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CN114057285B - 亚硝化菌挂膜方法、挂膜填料装置及应用 - Google Patents

亚硝化菌挂膜方法、挂膜填料装置及应用 Download PDF

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CN114057285B CN202111373774.5A CN202111373774A CN114057285B CN 114057285 B CN114057285 B CN 114057285B CN 202111373774 A CN202111373774 A CN 202111373774A CN 114057285 B CN114057285 B CN 114057285B
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Abstract

本发明涉及生物脱氮技术领域，尤其是涉及亚硝化菌挂膜方法、挂膜填料装置及应用。本发明提供了一种活性炭、圆形骨架和醛化纤维组成的复合填料，其中，醛化纤维固定于圆形骨架上，圆形骨架起到支撑作用，醛化纤维与活性炭复合后，吸附并固定亚硝化菌，该组合中圆形骨架能够满足挂膜装置对于填料机械性能、抗冲击性能等的需求，活性炭的添加能够显著提高对亚硝化菌的吸附能力，同时从圆形骨架、醛化纤维到活性炭，形成空间上的级配，使得填料整体性能更加均衡，对于亚硝化菌的吸附更加均匀，且活性炭能够深入醛化纤维间隙，使得吸附更加牢固，不易脱落。

Description

亚硝化菌挂膜方法、挂膜填料装置及应用
技术领域
本发明涉及生物脱氮技术领域，尤其是涉及亚硝化菌挂膜方法、挂膜填料装置及应用。
背景技术
氮是水体中的主要污染物之一，未经处理的含氮废水会对水体和其他环境造成危害。常用的脱氮方法主要分为物化方法(如吹脱法、蒸氨塔蒸馏法和折点加氯法等)和生物脱氮方法。生物脱氮法由于技术成熟、投资及运行费用低，是目前废水脱氮处理的主要方法。微生物固定化技术是利用化学或物理手段将微生物固定在有限的空间区域内，并保持其固有活性的方法。常用的微生物固定化方法有物理吸附法、化学交联法、载体包埋法等，不同固定化方法特点见下表：
表1不同微生物固定方法对比表
性能 物理吸附法 化学交联法 包埋固定法
制备难易 易 适中 适中
生物活性 高 低 适中
稳定性 低 高 适中
传质阻力 小 大 大
载体再生性 能 不能 不能
由上表可知，物理吸附法易制备、生物活性高、载体再生性能好，但由于微生物与载体之间只通过物理吸附作用结合，在水处理过程冲受水力冲击容易发生脱落，稳定性较差。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的用于吸附亚硝化菌的填料，以提高填料挂膜的稳定性，从而提高挂膜填料装置的持久脱氮能力。
本发明的另一个目的在于，提供上述填料的挂膜方法，期望得到的挂膜方法具有简便易行，适于推广的特性，同时，能够保证上述填料的挂膜稳定性的充分发挥。
本发明还有一个目的在于，将上述挂膜方法提供的挂膜填料装置用于生物脱氮过程，以解决目前缺乏长期稳定脱氮挂膜产品的技术问题。
为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于吸附亚硝化菌的填料，所述填料按照质量份包括，1～5份活性炭，50～60份圆形骨架和50～60份醛化纤维；所述圆形骨架直径为100～200mm、相邻圆形骨架之间间距为20～40mm，所述醛化纤维固定于圆形骨架上，所述活性炭均匀吸附于醛化纤维上和圆形骨架表面。
在可选的实施方式中，所述圆形骨架的材质选自聚苯硫醚(PPS)或聚乙烯(PE)。
在可选的实施方式中，所述活性炭为椰壳质活性炭。
优选地，所述活性炭粒径为100～400目。
第二方面，本发明提供前述实施方式任一项所述的填料在亚硝化菌挂膜中的应用。
第三方面，本发明提供一种亚硝化菌挂膜方法，所述挂膜方法包括，将前述实施方式任一项所述填料浸入亚硝化菌剂中吸附亚硝化菌，然后将吸附有亚硝化菌的填料以50％～80％体积填充率填入挂膜装置中，再对挂膜装置进行亚硝化菌富集成膜。
