一种高盐含氮污水处理方法和装置

1.本发明涉及微生物富集技术领域，尤其涉及一种高盐含氮污水处理方法和装置。


背景技术：

2.沿海地区由于距离海洋较近，许多地区正在加速利用海水进行各类市政应用来缓解淡水资源的短缺，因此有大量的高盐废水(cl-》1000mg/l)产生。此外，n元素是检测污水处理效果的重要指标，因此如何低成本的处理高盐含氮污水已成为沿海地区水处理领域的热点。
3.自winogradsky的开创性研究以来，硝化微生物通常被认为是一种特殊的化能自养生物，通过氧化nh
4+
或亚硝酸盐来获得生长能量。已知的氨氧化微生物(aom)和亚硝酸盐氧化菌(nob)在系统发育上并没有密切关系，并且无法同时氧化这两种底物。这两个硝化步骤在不同的生物体中的分离导致了紧密的交叉喂养相互作用，在硝化过程中经常观察到的aom与nob的共同作用。然而，功能分离的硝化过程产生的能量(δg
°′
＝-275kj mol-1
,nh
4-氧化成no
2-以及δg
°′
＝-74kj mol-1
,no
2-氧化成no
3-)少于完全氨氧化过程产生的能量(δg
°′
＝-349kj mol-1
nh3),因此，完全氨氧化细菌(comammox)比aom和nob，更具有生长优势
2.。
4.2015年，daims分离并鉴定了完全硝化细菌的存在，此类细菌以nh
4+
为唯一氮源，以碳酸氢盐为唯一碳源，在10μm条件下仅有少量no
2-生成，并且在所有培养实验中无n元素以气体形式的损失，并进一步推论在实际处理中不会有no
2-生成。进一步实验表明，在comammox处理过程中再加入no
2-不会导致进一步的亚硝酸盐的氧化，在没有nh
4+
的情况下，代谢活性和生物合成过程最终会停滞。
5.candidatus nitrospira，作为comammox的一种，被发现广泛分布于各类污水及饮用水处理系统中，研究发现，comammox广泛存在于亚洲及北美洲的饮用水系统中。此外，在污水厂的活性污泥中也发现了nitrispira的存在，并保持了较高的丰度及多样性。基于基因组的序列研究结果发现，comammox菌具有较高的代谢多样性，并且在某些环境下其丰度高于aob细菌，表明了其在污水处理中的潜力。同时，在含盐水体(如沿海水域，咸水湖沉积物中)也发现了comammox的存在，表明了其对于高盐污水的存在一定耐受力，可以用于对高盐含氮污水的处理。然而，现在对于comammox的研究较少，因此如何在反应器中富集培养并用来处理高盐的含氮污水仍是一个问题。同时，在保持较高的处理效果的前提下，如何降低成本也非常重要。
6.在中国专利申请(cn 109851064 a)《基于软性填料的序批式全程硝化菌富集装置及其方法》中公开了一种用软性填料的序批式反应器富集comammox细菌的方法，反应器主体为圆柱形罐体，罐体内部填充软性填料，反应器底部设置了回流口，通过回流泵使回流液可以不断从反应器底部提升至顶部，从而实现了反应器的内部循环，增加了活性污泥和软性填料的接触，与传统通过搅拌釜搅拌相比，减少了对反应器的扰动，通过ph和温度的控制确保反应器的环境条件最适合全程硝化菌的生长。然而反应器的构造及运行十分繁琐，增
加了一定的成本，并且未表明实际的处理效果。


