一种优化活性污泥种群结构富集氨氧化菌的方法

摘要

一种优化活性污泥种群结构富集氨氧化菌的方法属于污水强化生物脱氮处理技术领域。针对目前短程硝化反硝化脱氮工艺存在的运行条件要求苛刻、培养富集氨氧化菌时间长、运行能耗高等实际问题，根据活性污泥处理系统中氨氧化菌与亚硝酸盐氧化菌的生长特性开发出一种优化污泥种群结构富集氨氧化菌的方法。本发明最大特点是以pH值和DO为参数控制硝化反应的进程，在“氨谷”出现之前停止曝气，使氨氧化菌充分增殖，不给NOB增殖的机会，通过控制污泥龄，将亚硝酸盐氧化菌淘汰出系统，达到快速启动短程硝化反硝化的目的。在操作过程中利用二分法确定提前停曝气的最佳时间。另外本发明还具有反应周期短，富集效率高，操作简单等优点。

权利要求

1.一种优化活性污泥种群结构富集氨氧化菌的方法，其特征在于：

控制反应温度在25℃，26.5℃或30℃，pH＝7.8-8.0，同时控制DO在1.5-2.0mg/L之间，在氨谷出现之前停曝气，控制污泥龄5-10天，不断排泥，所述氨谷为在硝化反应结束时pH曲线上出现的由下降变上升的拐点。

说明书

一种优化活性污泥种群结构富集氨氧化菌的方法

技术领域

[0001] 要求保护的技术方案所属的技术领域为：污水强化生物脱氮处理技术领域，涉及一种强化生物脱氮系统中氨氧化菌的培养方法，尤其是应用短程硝化反硝化技术生物脱氮过程中系统的快速启动和氨氧化菌的富集培养，适用于含氮工业废水处理和城镇污水深度处理。

背景技术

[0002] 为防止湖泊和其他受纳水体富营养化，各城市污水处理厂均需进行脱氮除磷，而生物方法成为主导的应用技术。生物硝化反硝化是最常用的生物脱氮的方法。它分为两个阶段：有机氮和氨氮在好氧条件下转化为亚硝酸盐进而转化为硝酸盐；亚硝酸盐和硝酸盐在缺氧的条件下由反硝化菌还原为氮气的过程。完成硝化反应的菌群主要是氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria AOB)和亚硝酸盐氧化菌(nitrite oxidizing bacteria NOB)，从进化谱系上看，这两类种群之间并不存在密切的亲缘关系，所有分离的AOB都归入β-Proteobacteria纲或γ-Proteobacteria纲。所有分离的NOB都归于α-Proteobacteria纲，γ-Proteobacteria纲或δ-Proteobacteria纲或Nitrospira门，除了γ-Proteobacteria纲中Nitrosococcus与Nitrococcus的少数菌株具有相对较近的亲缘关系外，其他绝大多数菌株的亲缘关系都相距很远，AOB与NOB彼此为邻并无进化谱系上的必然性，它们完全可以独立生活。而实现生物短程硝化反硝化的实质是将硝化反应控制在亚硝酸盐阶段，从种群迁移的角度看，就是在硝化反应过程中AOB相对于NOB优势增殖，使AOB成为硝化菌群中的优势种群。

[0003] 短程硝化反硝化生物脱氮工艺具有节省曝气能耗、缩短反应时间、节省反硝化碳源和减少污泥生成量、减少反应器有效容积，节约基建费用等优点，因此如何实现与维持稳定的短程硝化反硝化具有较强的实际意义和工程应用价值，特别是在处理高氨氮浓度和低C/N比的污水时。SHARON(Single reactorsystem for High Ammonia Removal Over Nitrite process)工艺是第一个成功实现短程硝化和反硝化技术并成功应用的工艺。但是SHARON工艺的运行条件，如高温、高氨氮浓度限制了工艺的发展和应用。

[0004] 实现与维持稳定短程硝化反硝化的条件相对苛刻，维持高温(>30℃)，由于水的比热容很大，能耗高；维持低氧(<0.5mg/L)，氨氧化速率很低，硝化时间较长，效率太低；使用抑制剂，由于不同的抑制剂对硝化细菌的抑制原理和抑制程度不同，且投加量不当会同时杀死AOB与NOB，不利于AOB的培养。

[0005] 目前在更普遍的条件下、在城市污水处理过程中将短程硝化反硝化脱氮新技术应用于实际工程面临培养驯化污泥的问题，也就是要优化硝化细菌种群结构，培养富集AOB的问题。对于工程应用而言，若接种纯培养的菌种，会面临投资费用加大和存在菌种对水质的适应性问题。本发明提出了一种利用低C/N比城市生活污水，培养富集AOB的方法，可以用1-2个月的时间启动短程硝化反硝化。

