申请日2015.12.30
公开(公告)日2016.03.30
IPC分类号C02F3/34; C02F3/10
摘要
本发明公开了一种污水处理厂硝化菌原位富集与应急投加方法，属于城市污水处理技术领域。本发明方法是在正常运行的活性污泥工艺的曝气池中放置内置有悬浮生物膜载体的富集装置，并测定生物膜载体的硝化活性，当硝化活性满足要求后适时将富集装置整体取出保存;当某故障污水处理厂需要应急恢复硝化功能时，直接吊装和浸没在故障工艺曝气池的中段和/或后段位置使用。本发明方法通过原位培养和富集，可使微生物迅速适应污水处理厂环境，使用的装置灵活、成本低廉，装置和硝化菌可以重复多次使用，提高了效率、节约了成本。
权利要求书
1.一种污水处理厂硝化菌原位富集与应急投加方法，其特征在于，所述方法是在有良好硝化功能的生化反应池好氧段中间或/和偏后位置放置富集装置，其中富集装置内置有悬浮生物膜载体;富集过程中测定生物膜载体的硝化活性，当硝化活性满足要求后适时将富集装置整体取出，置于通风湿润环境中保存或者直接吊装和浸没在故障工艺曝气池的中段和/或后段位置;当故障污水处理厂的硝化功能恢复后，继续在该曝气池中保存和培养硝化菌，或者将装置整体取出保存或运输到其他故障污水处理厂使用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硝化活性满足要求是指单个载体的生物质量M=0.01～0.1g/pc且载体硝化活性A=0.001～0.01gNH3-N/(hr·gSS)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述单个载体的生物量M的计算方法是：将生物膜载体用清水冲淋三次，然后取多个生物膜载体沥干，与未投加的新载体一起烘干至恒重，称量多个有生物膜载体的和无生物膜新载体的质量，根据式(1)计算单个载体上的生物质量M;
M=w1/n1-w2/n2(1)
式中M为单个载体的生物量，单位mgSS/pc;w1为n1个富集生物的载体烘干后的质量，单位g;w2为n2个无生物膜新载体的烘干质量，单位g;
所述载体硝化活性A的计算方法是：在一个完全混合反应容器内，按一定投加率b%加入生物膜载体，投加氨氮并持续曝气，按一定时间间隔ΔT取样和测量氨氮浓度，根据氨氮的降解速率和单个载体生物质量M，采用式(2)计算载体生物膜的活性A;
A=ΔN/(ΔT*b%/V1s*M)(2)
式中A为硝化菌的氨氮降解活性指标，即载体生物膜活性，单位为mgNH3-N/(hr·mgSS)或gNH3-N/(hr·gSS);ΔT为硝化活性实验的持续周期，单位hr;ΔN为实验周期ΔT内反应器内降解的氨氮浓度，单位mgNH3-N/L;ΔN/ΔT即为氨氮的降解速率(或称硝化速率)，单位mgNH3-N/(L·hr);b%为反应器内的载体投加率，按体积计算，无量纲;V1s为单个载体的平均体积，按载体尺寸计算，单位mL/pc;M为单个载体上的平均生物质量，按式(1)计算，单位mgSS/pc。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富集装置的保存，是将装置底部密封，从顶部喷洒含有碳酸氢铵的水溶液;计量泵从底部抽取积存溶液，输送到顶部喷洒;装置侧面开孔保持通风，为硝化菌提供氧气。