在可选的实施方式中，所述亚硝化菌为欧洲亚硝酸单胞菌或亚硝化球菌。
在可选的实施方式中，所述富集的方法包括，挂膜装置每天经过两轮周期性处理，每轮周期性处理依次经过进水、投加菌剂、沉淀和排水工序。
优选地，所述进水工序的进水配方包括硫酸铵0.2～1.5g/L，碳酸氢钠0.5～3.69g/L，氯化钠0.02～0.16g/L，氯化钾0.01～0.07g/L，无水氯化钙0.01～0.07g/L，Na2HPO4·12H2O 0.05～0.37g/L和MgSO4·7H2O 0.04～0.26g/L。
优选地，所述进水工序的进水配方包括硫酸铵1.062g/L，碳酸氢钠2.637g/L，氯化钠0.115g/L，氯化钾0.053g/L，无水氯化钙0.053g/L，Na2HPO4·12H2O 0.261g/L和MgSO4·7H2O 0.189g/L。
优选地，所述曝气工序中pH为6.5～8.6，溶氧量不低于2mg/L。
在可选的实施方式中，富集完成后，还包括驯化工序，所述驯化工序的方法包括，于25～30℃条件下，以0.5～1.2L/h的流速通入含有氨氮的水，所述含有氨氮的水中氨氮浓度为250mg/L。
优选地，所述含有氨氮的水的流速由低到高逐渐提高，每次步长为0.1L/h，每次提高流速后，出水氨氮浓度不高于5mg/L后，再提高流速。
第四方面，本发明提供采用前述实施方式任一项所述挂膜方法得到的覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置。
第五方面，本发明提供了前述实施方式所述覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置在生物脱氮过程中的应用。
优选地，所述生物脱氮过程应用于水体净化过程。
本发明提供了一种活性炭、圆形骨架和醛化纤维组成的复合填料，其中，醛化纤维固定于圆形骨架上，圆形骨架起到支撑作用，醛化纤维与活性炭复合后，吸附并固定亚硝化菌，该组合中圆形骨架能够满足挂膜装置对于填料机械性能、抗冲击性能等的需求，活性炭的添加能够显著提高对亚硝化菌的吸附能力，同时从圆形骨架、醛化纤维到活性炭，形成空间上的级配，使得填料整体性能更加均衡，对于亚硝化菌的吸附更加均匀，且活性炭能够深入醛化纤维间隙，使得吸附更加牢固，不易脱落。
本发明提供了使用上述填料进行亚硝化菌的挂膜方法，所述挂膜方法将上述填料浸入亚硝化菌剂中吸附亚硝化菌，并针对该填料的特性将其填充率控制在体积比50％～80％，而后再对挂膜装置进行亚硝化菌富集成膜，该方法简便易行，适于推广。
本发明还将上述挂膜方法得到的覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置用于生物脱氮，经验证，该挂膜装置的纯化效果显著，且能够高效持菌、抵抗不良环境，明显提高了生物脱氮的稳定性，在低碳高氮废水脱氮处理上具有良好的应用前景，可扩大微生物固定化技术在生物脱氮领域中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的醛化纤维固定于圆形骨架形成的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的填料示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在一次具体的实施方式中，第一方面，本发明提供一种用于吸附亚硝化菌的填料，所述填料按照质量份包括，1～5份活性炭，50～60份圆形骨架和50～60份醛化纤维。所述圆形骨架直径为100～200mm、相邻圆形骨架之间间距为20～40mm，所述醛化纤维固定于圆形骨架上，所述活性炭均匀吸附于醛化纤维上和圆形骨架表面。圆形骨架的作用在于使得填料满足挂膜所需的机械性能、抗冲击性能等的需求，同时防止醛化纤维堆叠导致的挂膜效果降低。
所述醛化纤维可以直接固定于圆形骨架上，也可以制成纤维束后再固定于圆形骨架上，并且，醛化纤维或醛化纤维束固定于圆形骨架的方式可通过常规技术实现，既可以端部固定于圆形骨架上，也可以纤维或纤维束的长轴上任一位置固定于圆形骨架上。