技术实现要素：

7.鉴于此，本发明提供一种高盐含氮污水处理装置，通过培养和富集完全氨氧化细菌来进行污水处理。
8.根据本发明的一个方面，提供一种高盐含氮污水处理方法，包括：
9.将富集有生物膜的填料加入反应器主体中；
10.利用蠕动泵将高盐含氮污水泵入反应器主体，培养完全氨氧化细菌，持续监测出水中的氨氮和硝态氮浓度的变化，第一阶段每天的水力停留时间为第一预设时间；
11.在污水处理率达到预设值后，通过实时定量pcr技术检测反应器中的完全氨氧化细菌，判断填料是否成功富集完全氨氧化细菌，如果填料成功富集完全氨氧化细菌，则进入第二阶段，将每天的水力停留时间降至第二预设时间。
12.在本发明提供的高盐含氮污水处理方法中，在处理过程中，反应器主体内的温度为20℃，水中溶解氧浓度高于6mg/l，ph值为7.5-8.5。
13.在本发明提供的高盐含氮污水处理方法中，在将富集有生物膜的填料加入反应器主体中之前还包括：将填料在污水厂好氧池中浸泡，对所述填料进行预处理。
14.在本发明提供的高盐含氮污水处理方法中，所述填料的比表面积为≥800m2/m3。
15.在本发明提供的高盐含氮污水处理方法中，第一预设时间为20小时，第二预设时间为2.85小时。
16.根据本发明的另一方面，还一种高盐含氮污水处理装置，包括反应器主体、进水管、出水管、空气泵、曝气装置、ph值检测模块、蠕动泵、溶解氧检测模块和填料，所述进水管一端连接所述反应器主体，另一端连接所述蠕动泵，通过所述蠕动泵控制进水量；所述出水管一端连接于所述反应器主体；所述曝气装置、所述ph值检测模块和所述溶解氧检测模块设置在所述反应器主体的底部，所述空气泵连接于所述曝气装置；所述ph值检测模块用于实时监测所述反应器主体内的液体的ph值；所述溶解氧检测模块用于实时监测所述反应器主体内的液体的溶解氧含量；所述空气泵用于将空气泵入所述反应器，使得所述反应器内的液体的溶解氧含量大于第一预设值；所述填料悬浮在所述反应器主体内；所述填料用于富集全氨氧化细菌以处理所述高盐含氮污水。
17.在本发明提供的高盐含氮污水处理装置中，还包括设置在所述反应器主体顶部的温度计。
18.在本发明提供的高盐含氮污水处理装置中，所述反应器主体的长：宽：深比为1:1:2.5。
19.在本发明提供的高盐含氮污水处理装置中，所述反应器主体内的ph值的范围为7.5-8.5，溶解氧含量大于6mg/l。
20.在本发明提供的高盐含氮污水处理装置中，所述进水管和所述出水管设置在所述反应器主体的相同高度处。
21.本发明的高盐含氮污水处理装置及方法，具有以下有益效果：采用富集生物膜的填料富集完全氨氧化细菌进行污水处理，更能抵抗进水特性的变化，与固定膜反应器相比，堵塞少，无需反冲洗；生物质以载体上的生物膜的形式被保留下来，因此污泥不需要再循
环；结构简单，反应器操作简便，降低了成本，并成功富集完全氨氧化细菌，对于高盐含氮污水具有良好的处理效果。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
23.图1为本发明提供的高盐含氮污水处理装置的立体图；
24.图2是采用不同填料进行污水处理的结果图；
25.图3是不同填料的comammox相对丰度对比图。
具体实施方式
26.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
27.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
28.本发明提供一种高盐含氮污水处理方法，包括：
29.步骤s1、将填料在污水厂好氧池中浸泡，对所述填料进行预处理。
30.具体地，在本发明一实施例中：
31.首先，将填料在污水厂好氧池中浸泡，使comammox附着，使填料上有少量生物膜富集时即可。其中，选择填料的数量时，根据其比表面积不同，所需体积也不同；根据填料的比表面积的不同，计算其所需的数量，每个反应器内的填料表面积为4.5平方米。
32.其次，将填料运至实验室。运输过程中应将填料浸泡于水中，并且在运输过程中，减少晃动等，防止生物膜脱落。在运输过程中，所有载体都需要被浸泡在水中，以保持生物膜的活性。运输和灌装程序在24小时内完成，以尽量减少厌氧环境对硝化生物膜的负面影响。
33.步骤s2、将富集有生物膜的填料加入反应器主体中；
34.具体地，在本发明一实施例中，对取得的填料进行浸泡处理1天至3天，用以冲洗掉填料上残存的污泥，利于生物膜的生长；然后，将冲洗完成的填料加入反应器中，开始时每天进水并保持水力停留时间为20小时，其中，反应器温度为常温(20℃)，通过溶解氧检测模块检测水中溶解氧浓度高于6mg/l，ph保持7.5-8.5。其中，水力停留时间＝反应器体积/进水量。