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富集装置外侧为长方体形导流筒、内侧为圆柱形钢丝网内筒，悬浮生物膜载体置于内筒内;所述长方体形导流筒的顶部与底部装有盖 板，每个侧面开有孔洞，以用于流体循环、观察内部载体、装置的吊装和固定安装;所述圆柱形钢丝网内筒嵌套和固定在外侧导流筒中，钢丝网内筒顶部和底部均开有孔洞，用于放置和取出载体;内筒内部有不锈钢骨架支撑，不锈钢骨架焊接有吊装环，从导流筒的孔洞中伸出，以方便吊装和在曝气池中的固定，并配合实现内筒与外侧导流筒的结合固定。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应急投加还包括根据硝化速率R、载体硝化菌活性A、载体特征参数计算需要投加的载体体积V，然后根据V、载体填充比例、装置容积确定投放装置的个数n。
7.一种污水处理厂硝化菌原位富集与应急投加装置，其特征在于，所述装置包括长方体形导流筒、圆柱形钢丝网内筒，内筒内置有悬浮生物膜载体;所述装置外侧为长方体形导流筒，顶部与底部装有盖板，每个侧面开有孔洞，以用于流体循环、观察内部载体、吊装和固定安装;装置内侧为圆柱形钢丝网内筒，内筒嵌套和固定在外侧导流筒中，钢丝网内筒顶部和底部均开有孔洞，用于放置和取出载体;内筒内部有不锈钢骨架支撑，不锈钢骨架焊接有吊装环，从导流筒的孔洞中伸出，以方便吊装和在曝气池中的固定，并配合实现内筒与外侧导流筒的结合固定。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述长方体形导流筒由轻型材质制成。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置能够上下颠倒使用。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述长方体形导流筒的每个侧面开有两个长条形孔洞，中轴对称，主要用于流体通路和观察内部载体，在两个长条形孔洞中轴线的上下方分别开有一个圆形孔洞，上下对称，主要用于在曝气池中吊装和固定装置;所述圆柱形钢丝网内筒顶部和底部均开一个方形孔，用于放置和取出载体。钢丝网尺寸为1～10目，内部有不锈钢骨架支撑。不锈钢骨架焊接有吊装环，从导流筒的圆形孔洞伸出，主要用于装置的吊装和固定，同时吊装环与圆形孔洞配合实现内筒与外侧导流筒的结合固定。
说明书
一种污水处理厂硝化菌原位富集与应急投加方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理厂硝化菌原位富集与应急投加方法，属于城市污水处理技术领域。
背景技术
我国城市污水处理厂建设迅速，排放标准也日趋严格。一些污水处理厂出现了管理和运行上的不足，普遍存在总氮脱除困难的问题。在导致总氮超标的因素中，氨氮不能有效氧化是重要原因之一。因此，污水处理厂需要有效克服高标准氨氮达标的挑战，实现氨氮有效去除。
污水处理工艺中，氨氮通过氨氧化菌和亚硝化菌(统称为硝化菌)在好氧条件下氧化为亚硝酸盐，并进一步氧化为硝酸盐而得以去除。硝化菌是一类自养型细菌，生长周期长，导致活性污泥中生物量浓度较低，容易从系统中流失。此外，硝化菌的生长条件比较苛刻，低温和有毒有害物质容易对其产生抑制，因此导致硝化菌抵抗外界冲击负荷能力弱。因此，污泥流失、低温抑制和有毒有害物质是硝化功能破坏的三个主要原因。由于上述原因在实际工程运行中往往是突发性的，因此迫切需要应急处理技术。