发明内容

[0006] 本发明经过长期的探索研究，分析常温条件下，硝化反应过程中“三氮”(氨氮、亚硝态氮、硝态氮)、pH值和DO的变化规律，当pH在7.8-8.2范围内，控制溶解氧(DO)在1.5-2.0mg/L时，发现在硝化反应进行相当长的一段时间后，亚硝态氮出现积累，而硝态氮没有大量生成(见附图1)。在硝化反应结束时，pH曲线上会出现由下降变上升的拐点(在科技文献中此拐点称为“氨谷”，下文都沿用此称谓)，因此通过控制曝气时间，在“氨谷”出现之前停曝气可以使AOB优先增殖，不给NOB增殖的机会，达到优化硝化细菌种群结构，富集AOB的目的。

[0007] 本发明所涉及的基于pH特征点的SBR工艺过程控制方法，参照已有中国专利ZL200610012076.1。

[0008] 由于AOB比NOB对氧的亲和能力强，在每个周期开始AOB会以水中的氨氮为底物- -代谢生成NO2，同时自身增殖，当氨氮降解结束，NO2 达到一定浓度，pH值曲线上出现“氨- -
谷”，继续曝气，NOB会以NO2 为底物代谢生成NO3，同时使自身增殖。如果在“氨谷”之前停曝气，NOB来不及大量增殖，此时新增污泥中AOB的比例大于原有污泥中AOB占的比例，即通过控制适污泥龄5-10天，每
个周期曝气结束不断排除定量的污泥，使NOB逐渐被淘汰出系统，达到富集培养AOB实现短程硝化反硝的目的。

[0009] 本发明的工作原理及过程：

[0010] 本发明中所述的一种优化活性污泥种群结构富集氨氧化菌的方法，其特征在于：控制DO在1.5-2.0mg/L之间，在“氨谷”出现之前停曝气，通过控制污泥龄5-10天，不断排泥，逐渐淘汰NOB。根据氨氮降解完全的反应周期的pH曲线确定氨氧化阶段所需时间，根据此时间在下一周期“氨谷”出现之前结束曝气。连续运行5-10个周期之后，再运行一个完整的周期来校正“氨谷”时间点。如果“氨谷”出现的时间点提前则停曝气的时间往前移，反之如果“氨谷”出现的时间点延后，则停曝气的时间点应后移。

[0011] 具体实现的步骤如下：

[0012] (1)在SBR反应器中放置两个传感器，采集溶解氧浓度(DO)和pH值的信号，作为SBR法脱氮过程的实时控制参数，维持溶解氧1.5-2.0mg/L之间；

[0013] (2)先运行一个周期使“氨谷”出现，记录硝化反应时间T1；

[0014] (3)连续运行5-10个周期，曝气时间控制为T1-ΔT(ΔT为最佳提前停曝气时间)；

[0015] (4)接着再运行一个周期使“氨谷”出现，记录硝化反应时间T2，

[0016] (5)再连续运行5-10个周期，曝气时间控制为T2-ΔT；

[0017] (6)反复进行步骤(4)(5)，计算氨氧化率和亚硝酸盐积累率，亚硝酸盐积累率维持在95％以上即认为培养成功。

[0018] 本技术方案具有以下优点：

[0019] (1)以pH值为指示参数可以准确把握“氨谷”出现的时刻，准确控制硝化反应进程，这也是本发明的一个技术关键，从而保证氨AOB充分增殖，不给NOB过多的增长机会，具有较高的富集效率。

[0020] (2)不过量曝气，节约能耗，达到高效节能的目的。

附图说明

[0021] 图1一个典型周期氨氮、亚硝态氮、硝态氮与COD的变化规律

具体实施方式

[0022] 如本发明的工作原理所述，如何确定最佳的停曝气时间是该技术的关键。在数学中二分法是求方程f(x)＝0近似解的一种算法，适用于函数f(x)连续，并且存在区间[a，b]，满足f(a)·f(b)<0的情况(称[a，b]为搜索区间)。它通过不断计算搜索区间中点的函数值，一步一步缩小搜索区间，直到求出方程f(x)＝0满足精度要求的近似解。

[0023] 本发明中应用二分法确定最佳停曝气时间，其中f(x)为亚硝酸盐积累率，搜索区间为[0，T]，T为硝化时间。因此通过如下方案确定最佳停曝气时间：

[0024] 1、初始条件：反应启动的初始pH值7.8-8.5，温度25-30℃，好氧曝气过程中不断调节曝气量，维持DO值在1.5-2.0mg/L之间。原水水质C/N在2.7-8之间均适用于本发明所提出的培养方法，其中C/N在2.7-4之间时更有利于培养AOB。

