一种在序批式反应器中使用小球藻短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化污泥深度脱氮的方法

本发明在序批式反应器中使用小球藻短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化污泥深度脱氮的方法，涉及一种使用联合生物协同处理废水的方法与装置，属于高浓度氨氮废水处理的。

背景技术：

1、随着经济的发展，养殖废水，垃圾渗滤液等具有高氨氮些污染物污染环境并导致水生态系统的不良变化，对人类健康和环境中的其他生物造成灾难性影响。由电能消耗、药剂使用和温室气体产生所引起的碳排放是污水处理厂碳排放的重要来源。短程硝化是在较少溶解氧条件下，氨氮转化为亚硝态氮；在缺氧条件下，亚硝态氮反硝化为氮气，从而实现脱氮。参与短程硝化的硝化细菌分为氨氧化菌(aob)和亚硝酸盐氧化菌(nob)两个菌群，aob可将氨氮氧化为为亚硝酸根，与传统的生物脱氮过程相比，短程硝化节省40％的碳源和25％的曝气量。因此，短程硝化反硝化可以去除高效去除氮，同时降低污泥产量和能耗。

2、藻类固定了全球50％的碳，为减少温室气体的排放做出了重要贡献。藻还可以进行氮的利用与固定，帮助维持水体的氮平衡。而藻类中的小球藻对极端环境的适应力极强。传统脱氮工艺曝气系统往往需要消耗电能，而小球藻提供的氧气则可以替代曝气系统产生的氧气，用于曝气机产氧的电能则可以被节省。藻类通过对氮的吸收来维持生命活动，提高自身生物量以及释放氧气，也可以产生易于被吸收和降解。除此之外，硝化细菌吸收水体溶解氧诱导污水中的氨氮变成亚硝酸根和硝酸根，反硝化菌发挥作用将其变成氮气。

3、然而，关于短程硝化细菌和小球藻共生系统处理高浓度氨氮废水的研究较少，两种生物在高氨氮环境下实现高效生长和生物量积累以去除水中氮仍需探究。尽管短程硝化污泥已经经过了驯化，但如果不给予曝气，其硝化功能有可能下降，且仅依靠藻类同化易出现水体富营养化。污水生物处理技术发展至今已相对较为成熟，且在高氮氮废水处理中得到了广泛应用，但处理效率仍以可以提高。因此，开发具有减污降碳双重优势的污水生物处理技术和方法，对于污水处理厂的低碳高效运行具有重要意义。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种小球藻短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化污泥深度脱氮的方法。

2、本发明所采用的技术方案为使用依靠光照生长的小球藻驯化硝化污泥颗粒处理高氨氮废水，并根据相应的技术路线设计相匹配的废水处理装置，从而达到经济、高效去除含高浓度污水的目的。

3、本发明以早期垃圾渗滤液作为处理对象，为实现经济高效的除碳脱氮脱硫，对其中短程硝化和厌氧氨氧化的影响及控制因素进行深入研究。

4、本发明为使用菌藻共生系统处理高氨氮的低碳氮比污水提供了一种经济与高效的方案。

5、本发明的技术方案：

6、本发明设计的小球藻短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化污泥深度脱氮的装置，其特征在于：

7、包括进水水箱(i)、光照培养箱(ⅱ)、sbr(ⅲ)、出水水箱(iv)串联组成整个处理装置；

8、进水水箱:潜水搅拌机(1)用于搅拌即将被处理的污水，使其达到均质。在进水水箱和sbr反应器之间有进水调节阀(2)进水水水箱出水管(3)和sbr进水泵(4)。

9、光照培养箱ⅱ:箱体内部有光照培养箱顶部灯(5)和led灯管(28)，在箱体背面有两个通风口(8)，承接板(12)，散热孔辅助散热(13)。位于箱体上方，有一块液晶显示屏(14)，上面有各类箱体内的环境参数，仪器最大程度模拟所需环境。这些设定包括温度测量值(15)，湿度测量值(16)，光照强度值(17),单周期设定时间(18)温度设定值(19)湿度设定值为0(20)，灯光开闭按钮(21)，锁定(22)，设定(23)，模式切换(24)，设定值下调钮(25)，设定值上调钮(26)，反应启闭钮(27)。