在可选实施方式中，所述圆形骨架的材质选自PPS或PE，由于不同材质圆形骨架具有不同的机械性能，在具体的实施方案中，本领域技术人员能够根据机械性能的实际需求，对圆形骨架的具体内部结构做出以调整机械性能为目的的适当调整，具体的圆形骨架形式包括但不限于圆盘骨架或者带有加强结构的圆环骨架，所述加强结构包括但不限于加强筋、加强多边形结构等。
在可选的实施方式中，所述活性炭为椰壳质活性炭。
从活性炭的原料来源来看，制备活性炭所用的原料几乎可以是所有富含碳的有机材料，如煤、木材、果壳、椰壳、核桃壳、杏壳、枣壳等。这些含碳材料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用即可被转换成活性炭。其中，椰壳质活性炭是以优质椰子壳为原料，经系列生产工艺精加工而成。椰壳质活性炭外观为黑色，颗粒状，具有孔隙发达且经济耐用，尤其是椰壳质活性炭的吸附性能、高强度和易再生等性能均优于其他种类活性炭，能够满足挂膜过程中对于亚硝化菌吸附材料的要求。
优选地，所述活性炭粒径为100～400目。
该目数下活性炭表面吸附孔径在38～150μm，既可充分吸附亚硝化菌，又避免因活性炭颗粒太大而从填料脱落。
基于第一方面，第二方面，本发明提供前述实施方式任一项所述的填料在亚硝化菌挂膜中的应用。
第三方面，本发明提供一种亚硝化菌挂膜方法，所述挂膜方法包括，将前述实施方式任一项所述填料浸入亚硝化菌剂中吸附亚硝化菌，然后将吸附有亚硝化菌的填料以50％～80％体积填充率填入挂膜装置中，再对挂膜装置进行亚硝化菌富集成膜。
在可选的实施方式中，所述亚硝化菌为欧洲亚硝酸单胞菌或亚硝化球菌，其中，欧洲亚硝酸单胞菌的菌株呈杆状，菌体单生，菌体游离或包埋在黏液内，适于吸附活性炭和醛化纤维。生长温度范围5～30℃，生长pH值范围5.8～8.5，能生存于大多数污水环境，以CO2为碳源，进行自养生长，细胞产生丰富的细胞色素，细胞悬液呈淡红色，能够通过表观直接对于吸附效果以及菌株活性进行定性判断。
在可选的实施方式中，所述富集的方法包括，挂膜装置每天经过两轮周期性处理，每轮周期性处理依次经过进水、投加菌剂、曝气、沉淀和排水工序。
所述进水工序是指将试验用水加至反应器，为微生物提供生长所需养分。
所述投加菌剂是指将亚硝化菌加至反应器中。
所述曝气工序是指对反应体系进行曝气，作用是为亚硝化反应提供氧气。
所述沉淀工序是指停止曝气，作用为使菌体沉降。
所述排水工序是指将反应后废水排出系统。
优选地，所述进水工序的进水配方包括硫酸铵0.2～1.5g/L，碳酸氢钠0.5～3.69g/L，氯化钠0.02～0.16g/L，氯化钾0.01～0.07g/L，无水氯化钙0.01～0.07g/L，Na2HPO4·12H2O 0.05～0.37g/L和MgSO4·7H2O 0.04～0.26g/L。
进一步优选地，所述进水工序的进水配方包括硫酸铵1.062g/L，碳酸氢钠2.637g/L，氯化钠0.115g/L，氯化钾0.053g/L，无水氯化钙0.053g/L，Na2HPO4·12H2O 0.261g/L和MgSO4·7H2O 0.189g/L。
优选地，所述曝气工序中pH为6.5～8.6，溶氧量不低于2mg/L。
其中碳酸氢钠用于调节pH及提供碳源，氯化钠、氯化钾、无水氯化钙用于提供微生物生长所需钠离子、钾离子、钙离子，磷酸氢二钠用于提供微生物生长所需磷酸盐并调节pH，硫酸镁用于提供微生物生长所需镁离子。
在可选的实施方式中，富集完成后，还包括驯化工序，所述驯化工序的方法包括，于25～30℃条件下，以0.5～1.2L/h的流速通入含有氨氮的水，所述含有氨氮的水中氨氮浓度为250mg/L。
优选地，所述含有氨氮的水的流速由低到高逐渐提高，每次步长为0.1L/h，每次提高流速后，出水氨氮浓度不高于5mg/L后，再提高流速。
第四方面，本发明提供采用前述实施方式任一项所述挂膜方法得到的覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置。
第五方面，本发明提供了前述实施方式所述覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置在生物脱氮过程中的应用。
生物脱氮是指在微生物的联合作用下，有机氮及氨氮经过氨化作用、硝化反应、反硝化反应，最后转化为氮气的过程。其中亚硝化菌在厌氧氨氧化、短程消化等多种脱氮技术中均有应用。