[0025] 2、运行方案：用3个SBR反应器1#，2#，3#，接种全程硝化反硝化的污泥。

[0026] (1)在三个反应器中安装pH值和DO在线检测传感器，实时检测硝化过程中DO和pH值的变化，直到出现“氨谷”，记录硝化反应时间T11，T21，T31，同时固定泥样，利用分子生物学荧光原位杂交技术(采用OLYMPUS BX52荧光显微镜观察，Leica QWIN Software定量分析，下同)观察污泥种群结构，记录AOB与NOB在整个污泥中所占的相对比例；

[0027] (2)控制3个反应器的曝气时间分别为1/2T11(提前1/2T11的时间停曝气)，3/4T21(提前1/4T21的时间停曝气)，7/8T31(提前1/8T31的时间停曝气)，运行10个周期，同时固定泥样，以荧光原位杂交技术观察污泥种群结构的变化，记录AOB与NOB在整个污泥中所占的相对比例；

[0028] (3)使3个反应器再次都出现“氨谷”，记录硝化反应时间分别为T12，T22，T32；

[0029] (4)控制3个反应器的曝气时间分别为1/2T12，3/4T22，7/8T31，运行10个周期，同时固定泥样，以荧光原位杂交技术观察污泥种群结构的变化，记录AOB与NOB在整个污泥中所占的相对比例；

[0030] (5)重复步骤(3)(4)，使每个SBR的亚硝酸盐积累率达到95％以上，考察那个系统用时最短，则该提前停曝气的时间为最佳停曝气时间。

[0031] 在上述具体实施方式中，每个周期检测硝化过程中COD、氨氮、亚硝态氮和硝态氮的浓度，取5个水样，起始混合液，有机物降解完毕，硝化过程两个取样点，停曝气，计算亚硝酸盐积累率。亚硝酸盐积累率通过公式 计算，亚硝酸盐积累率稳定在95％左右时说明AOB已成为活性污泥中的优势菌种。

[0032] 实施例1：

[0033] 以某大学家属区排放的实际生活污水作为试验对象(pH＝7.8-8.0，COD＝260～350mg/L，TN＝80～90mg/L，)，C/N为3.3-4.3属于低碳氮比污水。所选择的SBR反应器有效容积10L，反应器内混合液的COD浓度维持在200～300mg/L，NH4+-N浓度在45mg/L左-1
右，反应器内初始MLSS在3.05～3.5.0g.L ，维持DO值在1.5mg/L左右，污泥龄维持在8d左右，反应温度25℃。通过实时控制系统运行61d，实现了稳定的短程硝化，亚硝酸盐积累率达到95％以上。分子生物学FISH检测表明，通过曝气结束时不断排泥可实现NOB的淘汰，使AOB成为硝化反应过程的优势菌群。

[0034] 实施例2：

[0035] 试验用水为学校家属区生活污水。原水COD为120.8～259.7mg/L，NH4+-N浓度为- -44～65mg/L，BOD5为105～150mg/L，NO3-N浓度为0.04～0.42mg/L，NO2-N浓度为0.06～
0.15mg/L，C/N为2.72～4.0，为低碳氮比低氨氮污水。SBR反应器有效容积14L，反应器内+
混合液的COD浓度维持在100～200mg/L，NH4-N浓度在40mg/L左右，反应器内初始MLSS-1
在3.0g.L 左右，维持DO值在1.8mg/L左右，污泥龄维持在5d左右，反应温度30℃。通过实时控制系统运行32d，实现了稳定的短程硝化，亚硝酸盐积累率达到95％以上。荧光原位杂交技术(FISH)检测表明污泥中AOB的含量提高了58.9％，NOB的含量降低了63.2％。

[0036] 实施例3：

[0037] 以某城市污水处理厂初沉池出水为试验对象，原水COD为308.8～440.7mg/L，+ -NH4-N浓度为44.1～55.3mg/L，BOD5为155.8～250.3mg/L，NO3-N浓度为0.04～0.12mg/-
L，NO2-N浓度为0.06～0.10mg/L，C/N为7～8。所选择的SBR反应器有效容积6L，反应+
器内混合液的COD浓度维持在200～300mg/L，NH4-N浓度在45mg/L，反应器内初始MLSS在-1
2.05～2.50g.L ，维持DO值在2.0mg/L左右，污泥龄维持在10d左右，反应温度26.5℃。
通过实时控制系统运行60d，实现了稳定的短程硝化，亚硝酸盐积累率达到95％以上，TN去除率95％以上。分子生物学FISH检测表明，AOB成为硝化反应过程的优势菌群。