目前应急处理污水处理厂硝化功能破坏的方法是去除或减弱抑制因素，然后外部投加足量硝化菌恢复硝化过程。已有技术可分为工艺强化、装置培养和纯菌剂生产等三个类型。(1)工艺强化是指在污水处理厂增加构筑物、调整工艺流程来实现硝化菌富集和功能强化，如CN104962505A、CN104150609A、CN201999833U、CN101759295A等专利。这些技术的主要不足是基建投资大、只能在本地原位使用、工艺条件控制困难等。(2)装置培养是指建立特殊的培养装置，连续培养和富集硝化菌，然后投加到污水处理工艺中，基质可以是污水也可以是自配水，如CN104609555A、CN103739059A、CN104611246A、CN101200687A、JP2004097149A等专利。这些技术的主要不足是装置的培养条件与污水处理实际环境差异大，菌剂不能快速有效适应污水处理，投加后快速退化;此外菌剂保存或运输困难等。(3)纯培养是指通过微生物培养工艺生产制剂，然后投加到污水处理工艺中，如CN101973628A、CN103396966A、JPH09294582A等专利。这些技术的不足是培养过程成本高、价格昂贵，菌剂在实际污水环境下的适应性不好，只能一次性投加。
目前富集硝化菌的活性评估与保存运输环节也存在不足。在活性评价方面，现有技术(如JPH08294698A专利)检测条件复杂、仪器和人员条件要求高，不适合工程运行的现场条件。 在保存和运输方面，主要是原位使用避免保存运输，但需要构筑物或在线装置，建设运行成本高;或者制备干燥菌剂保存，在投加前进行复苏，但硝化菌的培养条件苛刻、复苏比例不高，且菌剂一般需要连续投加，成本很高。
综合上述分析，已有技术侧重富集环节但忽视保存运输、基建或培养成本高导致价格昂贵、培养条件与工艺环境差异较大导致菌种易退化等，导致无法满足现有污水处理厂快速恢复硝化功能的需求。因此本发明提出了一种操作灵活、成本低廉且方便保存运输的硝化菌富集和投加装置及方法，并且提出了硝化活性评价、保存运输方法等，可实现工程化应用。
发明内容
针对硝化菌培养周期长、制剂保存困难、应急投加效果欠佳等实际问题，本发明的目的是建立一种使用生物膜载体在活性污泥系统中原位富集和应急投加硝化菌的技术与装置，并提出硝化菌活性的评估指标、运输和保存的措施方法。
本发明的第一个目的是提供一种污水处理厂硝化菌原位富集与应急投加方法，是在正常运行的活性污泥工艺的曝气池好氧段的中间或者偏后位置放置富集装置，其中富集装置内置有悬浮生物膜载体;富集过程中测定生物膜载体的硝化活性，当硝化活性满足要求后适时将富集装置整体取出，置于通风湿润环境中保存，或者当某故障污水处理厂需要应急恢复硝化功能时，直接吊装和浸没在故障工艺曝气池的中段和/或后段位置;当故障污水处理厂的硝化功能恢复后，继续在该曝气池中保存和培养硝化菌，或者将装置整体取出保存或运输到其他故障污水处理厂使用。
所述活性污泥工艺，是污水生物处理的一种方法。该方法利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，在生物反应池内分解去除污水中的有机污染物，然后通过沉淀池分离污泥，并回流到生物反应池，少量排出活性污泥系统。硝化细菌将污水中的氨氮进行硝化反应转换成硝态氮，含硝态氮的污水回流至缺氧池进行反硝化转化为氮气从水中逸出，从而达到污水脱氮的目的。
在本发明的一种实施方式中，所述生物膜载体是一种未挂膜的圆柱形塑料载体，装置内填充率50～80%。
在本发明的一种实施方式中，所述富集装置可以用于生物膜载体富集、保存、运输和投加(图2);所述装置外侧为长方体形导流筒，最好选择轻型材质(如铝合金或者塑料)，顶部和底部装有盖板，每个侧面开有孔洞和固定位置，可上下颠倒使用;装置内侧为圆柱形钢丝网内筒，嵌套和固定在外侧导流筒中，内部有不锈钢骨架支撑和固定。
在本发明的一种实施方式中，所述富集装置是吊装在曝气池中间深度位置。