10、iii-sbr:sbr上端包括机械搅拌器(6)，sbr进水阀门(7)，且由有机玻璃制成，不与外界环境接触。sbr侧壁有第一排水口(9)，第二排水口(10)和第三排水口(11)，ph和do监测仪(29)通过盖顶小孔接触水体，设备上的显示屏会显示ph和溶解氧的值。

11、出水水箱iv：出水系统由蠕动泵(30)，出水管(31)和出水箱排水口(32)构成。出水水箱用于收集sbr排出的污水，且每次从这里取样。出水箱排水口(32)用于装满水的出水水箱排水。

12、在进行上述步骤之前，需要完成对装置中菌藻颗粒污泥的初步培养。

13、本发明设计的使用sbr-光照培养箱联合处理高氨氮废水的步骤，其特征在于：

14、进水水箱水进水为模拟高氨氮低碳氮比废水，不同组成物质浓度为191mg/lnh4cl，141mg/l葡萄糖，44mg/l kh2po4,5.6mg/l cacl2·2h2o，75mg/l mgso4·7h2o，50mg/lkhco3，微量元素i1ml/l(edta 5000mg/l and feso4 5000mg/l),微量元素ii 1ml/l(edta1000mg/l,h3bo4 14mg/l,mncl2·4h2o 990mg/l,cuso4·5h2o 250mg/l,znso4·7h2o 430mg/l,nicl2·6h2o 190mg/l,namoo4·2h2o 220mg/l)。进水ph控制在8.0-8.5之间。通过潜水搅拌机(1)进行搅拌、混合，使其达到均质。打开进水水箱i出水阀门(2)和sbr进水阀门(7)，将原水通过蠕动泵(4)注入含有菌藻共生活性污泥的sbr反应器内，菌藻颗粒污泥占反应器有效容积的15％-20％，初始混合液悬浮固体(mlss)浓度为5200±50mg/l。

15、iii-sbr进水结束后设定通过sbr的在线ph和溶解氧(do)监测仪(29)实时在线监测ph和do,从而判定反应状态；sbr中进水10分钟，搅拌720分钟，沉淀30分钟，开启sbr机械搅拌器(6)，搅拌器速度控制在每分钟60-80rpm。

16、在开启sbr机械搅拌装置前，需要对光照培养箱ii进行设置。该培养箱拥有两侧led灯(28)和箱体顶部灯(5)都；打开液晶显示屏(14)，设定光照培养箱控制程序；点击设定按钮(23)，通过按下调上(25)和调小(26)按钮，设定光照强度值(17)为1档，为3000lux，点击灯光开闭按钮(21)打开光照，光照培养箱顶部灯(5)和箱壁两侧led灯管(28)均亮起。点击模式切换按钮(24)，将时间设定切换至温度设定界面，设定温度设定值(19)为25度。通风口(8)用于排出sbr产生的气体以及产生的多余热量，散热孔(13)辅助散热，使箱体温度温度维持在25度。完成温度，光照强度的设定后，点击培养箱反应启闭钮(27)重启，使光照培养箱开始运转。将sbr反应器放在承接板(12)上，开启sbr机械搅拌器(6)，开始sbr运行的第一个周期。

17、在每个周期的最后一道工序沉淀结束后，开启sbr第二排水口(10),启动中出水桶进水泵(30),将上清液通过sbr出水管(31)泵入出水桶iv，每个周期结束后在此处取样，然后对其中水质指标进行分析监测。

18、对sbr中菌藻颗粒污泥的培养和接种包括以下步骤：

19、将从淡水湖采集的小球藻与取自污水厂ao池后二沉池的活性污泥进行混合，于实验室装有50-200mg/l氯化铵高氨氮浓度污水的锥形瓶中进行培养，以期实现将具有沉降能力的藻类与普通活性污泥混合。将上述放入摇床中以60-80rpm培养两个星期，洗去没有与活性污泥结合的悬浮态菌藻颗粒5-7次，每一次沉降30-50分钟，直至上清液和污泥层有了清晰的界面。如果完成全部清洗过程后，上清液仍有浑浊，则应重复一次。