35.步骤s3、利用蠕动泵将高盐含氮污水泵入反应器主体，培养完全氨氧化细菌，持续监测出水中的氨氮和硝态氮浓度的变化，每天的水力停留时间为第一预设时间。
36.具体地，在本发明一实施例中，蠕动泵会将高盐含氮污水稳定泵入反应器主体中，进水管与出水管高度相同，出水管会以相同速率流出处理完成的低氨氮污水，因此，可以通
过检测出水管的出水流量来确保反应器的稳定进水，同时通过反应器的蠕动泵来控制进水量改变反应器每天的进水量。ph值检测模块实时监测反应器内的ph，保持ph范围7.5-8.5，为反应器创造较好的comammox培养条件。溶解氧检测模块可以实时监测水体中的溶解氧含量，使空气泵可以通过泵入适量空气保证反应器在保持较好的载体循环下溶解氧大于6mg/l。保持连续流进水并持续监测出水中氨氮和硝态氮浓度的变化。
37.步骤s4、在污水处理率达到预设值后，通过实时定量pcr技术检测反应器中的完全氨氧化细菌，判断填料是否成功富集完全氨氧化细菌，如果填料成功富集完全氨氧化细菌，则将每天进水体积增加至第二进水量，并将水力停留时间由第一进水量操作时的20小时减少至约2.85小时。
38.具体地，在本发明一实施例中，当处理率提高到百分之70后提升进水量，直到进水为140l/d。在具有良好的处理率后，通过实时定量pcr技术检测反应器中的comammox，从而确定反应器中comammox在脱氮菌群中所占的比例，如检测到comammox的序列，则表明反应器成功富集comammox。在对comammox细菌进行特异性检测时，所用引物为nino_amoa_19f(5
′‑
ataatcaaagccgccaagttgc-3
′
)和nino_amoa_252r(5
′‑
aacggctgacgataattgacc-3
′
)。进行亲缘关系对比时，所选取的对比序列均来自ncbi，candidatus nitrospira。
39.在本发明中，通过在反应器中成功富集comammox来处理污水，可以在3600mg/l的cl-的浓度的污水中稳定去除nh
4+
，生成的产物中只有少量no
2-，基本转化为no
3-，表明了其较好的处理效果。并且在140l/d，70mg n/l的进水条件下，处理率超过百分之97，表明反应器可以高效的处理高盐含氮污水。同时，运用荧光实时定量pcr系统对反应器内的comammox进行检测，具有较高的准确定及极高的灵敏度，检测较为便捷，成本低，并且可以检测不同的反应器内的相对丰度，更有效地研究comammox的群落结构。
40.图1为本发明提供的高盐含氮污水处理装置的立体图。如图1所示，本发明提供的高盐含氮污水处理装置包括反应器主体、进水管1、出水管4、空气泵9、曝气装置8、ph值检测模块7、温度计2、蠕动泵5、溶解氧检测模块6和填料3，所述进水管一端连接所述反应器主体，另一端连接所述蠕动泵，通过所述蠕动泵控制进水量；所述出水管一端连接于所述反应器主体；所述曝气装置、所述ph值检测模块和所述溶解氧检测模块设置在所述反应器主体的底部，所述空气泵连接于所述曝气装置；所述ph值检测模块用于实时监测所述反应器主体内的液体的ph值；所述溶解氧检测模块用于实时监测所述反应器主体内的液体的溶解氧含量；所述空气泵用于将空气泵入所述反应器，使得所述反应器内的液体的溶解氧含量大于第一预设值；所述填料悬浮在所述反应器主体内；所述填料用于富集完全氨氧化细菌以处理所述高盐含氮污水；温度计2设置在所述反应器主体顶部。
41.在本发明中，反应器主体底部有曝气装置，取消了搅拌装置，减少了运行成本；一定的曝气量可以产生适当的剪切力，保证生物膜厚度的相对稳定，提高其对于进水特性变化的抗性；此外，反应器中不会产生污泥，降低了污泥处理的成本。
42.使用时，蠕动泵5会将高盐含氮污水稳定泵入反应器主体中，进水管4与出水管1高度相同，出水管会以相同速率流出处理完成的低氨氮污水，因此，可以通过检测出水管1的出水流量来确保反应器的稳定进水，同时通过反应器的蠕动泵5来控制进水量改变反应器每天的进水量。ph值检测模块7用以实时监测反应器内的ph，保持ph范围7.5-8.5，为反应器创造较好的comammox培养条件。溶解氧检测模块可以实时监测水体中的溶解氧含量，使空
气泵9可以通过泵入适量空气保证反应器在保持较好的载体循环下溶解氧大于6mg/l。保持连续流进水并持续监测出水中氨氮和硝态氮浓度的变化，当处理率提高到百分之70后提升进水量，直到进水为140l/d。
43.进一步地，在本发明一实施例中，每个反应器主体包含一个长方体反应器，所述反应器主体的长：宽：深比为1:1:2.5。具体地，在一个实施例中，反应器体积为20l，有效截面尺寸为长度为200厘米，宽度为200厘米，反应器内侧水深度为500厘米。