优选地，所述生物脱氮过程应用于水体净化过程。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
发明人于2021年3月，于天津市咸阳路污水处理厂二沉池中多次取样分离筛选亚硝化菌株，获得了欧洲亚硝化单胞菌和亚硝化球菌各一株，分别应用于下述不同实施例中。
实施例1
本实施例提供了一种用于吸附亚硝化菌填料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)醛化纤维束的固定：采用热压法将醛化纤维固定于PPS材质的直径为150mm的圆形骨架上，圆形骨架为内设多边形加强结构的双层圆环，具体结构如图1所示。
(2)复合填料的制备：用尼龙绳将步骤(1)得到的固定后的醛化纤维束串联，间距为30mm。
(3)活性炭吸附：将250目椰壳质活性炭与步骤(2)得到的复合填料充分接触后，抖落未吸附在填料上的活性炭粉末。
按照质量计算，所述活性炭为1份，所述圆形骨架为50份，所述醛化纤维为50份。
实施例2和3
实施例2和3与实施例1的区别仅在于，椰壳质活性炭的目数分别为100目和400目。
实施例4和5
实施例4和5与实施例1的区别仅在于，活性炭、圆形骨架和醛化纤维的用量不同，实施例4和5中三种组分的用量如表2所示。
表2实施例4和5中三种组分的用量比
活性炭 A B
实施例4 3份 55份 55份
实施例5 5份 60份 60份
实施例6
本实施例提供了一种使用实施例1提供的填料进行亚硝化菌挂膜方法，包括以下步骤：
将实施例1提供的填料浸没于质量浓度5000mg/L欧洲亚硝化单胞菌剂中，静置24h后将吸附了欧洲亚硝化单胞菌的填料置于直径10cm、高60cm的挂膜装置内，采用70％体积填充率，序批式培养，期间补加欧洲亚硝化单胞菌剂。培养时间为14天。在反应器内，每天按照进水、曝气、沉淀、排水和闲置工序周期性运行，每天运行2个周期，每个周期持续12h。曝气阶段用20％碳酸钠溶液调节pH，将pH控制在6.5～8.6，溶氧不低于2mg/L。进水配方为：硫酸铵1.062g/L，碳酸氢钠2.637g/L，氯化钠0.115g/L，氯化钾0.053g/L，无水氯化钙0.053g/L，Na2HPO4·12H2O 0.261g/L，MgSO4·7H2O 0.189g/L。
实施例7和8
实施例7和8与实施例6的区别仅在于，体积填充率分别为50％和80％。
实施例9
本实施例对实施例6得到的覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置进行驯化，驯化方法包括如下步骤：
将覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置置于4.7L反应器中，在25～30℃条件下，通入氨氮浓度为250mg/L的水体，水体初始流速为0.5L/h，出水氨氮的浓度降低至5.0mg/L，调整流速为0.6L/h，出水氨氮的浓度降低至5.0mg/L，再调整流速为0.7L/h，如此类推，步长为0.1L/h，经驯化60天后，在流速为1.2L/h条件下，出水氨氮的浓度为47.6mg/L，完成驯化。
实施例10
本实施例与实施例9的区别仅在于，使用的亚硝化菌为亚硝化球菌。
对比例1和2
实施例1和2与实施例1的区别仅在于，椰壳质活性炭的目数分别为80目和450目。
对比例3和4
对比例3和4与实施例1的区别仅在于，活性炭、A和B的用量不同，对比例3和4中三种组分的用量如表3所示。
表3对比例3和4中三种组分的用量比
对比例5和6
对比例5和6与实施例6的区别仅在于，体积填充率分别为40％和90％。
对比例7和8
对比例7和8与实施例6的区别仅在于，将实施例1中提供的复合填料分别替换为了MBBR填料和海绵填料。
实验例1
采用实施例9的驯化方法，对对比例7和8提供的覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置进行驯化，结果与实施例9的驯化结果对比如下表所示。
表4不同填料对欧洲亚硝化单胞菌挂膜后的驯化结果对比表
注：因MBBR填料、海绵填料在进水为0.5L/d时，出水氨氮30天内均未降至5mg/L，故停止驯化。