20、用于联合培养的短程硝化反硝化与厌氧氨氧化活性污泥已经用于处理低碳氮比(2.5：1-3:1)渗滤液30天，以期将短程硝化细菌、反硝化细菌与厌氧氨氧化细菌富集，污泥浓度为4000±50mg/l。

21、与现有技术相比，本发明具有以下技术效果:

22、本技术通过藻类和细菌联合分解低碳氮比高氨氮废水中无机营养物，在不用曝气的情况下实现了总氮的去除，也实现了氨氮的高效去除，氨氮、总氮的去除率可分别达到99.76％，98.08％。

23、微藻可吸收污水中的氮将其转化成生物量，并通过光合作用释放o2和有机物，来满足大多数需氧细菌的生长需求，细菌通过呼吸作用矿化藻类产生的有机物及污水中的有机物并产生co2，供给藻类作为光合作用的原料。藻类通过同化消耗氮以帮助维持氮的固定。反应器溶解氧控制在在0.4mg/l-0.5mg/l，ph控制在7.5-8.5的范围内，硝化细菌将氨氮转化为亚硝和硝酸根。之后反硝化菌发挥作用，将亚硝酸根和硝酸根反硝化为氮气，以除去水中氨氮。

24、菌藻共生系统通过这些机制实现了一种内在的生态平衡，有效地利用和循环营养物质，减少了外部营养输入，降低了发生富营养化的风险。

25、sbr第一个运行周期结束后，菌藻颗粒污泥处于需要营养物状态，单位重量的共生污泥具有很大的吸附表面积，当进入下个运行期的进水期时，活性污泥便可以充分发挥初始吸附去除作用，进而完成序批式菌藻共生系统对于低碳氮比高氨氮浓度污水处理。

26、在开启sbr机械搅拌装置前，对光照培养箱ii进行设置；该培养箱拥有两侧led灯(28)和箱体顶部灯(5)都；打开液晶显示屏(14)，设定光照培养箱控制程序；点击设定按钮(23)，通过按下调上(25)和调小(26)按钮，设定光照强度值(17)为1档，为3000lux，点击灯光开闭按钮(21)打开光照，光照培养箱顶部灯(5)和箱壁两侧led灯管(28)均亮起；点击模式切换按钮(24)，将时间设定切换至温度设定界面，设定温度设定值(19)为25℃；通风口(8)用于排出sbr产生的气体以及产生的多余热量，散热孔(13)辅助散热，使箱体温度温度维持在25℃；完成温度和光照强度的设定后，点击培养箱反应启闭钮(27)重启，使光照培养箱开始运转；将sbr反应器放在承接板(12)上，开启sbr机械搅拌器(6)，开始sbr运行的第一个周期；

27、在每个周期的最后一道工序沉淀结束后，开启sbr第二排水口(10),启动中出水桶进水泵(30),将上清液通过sbr出水管(31)泵入出水桶iv，每个周期结束后在此处取样，然后对其中水质指标进行分析监测；

28、sbr按照“进水-反应-沉淀-排水”的运行方式周期运行。

29、所述菌藻共生活性污泥进行培养和接种包括以下步骤：

30、藻类为小球藻，细胞数为9.39×109～1.01×1010cell/l；

31、用于联合培养的短程硝化反硝化与厌氧氨氧化活性污泥已经用于处理碳氮比为2.5：1-3:1的渗滤液30天，以期将短程硝化细菌、反硝化细菌与厌氧氨氧化细菌富集，污泥浓度为4000±50mg/l；

