一种耐低温自养硝化菌剂的富集及其在废水处理中的应用

技术领域

本发明涉及一种耐低温自养硝化菌剂的富集及其在废水处理中的应用。该菌剂不仅 能在低温条件下（10℃）正常的生长繁殖，同时具有很强的硝化效果。此外，该菌剂针 对普通序批式活性污泥反应器（SBR）在低温条件下的强化效果非常显著。

背景技术

随着我国经济的快速发展，水环境问题日益突出。其中，水体富营养化问题直接与 排入自然水体的氮磷超标有关。目前，针对城镇污水脱氮问题的研究多数集中在经济、 高效的生物处理方法与系统，目前城镇污水处理厂的氨氮出水已基本能够实现达标排 放。

水体生物脱氮一般分为两个步骤完成：（1）通过氨氧化细菌（AOB）的作用，将污 水中的氨态氮转变为亚硝态氮；（2）通过亚硝氮氧化细菌（NOB）的作用，将亚硝态氮 转变为硝态氮。然而，在低温条件下AOB和NOB生长繁殖速率和活性都会大幅降低， 硝化作用的效果很不理想。我国幅员辽阔，绝大多数地区处于温带，一年四季冷暖分 明。因此，在寒冷的冬季，很多污水处理厂的氨氮去除效果低下，出水氨氮浓度很难满 足排放标准。为了避免冬季大量未达标污水的排放，低温条件下氨氮去除的研究迫在眉 睫。

发明内容

本发明旨在提供一种具有耐低温特性的自养硝化菌剂及其在废水处理中的应用。

现有技术中中等以上规模的污水处理厂内都配备有低温实验室，因此在处理合成污 水的普通反应器中都会含有极少量或者微量的耐低温硝化菌，只不过由于含量极低，难 以规模化使用，同时采用普通方法在短时间内无法大量富集。本发明提供一种使其富 集、强化的方法。本方法按照如下步骤进行：（1）自养硝化菌剂的富集：在10℃低温条 件下采用无有机碳高氨氮合成污水驯化和富集耐低温自养硝化菌群；（2）自养硝化菌剂 的快速扩增：通过扩大富集反应器体积、增加富集系统每天氨氮承载量、提高曝气量， 进一步增大耐低温自养硝化菌的数量和比例；（3）普通未强化SBR的搭建：在低温条件 搭建一系列完全相同的SBR，灌注普通污泥，采用与城镇污水COD和氨氮相似的合成污 水运行至出水稳定；（4）菌剂强化和效果优化：根据自养硝化菌剂的硝化能力，分别用 不同剂量对各组反应器进行强化，同时优化强化运行参数，得到最佳强化效果。

本发明同时提供一种利用上述自养硝化菌剂在废水处理中的应用，（1）选择适当体 积的SBR，初始加入约3000mg/L的取自污水处理厂的普通污泥，在10℃低温条件下运 行至稳定；（2）加入一定剂量的耐低温自养硝化菌剂；（3）系统的运行周期为6h，控制 系统内的DO、温度和pH值，同时全程对于进水和出水的COD，NH₄-N，NO₂-N，NH₃- N和DO进行监测。

其中所述的自养硝化菌剂的一次性投加量为0.04～0.6g菌剂/L工作体积。

其优选的，系统的运行周期为进水0.5h，厌氧段1.0h，好氧段3.5h，静置0.9h， 出水0.1h。系统内的DO为0.3-0.5（厌氧段）和6.0-8.0（好氧段）、温度为10℃、pH值 为7.0-8.0。