在本发明的一种实施方式中，所述富集装置外侧为长方体形导流筒、内侧为圆柱形钢丝 网内筒，悬浮生物膜载体置于内筒内;所述长方体形导流筒的顶部与底部装有盖板，每个侧面开有孔洞，以用于流体循环、观察内部载体、装置的吊装和固定安装;所述圆柱形钢丝网内筒嵌套和固定在外侧导流筒中，钢丝网内筒顶部和底部均开有孔洞，用于放置和取出载体;内筒内部有不锈钢骨架支撑，不锈钢骨架焊接有吊装环，从导流筒的孔洞中伸出，以方便吊装和在曝气池中的固定，并配合实现内筒与外侧导流筒的结合固定。
在本发明的一种实施方式中，所述硝化菌原位富集，是在富集装置中投加未挂膜的新载体，置于曝气池沿水流方向的中间位置，浸没在断面中间深度;一般放置1～3个月后，取出载体样品评估硝化菌活性，满足要求后即可整体取出保存;未满足要求则继续放置在曝气池中培养和富集。
在本发明的一种实施方式中，所述硝化活性，是先计算单个载体平均富集微生物的质量M，然后将多个载体投入含有氨氮的小型反应器中(如图3所示)测定单位时间内氨氮浓度的降低值，计算富集硝化菌的活性A;当A满足要求时，生物膜载体富集成熟，可用于保存和运输。
在本发明的一种实施方式中，所述硝化活性满足要求是指单个载体的生物量M=0.01～0.1g/pc且载体活性A=0.001～0.01gNH3-N/(h·gSS)。
在本发明的一种实施方式中，所述单个载体的生物量M的计算方法是：将生物膜载体用清水冲淋三次，然后取多个生物膜载体沥干，与未投加的新载体一起烘干至恒重，称量多个载体的生物膜载体质量w1和新载体的质量w2，根据式(1)计算单个载体上的生物质量M;
M=w1/n1-w2/n2(1)
式中M为单个载体的生物量，单位mgSS/pc;w1为n1个富集生物的载体烘干后的质量，单位g;w2为n2个无生物膜新载体的烘干质量，单位g;
在本发明的一种实施方式中，所述载体活性A的计算方法是：在一个完全混合反应容器内，按一定投加率b%加入生物膜载体，投加氨氮并持续曝气，按一定时间间隔ΔT取样和测量氨氮浓度，计算氨氮的降解速率;根据氨氮的降解速率和载体的生物量M，采用式(2)计算富集硝化菌的活性A;
A=ΔN/(ΔT*b%/V1s*M)(2)
式中A为硝化菌的氨氮降解活性指标，即载体生物膜活性，单位为mgNH3-N/(hr·mgSS)或gNH3-N/(hr·gSS);ΔT为硝化活性实验的持续周期，单位hr;ΔN为实验周期ΔT内反应器内减少的氨氮浓度，单位mg/L;ΔN/ΔT即为氨氮的降解速率(或称硝化速率)，单位mgNH3-N/(L·hr);b%为反应器内的载体投加率，按体积计算，无量纲;V1s为单个载体的平均体积，按载体尺寸计算，单位mL/pc;M为单个载体的平均生物质量，按式(1)计算，单位 mgSS/pc。其中，NH3-N是指氨氮，mgNH3-N/(hr·mgSS)代表的含义是每小时每毫克生物量去除的氨氮，mgSS的SS是悬浮物的意思，pc是载体个数单位(个)。
在本发明的一种实施方式中，所述富集装置(即硝化菌)的保存(如图4所示)，是将装置底部密封，从顶部喷洒含有碳酸氢铵的水溶液;计量泵从底部抽取积存溶液，输送到顶部喷洒;装置侧面开孔保持通风，为硝化菌提供氧气。该保存措施可稳定1～2月内的硝化活性，在运输时，将装置整体吊装，一周内投入使用即可。
在本发明的一种实施方式中，所述应急投加还包括根据硝化速率R、载体硝化菌活性A、载体特征参数计算需要投加的载体体积V，然后根据V、载体填充比例、装置容积确定投放装置的个数n。
在本发明的一种实施方式中，所述确定投放装置的个数n，具体是：