32、将小球藻与活性污泥放入锥形瓶中，使具有小球藻与短程硝化反硝化与厌氧氨氧化活性污泥充分混合，再向锥形瓶中注入50-200mg/l的高氨氮浓度污水；小球藻和活性污泥的体积比为1：1；将上述锥形瓶放入摇床中以60-80rpm培养两个星期，洗去没有与活性污泥结合的悬浮态菌藻颗粒5-7次，每一次沉降30-50分钟，直至上清液不再有悬浮菌藻颗粒；

33、在倒出上清液的过程中，应确保菌藻颗粒不随水流流失；

34、对sbr反应器每隔3个小时监测ph和do；

35、当培养箱灯光开启，光强3000lux；反应器受到来自两侧和顶部的均匀光照；控制溶解氧为0.4-0.5mg/l；

36、在短程硝化反硝化运行阶段，ph为7.3-8.5；当ph>8.5时，加入盐酸降低ph至8.5以下，当ph<7.3时，加入碳酸氢钠使ph值恢复到7.3-8.5；

37、通过改变光照强度和时间控制小球藻的生理活动来控制反应器中的溶解氧；通过溶解氧测试仪测试，当溶解氧低于0.5mg/l时，通过光照培养箱液晶显示屏增加光照强度到2档，光强为4500lux，以增加藻类的代谢活动，提高反应器内溶解氧浓度。

38、技术原理

39、使用菌藻共生系统实现污水中氮元素去除具有成本效益和可持续性，是一种有前景的技术。而本发明使用小球藻短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化污泥处理高氨氮模拟低碳氮比废水。通过控制溶解氧防止亚硝态氮变成硝态氮，直接以亚硝态氮为电子受体发生反硝化反应，使亚硝态氮变为氮气从而实现氮的去除。同时，未转化的氨氮和亚硝酸盐氮也会发生厌氧氨氧化反应以进一步脱去系统中的氮。菌藻颗粒中的藻也可以通过同化作用进一步提高系统脱氮效能。亚硝氮浓度会抑制藻的生长，光照可以通过抑制亚硝来减少藻类生长的阻力，也可以在一定程度上促进no3--n和no2--n的反硝化。

40、在传统的sbr运行过程中，先曝气通过溶解氧和游离氨的控制实现部分短程硝化产生亚硝酸盐氮的积累。过程中，属水平的好氧的氨氧化菌主要有nitrosomonas,nitrosococcus,nitrosospira,前者在废水的脱氮处理中起到主要作用。氨氧化菌通过一系列的酶和中间产物将氨氮氧化亚硝酸盐，实现氨氮的转化。传统的反硝化过程是指属水平的反硝化细菌主要包括thiobacillus、bacillus，在缺氧情况下以乙酸钠等碳源为电子供体，将硝态氮转化为氮气，而短程反硝化则是使用较少的碳源将亚硝态氮转化为氮气。厌氧氨氧化是一种自养脱氮技术，在厌氧氨氧化菌的作用下，氨氮和亚硝酸盐氮发生厌氧氨氧化反应产生氮气和硝态氮，过程无需消耗氧气和碳源。

41、小球藻通过光合作用吸收二氧化碳可产生氧气和可降解有机物，不仅为氨氧化细菌(aob)和亚硝酸盐氧化细菌(nob)提供了氧气，也促进了自身生物量的生长。小球藻去除氮盐的顺序一般为nh4+-n＞no3--n＞no2--n。小球藻和短程硝化反硝化厌氧氨氧化之间的相互作用可能会加剧铵的同化。可见菌藻共生系统中这两者是相互关联、相互制约的。

42、本发明设计的工艺，与现有技术相比优点在于：

43、(1)硝化细菌的最适宜温度可能在25～45℃，而小球藻将在25-35℃的环境下生长较快。培养箱温度为25℃且不随外界温度的变化而变化，保证藻类和细菌的正常代谢活动。小球藻可通过自身生理活动提供溶解氧给硝化细菌帮助替代曝气机，也可利用细菌产生的二氧化碳维持自身代谢活动从而降低碳排放。

44、(2)采用sbr工艺作为氮去除的主要工艺，充分利用了sbr法工艺简单，节省费用，操作简便，运行方式灵活。理想的推流过程生化反应推动力大、效率高。