本发明耐低温自养硝化菌剂的获得，不仅使得冬季污水处理厂的氨氮出水超标问题 得以解决，还具有以下的优势：

（1）该菌剂在低温条件下硝化效果十分优异，最高硝化比降解速率可达8.85mg  NH₄-N/(g SS·h)，超出一般文献中耐低温纯菌和菌剂的硝化效果。

（2）该菌剂完全无需有机碳源，对低COD的城镇污水有较大优势。同时能在低温 条件下去除高氨氮污水，去除率可达99%以上。

（3）该菌剂在强化过程中投加剂量较小，最低可达0.04g菌剂/L工作体积。同时发 挥强化作用的时间迅速，最快仅需2天即可实现99%以上污水氨氮脱除。

（4）采用本发明在低温条件下对普通SBR进行强化，无需往复投加，具有一次性投 加即可稳定保持良好效果。

（5）本发明适用于我国冬季期间各种废水的脱氨氮处理，应用前景广阔，具有很好 的社会效益。

下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。本领域的普通技术人员可以理解，实 施例仅仅是举例说明的目的，本发明的范围并不以具体实施方法为限，而是由权利要求 的范围加以限定。

附图说明

附图1低温条件下自养硝化菌剂对于普通SBR强化装置示意图，其中1为进水池， 2为进水泵，3为曝气泵，4为电子计时器，5为气体流量计，6为电磁阀，7-10分别为 1#-4#反应器。

附图2耐低温自养硝化菌剂对氨氮的降解曲线

附图3耐低温自养硝化菌剂在不同剂量下对于普通SBR的低温强化效果

具体实施实例

实施例中各种污染物的监测分析方法参考《水和废水监测分析方法》（第四版，中国 环境科学出版社，2002）。温度和溶解氧通过便携式溶氧测定仪（YSI550A，USA）进行 测定。污泥浓度（MLSS）和挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）根据重量法测定。

实施例中使用的各种单位，统一采用国家标准。

实施实例1：耐低温自养硝化菌剂在低温条件下的富集

以普通低温实验室处理合成污水的序批式活性污泥反应器（取自北大环境工程研究 所低温实验室）中取出的剩余污泥作为种泥在低温条件下进行驯化和富集。由于硝化菌 是自养菌，因而采用无有机碳、高氨氮废水进行富集，以便最大化获得自养硝化菌。整 个驯化和富集的过程分为以下三步：

（1）在5L的SBR中以无有机碳高氨氮合成污水培养富集，曝气量为10L/min，曝 气时间22h，每周期24h，排水率50%；

（2）在25L的SBR中以无有机碳高氨氮合成污水培养富集，曝气量为40L/min， 曝气时间22h，每周期24h，排水率80%；

（3）在50L的SBR中以无有机碳高氨氮合成污水培养富集，曝气量为82L/min， 曝气时间22h，每周期24h，排水率80%；

收集所得到的复合菌剂，其在低温条件下好氧环境中有优秀的硝化速率。

这其中所使用的无有机碳高氨氮合成污水含115-125mg/L NH₄⁺-N，20-24mg/L PO₄^4-- P，不含有机碳源、NO₂^--N和NO₃^--N，使用NaHCO₃作为缓冲剂调节系统的pH。

富集三个阶段的具体参数和最后得到的氨氮比降解速率如表1所示。

表1耐冷自养硝化菌富集三个阶段的效果

a实际降解时间为系统内氨氮完全去除所需的时间。它一般小于每周期的时间长度。

b数值获取于每阶段末期的一个周期。

c氨氮比降解速率的单位为mg NH₄⁺-N/(g悬浮固体·h)。括号内数值（硝化速率）的单位为mg NH₄⁺-N/(L·h)。

由此可见，从阶段1到阶段3，低温污泥的硝化性能稳步上升，氨氮的比降解速率从 4.83mg NH₄⁺-N/(g SS·h)提高到8.85mg NH₄⁺-N/(g SS·h)，说明污泥中耐冷硝化菌的含量 大幅增加，达到了高效富集的目的。