(1)测定载体的堆积比p%，堆积比p%表示载体实际体积V1与载体堆积所占容积V2的比例，即V1/V2;V1根据单个载体的体积V1s和数量N计算，V2根据载体在内筒填充堆积后所占高度计算，指实际堆积后所占的体积;
(2)确定投加率d%，投加率d%表示载体实际体积V1占目标反应池容积V0的比例，V0为反应池内液体的总体积;投加率根据所需硝化速率R来计算;
d%=(R/A/M)*(V1s/1000)或：d%=(0.001*R*V1s)/(A*M)(3)
式中R为工艺所需硝化速率，单位mgNH3-N/(L·hr);A为载体的生物活性指标，单位mgNH3-N/(hr·mgSS);M为单个载体的生物量，单位mgSS/pc;V1s为单个载体的体积，单位mL/pc(此处V1s需要换算为L/pc，为保持与前面公式一致，V1s仍采用ml/pc，因此公式中增加了0.001的系数)。
(3)计算投加装置个数(以堆积体积计);投加体积V=V0*d%/p%;求得需要的装置个数n为
n=round(V0*d%/p%/V2)(4)
式中round为进位取整，V0为服务区域容积，单位L;d%为投加率，p%为堆积比，无量纲;V2为装置内载体的堆积体积(等于装置容积乘以载体在装置内填充率)，单位L。
本发明的第二个目的是提供一种污水处理厂硝化菌原位富集与应急投加装置，所述装置包括长方体形导流筒、圆柱形钢丝网内筒，内筒内置有悬浮生物膜载体;所述装置外侧为长方体形导流筒，顶部与底部装有盖板，每个侧面开有孔洞，以用于流体循环、观察内部载体、吊装和固定安装;装置内侧为圆柱形钢丝网内筒，内筒嵌套和固定在外侧导流筒中，钢丝网内筒顶部和底部均开有孔洞，用于放置和取出载体;内筒内部有不锈钢骨架支撑，不锈钢骨架焊接有吊装环，从导流筒的孔洞中伸出，以方便吊装和在曝气池中的固定，并配合实现内 筒与外侧导流筒的结合固定。
在本发明的一种实施方式中，所述长方体形导流筒由轻型材质制成。
在本发明的一种实施方式中，所述装置能够上下颠倒使用。
在本发明的一种实施方式中，所述长方体形导流筒的每个侧面开有两个长条形孔洞，中轴对称，主要用于流体通路和观察内部载体，在两个长条形孔洞中轴线的上下方分别开有一个圆形孔洞，上下对称，主要用于在曝气池中吊装和固定装置;所述圆柱形钢丝网内筒顶部和底部均开一个方形孔，用于放置和取出载体。钢丝网尺寸为1～10目，内部有不锈钢骨架支撑。不锈钢骨架焊接有吊装环，从导流筒的圆形孔洞伸出，主要用于装置的吊装和固定，同时吊装环与圆形孔洞配合实现内筒与外侧导流筒的结合固定。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明采用原位培养和富集的方法，实际处理效果优于硝化菌离线纯培养的技术。这是因为原位培养使微生物能够适应污水处理厂实际工艺环境，群落结构丰富，能够快速适应异位投加的工艺环境条件。
2、本发明采用移动生物膜载体富集硝化菌，在正常运行的活性污泥工艺的曝气池中段放置富集和投加装置，可以充分利用该位置COD浓度较低但氨氮尚未完全降解的环境选择压力，促进硝化菌的富集，效果优于连续培养装置或纯培养投加技术。这是因为富集在载体上的硝化菌具有生物膜保护作用，能够抵抗多种环境恶劣条件。
3、本发明采用模块化的装置设计，使用灵活、成本低廉。一套装置可以完成富集、保存与投加的全部过程，并且可以颠倒或侧放使用，可以很好适应污水处理工艺现场条件。
4、本发明提出了载体的保存措施，在装置上简单处理即可长期维持硝化菌活性，适应远途运输等条件。装置和硝化菌可以重复多次使用，提高了效率、节约了成本。