44.进一步地，在本发明一实施例中，所述进水管和所述出水管设置在所述反应器主体的相同高度处，以保持较好的混合效率。
45.实施例一
46.采用比表面积为800m2/m3型填料a进行污水处理。反应器进水由20l/d逐步提高到140l/d，图2表明，在提升到140l/d的进水，70mg n/l的氨氮浓度后，反应器最终达到稳定，氨氮去除率超过97％，并且基本没有亚硝酸盐的积累。通过图3可以发现，反应器中已成功的富集了comammox，且去除效果的好坏与comammox的丰度呈正相关。由图2可知，通过本发明的装置来来富集comammox处理高盐含氮污水，并可以达到稳定的处理效果。
47.实施例二
48.采用比表面积为650m2/m3型填料b进行污水处理。反应器进水由20l/d逐步提高到140l/d，图2表明，在提升到140l/d的进水，70mg n/l的氨氮浓度后，反应器最终达到稳定，氨氮去除率达到90％，存在少量的亚硝酸盐积累。通过图3可以发现，反应器中已成功的富集了comammox，其丰度低于填料a，表明去除效果的好坏与comammox的丰度呈正相关，并且亚硝酸盐的积累量与comammox的丰度呈负相关。
49.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种高盐含氮污水处理方法，其特征在于，包括：将富集有生物膜的填料加入反应器主体中；利用蠕动泵将高盐含氮污水泵入反应器主体，培养完全氨氧化细菌，持续监测出水中的氨氮和硝态氮浓度的变化，第一阶段每天的水力停留时间为第一预设时间；在污水处理率达到预设值后，通过实时定量pcr技术检测反应器中的完全氨氧化细菌，判断填料是否成功富集完全氨氧化细菌，如果填料成功富集完全氨氧化细菌，则进入第二阶段，将每天的水力停留时间降至第二预设时间。2.根据权利要求1所述的高盐含氮污水处理方法，其特征在于，在处理过程中，反应器主体内的温度为20℃，水中溶解氧浓度高于6mg/l，ph值为7.5-8.5。3.根据权利要求1所述的高盐含氮污水处理方法，其特征在于，在将富集有生物膜的填料加入反应器主体中之前还包括：将填料在污水厂好氧池中浸泡，对所述填料进行预处理。4.根据权利要求1所述的高盐含氮污水处理方法，其特征在于，所述填料的比表面积为≥800m2/m3。5.根据权利要求1所述的高盐含氮污水处理方法，其特征在于，第一预设时间为20小时，第二预设时间为2.85小时。6.一种高盐含氮污水处理装置，其特征在于，包括反应器主体、进水管、出水管、空气泵、曝气装置、ph值检测模块、蠕动泵、溶解氧检测模块和填料，所述进水管一端连接所述反应器主体，另一端连接所述蠕动泵，通过所述蠕动泵控制进水量；所述出水管一端连接于所述反应器主体；所述曝气装置、所述ph值检测模块和所述溶解氧检测模块设置在所述反应器主体的底部，所述空气泵连接于所述曝气装置；所述ph值检测模块用于实时监测所述反应器主体内的液体的ph值；所述溶解氧检测模块用于实时监测所述反应器主体内的液体的溶解氧含量；所述空气泵用于将空气泵入所述反应器，使得所述反应器内的液体的溶解氧含量大于第一预设值；所述填料悬浮在所述反应器主体内；所述填料用于富集完全氨氧化细菌以处理所述高盐含氮污水。7.根据权利要求6所述的高盐含氮污水处理装置，其特征在于，还包括设置在所述反应器主体顶部的温度计。8.根据权利要求6所述的高盐含氮污水处理装置，其特征在于，所述反应器主体的长：宽：深比为1:1:2.5。9.根据权利要求6所述的高盐含氮污水处理装置，其特征在于，所述反应器主体内的ph值的范围为7.5-8.5，溶解氧含量大于6mg/l。10.根据权利要求6所述的高盐含氮污水处理装置，其特征在于，所述进水管和所述出水管设置在所述反应器主体的相同高度处。

技术总结
本发明公开了一种高盐含氮污水处理方法，包括：将富集有生物膜的填料加入反应器主体中；利用蠕动泵将高盐含氮污水泵入反应器主体，持续监测出水中的氨氮和硝态氮浓度的变化，第一阶段每天的水力停留时间为第一预设时间；在污水处理率达到预设值后，通过实时定量PCR技术检测反应器中的完全氨氧化细菌，判断填料是否成功富集完全氨氧化细菌，如果填料成功富集完全氨氧化细菌，则进入第二阶段，将每天的水力停留时间降至第二预设时间。本发明结构简单，操作简便，降低了成本，通过富集完全氨氧化细菌对于高盐含氮污水具有良好的处理效果。果。


技术研发人员：吴镝 马浩然 陈光浩
受保护的技术使用者：香港科技大学深圳研究院
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13