由表4可以看出，三种填料经活性炭处理后，进行欧洲亚硝化单胞菌挂膜，挂膜填料均有亚硝化能力，但实施例1提供的复合填料与活性炭联用挂膜生物活性更高。本发明采用的活性炭与复合填料共同使用的方法，具有制备容易、能纯化和保持高效菌种、抵抗不良环境影响、稳定性好等优点，在低碳高氮废水脱氮处理上具有良好的应用前景，可扩大微生物固定化技术在生物脱氮领域中的应用。
并且，聚丙烯MBBR填料、亲水型聚氨酯过滤开孔网状海绵填料在挂膜(SBR方式运行)期间，可看到有微生物菌团附着。驯化(UASB方式运行)期间，附着微生物菌团逐渐减少。而本发明提供的复合填料稳定运行半年，无微生物脱落、活性降低情况出现。
实验例2
将对比例7和8中使用的菌株替换为亚硝化球菌，采用实施例9的驯化方法，对对比例7和8提供的覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置进行驯化，结果与实施例10的驯化结果对比如下表所示。
表5不同填料对亚硝化球菌挂膜后的驯化结果对比表
由表5可以看出，将欧洲亚硝化单胞菌替换为亚硝化球菌后，实施例1提供的复合填料与活性炭联用挂膜生物活性仍然高于另外两种填料，再次证明了实施例1提供的复合填料挂膜后的驯化结果确实显著优于另两种填料，此外，根据表4和表5的结果，可以看出，在应用实施例1提供的复合填料进行挂膜时，欧洲亚硝化单胞菌挂膜后的驯化结果要优于亚硝化球菌。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种亚硝化菌挂膜方法，其特征在于，所述挂膜方法包括，将填料浸入亚硝化菌剂中吸附亚硝化菌，然后将吸附有亚硝化菌的填料以50％～80％体积填充率填入挂膜装置中，再对挂膜装置进行亚硝化菌富集成膜；
所述富集的方法包括，挂膜装置每天经过两轮周期性处理，每轮周期性处理依次经过进水、投加菌剂、曝气、沉淀和排水工序；
所述进水工序的进水配方包括硫酸铵0.2～1.5g/L，碳酸氢钠0.5～3.69g/L，氯化钠0.02～0.16g/L，氯化钾0.01～0.07g/L，无水氯化钙0.01～0.07g/L，Na2HPO4·12H2O 0.05～0.37g/L和MgSO4·7H2O 0.04～0.26g/L；
所述曝气工序中pH为6.5～8.6，溶氧量不低于2mg/L；
富集完成后，还包括驯化工序，所述驯化工序的方法包括，于25～30℃条件下，以0.5～1.2L/h的流速通入含有氨氮的水，所述含有氨氮的水中氨氮浓度为250mg/L；
所述含有氨氮的水的流速由低到高逐渐提高，每次步长为0.1L/h，每次提高流速后，出水氨氮浓度不高于5mg/L后，再提高流速；
所述填料按照质量份包括，1～5份活性炭，50～60份圆形骨架和50～60份醛化纤维；所述圆形骨架直径为100～200mm、相邻圆形骨架之间间距为20～40mm，所述醛化纤维固定于圆形骨架上，所述活性炭均匀吸附于醛化纤维上和圆形骨架表面；
所述活性炭为椰壳质活性炭。
2.根据权利要求1所述的挂膜方法，其特征在于，所述进水工序的进水配方包括硫酸铵1.062g/L，碳酸氢钠2.6371g/L，氯化钠0.1153g/L，氯化钾0.0534g/L，无水氯化钙0.0536g/L，Na2HPO4·12H2O 0.2611g/L和MgSO4·7H2O 0.189g/L。
3.根据权利要求1所述的挂膜方法，其特征在于，所述圆形骨架的材质选自聚苯硫醚或聚乙烯。
4.根据权利要求1所述的挂膜方法，其特征在于，所述活性炭粒径为100～400目。
5.根据权利要求1所述的挂膜方法，其特征在于，所述亚硝化菌为欧洲亚硝酸单胞菌或亚硝化球菌。
6.采用权利要求1～5任一项所述挂膜方法得到的覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置。
7.权利要求6所述的覆盖亚硝化菌膜的挂膜装置在生物脱氮过程中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述生物脱氮过程应用于水体净化过程。
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