实施实例2：耐低温自养硝化菌剂在低温条件下硝化能力的测定

将一定量实施实例1阶段3富集的耐冷自养硝化菌剂灌注于5L SBR中，使得初始 MLSS约为3000mg/L。加入无有机碳高氨氮合成污水对其低温条件下的硝化能力予以测 定。曝气量控制为10L/min，使得初始DO约为4-5mg/L。每隔1h取样8mL于10mL离 心管中，并测定系统内的DO、温度和pH值。液体样品于8000rpm下离心5min，取上 清液测定NH₄⁺-N，NO₂^--N，NO₃^--N，DO和温度。系统内的pH控制在7.0左右。

实验结果如图2所示。由图可知，低温条件下系统内氨氮的浓度从初始的119mg/L 迅速降低，并于8h后完全除尽。与之相对应，亚硝态氮和硝态氮浓度迅速上升。其中亚 硝态氮浓度的峰值出现在3h，之后全部转化为硝态氮。氨氮转化为硝氮的比例在99%以 上，同时DO从5.0左右上升到12.0左右。由此说明，在低温条件下（环境温度为 10℃），该菌剂耐低温效果显著，同时实现了无有机碳高氨氮废水中铵盐的高效去除。

实施实例3：耐低温自养硝化菌剂对于普通SBR低温强化效果及优化

在电脑控温的低温房内（环境温度为10℃）搭建4个完全相同的5L SBR（1#、 2#、3#和4#反应器），如图1所示。接种的普通污泥取自污水处理厂（2012年9月20 日），使得4个反应器初始MLSS均为3000mg/L。系统的运行周期为6h（进水 0.5h，曝气4h，静置1h，出水0.5h），并于周期末排出50%上清液。使用的合成污 水组成为0.255g/L乙酸钠（200COD），0.191g/L NH₄Cl，0.044g/L KH₂PO₄，0.2g/L  CaCl₂·2H₂O，0.5g/L NaHCO₃。HRT和SRT分别为12h和15天。系统内DO为5.8-7.1 mg/L。正常运行14天后，4个反应器出水稳定并且接近，同时MLSS增长到3500 mg/L。

将R1作为空白对照组，分别在2#到4#反应器中加入3g、0.2g和0.4g的自养 硝化菌剂。启动方式为闷曝24-36h，之后按照原有周期运行。在加入菌剂10天后， 每周期曝气时间减短为3h，每周期变为5h继续运行。目的在于观测降低曝气时间和 提高氨氮负荷对于系统的影响。

在全过程中，每天随机选择一个周期在静置期取样8mL于10mL离心管中，并 于8000rpm下离心5min，取上清液测定NH₄⁺-N，NO₂^--N，NO₃^--N和COD。所得 监测结果如图3所示。由图可知，进水氨氮维持在50mg/L左右。通过初始两周的预 运行，4个反应器的出水氨氮浓度均在20mg/L左右。在加入了不同剂量的耐低温自 养硝化菌剂后，2#至4#有不同程度的强化效果。对于2#，在加入3g菌剂后，通过 24h的闷曝启动，在加入的第二天氨氮出水浓度即有大幅降低，在第三天甚至已经达 到了99%以上。对于3#和4#，由于初始加入量为0.2g和0.4g，在36h的闷曝后氨 氮出水浓度分别降低至10mg/L和6mg/L，效果依旧明显。在之后的运行中，氨氮出 水浓度稳步下降，加入10天后出水浓度为4mg/L和1.5mg/L。当曝气时间降低并提 高氨氮负荷后，2#依旧保持99%以上氨氮去除率。3#和4#也未受影响，在菌剂加入 后的第15天达到了99%的去除率，之后也较好地维持稳定。与之相对应，1#作为空 白对照组，在35天的培养中，氨氮出水浓度均在15mg/L以上，说明普通污水处理 厂污泥在低温条件下具有较差的效果。

由此可见，该自养硝化菌剂在低温条件下对普通SBR强化效果显著。此外，无需 反复投加菌剂，强化后的系统对减少曝气时间和提高氨氮负荷具有很好的抗冲击能 力。