为200mg/L～220mg/L，氨氮浓度低于1mg/L，亚硝态氮浓度低于1mg/L，磷酸盐浓度低于1mg/L；有机物溶液配制与投加：有机物溶液采用分析纯乙酸钠配制，之后装入到注射器(1.2)内并通过注射泵(1.1)投加至生物反应器(4)内，保证初始COD浓度为700mg/L～720mg/L。试验装置如图1所示，生物反应器(4)采用有机玻璃制成，生物反应器(4)总体积为4L，有效容积为3.5L。

(1)系统启动：生物反应器(4)内接种污水处理厂剩余污泥，污泥初始浓度为2000mg/L～3000mg/L，通过排空阀门(4.2)定期排泥。控制生物反应器(4)内温度在24℃～26℃。生物反应器(4)采用连续流模式运行，分别投加有机物和硝态氮，水力停留时间8h。具体运行情况如下：乙酸钠溶液装置在注射器内(1.2)通过注射泵(1.1)连续投加至生物反应器(4)内，根据乙酸钠的COD当量计算，生物反应器(4)内初始COD浓度为700mg/L～720mg/L；进水水箱(2)中的硝酸钠溶液经过进水泵(3)连续投加至生物反应器(4)内，硝态氮浓度为200mg/L～220mg/L；生物反应器(4)排水由截留装置和排水装置控制，液位计(7)安装在生物反应器(4)外壁上，位于100％有效容积水位处，当系统内液位到达100％有效容积水位时，液位计(7)指示灯亮起控制排水泵(8)启动进行排水，当系统液位低于100％有效容积水位时，排水泵(8)停止工作；试验全程采用搅拌器(4.3)进行充分混匀。按上述操作持续运行20天，当出水硝态氮浓度小于10mg/L、出水COD浓度小于100mg/L并且稳定运行7天以上，即生物反应器(4)平均脱氮效率≥95％、平均COD去除率≥85％，认为反硝化系统启动成功。

(2)功能微生物的富集与培养：反硝化系统成功启动后，继续运行生物反应器(4)。系统改为间歇模式运行，每天运行2个周期，每个周期12h，其中包括投加有机物10min、厌氧阶段2h、进水10min、缺氧阶段8h、排水与闲置阶段100min，排水比为50％。每个周期具体运行情况如下：乙酸钠溶液装置在注射器内(1.2)通过注射泵(1.1)投加至生物反应器(4)内，根据乙酸钠的COD当量计算，生物反应器(4)内初始COD浓度为700mg/L～720mg/L，有机物投加结束后关闭注射泵(1.1)开启搅拌器(4.3)，系统内的聚糖菌吸收进水中有机物并转化为内源聚合物，持续厌氧搅拌2h；厌氧阶段结束后关闭注射泵(1.1)并开启进水泵(3)，进水水箱(2)中的硝酸钠溶液经过进水泵(3)投加至生物反应器(4)内，硝态氮浓度为200mg/L～220mg/L，持续缺氧搅拌8h，微生物利用在厌氧段储存的内源聚合物为电子供体将进水中的硝态氮还原为氮气，进行内源性反硝化；缺氧阶段结束后关闭搅拌器(4.3)，使污泥自然沉降，同时开启排水泵(8)，系统内的泥水混合物经过中空纤维膜(6)将污泥截留在生物反应器(4)内，出水经过中空纤维膜(6)和排水泵(8)进入到出水水箱(9)，液位计(7)安装在生物反应器(4)外壁上，位于50％有效容积水位处，当系统液位低于50％有效容积水位时，液位计(7)指示灯熄灭，排水泵(8)停止工作，系统进入闲置状态。按上述操作运行80个周期，以厌氧阶段结束时刻系统内COD浓度记为厌氧出水COD浓度。当厌氧出水COD浓度小于100mg/L时，认为投加到生物反应器(4)内中的有机物被完全吸收并储存，并且当出水硝态氮浓度小于10mg/L时，认为系统以富集内源聚合物积累微生物进行反硝化过程成功启动。当生物反应器(4)以上述状态稳定运行20个周期以上，即生物反应器(4)平均脱氮效率≥95％、平均COD去除率≥85％，认为以富集微生物实现内源聚合物生成促进内源反硝化过程成功。

以上是本发明的具体实施例，便于该技术领域的技术人员能更好的理解和应用本发明，但本发明的实施不限于此，因此该技术领域的技术人员对本发明所做的简单改进都在本发明保护范围之内。